IV. Состояние электрона в атоме

Химические свойства элементов определяются электронным строением их атомов.

Электрон можно представить как некое “облако”, не имеющее четких границ, “размазанное” по всему объему атома и имеющее разную “плотность” на различном расстоянии от ядра.

Особенно важное значение для характеристики состояния электрона имеет волновая функция y. Чем больше значение y² в данной области пространства, тем выше вероятность того, что электрон проявит здесь свое действие, т.е. что его существование будет обнаружено в каком-либо физическом процессе. Вероятность обнаружения электрона в некотором конкретном малом объеме DV выражается произведением y²DV.

Энергия электрона в атоме может принимать только определенные значения, т.е. она квантована. Возможные энергетические состояния электрона в атоме определяются величиной главного квантового числа n (n=1, 2, 3...¥ ). Принято говорить, что n характеризует определенный энергетический уровень электрона в атоме: при n=1 электрон находится на первом энергетическом уровне, при n=2 - на втором и т.д.

Главное квантовое число определяет и размеры электронного облака. Электроны, имеющие одно и то же значение n, образуют электронные облака приблизительно одинаковых размеров, поэтому можно говорить о существовании в атоме электронных слоев или оболочек, отвечающих определенным значениям главного квантового числа. Чем < n, тем < энергия e, тем ближе к ядру он находится, тем прочнее он с ним связан, и наоборот.

Форма электронного облака также не может быть произвольной. Она определяется орбитальным (побочным) квантовым числом L (L=0...n-1). Это связано с тем, что электрон в атоме не только притягивается ядром, но и испытывает отталкивание со стороны электронов, расположенных между данным e^- и ядром. Внутренние электронные слои как бы образуют своеобразный экран, ослабляющий притяжение электрона к ядру, или, как принято говорить, экранируют внешний электрон от ядерного заряда. При этом для электронов, различающихся значением L, экранирование оказывается неодинаковым. 

В многоэлектронных атомах энергия электрона зависит и от значения L. Поэтому состояния электрона, характеризующиеся различными значениями L, называются энергетическими подуровнями электрона в атоме. Им присвоены буквенные обозначения: L=0-s-подуровень(s-электрон), L=1-p-подуровень(p-электрон), L=2-d-подуровень(d-электрон), L=3-f-подуровень(f-электрон).    

Ориентация электронного облака в пространстве определяется значением третьего квантового числа, называемого магнитным (m=-l...0..+l). Число значений m для данного l и есть число возможных пространственных ориентаций данного типа электрона. Состояние электрона в атоме, характеризующееся определенными значениями квантовых чисел n, l, и m, т.е. определенными размерами, формой и ориентацией в пространстве, получило название атомной электронной орбитали. Электрон с вероятностью 90-95% находится внутри области пространства, охватываемого атомной орбиталью.

Электрон характеризуется еще одной квантовой величиной, не связанной с его движением вокруг ядра, а определяющей его собственное состояние. Она называется спиновым квантовым числом (S=±1/2). Упрощенно спин электрона можно рассматривать как результат его вращения вокруг собственной оси.

Принцип Паули: в атоме не может быть двух электронов, у которых все 4 квантовых числа были бы одинаковыми. Следовательно, каждая орбиталь может быть занята не более чем двумя электронами с противоположными спинами (спаренные электроны).

Правило Гунда: устойчивому состоянию атома соответствует распределение электронов с максимальным абсолютным значением суммарного спина в пределах подуровня.

В любом атоме число орбиталей бесконечно. С увеличением заряда число электронов в атоме увеличивается, причем заполнение орбиталей электронами происходит в определенной последовательности по принципу наименьшего запаса энергии, согласно которому наиболее устойчиво такое состояние атома, при котором его электроны имеют наименьшую энергию, а наименьшей энергией обладают подуровни с самыми низкими значениями n и l. Таким образом, заполнение орбиталей идет в порядке возрастания суммы n+l ( первое

 правило Клечковского). При одинаковых значениях суммы n+l в первую очередь заполняется орбиталь с меньшим значением n (второе правило Клечковского).

 

Примеры решения задач

Пример 1. Какой подуровень будет заполняться вслед за подуровнем 4s?          

Решение. Подуровню 4s соответствует сумма n+l=4+0=4. Такую же сумму имеет 3p подуровень, но он заполняется раньше, т.к. имеет меньшее значение главного квантового числа. Значит, после подуровня 4s будет заполняться подуровень с суммой n+l=5, причем из всех возможных комбинаций n+l, соответствующих этой сумме (3+2, 4+1, 5+0), первой будет реализовываться комбинация с наименьшим значением n, т.е. вслед за подуровнем 4s будет заполняться подуровень 3d.

 

Пример 2. Сколько электронов максимально может разместиться на 3 уровне?     

Решение. По условию n=3, значит, l=0, 1, 2, т.е., на 3 уровне существует 3s, 3p и 3d подуровни. Определяем максимальное число электронов на каждом подуровне: для s-подуровня любого уровня l=0, значит, m=0, т.е. m имеет одно значение, следовательно, на s-подуровне только одна орбиталь с двумя электронами (3s²); для р-подуровня любого уровня l=1, значит, m=-1, 0, 1, т.е. m имеет три значения, следовательно, на р-подуровне три орбитали с шестью электронами (3р⁶); для d-подуровня любого уровня l=2, значит, m=-2, -1, 0, 1, 2, т.е. m имеет пять значений, следовательно, на d-подуровне пять орбиталей с десятью электронами (3d¹⁰).                                                                          

Итого, на третьем уровне может размещаться 2+6+10=18 электронов. Число орбиталей на подуровне можно определить по формуле 2l+1.

Максимальное число электронов на подуровне 2(2l+1). Максимальное число электронов на уровне 2n².

 

Пример 3. Составить электронные формулы атомов элементов с порядковыми номерами 20 и 25 и графические схемы заполнения электронами валентных орбиталей. Определить число валентных электронов для каждого атома. Показать графические схемы заполнения валентных орбиталей атомов в возбужденном состоянии.  

Решение. С учетом последовательности заполнения уровней и подуровней по правилам Клечковского (1s2s2p3s3p4s3d4p и т.д.) cоставляем электронные формулы элементов, распределяя по орбиталям соответственно 20 и 25 электронов.

№ 20 (Ca ) 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d⁰4s²

№ 25 (Mn) 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d⁵4s²

Графические схемы: 4s²

                          Ca ­¯ 2 валентных электрона

 

                                                         4s²

                                  3d⁵               ­¯

                         Mn ­ ­ ­ ­ ­         7 валентных электронов

 

Валентными являются электроны внешнего и предвнешнего заполняющегося (d и f) подуровня.

В возбужденном состоянии атома происходит «распаривание» валентных электронов путем их перехода на ближайший подуровень того же уровня:

 

                     4р¹                                                                                       4s¹  ­

                  ­                                                           ­ 

     4s¹                                                 3d⁵

Ca^*   ­                                    Mn^* ­ ­ ­ ­ ­   

 

Задачи

 

41. Какие четыре квантовых числа определяют состояние электрона в атоме. Какие значения может принимать каждое из них?

 *Составьте электронную формулу элементов с порядковыми номерами 12 и 21. Определите, к какому типу (s-, p-, d- и f-) относятся эти элементы и их положение в Периодической системе (период, подгруппа).

 

42. Какие квантовые числа определяют энергию электрона в атоме? В чем сущность принципа минимума энергии? Укажите последовательность заполнения уровней и подуровней.

 * 13 и 22.

 

43. Какое квантовое число определяет форму атомных орбиталей? Изобразите форму s-, p- и d- орбиталей.

* 16 и 24.

 

44. Какое квантовое число определяет количество орбиталей в данном подуровне атома? Чему равно число орбиталей на s-, p-, d- и f- подуровнях?

* 11 и 25.

 

45. Какие значения может принимать магнитное квантовое число m   при l = 0; 1; 3?

* 18 и 24.

 

46. Чему равно число орбиталей на p – подуровнях данного энергетического уровня? Изобразите форму p – орбиталей и расположение их в пространстве.

*30 и 36.

 

47. Какие электроны в атоме называются s-, p-, d- и f- электронами? Изобразите форму атомных орбиталей s-, p-, d- атомных орбиталей.

*31 и 42.

 

48. В чем сущность правила Гунда? Разместите три электрона по энергетичес-

ким ячейкам d – подуровня.

* 20 и 40.

 

49. Что такое электронное облако? Что характеризует вероятность нахождения электрона в данной точке пространства и в элементарном объеме? Что такое орбиталь?

* 54 и 56.

 

50. В чем сущность принципа Паули? Какое максимальное число электронов на 

s-, p-, d- и f- подуровнях?

* 23 и 52.

*См. условие задачи 41.

 

 

⇐ Предыдущая12345678910Следующая ⇒

Поделиться: