Мои Конспекты
Главная | Обратная связь


Автомобили
Астрономия
Биология
География
Дом и сад
Другие языки
Другое
Информатика
История
Культура
Литература
Логика
Математика
Медицина
Металлургия
Механика
Образование
Охрана труда
Педагогика
Политика
Право
Психология
Религия
Риторика
Социология
Спорт
Строительство
Технология
Туризм
Физика
Философия
Финансы
Химия
Черчение
Экология
Экономика
Электроника

Характеристики состояния электрона. Квантовые числа



Полная характеристика состояния электрона в атоме включает его энергию, размер и форму орбитали, пространственную ориентацию орбитали и спин - направление собственного вращения электрона. Все эти характеристики могут изменяться только скачкообразно. Как следует из квантово-механической теории, они зависят от набора квантовых чисел, которыми можно заменить абсолютные значения соответствующих величин. Например, энергия электрона в атоме водорода определяется формулой

где п - главное квантовое число, принимающее значения натурального ряда чисел: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, °°, а постоянная R = 2,18 • 10~18 Дж. Однако в химии при рассмотрении состояния электрона можно не вычислять его энергию по формуле (5.4),а только указать главное квантовое число.

Некоторые из возможных значений энергии электрона в атоме водорода показаны на рис. 5.4.За нуль

Рис. 5.4.Энергетические уровни электрона в атоме водорода

принимается энергия свободного электрона, поэтому его энергия в атоме оказывается отрицательной. Пониженная энергия электрона, когда он входит в состав атома, означает невозможность для него покинуть сферу притяжения ядра без получения энергии извне. Увеличение энергии электрона и соответственно главного квантового числа происходит при поглощении им квантов электромагнитного излучения. При этом увеличивается также радиус орбитали (рис. 5.5). Линии в спектрах поглощения и излучения атомов водорода соответствуют различным переходам между энергетическими уровнями.

Рассмотрим второе квантовое число - орбитальное I. Оно принимает значения 0(s), 1(р), 2(d), 3(f), п - 1. В скобках даны буквы, которыми заменяют значения орбитального квантового числа для удобства записи. Можно сказать, что орбитальное квантовое число подчинено главному, поскольку принимает ряд значений, максимальное из которых равно п - 1:

Орбитальное квантовое число определяет количество движения электрона и связанную с этим форму орбитали (см. рис. 5.5). Все орбитали s - сферические. Орбитали р имеют форму пространственной

Рис. 5.5. Зависимость радиуса орбитали от квантового числа п

восьмерки. Их можно сравнить также с гантелью или песочными часами. Орбитали d похожи на лист клевера. Еще более сложны f-орбитали. Форма орбиталей имеет важнейшее значение в химии. Ею определяется пространственное расположение атомов в молекулах.

Водород - единственный атом, в котором энергия электрона определяется только главным квантовым числом. Во всех остальных атомах возникает отталкивание между электронами, приводящее к появлению зависимости энергии от орбитального квантового числа. Энергетические уровни распадаются наподуровни, число которых равно числу значений I (рис. 5.6). Подуровни имеют двойное обозначение: главное квантовое число цифрой и орбитальное квантовое число буквой. Таким образом, энергетическому уровню соответствует не одно значение энергии, а набор разных значений по числу значений орбитального квантового числа. Не распадается на подуровни только первый энергетический уровень. Из рис. 5.7 видно, что, начиная с п = 4, происходит частичное наложение энергетических зон, соответствующих отдельным уровням. Так, подуровень 4s расположен ниже, чем подуровень 3d. Полная последовательность возрастания энергии подуровней определяется с помощью матрицы (рис. 5.8). Мысленно проходя по колонкам матрицы по очереди снизу вверх, получаем искомую последовательность.

Рис. 5.6. Форма атомных орбиталей: а - s-орбиталь (/ = 0); б - р-орбиталь (/ = 1); в - d-орбиталь (I = 2)

Рис. 5.7. Энергетические уровни электрона в атоме водорода (а) и в остальных атомах (б)

Рис. 5.8. Последовательность возрастания энергии подуровней

задание 5.7.Представьте последовательность возрастания энергии подуровней в виде ряда, закончив его на подуровне 7р: 1s, 2s, и т. д.

Следующее квантовое число называется магнитным mt. Название связано с расщеплением некоторых спектральных линий атомов в магнитном поле на несколько близко расположенных линий. Это объясняется существованием в атоме электронных состояний, не различающихся по энергии в обычных условиях, но приобретающих разную энергию в магнитном поле. Эти состояния и характеризуются магнитным квантовым числом, принимающим все положительные и отрицательные значения от -I до +I . Таким образом, т, связано с орбитальным квантовым числом:

Магнитное квантовое число определяет возможные пространственные ориентации орбиталей. У s-орбитали ориентация однозначна, так как при любых поворотах в пространстве сфера совпадает сама с собой. Поэтому s-подуровень состоит только из одной орбитали.

Гантелеобразные р-орбитали ориентируются вдоль трех взаимно перпендикулярных направлений (рис. 5.9),которые можно

совместить с осями координат. Таким образом, при трех значениях mlt соответствующих (р-подуровень), существуют три различным образом ориентированные орбитали. При (d-подуровень) имеются 5орбиталей, так как возможно 5значений mt, а при (f-подуровень) - 7орбиталей.

Рис. 5.9.Пространственная ориентация р-орбиталей

Электрон проявляет особое свойство спин (от англ. spin - веретено), которое можно уподобить его вращению вокруг собственной оси (см. табл. 5.2). Проекция спина, называемая спиновым квантовым числом тя, может принимать два значения: ±1/2. Можно считать, что они соответствуют вращению электрона по и против часовой стрелки: