Строение электронной оболочки атома

Положительно заряженные ядра атомов создают вокруг себя электромагнитное поле, в котором определенным образом располагаются электроны, образуя электронную оболочку атома. Число электронов и их расположение в атоме определяют химические свойства элемента. В химических реакциях происходит изменение структуры внешних слоев электронной оболочки, а ядро не изменяется.

Прежде чем рассматривать структуру электронной оболочки атома, необходимо выяснить, что собой представляет электрон и какова форма его существования.

Электрон как микрочастица обладает двойственной природой, т.е. он может проявлять себя как частица с определенной массой и энергией. Движение электрона имеет волновой характер.

В связи с этим свойства и характер движения электрона описываются законами квантовой механики. Основные положения квантовой механики:

а) энергия электрона измеряется квантами: Е = h^. u,

где h = 6,63 ^. 10^-34 (постоянная Планка),

u - частота колебаний. Положение о квантовой энергии разработано Планком в 1900 г;

б) электрон как микрочастица проявляет волновые свойства.

В 1924 году французский физик Луи-де-Бройль предложил соотношение, которое рассматривает движение микрочастиц как волновой процесс:

h

l = ^______,

m n

где m – масса вещества,

h – постоянная Планка,

n - скорость движения,

l - длина волны.

Из этого уравнения следует, что частице с массой m, движущейся со скоростью n, соответствует длина волны l. Для электрона она равна l @ 10^-8 см, т.е. соизмерима с размерами атома;

в) исследования Де-Бройля привели к выводу о том, что описать положение электрона определенной траекторией движения нельзя. Возникает полоса неопределенностей, в которой находится электрон. Поэтому для характеристики состояния электрона в атоме применяется статистический (вероятностный) метод, развитый Гейзенбергом.

Это положение носит название «Принцип неопределенностей».

В связи с этим в качестве модели электронного облака принято понятие:

«ЭЛЕКТРОННОЕ ОБЛАКО - ЭТО ЧАСТЬ ПРОСТРАНСТВА, ГДЕ ВЕРОЯТНОСТЬ НАХОЖДЕНИЯ ЭЛЕКТРОНА БУДЕТ НАИБОЛЬШЕЙ» (совокупность всех его вероятных состояний).

Электронное облако имеет различные размеры и форму. Устойчивое энергетическое состояние электрона характеризуется квантовыми числами:

n – главное квантовое число,

– побочное квантовое число,

m – магнитное квантовое число,

m_s – спиновое квантовое число.

Часть пространства (электронное облако), которое описывается определенными значениями трех квантовых чисел (n, и m), называется атомной орбиталью и обозначается АО.

Квантовые числа

ГЛАВНОЕ КВАНТОВОЕ ЧИСЛО – n

Оно характеризует общий запас энергии электрона и определяет размеры облака, или АО. Графически общая энергия электрона изображается уровнями энергии.

Главное квантовое число n принимает значения от 1 до ¥ (1, 2, 3, 4 и т.д.), что соответствует энергии электрона, находящегося на первом (Е₁), на втором (Е₂), на третьем (Е₃) и т.д. энергетическом уровне.

Чем дальше электрон располагается от ядра, тем больше его энергия. Следовательно, большему значению Е соответствует и большая энергия электрона (Е_max).

Переход электрона с одного энергетического уровня на другой сопровождается выделением или поглощением квантов энергии:

Е = h ^. u.

Атом может находиться в нормальном и возбужденном состоянии.

НОРМАЛЬНОЕ состояние характеризуется нахождением электрона на низшем энергетическом уровне.

ВОЗБУЖДЕННОЕ состояние возникает во время перехода электрона на уровень с большим запасом энергии при внешнем воздействии. Когда воздействие прекращается, электрон возвращается в нормальное состояние (схема 1).

n = 3 ^{_____________} Е₃

D Е₂ D Е₁ - Е₂ = h ^. u₁

n = 2 ^{_____________} Е₂

D Е₁ D Е₂ - Е₃ = h ^. u₂

n = 1 ^{_____________} Е₁ и т. д.

Ядро

Схема 1. Графическое изображение уровней энергии

ПОБОЧНОЕ КВАНТОВОЕ ЧИСЛО - l

Побочное квантовое число определяет момент количества движения и характеризует форму электронного облака.

принимает значения от 0 до (n – 1) и зависит от главного квантового числа. Для реально существующих атомов применяются значения четырех чисел: 0, 1, 2, 3. Для обозначения используют, кроме цифр, буквы латинского алфавита:

0 1 2 3

s p d f

Для удобства чаще главное квантовое число обозначают цифрами, а побочное - латинскими буквами.

Если n (главное квантовое число) соответствует энергетическому уровню, на котором находятся электроны, то определяет энергетический подуровень. Число подуровней равно номеру уровня.

Таблица 3

Характеристика подуровней

Побочное квантовое число
Буквенные обозначения	s	p	d	f
Форма электронного облака, или АО

Взаимосвязь главного квантового числа n и побочного приведена на схеме 2.

^{_____________} 4f

^{_____________} 4d

n = 4 ^{_____________} 4p

^{_____________} 4s

^{_____________} 3d

n = 3 ^{_____________} 3p Обозначение АО

^{_____________} 3s

^{_____________} 2p

n = 2 ^{_____________} 2s

n = 1 ^{_____________} 1s

Уровни энергии, Подуровни энергии,

гл. кв. число – n побочное кв. число –

Схема 2. Графическое изображение уровней и подуровней

МАГНИТНОЕ КВАНТОВОЕ ЧИСЛО – m

Магнитное квантовое число характеризует ориентацию электронного облака (АО) в пространстве. Оно зависит от побочного числа и при данном значении его может принимать все целочисленные значения от + до -, включая 0. Количество значений m равно:

m = 2 + 1.

Например, при = 0 (s–состояние или s-орбиталь) магнитное квантовое число имеет только одно значение m = 0, т.е. на любом энергетическом уровне может быть только одна s-орбиталь.

При =1 (p-орбиталь) магнитное число принимает значения: -1, 0, +1, т.е. в пределах одного уровня может быть три состояния одинаковых по энергии электронных облаков, расположенных в пространстве по осям ординат X, Y и Z.

Примеры расположения р - орбиталей в пространстве:

z z z

y y y

^{_________________} x ^{________________} x ^{________________} x

р_x p_y p_z

При = 2 (d–орбиталь) значения m равны: -2, -1, 0, +1, +2. Для

d-орбиталей возможно пять ориентаций в пространстве.

Графически АО изображается в виде энергетических ячеек квадратов -, а электроны в ячейках обозначаются стрелками (схема 3).

Значения Значения m Число Графическое изображение

орбиталей АО

(m = + 1)

0 (s) 0 1

1 (p) -1, 0, +1 3

2 (d) -2, -1, 0, +1, +2 5

3 (f) -3, -2, -1, 0, +1, +2, +3 7

Схема 3. Характеристика атомных орбиталей

СПИНОВОЕ КВАНТОВОЕ ЧИСЛО - m_s

Спиновое квантовое число m_s характеризует собственный момент количества движения электрона. Оно принимает значения + ½ и – ½.

Им соответствует обозначение стрелками:.

Спиновое квантовое число m_s не зависит от n,, m. Его упрощенно можно рассматривать как результат вращения электрона вокруг своей оси.

ВЫВОД. Состояние электрона в атоме может быть описано с помощью четырех квантовых чисел. Три квантовых числа n, и m характеризуют энергию электрона, объем и форму пространства, где вероятность нахождения электрона наиболее высока, т.е. характеризуют атомную орбиталь. При переходе электрона из одного состояния в другое происходит изменение электронного облака. При этом излучается или поглощается энергия в виде квантов. Соответственно изменяются и квантовые числа. Спиновое квантовое число характеризует собственный момент движения электрона.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: