Квантовые числа

Квантовое число n – главное. Оно определяет энергию электрона в атоме водорода и одноэлектронных системах (He+, Li2+ и т. д.). В этом случае энергия электрона

где n принимает значения от 1 до ∞. Чем меньше n, тем больше энергия взаимодействия электрона с ядром. При n = 1 атом водорода находится в основном состоянии, при n > 1 – в возбужденном.

В многоэлектронных атомах электроны с одинаковыми значениями n образуют слой или уровень, обозначаемый буквами K, L, M, N, O, P и Q. Буква K соответствует первому уровню, L – второму и т. д.

Орбитальное квантовое число l характеризует форму орбиталей и принимает значения от 0 до n – 1. Кроме числовых l имеет буквенные обозначения

l = 0 1 2 3 4
l = s p d f g

Электроны с одинаковым значением l образуют подуровень.

Квантовое число l определяет квантование орбитального момента количества движения электрона в сферически симметричном кулоновском поле ядра.

Квантовое число ml называют магнитным. Оно определяет пространственное расположение атомной орбитали и принимает целые значения от –l до +l через нуль, то есть 2l + 1 значений. Расположение орбитали характеризуется значением проекции вектора орбитального момента количества движения Mz на какую-либо ось координат (обычно ось z):

Все вышесказанное можно представить таблицей:

Орбитали одного подуровня (l = const) имеют одинаковую энергию.

Такое состояние называют вырожденным по энергии. Так p-орбиталь – трехкратно, d – пятикратно, а f – семикратно вырождены.

Граничные поверхности s-, p-, d-, f- орбиталей показаны на рис. 2.1.

s-Орбитали сферически симметричны для любого n и отличаются друг от друга только размером сферы. Их максимально симметричная форма обусловлена тем, что при l = 0 и μl = 0.

p-Орбитали существуют при n ≥ 2 и l = 1, поэтому возможны три варианта ориентации в пространстве: ml = –1, 0, +1. Все p-орбитали обладают узловой плоскостью, делящей орбиталь на две области, поэтому граничные поверхности имеют форму гантелей, ориентированных в пространстве под углом 90° друг относительно друга. Осями симметрии для них являются координатные оси, которые обозначаются px, py, pz.

d-Орбитали определяются квантовым числом l = 2 (n ≥ 3), при котором ml = –2, –1, 0, +1, +2, то есть характеризуются пятью вариантами ориентации в пространстве. d-Орбитали, ориентированные лопастями по осям координат, обозначаются dz² и dx²–y², а ориентированные лопастями по биссектрисам координатных углов – dxy, dyz, dxz.

Семь f-орбиталей, соответствующих l = 3 (n ≥ 4), изображаются в виде граничных поверхностей, приведенных на рис. 2.1.

Квантовые числа n, l и ml не полностью характеризуют состояние электрона в атоме. Экспериментально установленно, что электрон имеет еще одно свойство – спин. Упрощенно спин можно представить как вращение электрона вокруг собственной оси. Спиновое квантовое число ms имеет только два значения ms = ±1/2, представляющие собой две проекции углового момента электрона на выделенную ось. Электроны с разными ms обозначаются стрелками, направленными вверх и вниз .

В многоэлектронных атомах, как и в атоме водорода, состояние электрона определяется значениями тех же четырех квантовых чисел, однако в этом случае электрон находится не только в поле ядра, но и в поле других электронов. Поэтому энергия в многоэлектронных атомах определяется не только главным, но и орбитальным квантовым числом, а вернее их суммой: энергия атомных орбиталей возрастает по мере увеличения суммы n + l; при одинаковой сумме сначала заполняется уровень с меньшим n и большим l. Энергия атомных орбиталей возрастает согласно ряду

Итак, четыре квантовых числа описывают состояние электрона в атоме и характеризуют энергию электрона, его спин, форму электронного облака и его ориентацию в пространстве. При переходе атома из одного состояния в другое происходит перестройка электронного облака, то есть изменяются значения квантовых чисел, что сопровождается поглощением или испусканием атомом квантов энергии.

Квантовые числа элементов.

Состояние каждого электрона в атоме характеризуется 4 квантовыми числами:

а) Главное квантовое число n — определяет число уровней в атоме и совпадает с номером периода, в котором находится элемент.

Например: n = 2, значит в атоме две оболочки с электронами, следовательно, элемент находится во втором периоде.

Главное квантовое число n — определяет общий запас энергии электрона и его расстояние от ядра. Чем дальше электрон удален от атома, тем больше запас энергии. При n = 1 энергия электрона минимальна.

n = 1 К – уровень

n = 2 L – уровень

n = 3 M – уровень

n = 4 N – уровень

n = 5 O – уровень

n = 6 Р – уровень

n = 7 Q – уровень

б) Побочное квантовое число l -определяет форму электронного облака. Его значение на 1 меньше, чем у главного квантового числа.

По значению побочного квантового числа определяются подуровни.

Например: если n = 1 l = 0, то это s — подуровень

n = 2 l = 0,1, то это s,р — подуровни

n = 3 l = 0,1,2, то это s,р,d — подуровни

n = 4 l = 0,1,2,3 то это s,р,d,f — подуровни

в) Магнитное квантовое число m –определяет направление вытянутости электронного облака в магнитном поле. Это векторная величина имеет положительные и отрицательные значения в пределах побочного квантового числа.

Например: l = 0, m = 0, то это s – подуровень — одна ячейка

l = 1, m = –1, 0,+1 р – подуровнь — 3 ячейки

l = 2, m = –2, –1, 0,+1,+2 d – подуровнь — 5 ячеек

г) Квантовое спиновое число Sопределяет направление вращения электрона вокруг собственной оси. Если S = + 1/2, то электрон вращается вокруг собственной оси по часовой стрелке и условно обозначается .

Если S = – 1/2, то электрон вращается вокруг собственной оси против часовой стрелки и условно обозначается ↓.

Строение атома и распределение электронов по оболочкам у элементов малых и больших периодов.

В 1913 году ученый-Н. Бор развил квантовую теорию строения атома. В основу теории положил следующие постулаты: электрон может двигаться вокруг ядра атома не по любым орбитам, а по вполне определенным. Число орбит элемента определяется номером периода. Периодов семь, то значит, различают 1,2,3,4,5,6,7 уровни энергии, которые называются квантовыми слоями и обозначаются: К, L, М, N, О, P, Q.


Уровни подразделяются на подуровни, которые обозначаются буквами латинского алфавита s, р, d, f.

Первому энергетическому уровню соответствует s – подуровень, второму уровню – два подуровня: s, р, третьему уровню – три подуровня: s, р, d, четвертому уровню – четыре подуровня: s, р, d, f.

Согласно второму принципу Паули: два электрона могут занять одну и ту же орбиту при условии, что их спины имеют противоположные направления

Согласно принципу Паули:

· первый уровень содержит не более 2 электронов

· второй – не более 8,

· третий – не более 18,

· четвертый – не более 32 электронов

Если в атоме какой-либо уровень окажется незаполненным, то электроны в нем распределяются в соответствии с правилом Хунда:

квантовые ячейки заполняются сначала по одному электрону, а затем по другому с противоположно направленным спином.

а) схема строения атома H +1 )1е

б) графическое изображение электронной оболочки атома элемента водорода

1s
в) электронная формула элемента водорода 1s1

Азот — N заряд ядра +7 )2е )5е 1s2 2s22р3

Кислород – O заряд ядра +8 )2е )6е 1s2 2s22р4

Калий – Кзарядядра +19 )2е )8е )8е )1е 1s2 2s22р63s23p64s1

Контрольные вопросы:

1.Какие предпосылки послужили основой открытия Периодического закона?

2.Как таблица Менделеева структурируется по горизонтали? Какие периоды выделяют в таблице Менделеева?

3.Как таблица Менделеева структурируется по вертикали? Охарактеризуйте главную и побочную подгруппы.

4.Какие из химических элементов в таблице Менделеева связаны с Россией?

5.Охарактеризуйте координаты элемента №33 и №41 в таблице Менделеева

6.Что объединяет элементы главной и побочной подгрупп? Приведите примеры

7.Расположите следующие элементы: фосфор, магний, хлор – в порядке возрастания неметаллических свойств. Расположите эти элементы в порядке возрастания металлических свойств.

8.Расположите следующие элементы: сурьма, фосфор, висмут – в порядке возрастания неметаллических свойств. Расположите эти элементы в порядке возрастания металлических свойств.

9.Расположите следующие элементы: магний, барий, стронций, бериллий – в порядке увеличения радиусов атомов.

