Электронное строение атомов

Химические свойства элементов определяются количеством и состоянием электронов в атоме. В настоящие время состояние электронов в атомах описывают, используя положения квантовой механики:

· Электрон имеет двойственную природу. Он обладает свойствами и частицы и волны одновременно. Как частица электрон имеет массу и заряд, но движение электронов – это волновой процесс.

· Волновая функция ψ – математическое выражение, описывающие поведение электрона – волны.

Описываемая этой функцией область пространства, в которой вероятность нахождения электрона наиболее высока, называется атомной орбиталью.

· Каждая атомная орбиталь имеет свой размер, форму, ориентацию в пространстве, определяемые тремя квантовыми числами: n, l, m.

· Квантовые числа: n, l и m взаимосвязаны друг с другом и могут иметь только строго определенные, разрешенные значения.

Рассмотрим их более подробно.

Главное квантовое число n характеризует энергию электрона в зависимости от расстояния до ядра и определяет размеры орбиталей; принимает целочисленные значения: n = 1, 2, 3, 4…

Электроны, имеющие одинаковое значение n, составляют энергетический уровень (слой, оболочку).

Если n = 1, это означает, что электрон находится на первом энергетическом уровне, самом близком к ядру. В этом состоянии электрон прочнее всего связан с ядром и ему соответствует минимальная энергия. Если n = 2 – на втором, более отдаленном от ядра, энергетическом уровне. Чем больше значение n, тем выше значение энергии электрона, расположенного на этом уровне (рис 2) и тем больше по своему размеру (объему внутреннего пространства) атомная орбиталь (рис.3).

Рис. 2 Увеличение энергии по мере удаленности от ядра

Рис.3 Увеличение размера сферических (s) атомных орбиталей для n = 1, 2, 3

Орбитальное квантовое число l характеризует энергетический подуровень и определяет форму орбитали; принимает целочисленные значения от 0 до (n – 1).

Значения l обычно обозначают буквами:

Число возможных значений l определяет количество подуровней на данном энергетическом уровне.

Каждому значению l соответствует определенная форма орбитали.

Значение l = 0 соответствует s–орбитали сферической формы. Электроны, движущиеся по орбитали такой
формы, называют s–электронами. Значение l = 1 соответствует
p–орбитали, имеющей форму гантели. Электроны с l = 1 называют p – электронами. Орбитали с l > 1 имеют более сложные формы (рис. 4).

Рис. 4 Формы орбиталей

Чем больше значение l в пределах данного уровня, тем выше энергия электрона, (рис. 5), т.е. она минимальна у электрона с орбиталью сферической формы.

Магнитное квантовое число (m_e) характеризует ориентацию орбитали в пространстве и определяет их количество на подуровне; принимает целочисленные значения от – l до + l:

m_e = – l... 0... + l (всего 2 l + 1 значений)

Для s-орбитали возможна только одна ориентация в пространстве: l = 0, m = 0 (одно значение), т.е. s-подуровню соответствует одна орбиталь.

Рис.5 Энергетическая диаграмма распределения уровней и подуровней

Для p-орбитали разрешены уже три ориентации: l =1,
m = -1, 0, +1 (три значения) т.е. p-подуровню соответствует три орбитали. Следует подчеркнуть, что эти орбитали имеют одинаковую энергию и разница между ними только в ориентации. Обычно p-орбиталь, направленную по оси х, называют р_х-орбиталью, тогда как p_y и p_z-орбитали направлены по осям y и z соответственно (рис. 6)

Рис. 6 Форма и пространственное расположение s-орбитали (а) и p-орбитали (б)

Для d-орбитали возможны пять, а для f-орбиталей – семь различных ориентаций:

Соответственно на d-подуровне - пять орбиталей, а на
f-подуровне – семь.

Принято следующее графическое изображение орбиталей в подуровнях s, p, d, f:

Таким образом, три квантовых числа однозначно характеризуют атомную орбиталь – область возможного нахождения электронов в пространстве. Полностью характеризовать состояние электрона в атоме можно набором четырех квантовых чисел, включающим также спиновое квантовое число.

Спиновое квантовое число (m_s) характеризует собственный момент количества движения (спин) электрона (не связанный с движением вокруг ядра), который в виде нестрогой, но наглядной модели можно считать соответствующим направлению вращения электрона вокруг своей оси; принимает значения: -¹/₂ и + ¹/₂, соответствующие двум противоположным направлениям магнитного момента электрона.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: