Квантово-механични представи за строежа на електронната обвивка на атома. Квантови числа



Дата25.11.2017
Размер110.01 Kb.
#35394
Квантово-механични представи за строежа на

електронната обвивка на атома. Квантови числа.
Химичните, физичните, механичните и много други свойства на всяко вещество се определят от неговия състав и строеж. Първостепенно значение за химията има познаването на строежа на атома и по-точно на неговата електронна обвивка, тъй като химичните свойства на веществата в най-голяма степен зависят от този строеж.

  1. Модели на атома:

а) планетарен модел на Ръдърфорд за строежа на атома – атомът се състои от ядро и обикалящи около него електрони. Ядрото е изградено от протони (p) и неутрони (n), които имат еднаква маса и определят масата на атома. Всеки протон има по един положителен електричен товар, а неутроните са електро-неутрални. Тези частици се свързват в ядрото от т.нар. ядрени сили. Електроните (e) обикалят около ядрото подобно на планетите около слънцето. Всеки електрон има отрицателен електричен товар. Броят на електроните в един атом е равен на броя на протоните, така че атомите като цяло са електро-неутрални частици, състоящи се от положително заредено ядро и отрицателно заредена електронна обвивка.

недостатъци: защо електроните не падат върху ядрото? защо движението на заредени частици една спрямо друга поражда между тях допълнително привличане...
б) квантов модел за електронната обвивка на атома – Бор (1913) прилага квантовата теория за светлината на Планк и Айнщайн - светлината има двойствен характер на частици и вълни. Светлината се излъчва на определени порции (кванти или фотони).

Бор формулира следните постулати:

- електроните се движат около ядрото само по точно определени орбитали, наречени стационарни;

- при движението си по тези орбитали електроните не поглъщат и не излъчват енергия;

- електроните поглъщат или излъчват енергия само при преминаването си от една стационарна орбита на друга. При това енергията на погълнатия или излъчения електромагнитен квант е равна на разликата в енергиите на електрона в крайното и началното състояние.

Чрез експерименти е установено, че на електроните са присъщи освен свойства на частици (маса, електричен заряд и др.) и свойства на електромагнитна вълна (например наблюдавани са дифракция и интерференция на електрони).



недостатъци: неприложима за по-сложни от водорода атоми.
Луи дьо Броил предлага вълновите свойства на електрона и на други частици с малка маса да се описват с уравнението:

, където е дължина на вълната на отговарящия на частицата вълнови процес;

m – масата на частицата; v – нейната скорост; h – константа на Планк.

В квантовата механика свойствата на електроните се изучават чрез решаване на уравнение на стояща електромагнитна вълна, в което скоростта на светлината е заменена със скоростта на електрона, а масата му е въведена чрез формулата на Айнщайн за връзка между маса и енергия.

Шрьодингер предлага уравнение, решаването на което води до различни аналитични изрази на функцията, която описва свойствата на електрона. Тази функция се нарича вълнова функция и свързва енергията на електрона с координатите му спрямо атомното ядро.

Друго основно твърдение на квантовата механика е принципът на неопределеността - за тела с малка маса е невъзможно с голяма точност едновременното определяне на тяхното място и скорост. Например в квантовата механика не се говори за орбита, защото това би означавало точно определяне на мястото на електрона. Съгласно квантовата механика е възможно да се определи само вероятността за намиране на електрона в дадена област от пространството.

Понятието орбита се заменя с електронен облак – област от пространството около ядрото на атома, големината и формата на което се намират като се реши уравнението на Шрьодингер. Вероятността да се намери електронът някъде вътре в електронния облак е 90%, а извън него – 10%.




  1. Квантови числа:

а) главно квантово число n – определя енергията и размерите на електронния облак. По-големите стойности на n отговарят на по-голяма енергия и на по-големи размери на електронния облак. Електроните, които имат едно и също главно квантово число, образуват електронен слой (ниво). В зависимост от стойността му електронните слоеве се означават по следния начин:

стойност на n : 1 2 3 4 5 6 7 . . .

означение на слоя : K L M N O P Q . . .

б) орбитално квантово число l - определя формата на електронния облак. Неговите възможни стойности се определят от конкретната стойност на главното квантово число и за слой с главно квантово число n, орбиталното квантово число l може да приема всяка една от стойностите l = 0, 1, 2, . . . , (n-1)

Състоянията на електроните, характеризиращи се с различни стойности на l, се наричат енергетични поднива. Те се означават по следния начин:

стойност на орбиталното квантово число : 0 1 2 3 . . .

означаване на енергетичното подниво: s p d f . . .

Електроните, намиращи се на съответните поднива, се наричат s-електрони, p-електрони, d-електрони и т.н.

За дадена стойност на n поднивата си подреждат според нарастващата енергия по следния начин: s < p < d < f < . . .

Състоянието на електрона в атома, отговарящо на конкретни стойности на n и l , се означава с цифра, съвпадаща със стойността на n и с буква, съответстваща на стойността на l. Например означението 3d се отнася за електроните, за които n = 3 и l = 2 ; казва се, че те се намират на 3d-подниво.

в) магнитно квантово число m – определя пространствената ориентация на електронния облак, енергията и формата на който се определя от стойностите на n и l. Магнитното квантово число може да приема всички стойности на целите числа от –l до +l, включително и 0. На дадена стойност на l отговарят 2l+1 възможности за пространствено разположение на електронния облак.



Атомна орбитала – състояние на електрона, характеризиращо се с определени стойности на n, l и m. Тя представлява конкретна стойност на вълновата функция и характеризира енергетичното състояние на електрона. Атомната орбитала няма нищо общо с понятието орбита. Схематично орбиталата се означава с квадратче, а съответстващите й електрони - със стрелки.

На s-състоянието (l=0) съответства само една стойност на m (m=0) и s-електронният облак може да се разположи в пространството само по един начин. Електронните облаци, отговарящи на p-атомна орбитала (l=1), се характеризират с три различни стойности на m (m= -1 , 0 , +1). Те се разполагат в три взаимноперпендикулярни направления, които се приемат и за направления на трите координатни оси на една правоъгълна координатна система. За електронните облаци, отговарящи на d-атомна орбитала (l=2), са възможни пет различни стойности на m (m = -2 , -1 , 0 , +1 , +2) и съответно пет различни пространствени ориентации на електронните облаци, които за разлика от s- и p-атомни орбитали може да имат две различни форми.

г) спиново квантово число s – характеризира собствения магнитен момент на електрона и не е свързано с движението му около ядрото. Стойностите на s не зависят от стойностите на другите квантови числа и може да бъдат +1/2 и -1/2.




n > l  m 


n

(слой)


l

(под слой)



m

(квантови клетки)



s

(електрони)



брой електрони

в под слой

в слой

1 (K)

0 (1s)

0

+1/2 , -1/2

2

2

2 (L)

0 (2s)

0

+1/2 , -1/2

2

8

1 (2p)

-1

0

+1



+1/2 , -1/2

+1/2 , -1/2

+1/2 , -1/2


6

3 (M)

0 (3s)

0

+1/2 , -1/2

2

18

1 (3p)

-1

0

+1



+1/2 , -1/2

+1/2 , -1/2

+1/2 , -1/2


6

2 (3d)

-2

-1

0



+1

+2


+1/2 , -1/2

+1/2 , -1/2

+1/2 , -1/2

+1/2 , -1/2

+1/2 , -1/2


10

За схематичното представяне се използват стрелки и квантови клетки



Схема на квантови клетки. Електронът е описан чрез орбиталния си спин




  1. Структура на електронната обвивка:

Подреждането на енергетичните нива и поднива се осъществява по нарастваща енергия. Съществуват два начина за определяне на това подреждане:

  • правило на Клечковски – ако запишем символите на поднивата както е показано на фигурата, последователността, по която те се запълват, е подобна на светкавица, започвайки от най-горе:




  • правило на най-малката сума на n + l - енергията на поднивата нараства с нарастване на сумата n + l . Например 3d-поднивото, при което n = 3, l = 2, n+l =5, е с по-висока енергия от 4s, при което n = 4, l = 0, n+l = 4. При една и съща стойност на сумата n+l с по-ниска енергия е това подниво, което с по-малка стойност на n. Например n+l = 5 съществува на три различни енергетични поднива: 3d (при което n = 3, l = 2), 4р (n=4, l = 1) и 5s (n = 5, l = 0). От тях с най-ниска енергия е 3d-поднивото, след него е 4р-, а с най-висока енергия е 5s-подниво.

Следователно енергетичните нива се подреждат по нарастваща енергия по следния начин:

1s < 2s < 2p < 3s < 3p < 4s < 3d < 4p < 5s < 4d < 5p < 6s < 4f < 5d < 6p < 7s < 5f < 6d < 7p.

Подреждането на поднивата може да се представи и графично чрез квантови клетки – едно квадратче съответства на една атомна орбитала.






  1. Принципи и правила за разполагане на електроните по енергетичните поднива.

а) принцип на Паули – в един атом или друга квантовомеханична система не може да има два или повече електрона, състоянието на които да се описва с четири еднакви квантови числа. Следователно на една атомна орбитала, на която отговарят едни и същи стойности на n, l и m, може да се намират най-много два електрона с противоположни спинови числа s. Тези електрони се наричат електронна двойка. От този принцип може да се определи максималният брой електрони, които може да се разположат на едно енергетично ниво по формулата 2n2. Например за n = 5 → 252=50.

б) принцип на минималната енергия – електронът се разполага на тази свободна или частично заета с електрони атомна орбитала, която е с най-ниската енергия.

в) правило на Хунд – на едно енергетично подниво, електроните се разполагат отначало по един на атомна орбитала, а електронните двойки започват да се образуват едва когато на всяка атомна орбитала от поднивото вече се намира по един електрон.


  1. Периодичен закон и периодична система на химичните елементи:

В своята таблицата на елементите Менделеев ги е подредил в ред на нарастване на тяхната атомна маса. Днес знаем, че мястото на един елемент в периодичната система се определя от неговия атомен номер Z, а не от масата му, която може да варира (изотопи). Броят на електроните и на протоните в даден атом съвпада с поредния номер на елемента в периодичната система.
От периодичната система може да се извлече следната информация:

  • име и символ на елементите;

  • атомната маса или молната маса

АМ е приблизително равна на общия брой протони и неутрони.

Атомните маси на елементите са изключително малки (10-2410-23g). Например атомната маса на 1 атом водород е 1,674.10-24g. Следователно е по-практично да има единица, която да дава много по-прости стойности от порядъка на грамове.

В монета от 10 ст. има около 1022 отделни атома, което е повече от звездите на видимата вселена. Затова Lorenzo Avogadro е въвел единицата мол (mol), за да обхване един изключително голям брой атоми.

1mol е броят атоми, които се съдържат точно в 12 g въглерод 12 (с равен брой = 6 протони и неутрони). Въпреки че е определена за въглерода, тази единица е приложима за независимо какъв обект



NA = брой частици в 1 mol = 6,022.1023

Следователно един мол, от която и да е частица (атом, молекула или йон) съдържа точно 6,022.1023 броя от нея.




  • електронната конфигурация на елементите;

Проследявайки таблицата на елементите ред по ред в нарастване на атомния номер, можем да проследим електронната конфигурация на елементите и принципа на Паули. Основното правило за неговата конструкция е връщане в първата колона всеки път за започване на запълването на нов слой.

По протежение на всеки период (започвайки от първия), под слоевете където се настаняват новите електрони са винаги от един и същи тип (s, p, d, f) в дадената колона. Освен това броят на електроните, които може да получи даден под слой определя ширината на всеки блок. Тази регулярност е удобно средство за намиране на електронната конфигурация на всеки един елемент : достатъчно е да се проследят под слоевете започвайки от водорода и следвайки реда на нарастване на атомните номера до избрания елемент.

Пример: Антимонът Sb(Z=51) е третия от р-елементите в 5 период; следователно притежава три електрона на 5р-ниво. Освен това всички нива предхождащи 5р, ред по ред на таблицата, са запълнени. Следователно електронната конфигурация на Sb е:

1s22s22p63s23p64s23d104p65s24d105p3.



Пример:

Елементът Na има пореден номер 11 и маса 23. Определете броя на електроните, на протоните и на неутроните.



e- = 11 p = 11 n = 23-11 = 12

Напишете разпределението на електроните в електронната обвивка на натриевите атоми и на натриевите йони.

Na: 1s22s22p63s1 Na+ : 1s22s22p6

Представете електронната структура на последния (валентния) слой в електронната обвивка на натрия чрез квантови клетки.





  • химичните отнасяния на елементите;

Положението на един елемент в разгънатата таблица на елементите дава прецизна информация за неговите свойства (химични и физични) и за различните видове съединения, които образува.

Всички елементи от s-, d- и f-блока, както и елементите от р-блока под линията B-At са метали - редуктори, които отдават електрони в хода на химичните процеси. Останалите елементи от р-блока са неметали – елементи с голям електронен афинитет и могат и да приемат електрони (окислители). Най-силните редуктори се намират в долния ляв ъгъл на периодичната система (5s, 6s и 7s), докато най-силните окислители (акцептори на електрони) – в горния десен ъгъл.



Периоди и групи:

Вертикалните колони са наречени групи (колони), хоризонталните – периоди. Един елемент и неговото “семейство” (другите членове на групата) са с много подобни свойства т.к. валентният им слой от електронната обвивка е подобен.






Каталог: Home -> Emo -> СЕМЕСТЪР%201 -> материали%20химия -> Химия -> Химия
Химия -> Електрохимични системи. Поляризационни явления. Електролиза. Реакции, протичащи в електрохимичните системи
Химия -> Методи за защита на металите от корозия. Методи за получаване на метални покрития Същност на защитата от корозия
Химия -> Корозия на металите
Химия -> Химична връзка Основни характеристики на ковалентната и йонна химична връзка. Метод на молекулните орбитали. Свързано състояние на два атома
Химия -> Електрохимия. Електродвижещо напрежение. Електроден потенциал Същност на науката “електрохимия”
Химия -> Химични източници на електричен ток. Първични химични източници на електрична енергия. Галванични и горивни елементи
Химия -> N 1 2 3 4 5. Klmnopq орбитално квантово число L


Сподели с приятели:




©obuch.info 2024
отнасят до администрацията

    Начална страница