Как изменяются металлические св-ва элементов в этом ряду?

10.Напишите электронные формулы следующих атомов: кислорода, магния, фосфора, аргона, ванадия.

Тема.1.3: Строение вещества

Перечень изучаемых вопросов:

1. Ковалентная химическая связь. Механизм образования. Электроотрицательность. Ковалентные полярная и неполярная связи. Молекулярные и атомные кристаллические решетки.

2. Ионная химическая связь. Катионы, их образование из атомов в результате процесса окисления. Анионы, их образование из атомов в результате процесса восстановления. Ионная связь, как связь между катионами и анионами за счет электростатического притяжения.. Ионные кристаллические решетки.

3. Металлическая связь. Металлическая кристаллическая решетка и металлическая химическая связь. Физические свойства металлов.

4. Агрегатные состояния веществ и водородная связь. Твердое, жидкое и газообразное состояния веществ. Переход вещества из одного агрегатного состояния в другое. Водородная связь, ее роль в формировании структур биополимеров.

5. Чистые вещества и смеси.Понятие о смеси веществ. Гомогенные и гетерогенные смеси. Состав смесей: объемная и массовая доли компонентов смеси, массовая доля примесей.

Дисперсные системы.Понятие о дисперсной системе. Дисперсная фаза и дисперсионная среда. Классификация дисперсных систем. Понятие о коллоидных системах.

Ковалентная химическая связь. Механизм образования ковалентной связи (обменный и донорно-акцепторный). Электроотрицательность. Ковалентные полярная и неполярная связи. Кратность ковалентной связи. Молекулярные и атомные кристаллические решетки.

Ковалентная связь образуется в результате перекрывания электронных облаков атомов, сопровождающегося выделением энергии.

Различают несколько механизмов образования ковалентной связи: обменный (равноценный), донорно-акцепторный, дативный.

При использовании обменного механизма образование связи рассматривается как результат спаривания спинов свободных электронов атомов. При этом осуществляется перекрывание двух атомных орбиталей соседних атомов, каждая из которых занята одним электроном. Таким образом, каждый из связываемых атомов выделяет для обобществления пары по электрону, как бы обмениваясь ими.например, при образовании молекулы трифторида бора из атомов три атомные орбитали бора, на каждой из которых имеется по одному электрону, перекрываются с тремя атомными орбиталями трех атомов фтора (на каждой из них также находится по одному неспаренному электрону). В результате спаривания электронов в областях перекрывания соответствующих атомных орбиталей появляется три пары электронов, связывающих атомы в молекулу.

По донорно-акцепторному механизму перекрывается орбиталь с парой электронов одного атома и свободная орбиталь другого атома. В этом случае в области перекрывания также оказывается пара электронов. По донорно-акцепторному механизму происходит, например, присоединение фторид-иона к молекуле трифторида бора. Вакантная р-орбиталь бора (акцептора электронной пары) в молекуле BF3 перекрывается с р-орбиталью иона F−, выступающего в роли донора электронной пары. В образовавшемся ионе − все четыре ковалентные связи бор−фтор равноценны по длине и энергии, несмотря на различие в механизме их образования.

Атомы, внешняя электронная оболочка которых состоит только из s- и р-орбиталей, могут быть либо донорами, либо акцепторами электронной пары. Атомы, у которых внешняя электронная оболочка включает d-орбитали, могут выступать в роли и донора, и акцептора пар электронов. В этом случае рассматривается дативный механизм образования связи. Примером проявления дативного механизма приобразования связи служит взаимодействие двух атомов хлора. Два атома хлора в молекуле Cl2 образуют ковалентную связь по обменному механизму, объединяя свои неспаренные 3р-электроны. Кроме того, происходит перекрывание 3р-орбитали атом Cl-1, на которой имеется пара электронов, и вакантной 3d-орбитали атома Cl-2, а также перекрывание 3р-орбитали атом Cl-2, на которой имеется пара электронов, и вакантной 3d-орбитали атома Cl-1. Действие дативного механизма приводит к увеличению прочности связи. Поэтому молекула Cl2 является более прочной, чем молекула F2, в которой ковалентная связь образуются только по обменному механизму:

Молекулы F2 Cl2 Br2 I2
Энергия связи, кДж/моль

Электроотрицательность (χ) — фундаментальное химическое свойство атома, количественная характеристика способности атома в молекуле притягивать к себе общие электронные пары.

