 |
Строение электронных оболочек атомов
|
|
|
|
Институт нефти, газа, энергетики и безопасности
Кафедра неорганической химии
Неорганическая химия
Конспект лекций
СТРОЕНИЕ АТОМА
До конца 19 века считалось, что атомы являются неделимыми час-тицами, однако открытие катодных лучей, термоэлектронной эмиссии, фо-тоэффекта, явления радиоактивности, говорило о том, что атом частица сложная. В начале ХХ века появляются первые модели строения атома, которые были предложены Резерфордом, Бором, Зоммерфельдом, однако недостатком всех этих теорий было то, что их авторы пытались применить к микрообъектам законы классической механики, которым они не подчиняют-ся.
Было установлено что атом состоит из ядра и электронной оболочки. Ядро имеет положительный заряд. Величина заряда определяется числом протонов. Каждый протон имеет единичный положительный заряд. Кроме протонов в состав ядра входят электронейтральные частицы - нейтроны. Их общее название - нуклоны.
Число нуклонов называется массовым числом атомов, его обозначают символом А:
А=Z+N
где Z- число протонов, а N- число нейтронов.
Массовое число приблизительно равно массе атома, так как масса электронов незначительна, и ею можно пренебречь. Порядковый номер элемента в таблице Менделеева соответствует числу протонов в ядре (Z), т.е. он соответствует заряду ядра, следовательно разность между массовым числом (А) и его порядковым номером является числом нейтронов (N).
N=A-Z
Для одного и того же элемента атом всегда содержит определённое число протонов, а число нейтронов является различным. Значит один и тот же элемент может иметь разные массовые числа. Атомы, имеющие одинаковое число протонов (Z), но разное число нейтронов (N), называются изотопами.
|
|
|
Массовые числа элементов, указываемые в периодической таблице, яв-ляются средней арифметической величиной масс всех изотопов элементов и поэтому часто имеют дробные значения.
Ядро атома не участвует в химических реакциях. Химические свойства элементов определяются только числом электронов и строением их элект-ронной оболочки.
Современная теория строения атома базируется на законах квантовой механики, одним из важнейших положений которой является представле-ние о двойственной природе быстро движущихся микрообъектов, которые проявляют себя и как частицы, и как волны. Впервые дуализм свойств мик-рочастиц был установлен в 1905 году Энштейном для квантов света, в 1924 году Луи де Бройль распространил эти представления на все микрочастицы, в том числе и на электроны. Математическое выражение уравнения Луи де Бройль имеет вид:
υ = h / mv
Двойственная природа электрона приводит к тому, что его движение не может быть описано определенной траекторией, траектория размывается, возникает «полоса неопределенности» в которой находится электрон, чем точнее мы будем стараться определить его местонахождения, тем меньше узнаем о скорости его движения. Второй закон квантово-волновой теории формулируется следующим образом: Невозможно одновременно с любой заданной точностью определить координаты электрона и его скорость.
Одной из основных характеристик движущегося электрона является волновая функция Y (пси). Сама волновая функция физического смысла не имеет, а |Y| 2 показывает вероятность нахождения электрона в данной точке пространства. Более точным является выражение |Y| 2 dv -это веро-ятность нахождения электрона в элементарном объеме dv, она оценивается уравнением Шреденгера:
НY = ЕY,
где Н – оператор Гамельтона, указывающий на последовательность операций с Y.
|
|
|
Данное уравнение имеет несколько решений, т.е. Y квантуется, однако волновая функция должна удовлетворять ряду условий: она должна быть однозначной, конечной, непрерывной и нормируемой.
В качестве модели состояния электрона в атоме в квантовой механике принято представление об электронном облаке. Пространство вокруг ядра, пребывание электрона в котором составляет 80 % называется атомной орби-талью. Волновая функция, являющаяся решением уравнения Шреденгера есть атомная орбиталь.
Волновая функция Y всегда содержит безразмерные параметры, кото-рые могут принимать ряд целочисленных значений. Эти величины называ-ются квантовыми числами.
n - главное квантовое число, характеризует запас энергии на энергетическом уровне и размеры атомной орбитали. Изменяется от 1 до 7, в электронных формулах обозначается арабскими цифрами;
l – орбитальное квантовое число, характеризует запас энергии на подуровне и форму атомной орбитали. Изменяется от 0 до (n – 1), принимает n значений, в электронных формулах обозначается латинскими буквами s- (l = 0), p- (l =1), d- (l = 2), f (l = 3).
