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
Частота коливань
де
Згідно співвідношенню (1), чим менше
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
Гіпотеза де Бройля була експериментально підтверджена виявленням дифракційного і інтерферентних ефектів потоку електронів.
Згідно співвідношенню (2) руху електрона (
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
Рівняння Шредінгера дозволяє знайти хвильову функцію
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
У 3-х мірному просторі 4-ма квантовими числами описується стан електрона:
Головне квантове число
Стан електрона характеризується різними значеннями головного квантового числа
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
Орбіталь | ||
1 | 0 | 1s |
2 | 0,1 | 2s, 2p |
3 | 0,1,2 | 3s, 3p, 3d |
Кожному значенню
Магнітне квантове число
Наприклад, для
Спіновое квантове число
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
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 |
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:
↑ | ↑ |
↑ | ↑ | ↑ |
↑ ↓ | ↑ | ↑ |
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.
4
3
2
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:
Горизонтально розташовуються періоди - послідовний ряд елементів, електронна конфігурація зовнішнього енергетичного рівня яких змінюється від
Вертикально розташовуються групи - елементи мають подібне електронна будова. У елементів головної підгрупи останнім заповнюється
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).