Електронна будова атома Періодичний закон

[ виправити ] текст може містити помилки, будь ласка перевіряйте перш ніж використовувати.

скачати

Лекція № 2 і 3

Електронна будова атома.
Періодичний закон.
Квантово-механічна модель атома. Атомні орбіталі. Квантові числа.
Правила заповнення електронами атомних орбіталей. Валентність.
Періодичний закон. Періодична система.
Теорія будови атома заснована на законах, що описують рух мікрочастинок (електронів, атомів, молекул) і їх систем (наприклад, кристалів). Маси і розміри мікрочастинок надзвичайно малі порівняно з масами і розмірами макроскопічних тел. Тому властивості та закономірності руху окремих мікрочастинок відрізняються від властивостей і закономірностей руху макроскопічних тіл, що вивчаються класичної фізикою. Рух і взаємодія мікрочастинок описує квантова механіка, яка грунтується на уявленні про квантуванні енергії, хвильовому характері руху мікрочастинок та імовірнісний (статистичному) методі опису мікрооб'єктів.
Приблизно на початку XX ст. дослідження явищ (фотоефект, атомні спектри) привели до висновку, що енергія поширюється і передається, поглинається і випускається не безперервно, а дискретно, окремими порціями - квантами. Енергія системи мікрочастинок також може приймати певні значення, які є кратними частками квантів.
Припущення про квантуванні енергії вперше було висловлено М. Планком у 1900 р. і було обгрунтовано Ейнштейном в 1905 р.: енергія кванта залежить від частоти випромінювання : , Де (1)
- Постійна Планка ( )
Частота коливань і довжина хвилі зв'язані співвідношенням: ,
де - Швидкість світла.
Згідно співвідношенню (1), чим менше , Тим більше енергія кванта і навпаки. Таким чином, ультрафіолетові і рентгенівські промені мають більшу енергію, ніж скажімо радіохвилі та інфрачервоні промені. Для опису електромагнітного випромінювання залучають як хвильові, так і корпускулярні уявлення: з одного боку монохроматичне випромінювання поширюється як хвиля і характеризується довжиною хвилі , З іншого боку воно складається з мікрочастинок - фотонів, що переносять кванти енергії.
Явище дифракції електромагнітного випромінювання доводить його хвильову природу. У той же час електромагнітне випромінювання володіє енергією, масою, робить тиск. Так, обчислено, що за 1 рік маса Сонця зменшується за рахунок випромінювання на .
У 1924 р. Луї де Бройль запропонував поширити корпускулярно-хвильові представлення на всі мікрочастинки, тобто рух будь мікрочастинки розглядати як хвильовий процес. Математично це виражається співвідношенням де Бройля, згідно з яким частці масою , Що рухається зі швидкістю , Відповідає хвиля довжиною : , (2)
- Імпульс частинки.
Гіпотеза де Бройля була експериментально підтверджена виявленням дифракційного і інтерферентних ефектів потоку електронів.
Згідно співвідношенню (2) руху електрона ( , ) Відповідає хвиля довжиною , Тобто її довжина порівнянна з розмірами атомів.
У 1925 р. Шредінгер припустив, що стан руху електрона в атомі має описуватися рівнянням стоячій електромагнітної хвилі. Він отримав рівняння, яке енергію електрона пов'язує з простором Декартових координат і так званої хвильової функцією , Яка відповідає амплітуді 3-х мірного хвильового процесу:
, Де
- Повна енергія електрона
- Потенційна енергія електрона
- Друга приватна похідна

Рівняння Шредінгера дозволяє знайти хвильову функцію як функцію координат. Фізичний сенс хвильової функції в тому, що квадрат її модуля визначає ймовірність знаходження електрона в елементарному обсязі , Тобто характеризує електронну плотность.Т. к. електрон має властивості хвилі і частинки, ми не можемо визначити його положення в просторі в певний момент часу. Електрон розмазаний, тобто делокалізірован в просторі атома. У цьому полягає принцип Гейзенберга.
Мікрочастинка, так само як і хвиля не має одночасно точних значень координат і імпульсу. Це проявляється в тому, що чим точніше визначається координати частинки, тим невизначений її імпульс, і навпаки. Тому ми говоримо про максимально ймовірне перебування електрона в даному місці в певний момент часу. Та область простору, де> 90% знаходиться електрон називається атомної орбиталью. Рівняння Шредінгера має безліч рішень, але фізично осмислене рішення тільки в певних умовах.
Для опису стоячій хвилі, утвореної в атомі рухомим електроном, тобто для знаходження хвильової функції необхідні квантові числа.
У 3-х мірному просторі 4-ма квантовими числами описується стан електрона:
Головне квантове число характеризує віддаленість електрона від ядра і визначає його енергію (чим більше , Тим більше енергія електрона і тим менше енергія зв'язку з ядром). приймає цілочисельні значення від 1 до ¥.
Стан електрона характеризується різними значеннями головного квантового числа , Називається електронним шаром (електронною оболонкою, енергетичним рівнем). Вони позначаються цифрами 1, 2, 3, 4, 5, ... або відповідно літерами K, L, M, N, O ....
Квантовий стан атома з найменшою енергією - основний стан, а з більш високою - збуджений стан. Перехід електрона з одного рівня на інший супроводжується або поглинанням, або виділенням енергії: .
Побічна квантове (орбітальний, азимутальне) число (Приймає всі цілочисельні значення від 0 до (n-1)).


Орбіталь
1
0
1s
2
0,1
2s, 2p
3
0,1,2
3s, 3p, 3d
Стан електрона характеризується різними значеннями побічного квантового числа називається енергетичним підрівнем. У межах кожного рівня з збільшенням , Зростає енергія орбіталі.
Кожному значенню відповідає певна форма орбіталі (наприклад, при - Це сфера, центр якої збігається з ядром).


Магнітне квантове число характеризує орієнтацію орбіталі у просторі (приймає всі цілочисельні значення від - до + ).
Наприклад, для . У межах кожного підрівня орбіталь має однакову енергію.
Спіновое квантове число характеризує обертальний момент, який набуває електрон в результаті власного обертання навколо своєї осі (приймає два значення: - Обертання за годинниковою стрілкою, - Обертання проти годинникової стрілки).
Атомні орбіталі заповнюються електронами відповідно до 3-ма принципами:
Принцип стійкості (принцип min енергії): Кожна нова орбіталь заповнюється тільки після того, як будуть заповнені всі попередні, тобто більш стійкі (з min енергією) орбіталі.
Енергія атомних орбіталей зростає наступним чином:

Правило Клечковского: заповнення електронами атомних орбіталей відбувається відповідно до збільшення суми головного та побічного квантових чисел; якщо однакова, то атомна орбіталь заповнюється від великих і менших до менших і великим .



Орбіталь
1
0
1
1s
2
0
2
2s
1
3
2p
3
0
3
3s
1
4
3p
2
5
3d
4
0
4
4s
1
5
4p
2
6
4d
3
7
4f
5
0
5
5s
1
6
5p
2
7
5d
3
8
5f
4
9
5g
6
0
6
6s
Принцип Паулі: в атомі не може бути 2 електрони, у яких 4 однакових квантових числа. Отже, на 1-ій орбіталі можуть перебувати не більше 2-х електронів, що відрізняються один від одного значенням спінового квантового числа. Звідси випливає, що максимальна кількість електронів на енергетичному рівні , На енергетичному подуровне .
Приклад:

Правило Хунда: електрони розташовуються на орбіталях рівною енергії таким чином, щоб їх сумарний спін був максимальний. Це означає, що спочатку електрони заповнюють усі вільні орбіталі даного підрівня по 1-му, маючи при цьому паралельні спини, і лише потім відбувається заповнення цих орбіталей 2-ми електронами.
Приклад:
Px Py Pz





↑ ↓


K
L
M

1
2
3

0
0
1
0
1
2

0
0
-1
0
+1
0
-1
0
+1

↓ ↑
↓ ↑
↓ ↑
↓ ↑
↓ ↑
↓ ↑
↓ ↑
↓ ↑
↓ ↑










Кількість неспарених електронів на зовнішньому рівні визначає валентність елемента, тобто здатність утворювати хімічні зв'язки з іншими атомами. У більшості випадків, але не завжди.
5 4
4 3
3 2
2 1
1
Періодичний закон (1869 р): властивості простих тіл, а також властивості й форми сполук елементів перебувають у періодичній залежності від величини атомних ваг елементів.
До появи відомостей про складне будову атома основною характеристикою елемента служив атомна вага (відносна атомна маса). Розвиток теорії будови атома призвело до встановлення того факту, що головною характеристикою атома є позитивний заряд ядра.
У сучасному формулюванні періодичний закон звучить: властивості хімічних елементів, а також формули і властивості утворених ними сполук перебувають у періодичній залежності від величини заряду ядер їх атомів.
Фізичною основою структури періодичної системи елементів служить певна послідовність формування електронних конфігурацій атомів у міру зростання порядкового номера елемента.
У залежності від того, який енергетичний підрівень заповнюється електронами останнім, розрізняють 4 типи елементів:
- Елементи (останнім заповнюється -Підрівень зовнішнього енергетичного рівня)
- Елементи (останнім заповнюється -Підрівень зовнішнього енергетичного рівня)
- Елементи (останнім заповнюється -Підрівень передостаннього енергетичного рівня)
- Елементи (останнім заповнюється -Підрівень третій зовні енергетичного рівня).
Горизонтально розташовуються періоди - послідовний ряд елементів, електронна конфігурація зовнішнього енергетичного рівня яких змінюється від до . Номер періоду співпадає із значенням головного квантового числа зовнішнього енергетичного рівня.
Вертикально розташовуються групи - елементи мають подібне електронна будова. У елементів головної підгрупи останнім заповнюється і підрівні зовнішнього енергетичного рівня, у елементів побічної підгрупи відбувається заповнення внутрішніх і підрівнів. Однаковий номер групи, як правило, визначає число електронів, яке може брати участь в утворенні хімічних зв'язків.

Питання для самоконтролю

Квантово-механічна модель атома.
Рівняння де Бройля і Шредінгера.
Принцип невизначеності Гейзенберга.
Атомна орбіталь, квантові числа.
Правила заповнення електронами атомних орбіталей (принцип мінімальної енергії, правило Клечковского, правила Паулі і Гунда).
Періодичний закон Д.І. Менделєєва. Періодична таблиця (періоди і групи).
Додати в блог або на сайт

Цей текст може містити помилки.

Хімія | Лекція
87.9кб. | скачати


Схожі роботи:
Періодичний закон ДІ Менделєєва
Життя і діяльність Д І Менделєєва Періодичний закон
Життя і діяльність ДІ Менделєєва Періодичний закон
Будова атома
Періодичний закон і періодична система хімічних елементів Д І Менделєєва на основі уявлень
Періодична система елементів Періоди групи підгрупи Періодичний закон і його обгрунтування
Розробка уроку на тему Метан його будова та валентні стану атома вуглецю 2
Розробка уроку на тему Метан його будова та валентні стану атома вуглецю
Достоєвський ф. м. - Як автор ставиться до Раскольнікова є один закон закон моральний.
© Усі права захищені
написати до нас
Рейтинг@Mail.ru