Значения квантовых чисел и максимальное число электронов на квантовых уровнях и подуровнях

СТРОЕНИЕ АТОМА

Состояние электрона в атоме описывается четырьмя квантовыми числа- ми: главным − n, орбитальным − l, магнитным − m_l и спиновым − m_s.

Главное квантовое число (n) − определяет общую энергию электрона на данной орбитали и его удаленность от ядра. Оно может принимать 24 любые целые значения, начиная с единицы (n = 1, 2, 3, ...). Энергетический минимум − у электронов первого уровня. Они наиболее прочно связаны с ядром. Число за- полняемых электронами энергетических уровней в атоме численно равно номе- ру периода, в котором находится атом данного элемента. Элементы первого пе- риода имеют один энергетический уровень, второго − два энергетических уров- ня и т.д.

Максимальное число электронов на энергетическом уровне равно N= 2n², где N − число электронов; n − главное квантовое число (номер) уровня.

Изменение главного квантового числа соответствует скачкообразному изменению размера электронного облака: увеличение значения числа n соот- ветствует увеличению электронного облака и уменьшению энергии связи элек- трона с ядром и наоборот.

В пределах одного энергетического уровня электроны отличаются своими энергетическими подуровнями. Существование различий в энергетическом со- стоянии электронов, принадлежащих к различным подуровням данного энерге- тического уровня, описывается орбитальным (побочным) квантовым числом (l). Это число принимает значения от 0 до (n−1). Обычно численные значения при- нято обозначать следующими буквенными символами:

значения l 0 1 2 3

буквенные обозначения s p d f

В этом случае говорят о s- , p-, d-, f-орбиталях. При n=1 возможна только одна форма орбитали, при n=2 − две формы орбитали и т.д. Согласно квантово- механическим представлениям s орбиталь имеет форму шара, p − форму ганте- ли. Формы облаков d и f намного сложнее.

Электроны, вращающиеся на различных орбиталях, обладают различным запасом энергии. Чем сложнее движение, тем больше запас энергии. E_s < E_p < E_d

< E_f. Для характеристики пространственного расположения орбиталей приме- няется магнитное квантовое число - ml.

ml = 0; ±1; ±2; ... ±l

Число значений магнитного квантового числа зависит от орбитального квантового числа и равно (2l + 1).

Таким образом s-состоянию отвечает одна орбиталь; p − 3 и т.д.

На основании спектроскопических данных было показано, что кроме раз- личия размеров облаков, их формы и характера расположения относительно друг друга, электроны различаются спином. Для характеристики спина служит спиновое квантовое число - m_s, которое характеризует вращение электрона во- круг своей оси и принимает значение ±1/2. Следовательно, электрон в атоме ха- рактеризуется четырьмя квантовыми числами.

При переходе электрона из одного квантового состояния в другое меня- ются значения квантовых чисел. Это означает перестройку электронного обла- ка, поглощение или испускание атомом соответствующего кванта энергии. При химических реакциях ядра реагирующих атомов остаются без изменения, таким образом, химические и физические свойства атомов зависят от строения элек- тронных оболочек атомов.

Для объяснения строения электронных оболочек атома служат три основ- ных правила:

1. Принцип Паули;

2. Принцип наименьшей энергии;

3. Правило Гунда.

В 1925 году Паули сформулировал принцип (или запрет) Паули: в атоме не может быть двух и более электронов, обладающих одинаковыми свойствами, т .е. не может быть двух и более электронов, обладающих одинаковым значени-

ем всех четырех квантовых чисел. Правило Гунда: при данном значении l (т.е. в пределах определенного подуровня) электроны располагаются таким образом, чтобы суммарный спин был максимальным. Т.е., если в трех р-ячейках атома азота надо расположить три электрона, то они будут располагаться каждый в отдельной ячейке.

Принцип наименьшей энергии в атоме: каждый электрон располагается так, чтобы его энергия была минимальна (что отвечает его наибольшей связи с ядром). Т.е., электрон в основном состоянии занимает уровень не с минималь- ным значением n, а с наименьшим значением суммы (n + l). В этом случае, ко- гда для двух подуровней суммы значений (n + l) равны, сначала идет заполне- ние подуровня с меньшим значением n. Например, на подуровнях 3d; 4p; 5s сумма значений n и l равна пяти. В этом случае происходит заполнение под- уровней с меньшими значениями n, то есть 3d → 4p → 5s.

Согласно принципу наименьшей энергии орбитали можно расположить в ряд 1s < 2s < 2p < 3s < 3p < 4s < 3d < 4p < 5s < 4d и т.д. Распределение электро- нов в атоме по энергетическим уровням и подуровням изображают в виде элек- тронных формул.

Структуру электронных оболочек изображают с помощью энергетиче- ских или квантовых ячеек − графические электронные формулы. Основное со- стояние атома − это когда электроны в атоме заполняют орбитали в соответ- ствии с законом минимальной энергии. Если атому сообщается извне дополни- тельная энергия, то происходит переход электронов на свободные орбитали. Такое состояние атом называется возбужденным. В зависимости от электрон- ной структуры различают несколько семейств элементов: если последним за- полняется s-подуровень любого уровня, то эти элементы относятся к s- семейству; если р – то к р-семейству и так далее.

 

 

мать?

Пример 1. Что такое квантовые числа? Какие значения они могут прини-

 

Решение. Движение электрона в атоме носит вероятностный характер.

Околоядерное пространство, в котором с наибольшей вероятностью (0,9–0,95) может находиться электрон, называется атомной орбиталью (АО). Атомная ор- биталь, как любая геометрическая фигура, характеризуется тремя параметрами (координатами), получившими название квантовых чисел (n, l, m_l). Квантовые числа принимают не любые, а определенные, дискретные (прерывные) значе- ния. Соседние значения квантовых чисел различаются на единицу. Квантовые числа определяют размер (n), форму (l) и ориентацию (m_l) атомной орбитали в пространстве. Занимая ту или иную атомную орбиталь, электрон образует элек- тронное облако, которое у электронов одного и того же атома может иметь раз- личную форму (рис. 1). Формы электронных облаков аналогичны АО. Их также называют электронными или атомными орбиталями. Электронное облако ха- рактеризуется четырьмя квантовыми числами (n, l, m_l и m_s). Эти квантовые чис- ла связаны с физическими свойствами электрона, и число n (главное квантовое число) характеризует энергетический (квантовый) уровень электрона; число l (орбитальное) – момент количества движения (энергетический подуровень), число m_l (магнитное) - магнитный момент, m_s – спин. Спин электрона возникает за счет вращения его вокруг собственной оси. Электроны в атоме должны отли-

чаться хотя бы одним квантовым числом (принцип Паули), поэтому в АО могут находиться не более двух электронов, отличающихся своими спинами (m_s =

±1/2).

В табл. 1 приведены значения и обозначения квантовых чисел, а также число электронов на соответствующем энерге- тическом уровне в подуровне.

Таблица 1.

Значения квантовых чисел и максимальное число электронов на квантовых уровнях и подуровнях

Квантовый				Магнитное квантовое число m l	Число квантовых состо- яний (орбиталей)		Максимальное число электронов
уровень		подуровень
обозна- чение	главное квантовое число n	обозна- чение	орбитальное квантовое число l		в подуровне (2/+1)	в уровне n 2	в под- уровне (2/+1)	в уровне 2n 2
K	1	s	0	0	1	1	2	2
L	2	s p	0 1	0 -1; 0; +1	1 3	4	2 6	8
M	3	s p d	0 1 2	0 -1; 0;+1; -2;-1; 0;+1; +2	1 3 5	9	2 6 10	18
N	4	s p d f	0 1 2 3	0 -1; 0;+1 -2;-1; 0;+1;+2 -3;-2;-1; 0;+1; +2;+3;	1 3 5 7	16	2 6 10 14	32

Рис. 1. Формы s-, p- и d- электронных облаков (орбиталей)

Пример 2. Составьте электронные формулы атомов элементов с порядковыми номерами 16 и 22. Покажите распределение электронов этих атомов по квантовым (энергетическим) ячейкам.

Решение. Электронные формулы отображают распределение электронов в ато- ме по энергетическим уровням, подуровням (атомным орбиталям). Электронная кон- фигурация обозначается группами символов nl^x, где n – главное квантовое число, l – орбитальное квантовое число (вместо него указывают соответствующее буквенное обозначение – s, p, d, f), x – число электронов в данном подуровне (орбитали). При этом следует учитывать, что электрон занимает тот энергетический подуровень, на котором он обладает наименьшей энергией – меньшая сумма n+1 (правило Клечков- ского). Последовательность заполнения энергетических уровней и подуровней сле- дующая:

1s ® 2s ® 2 p ® 3s ® 3p ® 4s ® 3d ® 4 p ® 5s ® 4d ® 5 p ® 6s ® (5d¹) ® 4 f ®

® 5d ® 6 p ® 7s ® (6d^1-2) ® 5 f ® 6d ® 7 p

Так как число электронов в атоме того или иного элемента равно его порядко- вому номеру в таблице Д.И. Менделеева, то для элементов №16 (сера) и №22 (титан) электронные формулы имеют вид:

16^S

22Ti

1s² 2s² 2 p⁶ 3s² 3 p⁴

1s² 2s² 2 p⁶ 3s² 3 p⁶ 3d ² 4s²

Электронная структура атома может быть изображена также в виде схем разме-

щения электронов в квантовых (энергетических) ячейках, которые являются схемати- ческим изображением атомных орбиталей (АО). Квантовую ячейку обозначают в виде

 

прямоугольника  , кружка  или линейки  , а электроны в этих ячейках обо- значают стрелками. В каждой квантовой ячейке может быть не более двух электронов с

 

противоположными спинами    ,        или . В данном пособии применяют пря- моугольники. Орбитали данного подуровня заполняются сначала по одному электрону с одинаковыми спинами, а затем по второму электрону с противоположными спинами (правило Хунда):

 

 

16^S

 

22Ti

s

p         d

n=1 n=2 n=3

d                   f

s

n=1      p

n=2 n=3 n=4

Пример 3. Изотоп 101-го элемента – менделевия (256) был получен бомбарди- ровкой a-частицами ядер атомов эйнштейния (253). Составьте уравнение этой ядер- ной реакции и напишите его в сокращенной форме.

Решение. Превращение атомных ядер обусловливается их взаимодействием с элементарными частицами или друг с другом. Ядерные реакции связаны с изменени- ем состава ядер атомов химических элементов. С помощью ядерных реакций можно из атомов одних элементов получить атомы других.

Превращения атомных ядер как при естественной, так и при искусственной ра- диоактивности записывают в виде уравнений ядерных реакций. При этом следует помнить, что суммы массовых чисел (цифры, стоящие у символа элемента вверху слева) и алгебраические суммы зарядов (цифры, стоящие у символа элемента внизу слева) частиц в левой и правой частях равенства должны быть равны. Данную ядер- ную реакцию выражают уравнением:

²⁵³Es +⁴ He =²⁵⁶ Md +¹ n

99           2           101             0

Часто применяют сокращенную форму записи. Для приведенной реакции она имеет вид: ²⁵³Es(a, n)²⁵⁶Md. В скобках на первом месте пишут бомбардирующую ча- стицу, а на втором, через запятую, - частицу, образующуюся при данном процессе. В

⁴ He; ¹H; ²D; ¹ n

сокращенных уравнениях частицы 2

p, d, n.

1     1     0

обозначают соответственно a,

Пример 4. Исходя из сокращенных уравнений ядерных реакций (табл. 2), напишите их полные уравнения.

Решение. Ответ на вопрос отражен в табл. 2.

Таблица 2

---

Дата добавления: 2022-06-11; просмотров: 24; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

---

---

Мы поможем в написании ваших работ!