mozok.click » Фізика » Фізичні основи побудови періодичної системи хімічних елементів Д. І. Менделєєва
Інформація про новину
  • Переглядів: 10
  • Автор: admin
  • Дата: 12-02-2018, 22:47
12-02-2018, 22:47

Фізичні основи побудови періодичної системи хімічних елементів Д. І. Менделєєва

Категорія: Фізика

Квантові числа. На уроках хімії у 8 класі ви вже ознайомились із будовою електронної оболонки атома. Вмієте записувати електронні конфігурації атомів, знаєте, що властивості хімічних елементів періодично повторюються, оскільки періодично повторюється будова зовнішніх енергетичних рівнів у їх атомах. Розглянемо детальніше, як квантова механіка пояснює будову складних атомів.

Як відомо, у теорії Бора квантується енергія атома та момент імпульсу електронів у атомі, тобто ці величини виражаються через квантове число п:

де п = 1,2,3... - ціле число, яке називають кванто

вим числом.

У квантовій механіці стан атома описується чотирма квантовими числами.



Квантове число п із теорії Бора зберігається і в квантовій механіці під назвою головного квантового числа п = 1,2,3... і збігається з номером енергетичного рівня.

Орбітальне квантове число І визначає модуль момента імпульсу електрона. Його обчислюють із співвідношення

де L - мо

мент імпульсу електрона. Воно може набувати значень від 0 до п -1.

Магнітне квантове число т, - характеризує орієнтацію момента імпульсу і може набувати значень від —І до +1. Це пояснюється тим, що момент імпульсу векторна величина, тому вона квантується і за числовим значенням і за напрямком. Наприклад, якщо 1 = 2, то поможе мати значення -2, —1, 0, +1, +2. У квантовій механіці, як правило, орієнтацію момента імпульсу задають через його компоненту Ьг( мал. 282), яка повязана з

т( співвідношенням

Назва «магнітне квантове число» зумовлена тим, що під час експериментальних досліджень було виявлено, що у газовому розряді в магнітному полі спектральні лінії розщеплюються на декілька ліній. (Це розщеплення називають ефектом Зеємана). Це означає, що розщеплюються і енергетичні рівні. Залежність енергії від орієнтації момента імпульсу пояснюється взаємодією рухомого електрона з магнітним полем.

Спінове квантове число тщ, яке може набувати двох значень: тг = +1/2 та тв = -1/2. Спін - фундаментальна характеристика мікроскопічної частинки, (яка в деякому відношенні аналогічна «власному моменту імпульсу частинки»). Спін є квантовою властивістю частинок і не має аналогів у класичній фізиці. Тоді як класичний момент імпульсу виникає внаслідок обертання масивного тіла скінченних розмірів, спін властивий навіть частинкам, які на сьогодні вважаються точковими, і не пов’язаний із жодним обертанням мас всередині такої частинки.

Про два можливих значення спінового квантового числа - т, = +1/2 та т, - -1/2 - часто говорять «спін вгору» та «спін вниз», маючи на увазі, що можливі два напрямки спінового момента імпульсу. Для цього ж використовують позначення Ті. Отже, стан електрона в атомі характеризується чотирма квантовими числами: п, І, т,, т,. В. Паулі (1900-1958) довів, що два електрони в одному атомі не можуть мати однакового набору квантових чисел. Це обмеження називають принципом заборони Паулі.

Принцип Паулі: два електрони не можуть знаходитись в атомі в одному і тому ж квантовому стані.

Згідно з принципом Паулі даному п відповідає п2 станів, які відрізняються значеннями І та т,. Квантове число та може набувати тільки двох значень +1/2 та -1/2. Тому в атомі у стані із заданим п можуть перебувати не більше, ніж 2л2 електронів.

Розглянемо будову деяких атомів, використовуючи принцип Паулі.

Наступний за атомом Гідрогену у періодичній системі атом Гелію має два електрони. Обидва електрони можуть мати головне квантове число п = 1, оскільки їх спіни можуть мати протилежні напрямки. Отже, квантові числа І та т1 повинні дорівнювати нулю. Відповідно в основному стані атома Гелію електрони можуть мати квантові числа, які наведено у таблиці.


 

У Літію три електрони, двоє з яких можуть перебувати у стані п = 1, а третій, щоб не порушувався принцип Паулі, має п = 2. Квантові числа електронів Літію в основному стані наведено у таблиці. Квантові числа третього електрона можуть бути й іншими, наприклад, п = 2 та І = 1, але у такому разі він перебуватиме у збудженому стані, оскільки рівень зл = 2та/=1 має вищу енергію, ніж рівень п = 2 та і = 0. Тому з часом електрон перейде в основний стан з випромінюванням фотона.

Аналогічно можна продовжити перелік квантових чисел Для основного стану складніших атомів.

Електронні конфігурації атомів. Як відомо, кількість електронів у атомі дорівнює кількості протонів в ядрі атома і дорівнює порядковому номеру хімічного елемента в таблиці Менделєєва. Відкриття фізичного змісту порядкового номера та принципу Паулі обгрунтовує періодичність розміщення хімічних елементів.

Розподіл електронів по орбіталях в основному (незбудженому) стані атома записують за допомогою електронної формули. Для запису електронної формули користуються певними позначеннями.

Сукупність електронів, що мають однакові значення числа п, утворюють оболонку, яку прийнято позначати буквеним символом (див. таблицю).

Електрони з однаковим значенням І належать одній підоболонці (орбіта-лі). Числові значення І замінюють буквеним позначенням (див. таблицю).

Складаючи схеми будови електронних оболонок атомів, керуються таким алгоритмом:

Визначають кількість електронів в електронній оболонці атома (хімічного елемента) за його порядковим номером у таблиці Менделєєва.

За номером періоду визначають кількість енергетичних рівнів п в електронній оболонці.

Визначають максимальну кількість електронів на кожному енергетичному рівні за формулою 2л2 (кількість електронів на зовнішньому рівні визначається номером групи для елементів головних підгруп у таблиці Менделєєва).

Число орбіталей на енергетичних рівнях різне, воно дорівнює п2. Кількість форм орбіталей, які утворюють енергетичний рівень, дорівнює номеру цього рівня. На першому рівні (п = 1) одна s-орбіталь, на другому (п = 2) - чотири: одна s- і три р-орбіталі, на третьому (п = 3) - дев’ять: одна S-, три р-орбіталі і п’ять d-орбіталей.

На кожній орбіталі може перебувати максимум два електрони з протилежними спінами.

Заселення електронами орбіталей підпорядковується правилу Гунда: заселення орбіталей, що належать одному енергетичному рівню, починається з одиночних електронів з паралельними спінами, і лише після того, як електрони займуть усі орбіталі, починається заселення орбіталей парами електронів (з протилежними спінами).

На мал. 283 показано схему забудови енергетичних рівнів.


На мал. 284 наведено приклади електронних формул та електронних конфігурацій деяких хімічних елементів.

Оскільки будова зовнішніх енергетичних рівнів періодично повторюється, то це зумовлює періодичну повторюваність властивостей хімічних елементів. Так, у межах періоду металічні властивості елементів поступово послаблюються, а неметал Ічні - посилюються; основні властивості оксидів і гідроксидів елементів поступово послаблюються, а кислотні - посилюються. У головних підгрупах елементів - навпаки.

Знаючи місце елемента у періодичній системі, можна судити про будову його атома, а відтак - і про властивості простої речовини, утвореної цим елементом, характер його оксиду й гідрату оксиду тощо. Для прикладу, охарактеризуємо хімічний елемент Натрій.

Натрій розміщений у 3-му періоді, в 1А групі. Порядковий номер 11, відносна атомна маса 23. В атомі Натрію є 11 електронів, які розподіляються на 3-х енергетичних рівнях (згідно з номером періоду): на першому рівні (п = 1) одна s-орбіталь, яка містить 2 s-електрони, на другому (п = 2) одна s-орбіталь (2 s-електрони) і три р-орбіталі (6 р-електронів), тоді на третьому рівні (п = 3) є лише один електрон (s-електрон). Третій рівень в атомі Натрію починає забудовуватись. Оскільки на початку періоду розміщуються еле-

менти, в яких невелике число валентних електронів (на зовнішньому енергетичному рівні) і великий радіус атома, то атом Натрію, що має 1 валентний електрон, легко його втрачає. Тому Натрій виявляє яскраво виражені металічні властивості.

Дайте відповіді на запитання

1. Як за допомогою квантової механіки пояснюється будова електронних оболонок атомів?

2. У чому суть принципу Паулі?

3. Яка із наведених електронних формул неможлива: a) ls22s22p63s3; б) ls22s22p43s24p2; в) ls22s22p83s’?

4. Запишіть електронні формули атомів Са, СІ та зобразіть їх електронні

конфігурації.



^