|
|
Учебник для 11 класса ХИМИЯ§ 2. Состояние электронов в атомеМы 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. 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. 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.
Таблица 1
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. 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
|
|
|