Главное квантовое число

Саратовский государственный технический университет

Строение атома

Методические указания

по курсу «Общая химия»

для студентов всех специальностей

Одобрено

редакционно-издательским советом Саратовского государственного

технического университета

Саратов 2008

Цель методических указаний: ознакомить студентов с современной теорией строения атома (не вдаваясь в глубинный физический смысл явлений) и на основе ее объяснить взаимосвязь строения атомов элементов с химическими свойствами и самих элементов, и соединений, образуемых ими, исходя из положения элемента в таблице Д.И. Менделеева.

Мы не рассматриваем здесь подробно историю создания современной квантовой теории строения атома. Мы назовем лишь фамилии ученых, внесших свой вклад в ее создание, предоставив студентам возможность подробнее узнать об их работах из учебника.

Это прежде всего английский физик Дж.Дж.Томсон, открывший электроны и предложивший первую модель атома (положительно заряженная сфера с вкрапленными в нее отрицательно заряженными электронами). Затем Э.Резерфорд, доказавший наличие в атоме ядер. Н.Бор на основании квантовой теории света М.Планка и идей Резерфорда предложил первую квантовую модель атома водорода, согласно которой электроны вращаются вокруг ядра по определенным («разрешенным») орбиталям, не теряя энергии. Луи де Бройль высказал гипотезу о волновых свойствах, присущих любой движущейся частице, в том числе и электрону. В.Гейзенберг сформулировал «принцип неопределенности», позволяющий учитывать двойственную природу электрона, согласно которому можно говорить лишь о вероятности нахождения электрона в различных точках околоядерного пространства.

Итак, современная теория строения атома исходит из того, что атом (наименьшая частица элемента, сохраняющая ее свойства) является нейтральной частицей. Вокруг положительно заряженного ядра, в котором сосредоточена основная масса атома (состав атомных ядер будет рассмотрен позже), движутся на определенном расстоянии от него электроны, одновременно вращаясь вокруг собственной оси. Суммарный отрицательный заряд электронов компенсирует заряд ядра. Переход электрона с одной орбиты на другую происходит скачкообразно и сопровождается поглощением кванта энергии (при переходе на более удаленную от ядра орбиту – возбужденное состояние) или испусканием кванта энергии при переходе с более удаленной на ближнюю к ядру орбиту. (Энергия кванта Е= , где - постоянная Планка, равная 6,626·10^-34 Дж·с; - частота излучения, м).

Электрон – частица вещества с массой покоя, равной 9.1·10^-31кг (5.486·10^-4 а.е.м.), электрон обладает отрицательным зарядом, абсолютная величина которого равна 1,602·10^-19 Кл, условный заряд принимают равным -1.

Одновременно электрон проявляет волновые свойства, его состояние в атоме нельзя представить как движение материальной части по какой-либо орбите. Квантовая механика отказывается от уточнения положения электрона в пространстве; она рассматривает вероятность его пребывания в пространстве вокруг ядра. В качестве квантово-механической модели электрона в атоме принято представление об электронном облаке, плотность соответствующих участков которого пропорциональна вероятности нахождения там электрона. Чем прочнее связан электрон с ядром, тем электронное облако должно быть меньшим по размерам и более плотным по распределению заряда. Пространство, в котором наиболее вероятно пребывание электрона (95%), называют также орбиталью.

Составление электрона в атоме характеризуется четырьмя квантовыми числами (происхождение их подробно рассматривается в курсе физики).

Поскольку атом является микросистемой, его внутренняя энергия может изменяться лишь скачкообразно, определенными порциями – квантами, т.е. внутренняя энергия атома может принимать лишь некоторые определенные значения. Энергия электрона в атоме тоже квантована, т.е. электрон в атоме находится лишь в определенных квантовых состояниях, соответствующих определенным значениям его энергии связи с ядром. (Энергия связи электрона с ядром оценивается количеством энергии, необходимой для удаления электрона от ядра). Переход электрона из одного квантового состояния в другое связан со скачкообразным (квантовым) изменением его энергии.

Главное квантовое число

Возможные энергетические состояния электрона в атоме определяются величиной главного квантового числа – n, которое может принимать целочисленные значения: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7…. . Наименьшей энергией электрон обладает при n=1, с увеличением n энергия электрона возрастает. Состояниеэлектрона, характеризуемое определенными значениями главного квантового числа, принято называть энергетическим уровнем электрона в атоме: при n=1 электроны находятся на первом энергетическом уровне, при n=2 – на втором и т.д.

Главное квантовое число определяет и размеры электронного облака. Для того, чтобы увеличить размеры электронного облака, нужно часть его удалить на большее расстояние от ядра. Этому препятствуют сила электростатического притяжения электрона ядром, на преодоление которых требуется энергия. Поэтому большим размерам электронного облака соответствуют более высокая энергия электрона в атоме, т.е. большее значение главного квантового числа n.

Для обозначения энергетических уровней (электронных слоев) принимают и буквенные обозначения, соответствующие определенным значениям n:

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: