Читать онлайн учебники
на ANSEVIK.RU

>>> Перейти на мобильную версию сайта >>>

Учебник для 11 класса

Химия

       

§ 2. Состояние электронов в атоме

Мы уже знаем, что электрон в атоме не имеет траектории движения, т. е. можно говорить лишь о вероятности нахождения его в пространстве вокруг ядра. Он может находиться в любой части этого пространства, окружающего ядро, и совокупность различных положений его рассматривают как электронное облако с определенной плотностью отрицательного заряда.

Образно это можно представить себе так: если бы удалось через сотые или миллионные доли секунды сфотографировать положение электрона в атоме, как при фотофинише, то электрон на таких фотографиях был бы представлен в виде точек. При наложении бесчисленного множества таких фотографий получилась бы картина электронного облака с наибольшей плотностью там, где этих точек будет больше всего.

На рисунке 2 показан «разрез» такой электронной плотности в атоме водорода, проходящий через ядро, а штриховой линией ограничена сфера, внутри нее вероятность обнаружения электрона составляет 90%. Ближайший к ядру контур охватывает область пространства, в которой вероятность обнаружения электрона -10%, вероятность же обнаружения электрона внутри второго от ядра контура составляет -20%, внутри третьего — -30% и т. д.

Рис. 2.
Электронное облако атома водорода

Поверхность, охватывающая ядро атома, за пределами которой вероятность пребывания электрона исчезающе мала, называется граничной поверхностью электронного облака. Граничная поверхность охватывает более 90% заряда электрона и передает форму электронного облака. Электронное облако и его граничную поверхность в атоме часто называют атомной орбиталью. Это модельное представление состояния электрона является графическим выражением решения некоторого волнового уравнения, описывающего движение электрона в атоме. Подробнее об этом вы узнаете при изучении химии в высшей школе.

Важнейшей характеристикой движения электрона в атоме является его энергия. Для характеристики энергии электрона в атоме, формы электронного облака и некоторых других его свойств используют квантовые числа. Их значения указывают на наиболее вероятный «адрес» электрона в атоме.

Энергия электрона и размер электронного облака характеризуются главным квантовым числом n, которое принимает целочисленные значения: 1, 2, 3, 4, ... .

Совокупность атомных орбиталей с одинаковым значением квантового числа называют энергетическим уровнем. Совокупность электронов, которые находятся на одном энергетическом уровне, — это электронный слой. Наименьшей энергией обладают электроны первого энергетического уровня. По сравнению с электронами первого уровня электроны последующих уровней будут иметь больший запас энергии. Следовательно, наименее прочно связаны с ядром атома электроны внешнего уровня. В многоэлектронных атомах энергия электронов зависит не только от главного квантового числа n, но также и от орбитального (побочного) квантового числа l. Оно может принимать любые целочисленные значения от нуля до {n - 1): l = 0, 1, 2, ..., (n - 1).

Орбитальное квантовое число характеризует различные энергетические состояния электронов данного уровня (подуровни) и определяет форму электронного облака.

Электроны, характеризующиеся значениями побочного квантового числа 0, 1, 2, 3, называют соответственно s-электронами, р-электронами, d-электронами и f-электронами.

Электронное облако s-электрона обладает сферической симметрией, т. е. имеет форму шара. Электронное облако р-электрона имеет форму гантели или объемной восьмерки. Еще более сложную форму имеют d- и f-электронные облака.

На рисунке 3 приведены формы s-, р- и d-электронных облаков.

Рис. 3.
Форма s-, р- и d-электронных облаков

Подуровень с l = 0 в связи с шаровой симметрией электронной плотности s-облака имеет только один вариант ориентации в пространстве. Положение других облаков в пространстве относительно внешнего магнитного или электрического поля характеризует магнитное квантовое число m.

Магнитное квантовое число m связано с орбитальным квантовым числом и может принимать значения от +Z до -Z, включая 0. Так, для l = 1 магнитное квантовое число имеет три значения: -l, 0, +l. Таким образом, подуровень с l = 1 образован тремя p-орбиталями. Соответствующие облака ориентированы в атоме взаимно перпендикулярно, вдоль осей пространственных координат х, y, z. Если l = 2, то магнитное квантовое число m принимает пять значений: -2, -1, 0, +1, +2, такой подуровень образован пятью d-орбиталями, а подуровень с l = 3 образован соответственно семью f-орбиталями, имеющими следующие значения магнитного квантового числа: -3, -2, -1, 0, +1, +2, +3.

Состояние электрона в атоме зависит также еще от одной его характеристики, называемой спином (от англ. spin — веретено). Спин электрона проявляется в том, что электрон ведет себя так, словно обладает собственным магнитным моментом за счет вращения вокруг «своей оси». Соответствующее этой характеристике электрона спиновое квантовое число m8 может принимать значения +1/2 или -1/2 в зависимости от того, параллельно или не параллельно магнитному полю, обусловленному движением электрона вокруг ядра, ориентируется магнитное поле электрона.

Таким образом, в современной модели атома состояние электрона определяется четырьмя параметрами, называемыми квантовыми числами: главным (n), орбитальным (l), магнитным (m) и спиновым (m8).

Рассмотренный материал обобщен на рисунке 4 и в таблице 1.

Рис. 4.
Формы и размеры электронных облаков атомов элементов

Таблица 1
Распределение электронов по энергетическим уровням

Различные состояния электронов в атоме неравноценны и заполняются электронами определенным образом, подчиняясь основным закономерностям:

1. Принцип минимума энергии. В основном состоянии атома каждый электрон располагается так, чтобы его энергия была минимальной.

Согласно правилу В. М. Клечковского, в основном состоянии электрон занимает уровень с наименьшим значением суммы (n + l), причем сначала заполняется подуровень с наименьшим значением n.

Например, для атома кальция при распределении электронов по энернетическим уровням предпочтительнее 4s-состояние (п + l = 4 + 0 = 4), чем 3d-состояние (n + l = 3 + 2 = 5). А для атома скандия предпочтение следует отдать Зd-состоянию (n + l = 3 + 2 = 5), а не 4р-состоянию (n + l = 4 + 1 = 5), так как при одинаковых суммах квантовых чисел (n + l) 3d-cocтояние имеет меньшее значение n = 3. На рисунке 5 показана схема энергетических уровней и подуровней в порядке увеличения энергии электрона.

Рис. 5.
Схема подразделения энергетических уровней на подуровни

2. Принцип Паули. В атоме не может быть двух электронов с одинаковыми значениями всех четырех квантовых чисел.

Поэтому любой атомной орбитали соответствуют максимум два электрона (у которых главное, орбитальное и магнитное квантовые числа одинаковы) с противоположными спинами. Используя этот принцип, можно подсчитать максимальное число электронных состояний N, соответствующих различным значениям главного квантового числа п: N = 2n2.

3. Правило Гунда. Электроны в пределах одного подуровня располагаются так, чтобы суммарное спиновое число их было максимальным.

Таким образом, наиболее устойчивому состоянию атома соответствует максимально возможное число неспаренных электронов с одинаковыми спинами. Например, 3 электрона на р-подуровне будут распределяться так

В этой записи каждая атомная орбиталь обозначена клеткой (квантовой ячейкой), а электрон — стрелкой, направление которой соответствует направлению спина.

Вопросы и задания к § 2

  1. В настоящее время не принято говорить о вращении электрона вокруг атомного ядра. Почему?
  2. Что такое электронное облако и как это понятие соотносится с понятием «орбиталь»?
  3. Как с помощью электролиза определить заряд электрона?
  4. Чем отличается 1s-орбиталь от 2s-орбитали?
  5. Что такое главное квантовое число?
  6. Какие значения n и l соответствуют состояниям электрона: a) 4s; б) 5р; в) 3d?
  7. Сколько энергетических подуровней образует: а) пятый энергетический уровень; б) третий энергетический уровень?

Рейтинг@Mail.ru