С увеличением значений n и ℓ энергия электрона возрастает. Состояния электрона с одинаковым значением энергии называют вырожденными, а число таких состояний- степенью или кратностью вырождения.
Волновая функция при определенных значениях трех квантовых чисел(n,ℓ и mℓ) φnℓmℓ описывает состояние электрона при его орбитальном движении, которое называют атомной орбиталью (АО). Волновую функцию, зависящую от всех четырех квантовых чисел, называют спин-орбиталью.
Каждой АО соответствует область пространства определенного размера, формы и ориентации, равноценная понятию электронного облака. С целью упрощении оба эти понятия отождествляются и, когда говорят о форме АО или об электроне, находящемся на АО, то имеется в виду не сама волновая функция, а только то, что она определяет – форма электронного облака и энергетическое состояние электрона.
Число АО в пределах энергетического подуровня определяется числовым значением магнитного квантового числа (2 ℓ+1). Число АО в пределах всего энергетического уровня равно сумме АО всех его подуровней:
Вероятность обнаружения электрона даже на больших расстояниях от ядра только приближается к нулевому значению, поэтому электронное облако не имеет четких границ. В связи с этим введено понятие граничная поверхность, т.е. поверхность с равной электронной плотностью, ограничивающей объем, который включает 90% заряда и массы электрона. Форма и размер граничной поверхности считаются формой и размером электронного облака.
Графики радиального распределения вероятности нахождения электрона в атоме дают возможность определить форму электронных облаков. S-Электронное облако (ℓ=0) обладает сферической симметрией. р-электронное облако (ℓ=1) имеет осевую симметрию и форму, схожую с объёмной восьмеркой или гантелью. Относительное пространственное положение электронных облаков p-подуровня определяется осями координат, вдоль которых они вытянуты, поэтому для них приняты обозначения: рх , рy , рz; d-электронные облака (ℓ=2) имеют более сложную форму.
Рис. 1. Формы s-, p- и d- электронных облаков (орбиталей)
Последовательное распределение электронов в атоме по мере увеличения значений n и ℓ при данном n выражается электронными формулами или электронными конфигурациями. В первом случае энергетические уровни обозначают цифрами, а подуровни – буквами с верхним индексом, указывающим число электронов. Во втором случае атомные орбитали условно обозначают квантовыми ячейками □ , а электроны – векторами, что дает возможность показать различие в ориентации их спинов: ↑ и ↓ . Так, строение атома фтора выражается электронной формулой 1s2 2s2 2p5 электронной конфигурацией:
2p
↑↓
↑↓
↑
2s
↑↓
1s
↑↓
Так как химическая характеристика элемента определяется прежде всего строением внешнего, а затем предвнешнего электронного слоя, то часто ограничиваются электронными формулами или конфигурациями только этих электронных слоев.
Заполнение АО в многоэлектронных атомах основано на принципе наименьшей энергии, т.е. каждый электрон занимает ту из доступных для него орбиталей, на которой его энергия будет наименьшей.
При заполнении АО действует принцип Паули, который говорит о том, что в атоме не может быть двух электронов, имеющих одинаковый набор значений для всех четырех квантовых чисел. Состояние электронов в атоме должно отличаться значением хотя бы одного квантового числа. Так, если два электрона имеют одинаковые квантовые числа n, ℓи mℓ. т.е. находятся на одной и той же АО, образуя двухэлектронное облако, то они должны отличаться значением четвертого квантового числа mS., поэтому их спины будут антипараллельными ↑↓ .
Принцип Паули определяет емкость (максимальное число электронов) энергетических уровней и подуровней, которая соответственно равна 2n2 и 2(2ℓ+1), т.е. удвоенному числу АО.
Заполнение энергетических подуровней подчиняется правилу Гунда, согласно которому электроны располагаются на вырожденных АО так, чтобы их суммарный спин был бы наибольшим, т.е. заполнение идет сначала только по одному электрону. Примером может быть р-подуровень в атомах бора, углерода и азота:
2s
2p
В
↑↓
↑
2s
2p
C
↑↓
↑
↑
2s
2p
N
↑↓
↑
↑
↑
В атомах элементов кислорода, фтора и неона эти АО последовательно заполняются до двух электронов.
Закономерная последовательность заполнения энергетических уровней и подуровней в атомах с увеличением порядкового номера элемента выражается правилом Клечковского, которое называют также правилом суммы n+ℓ. Согласно этому правилу порядок заполнения определяется возрастанием этой суммы, а при одинаковом ее значении первым заполняется подуровень с меньшим значением n в этой сумме:
Правило Клечковского позволяет заранее предвидеть появление в периодической системе Д. И. Менделеева рядов из d-, а затем из f- элементов, которые вклиниваются между s- и p- элементами того же большого периода. Правило позволяет также предсказать структуру пока еще не существующих периодов.
Пример 1.Составьте электронные формулы атомов элементов с порядковыми номерами 16 и 22. Покажите распределение электронов этих атомов по квантовым (энергетическим) ячейкам.
Решение. Так как число электронов в атоме того или иного элемента равно его порядковому номеру в таблице Д. И. Менделеева, то на основании вышеизложенного для элементов №16 (сера) и №22 (титан) электронные формулы имеют вид
16S 1S2 2S2 2P6 3S2 3P4
22TI 1S2 2S2 2P6 3S2 3P6 4S2 3d2 , а распределение электронов по энергети-ческим ячейкам следующее:
Вологодский государственный технический университет...
Если Вам нужно дополнительный материал на эту тему, или Вы не нашли то, что искали, рекомендуем воспользоваться поиском по нашей базе работ:
Характеристика квантовых чисел
Что будем делать с полученным материалом:
Если этот материал оказался полезным ля Вас, Вы можете сохранить его на свою страничку в социальных сетях:
Тихановская, Г.А.
Химия:учеб. пособие / Г.А. Тихановская, Л.М. Воропай, В.В. Кочетова. – Вологда: ВоГТУ, 2013. - 105 с.
Учебное пособие по курсу «Химия» пред
Основные химические понятия
Химический элемент – вид атомов, характеризующихся одинаковым зарядом ядра.
Атом– наименьшая частица элемента, обладающая его химическими свойствами и нед
СТРОЕНИЕ АТОМА И ПЕРИОДИЧЕСКИЙ ЗАКОН Д.И.МЕНДЕЛЕЕВА
Ядерная модель атома была создана на основе экспериментальных данных по рассеянию α-частиц металлической фольгой (Э. Резерфорд, 1911). Однако эта модель не укладывалась в рамки классической фи
Этапы на пути создания квантовой механики
Принцип неопределенности утверждает принципиальную невозможность одновременного определения с одинаковой степенью точности импульса электрона (р=mv) и его положения в пространстве.
Математ
Элементы квантово-механической теории атома
Основное уравнение квантовой механики – волновое уравнение Шредингера (1926), решениями которого являются так называемые волновые функции φ (пси), характеризующие состояние электрона в атоме.
Некоторые свойства свободных и связанных атомов
Количественным выражением тенденции атома к изменению конфигурации внешнего электронного слоя за счет отдачи или присоединения электронов являются: энергия ионизации (ЕИ) или ионизационн
Ковалентная связь. Метод валентных связей
Метод валентных связей (ВС) рассматривает химическую связь как результат притяжения ядер двух атомов к одной или нескольким общим для них электронным парам. Такая двухэлектронная и двуцентровая (дв
Ионная связь
При полном смещении межъядерной электронной плотности к атому с большей электроотрицательностью длина диполя становится равной длине связи (ℓ=α), и атомы превращаются в положительно и от
Металлическая связь
Существенные сведения относительно природы химической связи в металлах модно получить на основании двух характерных особенностей по сравнению с ковалентными и ионными соединениями. Металлы, во-перв
Водородная связь
Атом водорода, ковалентно связанный с атомом сильно электроотрицательного элемента А, способен к образованию ещё одной связи с другим подобным атомом В. Эту связь называют водородной:
&nbs
Энергетика химических превращений
Химическое превращение есть качественный скачок, при котором исчезают одни вещества и образуются другие. Происходящая при этом перестройка электронных структур атомов, ионов и молекул сопровождаетс
Энтропия
Большинство процессов представляет собой два одновременно происходящих явления: передачу энергии и изменение в упорядоченности расположения частиц друг относительно друга.
Частицам (молеку
Химическая кинетика
Пример 1. При взаимодействии кристаллов хлорида фосфора (V) с парами воды образуется жидкий РОС13 и хлороводород. Реакция сопровождается выделением 111,4 кДж теплоты. На
Скорость химической реакции
Изучение скоростей реакции позволяет выяснить истинный механизм протекания сложных химических превращений. Это в свою очередь создает перспективы для нахождения путей управления химическим процессо
Катализ
Одним из наиболее распространенных в химической практике методов ускорения химических реакций является катализ. В присутствии катализаторов изменяется путь, по которому проходит суммарная реакция,
Константа химического равновесия
Большинство химических реакций обратимы, т.е. протекают одновременно в противоположных направлениях. В тех случаях, когда прямая и обратная реакции идут с одинаковой скоростью, наступает химическое
Принцип Ле Шателье
Состояние химического равновесия сохраняется при данных неизменных условиях любое время. При изменении же условий состояние равновесия нарушается, так как при этом скорости противоположных процессо
ДИСПЕРСНЫЕ СИСТЕМЫ
Дисперсная система – это система из двух (или более) веществ, одно из которых (называемое дисперсной фазой) равномерно распределено в другом (называемом дисперсионной средой).
Различают не
Способы выражения концентрации растворов
Для количественной характеристики растворов используют понятие концентрации:
Концентрация – величина, выражающая относительное содержание данного компонента в системе (смеси, растворе).
Свойства разбавленных растворов
Осмос. Закон Вант-Гоффа. Если между растворителем и раствором поместить полупроницаемую (проницаемую для молекул растворителя) перегородку, то возникает явление осмоса.
Давление пара растворителя над раствором (первый закон Рауля).
Важной физико-химической характеристикой растворов является давление пара, определяющее состояние равновесия между конденсированной и газообразной фазами. Чем выше давление пар, тем больше равновес
Температуры кипения и замерзания растворов (второй закон Рауля).
Понижение давления пара над раствором обуславливает изменение температур кипения и замерзания растворов по отношению к чистому растворителю. Жидкость кипит, когда давление ее насыщенного пара стано
Растворы электролитов
Соли, кислоты, основания в водном растворе диссоциируют, образуя ионы противоположных зарядов. Вследствие этого растворы проводят электрический ток и называются электролитами. Таким образом, электр
Равновесие в гетерогенных системах, произведение растворимости
Примером гетерогенной системы может служить насыщенный раствор труднорастворимого соединения, находящегося в равновесии с твердой фазой. К труднорастворимым веществам относятся многие электроли
Физико-химические свойства растворов электролитов.
Примеры решения задач.
Пример 1. Вычисление кажущейся степени диссоциации сильного электролита.
Вычислить степень диссоциации 0,2 М раствора муравьиной кислоты HC
ГИДРОЛИЗ СОЛЕЙ
Под гидролизом понимают реакции обменного взаимодействия вещества с водой. Гидролиз является частным случаем сольволиза – обменного разложения растворенного вещества и растворителя. Процесс гидроли
ЖЕСТКОСТЬ ВОДЫ
В природной воде содержатся различные по растворимости соли. Если в воде содержится большое количество солей кальция или магния, то такая вода называется жесткой в отличие от мягкой воды, в
ОКИСЛИТЕЛЬНО-ВОССТАНОВИТЕЛЬНЫЕ ПРОЦЕССЫ
Окислительно-восстановительными называют реакции, сопровождаю-щиеся изменением степени окисления атомов, входящих в состав реагирующих веществ. Под степенью окисления (п) понимают условный заряд ат
Электродные потенциалы и электродвижущие силы
Если металлическую пластинку опустить в воду, то катионы металла на ее поверхности гидратируются полярными молекулами воды и переходят в жидкость. При этом электроны, в избытке остающиеся в металле
Электролиз
Пример 1.Какая масса меди выделится на катоде при электролизе раствора CuSO4 в течение 1 ч. при силе тока 4А?
Решение. Согласно законам Фарадея
Кристаллические решетки
Зонке (1879 г.), Чермак, Шенфлис, Федоров (1891 г.) и другие показали геометрически, что все кристаллические формы можно представить как результат распределения точек (мельчайших вещественных част
Диаграммы состояния металлических систем
При изучении свойств сплавов очень большое значение имеют диаграммы состояния, характеризующие состояние сплавов различного состава при разных температурах. Такие диаграммы показывают термодинамич
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Глинка, Н. Л. Общая химия / Н. Л. Глинка; под ред. А. И. Ермакова . - Изд. 30-е, испр. . - М. : Интеграл-Пресс , 2006 . - 727 с.
2. Глинка, Н. Л. Задачи и упражнения по общей химии : уч
; пространственную ориен-тацию электронного облака
Новости и инфо для студентов