Repetitor_po_khimii_posle_RIO_16_11

Пространство вокруг ядра, в котором наиболее вероятно нахождение электрона в данное время (≥ 95 %), называют орбиталь.

Орбиталь – область пространства вокруг ядра, в котором наиболее вероятно нахождение электрона. Понятия «электрон»,

«электронное облако» и «орбиталь» можно считать равнозначными. Для характеристики поведения электронов в атоме используют

квантовые числа. Для описания орбитали требуются три квантовых числа (n, ℓn, mℓ), четвертое – спиновое квантовое число (ms) – не связано с движением электрона вокруг ядра, а определяет его собственное состояние.

2.1. Квантовые числа. Принцип Паули. Правило Хунда

Главное квантовое число, n – определяет энергию электрона и размер электронной орбитали, принимает дискретные значения:

n = 1, 2, 3, 4, 5, . . . . . , +∞.

Энергия электрона зависит от расстояния между электроном и ядром: чем электрон ближе, тем меньше энергия, которая

1

определяется как E = –13,6 n2 , эВ, где n – главное квантовое число.

Электроны в атоме могут находиться лишь в определенных квантовых состояниях, которые соответствуют конкретным

значениям его энергии связи с ядром. Переход электрона из одного квантового состояния в другое связан со скачкообразным изменением энергии. Поэтому уровни энергии и связь энергии с главным квантовым числом n можно представить схемой (рис. 2.1).

E

свободный электрон

0 n → ∞

E4= -0,85 эВ (n=4) E3= -1,5 эВ (n=3)

E2= -3,4 эВ (n=2)

E1= -13,6 эВ (n=1)

Рис. 2.1. Схема уровней энергии и связь энергии с главным квантовым числом

21

Таким образом, n характеризует принадлежность электрона тому или иному энергетическому уровню и соответственно размеры орбитали.

Орбитальное квантовое число, ℓn (ℓ) определяет форму орбитали (точнее симметрию), характеризует вращательную составляющую движения электрона. Различная форма электронных облаков обуславливается изменением энергии электрона в пределах одного энергетического уровня, то есть расщеплением ее на подуровни.

Электронное облако представляют по-разному, но чаще в виде граничной поверхности, внутри которой находится большая часть облака (~ 95 %).

Орбитальное квантовое число может изменяться в пределах: ℓn = 0, 1, . . . , (n – 1), где n – главное квантовое число. Кроме численных значений возможно буквенное обозначение орбитального квантового числа: s, p, d, f. Если связать воедино численное значение орбитального квантового числа с буквенным и пространственным изображением, то информация будет представлена в виде таблицы (табл. 2.2). Сферическая форма электронного облака характеризуется минимальным значением энергии (ℓn =0), и это облако обозначается как s-орбиталь и т.д.

Очевидно, что при данном n орбитальное квантовое число принимает ряд значений, т.е. в пределах одного энергетического уровня возможно наличие различных форм орбиталей. Взаимосвязь

22

орбитального и главного квантовых чисел представлена на энергетической диаграмме (рис. 2.2).

Рис. 2.2. Энергетическая диаграмма уровней и подуровней в многоэлектронных атомах (взаимосвязь орбитального и главного квантовых чисел)

Для первого энергетического уровня возможно единственное значение ℓn, и оно равно нулю, т.е. форма орбитали сферическая. Для обозначения состояния электрона, для которого n=1 и ℓn =0, используется запись 1 s (табл. 2.3).

С переходом на второй энергетический уровень (n=2), ℓn принимает значения 0 и 1, следовательно, возможны состояния 2 s и 2 p; делаем вывод о возможности существования двух видов форм орбиталей и т. д.

Таблица 2.3 Значение и взаимосвязь орбитального и главного квантовых чисел,

обозначение подуровней

23

Таким образом, различные значения ℓn в многоэлектронных атомах характеризуют энергетические подуровни в пределах каждого энергетического уровня, причем энергии s -, p -, d -, f- подуровней последовательно возрастают.

Количество подуровней на данном уровне соответствует номеру уровня. Каждый последующий уровень содержит все виды

пространственную ориентацию электронных облаков (определяет значение проекции орбитального момента количества движения на выделенное направление).

Магнитное квантовое число mℓ при заданном значении ℓn принимает набор значений от – ℓn, ... ,0, …, + ℓn. Т.е. конкретная форма электронного облака – орбитали, в пространстве ориентируется строго определенным образом.

При ℓn=0, форма орбитали сферическая (s-орбиталь) и в пространстве может быть ориентирована единственным образом, следовательно, магнитное квантовое число mℓ может принимать

(p-орбиталь) в пространстве возможно тремя способами, следовательно, магнитное квантовое число mℓ может принимать три значения равные -1; 0; +1.

24

Из таблицы видно, что s-подуровень имеет одну орбиталь, p-подуровень – три орбитали, d-подуровень – пять орбиталей, f-подуровень имеет семь орбиталей (рис. 2.3). Каждая из таких орбиталей характеризуется определенной комбинацией квантовых чисел n, ℓn и mℓ.

4s

3p E3 n=3 3s

Рис. 2.3. Энергетическая диаграмма уровней и подуровней в многоэлектронных атомах (взаимосвязь главного, орбитального и магнитного квантовых чисел)

Спиновое квантовое число, ms. Электрон обладает собственным магнитным моментом, обусловленным его спином. Проекция в пространстве может иметь положительный или отрицательный знак. Если электрон обозначается ↑, значение ms =+½. Если электрон обозначается ↓, то значение ms = – ½.

Таким образом, совокупность положения электрона в атоме характеризуется определенными значениями квантовых чисел. Они определяют спин, энергию электрона, объем и форму пространства около ядра, в котором вероятно его пребывание.

Например, изображенный ниже электрон характеризуется следующим набором квантовых чисел: n = 5; ℓn =3; mℓ = -1; ms = – ½.

-2 -1 0 1 2

5d

Т.е. данный электрон находится на 5 энергетическом уровне, d-подуровне. Электрон занимает вторую орбиталь и обозначается ↓.

25

При переходе атома из одного квантового состояния в другое происходит перестройка электронного облака, а значит, меняются значения квантовых чисел:

в атоме не может быть двух электронов, у которых были бы одинаковыми все четыре квантовых числа. Принцип Паули ограничивает число электронов, обладающих определенным значением главного квантового числа n: если n=1, то число электронов равно 2; если n=2, то число электронов 8 и т.д. Поэтому два электрона могут занимать одну орбиталь, если обладают противоположными спинами. Два электрона, находящиеся на одной орбитали, называются спаренными. Спаренные электроны являются электронами с противоположными (антипараллельными) спинами.

При заполнении энергетических подуровней соблюдается

правило Хунда: в данном подуровне электроны стремятся занять энергетические состояния таким образом, что бы суммарный спин был максимален.

Например, валентными электронами атома 6С являются: 2s22p2. Определим, какое расположение электронов на p-подуровне отвечает устойчивому состоянию. Для этого согласно правилу Хунда рассчитаем абсолютное значение суммарного спина для двух вариантов расположения электронов представленных ниже.

характеризуется состояние б, именно оно соответствует устойчивому состоянию атома 6С.

26

2.2. Периодический закон, Периодическая система Д. И. Менделеева и строение атомов элементов.

Семейства s-, p-, d-, f-элементов

В 1869 г. Д.И. Менделеев сообщил об открытии периодического закона, современная формулировка которого следующая: свойства

элементов находятся в периодической зависимости от заряда ядра их атомов. К настоящему времени предложено большое число версий расположения элементов. Наиболее удобным является длиннопериодный вариант периодической системы Д. И. Менделеева.

2.2.1. Структура Периодической системы. Существует более 400 способов расположения элементов. Наиболее употребимы коротко- и длиннопериодные варианты.

Периодическая система состоит из семи периодов (период – последовательный ряд элементов, атомы которых различаются числом электронов в наружном слое):

три периода (I, II, III) – малые, однорядные; остальные (IV, V, VI) – большие, VII – большой неполный. Периоды содержат соответственно 2, 8, 8, 18, 18, 32 … элементов. IV и V периоды содержат вставные декады элементов; VI, VII имеют две вставки.

Номер периода = число заполненных уровней = номер внешнего уровня.

На сегодня зарегистрировано 111 элементов, из них более 80 – металлы, остальные полуметаллы и неметаллы. Линия Цинтля Al – Ge

– Sb – Po отделяет металлы от неметаллов.

Каждый период, за исключением первого, начинается

типичным металлом (Li, Na, K, Rb, Cs, Fr – щелочные) и заканчивается инертным газом (He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn), которому предшествует типичный неметалл (F, Cl, Br, I, At – галогены). По периоду происходит постепенное ослабление металлических свойств и усиление неметаллических свойств.

В периодической системе 8 групп (вертикальные ряды). Каждая группа подразделяется на главную (А) и побочную (В) подгруппы.

Номер главной подгруппы = число внешних электронов.

Порядковый № = численный заряд ядра = число протонов = число электронов.

27

2.2.2. Порядок заполнения электронных слоев в атомах элементов Периодической системы. Семейства s-, p-, d-, f-

элементов. Установим связь между строением атома и его положением в Периодической системе.

При переходе от одного элемента к другому заряд ядра возрастает на единицу и один электрон добавляется в конфигурацию, окружающую ядро.

IIпериод

IIэнергетический уровень, n=2, содержит четыре орбитали:

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

s-элементы – элементы, у которых происходит заполнение

s-подуровня внешнего уровня, а валентными электронами являются

ns1-2.

p-элементы – элементы, у которых происходит заполнение

p-подуровня внешнего уровня, а валентными электронами являются

n s2 n p1-6.

28

Закончился III период, 3d-подуровень остается свободным.

эффектом экранирования, то есть заслонением ядра плотным и симметричным слоем внутренних электронов (3s23p6). За счет взаимодействия между электронами для 19 электрона калия и 20 электрона кальция оказывается энергетически более выгодным 4s-состояние и только затем достигается энергия 3d-состояния и далее 4p-состояния.

IV период

IV энергетический уровень, n=4.

Со скандия 21Sc возобновляется достройка третьего уровня.

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

d-подуровня предвнешнего уровня, а валентными электронами являются ns2 (n-1)d1-10.

29

После цинка (30Zn 4s23d10,), вплоть до криптона (36Kr 4s24p6),

Запишем электронную формулу 57La в порядке заполнения

электронных слоев (см энергетическую диаграмму уровней и

подуровней):

57La 1s22s22p63s23p64s23d104p65s24d105p66s25d1. Лантан d-элемент

и валентными электронами являются 6s25d1.

Для элемента гафния 72Hf валентными электронами являются:

6s 5d

но его порядковый № = 72. То есть попадание электронов в недостроенный 5d-подуровень на лантане временно прекращается и создается 4f-подуровень: церий – лютеций (58Ce – 71Lu). Поскольку они подобны лантану, их называют лантаноиды.

f-элементы – элементы, у которых происходит заполнение

f-подуровня (n-2) внешнего уровня, а валентными электронами являются ns2(n-1)d1(n-2)f1-14.

После лютеция 71Lu, от гафния 72Hf (5d2) до ртути 80Hg (5d10), заполняется 5d-подуровень, а от таллия 81Tl до радона 86Rn –

6p-подуровень. 86Rn инертный газ – завершает VI период.

VII период

Вслед за 7s-элементами (87Fr, 88Ra) начинается вставная декада актиния 6d1, которая прерывается вставкой из 14 актиноидов, от тория 90Th до лоуренсия 103Lr. После них возобновляется заполнение вставной декады 6d. Седьмой период не завершен.

Таким образом:

1)начало периода периодической системы совпадает с началом образования нового электронного уровня,

2)каждый период завершается инертным газом, у которого,

кроме гелия, внешний слой состоит из 8 электронов: ns2 np6,

30