Читайте также:
|
|
Согласно современным представлениям, электрон обладает одновременно свойствами
волны и частицы, поэтому для описания его поведения нельзя пользоваться привычными
характеристиками, такими как скорость и траектория движения. Вместо этого используют
полную энергию электрона (сумма потенциальной и кинетической энергии) и вероятность
обнаружения электрона в заданной области пространства.
Состояние электрона в атоме характеризуется волновой функцией, являющейся
решением волнового уравнения Шредингера. Из математического анализа уравнения
вытекает дискретность значений энергии электрона, момента количества орбитального
движения и проекции этого момента на выделенное в пространстве направление.
Дискретность выражается квантовыми числами: главным – n, орбитальным – l, магнитным – ml. Четвертое квантовое число – ms, называют спиновым. Волновая функция при
определенных значениях трех квантовых чисел (n, l,ml) описывает состояние электрона,
характеризующееся так называемой атомной орбиталью (АО).
Каждой АО соответствует область пространства определенного размера, формы и
ориентации, равноценная понятию электронного облака. Электронное облако не имеет
четких границ, в связи с этим введено понятие граничная поверхность, т.е. поверхность с
равной электронной плотностью, ограничивающая объем, который включает 90% заряда и
массы электрона. Форма и размер граничной поверхности считается формой и размером
электронного облака.
Главное квантовое число n определяет энергию электрона в атоме и среднее удаление электрона от ядра. n принимает целочисленные значения от 1 до ∞. В многоэлектронных атомах электроны с одинаковыми значениями n образуют слой или уровень, обозначаемый буквами (K, L, M, N, O, P и Q) или цифрами. Буква K соответствует первому уровню, L – второму и т. д.
Уровень содержит строго определенное число электронов – максимально N= 2n2, где
N – число электронов; n – номер уровня (считая от ядра) или главное квантовое число. В
соответствии с уравнением, на первом, ближайшем к ядру, энергетическом уровне может
находится не более двух электронов, на втором – не более 8, на третьем – не более 18, на
четвертом – не более 32.
Чем меньше n, тем больше энергия взаимодействия электрона с ядром. То есть,
наименьшей энергией обладают электроны первого энергетического уровня, наиболее
близкого к ядру. По сравнению с электронами первого уровня, электроны последующих
уровней характеризуются большим запасом энергии. Поэтому они менее прочно связаны с
ядром, вследствие чего могут принимать участие в образовании химических связей.
Бесконечно большое значение n говорит о том, что электрон находится на бесконечно
большом расстоянии от ядра, т. е. является свободным, или не связанным с ядром.
Из периодической системы для любого элемента, находящегося в невозбужденном
состоянии, по номеру периода можно определить максимальное число энергетических
уровней атома (№ периода = n) и то, какой энергетический уровень является внешним.
Например, элемент кадмий Cd расположен в пятом периоде, значит n = 5. В его атоме
электроны распределены по пяти энергетическим уровням (n = 1, n = 2, n = 3, n = 4, n = 5);
внешним будет пятый уровень (n = 5).
Начиная со значения главного квантового числа n = 2, энергетические уровни (слои)
подразделяются на подуровни (подслои), отличающиеся друг от друга энергией связи с
ядром и характеризующиеся орбитальным квантовым числом l. Число подуровней равно
значению главного квантового числа: первый уровень имеет один подуровень, второй
уровень – два, третий - три и т. д.
Подуровни, в свою очередь, состоят из орбиталей. Атомная орбиталь – это область
пространства около ядра, в котором вероятность нахождения электрона наиболее велика
(≈ 90 %). То есть, энергетическим подуровнем называется совокупность электронов с
одинаковым значением n и l, поскольку орбитали одного подуровня (l = const) имеют
одинаковую энергию.
Побочное (орбитальное или азимутальное) квантовое число l определяет энергию
электрона на подуровне и форму атомной орбитали. Оно может принимать целочисленные значения от 0 до (n–1) (l = 0, 1, 2, …, (n–1)). Независимо от номера энергетического уровня, каждому значению орбитального квантового числа l соответствует орбиталь особой формы.
При l = 0 атомная орбиталь имеет сферическую форму (s- орбиталь). Она самая устойчивая и располагается довольно близко к ядру. Значению l = 1 соответствует атомная орбиталь, имеющая форму гантели (p-орбиталь). Изменение формы объясняется тем, что чем дальше располагается электрон от ядра, чем больше возрастает его энергия в атоме, тем быстрее он вращается, тем сильнее вытягивается область его пребывания и наконец превращается в гантелеобразную p-орбиталь Еще более сложную форму имеют орбитали, отвечающие более высоким значениями l, равным 2, 3 и 4 (d-, f-, g-орбитали). Таким образом, каждому цифровому значению соответствует буквенное:
l = 0 1 2 3 4 …
l = s p d f g …
По цифровому значению l можно рассчитать число электронов на энергетическом
подуровне: максимально N = 2(2l+1), где N – число электронов; l – номер подуровня.
Магнитное квантовое число ml определяет пространственное расположение атомной
орбитали в пространстве относительно внешнего магнитного или электрического поля.
Принимает целочисленные значения от – l до + l, включая 0. Это означает, что для каждой
формы орбитали существует (2l + 1) энергетически равноценных ориентации в пространстве.
Для s- орбитали (l = 0) такое положение одно и соответствует ml = 0. Гантелеобразные
p-орбитали могут занимать три положения (2l + 1 = 3) вдоль осей координат пространства x, y и z: ведь все электроны заряжены отрицательно, поэтому электронные облака взаимно
отталкиваются и стремятся разместиться как можно дальше друг от друга. Орбитали d-
(2l + 1 = 5) и f- (2l + 1 = 7) могут занимать пять и семь положений соответственно.
Квантовые числа n, l и ml не полностью характеризуют состояние электрона в атоме.
Экспериментально установлено, что электрон имеет еще одно свойство – спин. Упрощенно
спин можно представить как вращение электрона вокруг собственной оси. Спиновое
квантовое число ms имеет только два значения ms = ±1/2, соответствующие
противоположным направлениям вращения. Электроны с разными ms обозначаются
стрелками, направленными вверх и вниз.
Дата добавления: 2015-01-29; просмотров: 32 | Поможем написать вашу работу | Нарушение авторских прав |