Многоэлектронные атомы

Рассмотрим, как меняются физико-химические свойства вещества с ростом их порядкового номера z.

z = 1 – атом водорода. Один электрон находится в состоянии с п = 1, энергия электрона равна – 13,6 эВ. Энергия связи равна энергии ионизации 13,6 эВ. Если принять разность потенциалов 13,6 В, то электрон ионизирует атом. 13,6 В - иониза­ционный потенциал.

z = 2 — гелий. Ион гелия Не⁺ - водородоподобный ион. Любое ядро с атомным номе­ром z и одним электроном аналогично атому водорода, в котором сила элек­трического взаимодействия увеличивается в z раз. Энергия определяется формулой:

.

Ионизационный потенциал равен . Если в окрестности Не⁺ поместить второй электрон, то он первона­чально «видит» заряд (z - 1)е. Однако после того, как этот электрон попадает на оболочку с п = 1, он будет «видеть» и заряд ядра z. Если взять среднее, то в среднем электрон «видит» заряд (z- l/2)е. Это эффективный заряд атома ге­лия. Обобщая полученный результат, мы имеем

,

где z_эф - эффективный порядковый номер, он зависит от п и . Тогда ионизационный потенциал гелия (экспериментально найдено, что = 24,6 B). Так как в оболочке п = 1 нет места третьему электрону, гелий химически инертен. Химические силы не в состоянии создать энергию связи 24,6 эВ, чтобы ионизировать атом. Если попытаться образовать отрицательный ион Не^-, то третий электрон расположится на уровне , этот электрон достаточ­но удален от ядра и для него суммарный заряд ядра и остатка равен ну­лю, поэтому третий электрон удерживаться атомом не будет. В связи с этим гелий не образует молекул ни с одним из элементов.

z = 3 - литий. Дважды ионизированный литий Li⁺⁺ имеет водородоподобный спектр, у которого энергия уровней в З² = 9 раз больше, чем у водорода. Спектр однократно ионизированного лития подобен спектру гелия, но . Согласно принципу Паули третий электрон в нейтральном атоме лития должен находиться на оболочке п = 2. Для этого электрона z_эф чуть больше 1, поэтому чуть больше, чем

(экспериментально = 5,4 В; z_эф, = 1,25). Второй ионизационный потенциал, соответствующий удалению второ­го электрона равен 5,6 В (т.е. много больше, чем первый). Таким образом, в соединениях Li обнаруживает только валентность +1 (т.е. теряет только один электрон), и никогда не обнаруживает валентность +2 (т.е. не те­ряет два электрона).

В состоянии с п = 2 орбитальное квантовое число принимает два зна­чения: = 0 и = 1. В обоих состояниях энергия электрона должна быть оди­накова (Е_n зависит только от п). Однако в состоянии с = 0 имеет место бо­лее сильная связь, чем в состоянии с = 1. Волновая функция электрона с =0 (с меньшим моментом импульса) концентрируется ближе к ядру по сравне­нию с волновой функцией состояния с = 1 (с большим значением момента импульса). Для электронной волны, сосредоточенной вблизи ядра эффективный порядковый номер z_эф ~ z, для уда­ленной от ядра волны z_эф1. Таким образом, для волны с = 0 z_эф больше, чем для вол­ны с = 1. Это и объясняет зависимость z_эф не только от п, но и от . Этот эффект может вызвать значительные различия в энергиях подоболочек с = 0, - 1, = 2. Действительно, при z = 19 (калий) энергетический уровень п = 4, = 0 располагается ниже уровня п = 3, = 2.

z = 4 - бериллий. Первый ионизационный потенциал выше, чем у Li , = 9,32 В. Второй иони­зационный потенциал ненамного больше, т.к. второй электрон тоже находит­ся на уровне п = 2. Поэтому в соединениях валентность Be равна +2.

z = 5 (В - бор); z = 6 (С - углерод); z = 7 (N - азот); z = 8 (О - ки­слород); z = 9 (F - фтор); z = 10 (Ne - неон). В состоянии п = 2 в атомах В, С, N находятся 3, 4, 5 электронов, их ва­лентности соответственно +3, +4, +5. Все три электрона в атомах бора ведут себя одинаково. Кислород и фтор обнаруживают так называемое электронное сродство (сродство к электрону). Отдельный атом F может приобрести дополнительный электрон и пре­вратиться в стабильный ион F^–. Соответствующая этому электрону волна час­тично «видит» большой эффективный заряд z_эфе, и электрон оказывается свя­занным с энергией 3,6 эВ. Сродство к электрону при образовании состав­ляет 2,2 В. В химических соединениях кислород и азот имеют валентности соответственно -2 и -3. У неона все состояния с п = 2 заняты, т.е. оболочка заполнена. Электронные волны, соответствующие п = 2 частично расположе­ны очень близко к ядру, z_эф ~ 10, ионизационный потенциал поэтому очень высок = 21,6 В. Таким образом, неон, как и гелий, является химически инертным.