рефераты конспекты курсовые дипломные лекции шпоры

Реферат Курсовая Конспект

Особенности периодической системы элементов

Особенности периодической системы элементов - раздел Ядерная техника, В данной теме мы начнем изучение квантовых закономерностей явлений природы Располагая Химические Элементы В Порядке Возрастания Атомного Веса, Менделеев...

Располагая химические элементы в порядке возрастания атомного веса, Менделееву пришлось отступить от этого исходного принципа и переставить места некоторых элементов, придавая большее значение периодичности химических свойств. Менделееву пришлось ввести понятие порядкового номера элемента , не понимая точного смысла этого числа.

Позднее исследования Резерфорда и Мозли показали, что атомный номер равен заряду ядра, измеренному в единицах элементарного заряда. Порядковый номер равен числу протонов в ядре и числу электронов в нейтральном атоме.

Свойства атома определяются состоянием всей электронной оболочки атома и периодическая повторяемость свойств химических элементов является отражением изменений структуры электронной оболочки атома при увеличении числа электронов.

Поскольку задача многих тел в квантовой механике сложна не менее, чем в классической, то отыскание точной волновой функции, описывающей состояние всех электронов в атоме, невозможно методами современной математики. Поэтому для объяснения периодического закона используют приближенное представление о состоянии отдельных электронов в атоме.

При качественном рассмотрении системы электронов в многоэлектронных атомах в нулевом приближении можно положить, что электроны не взаимодействуют друг с другом и находятся в кулоновском поле ядра. В таком приближении волновые функции электронов совпадают с волновыми функциями электрона в кулоновском поле ядра с зарядом , а энергия электронов определяется главным квантовым числом

. (1)

Таким образом, в таком подходе считается, что электроны в многоэлектронном атоме находятся в одночастичных состояниях, характеризуемых четверкой квантовых чисел «». Это позволило учесть принцип Паули в самой простейшей его формулировке: в каждом одночастичном состоянии, характеризуемом четверкой квантовых чисел «» может находиться только один электрон.

В силу того, что различные одночастичные состояния вырождены, одной энергии такого состояния соответствует разных состояний, отличающихся величиной орбитального момента и проекциями орбитального и спинового моментов. Все одночастичные состояния с одинаковой энергией образуют электронную оболочку, емкости таких оболочек равны 2, 8, 18, 32, 50, … . число элементов в периодах таблицы Менделеева совпадает с этими числами, но последовательность чисел несколько другая: 2, 8, 8, 18, 18, 32, … .

Каждая электронная оболочка может быть разбита на подоболочки с различными значениями орбитального квантового числа . Емкость подоболочек составляет ряд чисел: 2, 6, 10, 14, … .

 
 

Основное (невозбужденное) состояние атома соответствует минимальному значению энергии электронов. Поэтому в соответствии с принципом Паули электроны занимают состояния с наименьшим значением главного квантового числа, а по мере исчерпания емкости соответствующей оболочки остальные электроны размещаются в состояниях с большими значениями главного квантового числа .

Первый период состоит всего из двух элементов, потому что электроны этих атомов размещаются в оболочке с , емкость которой равна 2. следует отметить, что расчет энергии ионизации для по формуле дает значение 54,4 эВ, тогда как измеренное значение составляет 24,45 эВ. Это значит, что для расчета энергии ионизации необходимо учитывать взаимное отталкивание электронов.

Второй период таблицы Менделеева содержит восемь химических элементов. Два электрона у этих элементов заполняют оболочку с , остальные располагаются в состояниях с большей энергией, в которых . Эта оболочка состоит из двух подоболочек с и , емкости которых равны, соответственно, 2 и 6.

В конце обоих периодов находятся инертные газы и , которым соответствуют заполненные оболочки. Заполненным оболочкам соответствует наибольшая энергия ионизации в соответствующем периоде. При увеличении порядкового номера в периоде энергия ионизации возрастает от наименьшего значения у щелочного металла до наибольшего значения у инертного газа. Так у () энергия ионизации составляет 5,37 эВ, а у () энергия ионизации равна 21,48 эВ.

 

Элементы второго и третьего периодов

Li 5,37 Be 9,48 B 8,4 C 11,217 N 14,47 O 13,56 F 18,6 Ne 21,48
Na 5,12 Mg 7,61 Al 5,96 Si 7,39 P 10,3 S 10,31 Cl 12,96 Ar 15,69

 

Химические свойства элементов с увеличением порядкового номера изменяются именно из-за увеличения энергии ионизации. Щелочные металлы легко могут потерять электрон, а галогены (предпоследний элемент в периоде) легко присоединяют электрон.

Для распределение электронов по оболочкам нельзя объяснить только с помощью принципа Паули. В атомах этих элементов существенное влияние на заполнение электронных оболочек оказывает взаимодействие электронов. В первом приближении его можно учесть, если считать, что каждый электрон движется не только в поле притяжения ядра с зарядом , но и в самосогласованном центральном поле остальных электронов.

 
 

Учет отталкивания электронов сводится к частичному экранированию ими ядра атома, что приводит к двум эффектам. Прежде всего, все уровни энергии в сравнении с (1) поднимаются за счет замены на эффективный заряд ядра . Кроме того, влияние экранирования по-разному сказывается на электронах, принадлежащих разным подоболочкам (с разными ). Это приводит к тому, что энергия электронов зависит не только от главного квантового числа, но и от орбитального. В результате схема уровней многоэлектронного атома существенно отличается от схемы уровней в атоме водорода. В частности уровень с оказывается намного выше уровней с и даже чуть выше уровня с , . В многоэлектронном атоме электроны следовало бы распределять по подоболочкам с заданными числами и .

Если под оболочкой понимать совокупность электронов, занимающих близкие по величине уровни энергии и удаленные от других уровней так, что , где - расстояние между уровнями внутри одной оболочки, а - расстояние между уровнями разных оболочек, то первоначальные оболочки расщепляются и частично перепутываются. Поэтому в оболочки, соответствующие четвертому, пятому и шестому периодам входят подоболочки из разных слоев. Не меняются только и слои. При этом в третью оболочку входят только две подоболочки и , в четвертую оболочку входят в порядке возрастания энергии , и подоболочки, в пятую оболочку входят , и подоболочки, в шестую оболочку входят , , и подоболочки, в седьмую оболочку входят , , .

Это приводит к тому, что емкости перестроенных в результате экранировки оболочек уже соответствуют числам элементов в периодах таблицы Менделеева. Удается объяснить и другие особенности расположения элементов в этой таблице.

Электроны атомов первого периода заполняют первую оболочку (слой). Она состоит из одной подоболочки . Два электрона атомов второго периода так же располагаются в первой оболочке. Следующие два электрона заполняют подоболочку . Энергия этих состояний значительно больше энергии состояний . Остальные электроны атомов этих элементов заполняют оболочку , емкость которой равна 6. Энергия этих состояний незначительно превышает энергию состояний .

У элементов третьего периода 10 электронов располагаются на первых двух оболочках, а остальные электроны этих атомов занимают более высокие энергетические состояния сначала подоболочки , а затем . Третья оболочка почти ничем не отличается от второй оболочки. Поэтому свойства атомов элементов этого периода повторяют свойства атомов второго периода. В приведенной таблице показаны энергии ионизации атомов. Энергия ионизации в обоих периодах возрастает с увеличением порядкового номера (заряда ядра). Это увеличение энергии ионизации связано с увеличением силы притяжения к ядру, в результате чего понижается каждый одночастичный уровень энергии. Но для элементов третьего периода энергия ионизации меньше, чем для соответствующих элементов второго периода, что связано с увеличением главного квантового числа. Соответственно повторяются химические и оптические свойства этих элементов.

В четвертом периоде число элементов возрастает до 18. поэтому у некоторых из них нет аналогов в двух предыдущих периодах. Сначала происходит заполнение состояний оболочки. Емкость этой подоболочки равна двум. Поэтому у элементов и заполняются именно эти состояния. По своим свойствам они похожи на первые элементы второго и третьего периодов. Затем заполняются состояния оболочки у десяти переходных элементов от до . После этого заполняется подоболочка , емкостью шесть электронов. Последние шесть элементов этого периода от до по своим свойствам повторяют шесть последних элементов второго и третьего периодов.

Пятый период таблицы так же содержит 18 элементов. И порядок заполнения электронных оболочек такой же, как в четвертом периоде. В элементах и заполняется подоболочка и они обладают свойствами щелочного и щелочно-земельного металлов. Затем в десяти переходных элементах от до заполняется подоболочка . Они аналогичны десяти элементам от до предыдущего периода. Наконец в шести элементах от до заполняется подоболочка .

В шестом периоде таблицы содержится 32 элемента. Заполнение подоболочек идет в последовательности , , , . Новая подоболочка отвечает 14 элементам с близкими свойствами, которые называются лантанидами или редкоземельными элементами. Поэтому они все помещаются в одну клетку таблицы вместе с , аналогом и .

Такая же особенность наблюдается и в незавершенном седьмом периоде, где 14 элементов – актинидов, заполняющих подоболочку , помещаются в одну клетку с , близким по своим свойствам с . Порядок заполнения подоболочек в седьмом периоде , , - сходен с порядком заполнения шестого периода.

В итоге периодичность в химических и оптических свойствах элементов обусловлена сходством внешних подоболочек их атомов. Так для щелочных металлов в этой подоболочке находится всего один электрон, связь которого с атомом мала. С ростом она все более ослабевает (энергия ионизации уменьшается), так что свойство «щелочности» возрастает. В свою очередь, у галогенов в оболочке не хватает одного электрона до завершения. Поэтому все галогены стремятся приобрести лишний электрон (энергия ионизации у них больше чем у щелочных металлов), но свойство «галогенности» ослабевает с ростом (из-за того, что уменьшается энергия ионизации).

Аналогичным образом можно объяснить периодичность всех элементов в первых двух и последних шести столбцах таблицы Менделеева. Атомы переходных элементов в которых застраивается подоболочка (), так же проявляют ряд сходных свойств. Зависимость их свойств от слабая (энергия ионизации увеличивается медленнее, чем при застройке подоболочки). Полное объяснение химических свойств этих элементов, а также лантанидов и актинидов требует учета более тонких особенностей взаимодействия электронов в атомах.

 

– Конец работы –

Эта тема принадлежит разделу:

В данной теме мы начнем изучение квантовых закономерностей явлений природы

Введение.. в конце хix в даже у крупных ученых сложилось представление что в физике уже.. решение первой из указанных проблем привело к созданию эйнштейном теории относительности а решение второй проблемы..

Если Вам нужно дополнительный материал на эту тему, или Вы не нашли то, что искали, рекомендуем воспользоваться поиском по нашей базе работ: Особенности периодической системы элементов

Что будем делать с полученным материалом:

Если этот материал оказался полезным ля Вас, Вы можете сохранить его на свою страничку в социальных сетях:

Все темы данного раздела:

Равновесное тепловое излучение
  1. В проблеме теплового излучения большое значение имеет понятие равновесного излучения. Чтобы представить, что это такое, рассмотрим замкнутую полость с неподвижными и непрозрачным

Формула Релея-Джинса
Чтобы определить число нормальных мод с частотами в интервале от до

Понятие вероятности. Средние значения случайных величин
  1. Большинство физических величин изменяется хаотически, т.е. являются случайными величинами. Различают дискретные и непрерывные случайные величины. Дискретная величина принимает ст

Понятие о квантах. Средняя энергия осциллятора. Фотоны
  1. Формирование электромагнитного поля равновесного излучения является случайным процессом, так как случайны процессы испускания света телами. Поэтому энергия любого нормального кол

Модели атома Томсона и Резерфорда
1. Согласно классическим представлениям атом мог бы испускать монохроматическую волну в том случае, когда электрон в атоме совершает гармонические колебания и следовательно, удерживается около поло

Столкновение заряженных частиц
В опытах Резерфорда применялись очень тонкие металлические фольги с толщиной порядка . Это и позволяло не учит

Формула Резерфорда и ее экспериментальная проверка
Планетарная модель атома, предложенная Резерфордом, являлась гипотезой и требовала экспериментальной проверки. Для этого Резерфорду пришлось детально проанализировать процесс рассеяния

Спектры излучения атомов.
1. С появлением первых спектральных приборов началось изучение спектров излучения и поглощения различных тел. К началу ХХ в. Было известно, что раскаленные тела излучают сплошной спектр, в котором

Постулаты Бора
Неустойчивость планетарной модели атома по Резерфорду и закономерности атомных спектров, в частности их дискре

Опыты Франка и Герца
Идея Бора о стационарных состояниях атомов получила экспериментальное подтверждение в том же 1913г. в опытах Джеймса Франка и Густава Герца. Опыты Франка и Герца начались до появления теор

Принцип соответствия. Правило квантования
1. Н.Бор применил свои постулаты в первую очередь для анализа простейшей системы, состоящей из ядра с зарядом

Спектр излучения атома водорода
Комбинируя условие движения по окружности и правило квантования

Орбитальный магнитный момент
При орбитальном движении электрона по круговой орбите радиусом со скоростью

Гипотеза де-Бройля. Волны де Бройля.
1. В 1923 году французский физик Луи де Бройль предположил, что корпускулярно-волновой двойственностью должны обладать не только фотоны, но и частицы вещества. Экспериментальное подтверждение этой

Дифракция микрочастиц. Опыты Дэвиссона и Джермера
2. Волновые свойства электронов были обнаружены в 1927 году в опытах Дэвиссона и Джермера, схема установки которых приведена на рис. 2.

Опыты Тартаковского и Томсона, опыты Фабриканта и Штерна
1. В последующем электронные пучки стали применять для анализа структуры кристалла. Метод этот давал более бог

Особенности поведения микрочастиц
Многочисленные эксперименты показали, что электроны, атомы, молекулы и другие частицы обладают волновыми свойствами. При этом они сохраняют свои корпускулярные свойства. Объекты, обладающие корпуск

Соотношения неопределенностей
1. Отсутствие траектории у микрочастицы указывает на то, что описывать ее состояние столь же подробно как для материальной точки нельзя. Действительно, задание координат и импульса материа

Дифракция микрочастиц на щели
Причиной существования квантовых неопределенностей и соотношений Гейзенберга являются волновые свойства микрочастиц. Пусть движение электрона описывается плоской волной де Бройля. Электрон

Минимальная энергия и размеры атома
Принцип неопределенности является одним из основных законов квантовой физики. Из принципа неопределенности вытекает ряд важных следствий. В частности состояние покоя для микрочастицы, движущейся в

Временное уравнение Шредингера
1. Плоская волна де Бройля соответствует равномерному свободному движению частицы в определ

Стационарные состояния. Свойства волновых функций
Особое значение в квантовой механике имеют стационарные состояния. Это такие состояния, в которых все наблюдаемые физические параметры не меняются с течением времени. Сама волновая функция принципи

Потенциальный барьер. Решение стационарного уравнения
1. Рассмотрим рассеяние микрочастиц на преграде, испускаемых источником, удаленным на большое расстояние от нее. Силовое воздействие на микрочастицу определяется потенциальной энергией взаимодейств

Коэффициенты отражения и пропускания ступенчатого барьера
На опыте измеряются не амплитудные коэффициенты прошедшей и от-раженной волн, а коэффициенты отражения и пропускания для частиц, которые связаны с амплитудными коэффициентами вероятностными соотнош

Туннельный эффект
1. Теперь рассмотрим барьер конечной ширины (рис. 2). В этом случае в первой области будут существовать падаю

Микрочастица в одномерной прямоугольной потенциальной яме
1. Рассмотрим сначала одномерное движение микрочастицы, причем будем считать, что в области

Трехмерная потенциальная яма. Яма конечной глубины
1. В случае трехмерной потенциальной ямы решение уравнения Шредингера , то есть уравнение