Электроны s-подуровня имеют орбиталь в виде полного шара, р-подуровня в виде объемной восьмерки, а d-подуровня имеют две формы орбиталей: веретена и розетки, у f-электронов орбитали имеют более сложную форму.
m – магнитное квантовое число, показывает число ориентаций атомных орбиталей в пространстве. Изменяется от –l до + l через 0, принимает
(2l + 1) значений. Так шарообразная s-орбиталь может иметь только одну ориентацию, а р - три ориентации, d –пять, f – семь.
Отсюда следует, что s - подуровень состоит из одной орбитали, р-подуровень – из трех орбиталей, d – из пяти орбиталей, f – подуровень из семи орбиталей.
s – спиновое квантовое число показывает направление вращения электрона вокруг своей оси, принимает два значения, равные + 1/ 2.
СТРОЕНИЕ ЭЛЕКТРОННЫХ ОБОЛОЧЕК АТОМОВ
Состояние электрона в многоэлектронных атомах всегда отвечает закону, сформулированному Паули: в атоме не может быть даже двух электронов, обладающих одинаковым набором всех четырех квантовых чисел. Это говорит о том, что на атомной орбитале может находится не более двух электронов.
Электронная оболочка имеет упорядоченное строение. Она состоит из электронных уровней (слоев), число которых равно номеру периода. В соответствии с принципом Паули максимальное число электронов на энергетическом уровне равно 2n2.
|
|
|
Каждый уровень, кроме первого, делится на подуровни. Число подуровней равно номеру уровня, максимальное число электронов на подуровне-2(2l +1).
Чем выше расположен уровень, тем больше энергия его электронов.
Наименьшей энергией обладают электроны первого уровня а наибольшей -внешнего уровня. Наиболее устойчиво состояние атома, в котором электроны имеют наименьшую энергию.
Заполнение электронной оболочки происходит в соответствии с тремя правилами:
1. Заполнение электронной оболочки происходит в порядке возрастания энергии уровней (принцип наименьших энергий).
2. Заполнение подуровней происходит в соответствии с правилом Клечковского:
- электроны заполняют тот подуровень для которого сумма значений главного и орбитального квантовых числе наименьшая;
- если сумма значений главного и орбитального квантовых чисел одинакова, то электроны заполняют тот подуровень для которого меньше значение главного квантового числа.
Отсюда следует следующий порядок заполнения уровней и подуровней: 1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p 5s 4d 5p 6s 4f 5d 6p 7s 5f 6d 7p
3. Порядок заполнения атомных орбиталей происходит в соответствии с правилом Хунда: электроны заполняют атомные орбитали таким образом чтобы спин был максимальным.
Например:
+15 Р 1s2 2s2 2p6 3s2 3p3
+25 Mn 1s2 2s2 2p6 3s2 3p3 3d5 4s2
Приведённые формулы называются полными электронными формулами элемента. В зависимости от того электроны какого подуровня заполняются у данного элемента, они делятся на s-,p-,d-, f- элементы.
К s-элементам относятся элементы главных подгрупп первой и второй групп, р-элементы - это элементы главных подгрупп всех остальных групп. К d-элементам относятся элементы побочных подгрупп, а к f-элементам - лантаноиды и актиноиды.
Обычно используют сокращённые электронные формулы, содержащие только электроны валентного уровня, число которых равно номеру группы. (для элементов главных подгрупп валентными являются электроны последнего энергетического уровня, для элементов побочных подгрупп последнего s и предпоследнего d).
|
|
|
Эти формулы используют для определения валентных возможностей атома. Их легко составить, зная период и группу атома. Например, бром-это элемент четвертого периода седьмой группы главной подгруппы, поэтому его сокращенная электронная формула: +35Вr...4s2 4p 5; ванадий элемент четвертого периода пятой группы побочной подгрупп: +23V …3d3 4s2
2. Электронно-графические формулы
Эти схемы используют для определения валентных возможностей
атома. Уровни и подуровни должны располагаться в соответствии с их энергией: чем выше подуровень, тем выше его располагают. Орбитали изоб-ражают квадратиком или черточкой.
Например: Е 3d
17Cl...3s2 3p5
3p
3s
|
|
|