Рекомендуемые страницы:


Воспользуйтесь поиском по сайту:

Состояние электрона, характеризующееся квантовыми числами l = 0, называют s-состоянием (электрон в этом состоянии называют s-электроном), l = 1 — p-состоянием, l = 2 — d-состоянием, l = 3 — f-состоянием и т.д. Значение главного квантового числа указывается перед условным обозначением орбитального квантового числа.

В квантовой механике вводятся правила отбора, ограничивающие число возможных переходов электронов в атоме, связанных с испусканием и поглощением света. Для дипольного излучения электрона, движущегося в центрально-симметричном поле ядра, могут осуществляться только такие переходы, для которых:

1) изменение орбитального квантового числа Δl удовлетворяет условию:

2) изменение магнитного квантового числа Δml удовлетворяет условию:

Электрон обладает собственным неуничтожимым механическим моментом импульса, не связанным с движением электрона в пространстве – спином.Спин электрона (и всех других микрочастиц) — квантовая величина, у нее нет классического аналога; это внутреннее неотъемлемое свойство электрона, подобное его заряду и массе.

Если электрону приписывается собственный механический момент импульса (спин) LS, то ему соответствует собственный магнитный момент . Cпин квантуется по закону:

LS = ћ, где s — спиновое квантовое число.

Проекция спина на направление внешнего магнитного поля, являясь квантованной величиной, определяется выражением, аналогичным

Lsz = ћms, где ms — магнитное спиновое квантовое число; оно может иметь только два значения: ms = ± ½ .

Опытные данные привели к необходимости характеризовать электроны (и микрочастицы вообще) добавочной внутренней степенью свободы. Поэтому для полного описания состояния электрона в атоме необходимо наряду с главным, орбитальным и магнитным квантовыми числами задавать еще магнитное спиновое квантовое число.

Все электроны имеют одинаковые физические свойства — массу, электрический заряд, спин и другие внутренние характеристики (например, квантовые числа). Такие частицы называют тождественными.

Необычные свойства системы одинаковых тождественных частиц проявляются в принципе неразличимости тождественных частиц, согласно которому невозможно экспериментально различить тождественные частицы. Принцип неразличимости тождественных частиц ведет к определенному свойству симметрии волновой функции. Если при перемене частиц местами волновая функция не меняет знака, то она называется cимметричной, если меняет — антисимметричной.

В зависимости от характера симметрии все элементарные частицы и построенные из них системы (атомы, молекулы) делятся на два класса. Частицы с полуцелым спином (электроны, протоны, нейтроны) описываются антисимметричными волновыми функциями и подчиняются статистике Ферми — Дирака; эти частицы называются фермионами. Частицы с нулевым или целочисленным спином (π-мезоны, фотоны) описываются симметричными волновыми функциями и подчиняются статистике Бозе — Эйнштейна; эти частицы называются бозонами. Сложные частицы (атомные ядра), составленные из нечетного числа фермионов, являются фермионами (суммарный спин — полуцелый), а из четного — бозонами (суммарный спин целый).

Принцип Паули:системы фермионов встречаются в природе только в состояниях, описываемых антисимметричными волновыми функциями.

Более просто: в системе одинаковых фермионов любые два из них не могут одновременно находиться в одном и том же состоянии. Отметим, что число однотипных бозонов, находящихся в одном и том же состоянии, не лимитируется.

Напомним, что состояние электрона в атоме однозначно определяется набором четырех квантовых чисел:

Распределение электронов в атоме подчиняется принципу Паули, который может быть использован в его простейшей формулировке: в одном и том же атоме не может быть более одного электрона с одинаковым набором четырех квантовых чисел n, l, ml и ms т. е.

Z(n, l, ml, ms) = 0 или 1

где Z(n, l, ml, ms) — число электронов, находящихся в квантовом состоянии, описываемом набором четырех квантовых чисел: n, l, ml, ms. Таким образом, принцип Паули утверждает, что два электрона, связанные в одном и том же атоме, различаются значениями по крайней мере одного квантового числа.

Квантовому числу n соответствует n2 различных состояний, отличающихся значениями l и ml. Квантовое число ms может принимать лишь два значения (± ½). Поэтому максимальное число электронов, находящихся в состояниях, определяемых данным главным квантовым числом, равно

Распределение электронов в атоме по состояниям:

Добавить комментарий

Закрыть меню