Система двух взаимодействующих частиц
При классическом рассмотрении движение системы из двух частиц сводится к движению двух квазичастиц, одна из которых с массой

Модель гармонического осциллятора
Зависимость энергии взаимодействия двух атомов от расстояния между ними показана на рис. . При некотором расстоянии

Одномерного гармонического осциллятора
Освободившись от множителя перед второй производной, получим уравнение , (1) где

Момент импульса
1. Согласно классическому определению моментом импульса частицы относительно начала координат О называ

Проекции момента импульса
Выбрав за ось некоторое произвольное направление в пространстве, определим собственные функции и собственные

Координатах
1. Если силы, действующие на частицу в разных точках пространства, направлены вдоль прямых, проходящих через одну и ту же точку, называемую центром, и зависят только от расстояния до него

Спектр энергий в кулоновском поле
Используя выражение для оператора кинетической энергии радиального движения , уравнение (2)

Радиальные волновые функции в атоме водорода
7. Радиальные собственные функции , зависят от главного и орбитального квантовых чисел и выражаются через про

Сложение угловых моментов
1. Понятие углового момента можно распространить и на системы частиц. Для этого рассмотрим простейшую изолированную систему из двух невзаимодействующих микрочастиц: 1 и 2. Оператором углов

Атома водорода.
В 1921 году Штерном и Герлахом был поставлен прямой опыт по обнаружению квантования магнитного момента атомов. В вакуумной камере устанавливался электромагнит со специальной формой наконечников, чт

Принцип Паули
1. Сочетание волновых и корпускулярных свойств у микрочастиц приводит к отличиям в поведении не только одиночных микрочастиц, но и в поведении коллективов частиц. Эти отличия касаются только систем

В системе однотипных микрочастиц реализуются только такие состояния, которые не меняются при перестановке местами двух любых микрочастиц.
2. Состояние системы микрочастиц описывается волновой функцией, зависящей от координат и спинов всех частиц. По-прежнему ограничимся рассмотрением системы из двух микрочастиц. Обозначим набор коорд

Спин-орбитальное взаимодействие
Основное взаимодействие электрона с ядром атома есть электростатическое взаимодействие их зарядов. Но так как электрон движется вокруг ядра, то возникает дополнительное взаимодействие, обусловленно

Энергетические уровни и спектральные серии щелочных металлов
В атомах щелочных металлов электронная оболочка содержит один наружный (валентный) электрон, сравнительно слабо связанный с ядром атома. Переходы между энергетическими уровнями валентного электрона

Результирующий механический момент атома
В многоэлектронных атомах все орбитальные и спиновые моменты электронов складываются в единый угловой момент атома. Конечно результирующий момент от порядка слагаемых не зависит, но, тем не менее,

Магнитный момент атома
С механическим моментом связан магнитный момент. Для орбитального момента ,

Сложный эффект Зеемана
Рассмотрим сначала сложный эффект Зеемана, т.е расщепление спектральных линий в слабом магнитном поле. При наложении слабого магнитного поля появляется дополнительная энергия взаимодействи

Простой эффект Зеемана
В сильных магнитных полях воздействие на атом становится сравнимым или больше спин-орбитального взаимодействия. В этом случае уже нельзя рассматривать поведение каждой компоненты мультиплета тонкой

Гамильтониан и полная волновая функция дл атома гелия
Атом гелия является наиболее простым после атома водорода. Он содержит два электрона (Z=2). По два электрона содержат также эквивалентные ему ионы

Приближенная количественная теория атома гелия
Задача о движении двух электронов в поле ядра аналогична задаче о движении двух планет в гравитационном поле Солнца. В небесной механике разработаны достаточно точные приближенные методы расчета дв

Обменная энергия
Выпишем более подробно выражения для величин и

Хотите получать на электронную почту самые свежие новости?
Education Insider Sample
Подпишитесь на Нашу рассылку
Наша политика приватности обеспечивает 100% безопасность и анонимность Ваших E-Mail
Реклама
Соответствующий теме материал
  • Похожее
  • Популярное
  • Облако тегов
  • Здесь
  • Временно
  • Пусто
Теги