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

1. 
   Модели на атома:
   

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).

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%.

2. 
   Квантови числа:
   

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 се 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.

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 направлиния 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 електтронните облаци, които за разлика от s- и p-атомни орбитали може да имат две различин форми.

г) спиново квантово число s – характеризира собствения магнитен момент на електрона и не е свърздано 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 

За схематичното предствяне се използват стрелки и квантови клетки

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.
  

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

2. 
   Принципи и правила за разполагане на електроните по енергетичните поднива.
   

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.

2. 
   Периодичен закон и класификация на химичните елементи:
   

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.

• 
  име и символ на елементите;
  
• 
  атомната маса или моларната маса
  

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.

1 mol 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 всички частици (атоми, молекули или йони).

Така масата на елемента в периодичната система може да се използва както в атомни единици, така и в g/mol. Например атомната маса на елемента Na е AM_Na=23 g/mol, което означава, че 6,022.10²³ атома натрий тежат точно 23 грама.

• 
  електронната конфигурация на елементите в периодичната система:
  

По протежение на всеки период (започвайки от първия), подслоевете 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 подслой определя ширината на всеки блок. Тази регулярност е удобно средство за намиране на електронната конфигурация на всеки един елемент : достатъчно е да се проследят подслоевете 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.

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

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;
  

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 (без група VІІІ) 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. Елементите от група VІІІ имат напълно завършен най-външен електронен слой (р-подслой), поради което обикновено нито приемат нито отдават електрони, поради което са наречени благородни газове.