ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Квантовомеханическая модель строения атома из "Общая и неорганическая химия Курс лекций Ч 1" Квантовомеханическая модель атома не такая наглядная, как модель, предложенная Бором, а математический аппарат квантовой механики несравненно сложнее. Поэтому основные положения квантовомеханической модели строения атома будут рассмотрены чисто качественно, без использования математического аппарата. Многое из того, что будет изложено в следующем разделе, читателю придется принять на веру , без доказательств. Квантовые числа будут просто введены для описания поведения электрона в атоме, в то время как они являются следствием решения уравнения Шредингера. [c.26] Некоторые разъяснения по первому положению были уже даны (на стр. 25). Прокомментируем второе положение. В соответствии с принципом неопределенности Гейзенберга никогда нельзя точно установить место нахождения частицы. Лучшее, что можно сделать в этом случае, это указать вероятность, с которой частица будет находиться в области пространства АУ=Ах-Ау-Аг. [c.27] Уравнение Шредингера точно решается для водорода и водородоподобных атомов (т.е. для систем, состоящих из ядра и одного электрона). Из решения этого уравнения для атома водорода вытекало, что поведение электрона в атоме описывается четырьмя квантовыми числами. [c.27] Любой подуровень определяется двумя квантовыми числами - главным (при записи обычно указывают численное значение) и орбитальным (при записи обычно используют буквенное обозначение ). Например, энергетический подуровень, для которого п = 2 п 1= следует записать так 2/ -подуровень. Все орбитали с одинаковыми значениями I имеют одинаковую геометрическую форму и, в зависимости от значений главного квантового числа различаются размерами, т.е. являются подобными фигурами. Например, все орбитали, для которых = 0 ( -орбитали) имеют форму сферы, но различаются радиусами, в зависимости от значения главного квантового числа п. Чем больше значение и, тем больше размеры орбиталей, например, 1 -орбиталь имеет наименьшие размеры, радиус 2з-орбитали больше, З -еще больше. [c.29] Численное значение проекции магнитного момента и является магнитным квантовым числом. Если значение орбитального квантового числа равно I, то магнитное квантовое число будет принимать значения от Л0+ , включая ноль. Общее количество значений будет равно 2 + 1. [c.29] Таким образом, магнитное квантовое число определяет расположение орбиталей в пространстве относительно выбранной системы координат. Общее число возможных значений показывает, сколькими способами можно расположить орбитали данного подуровня в пространстве, т.е. общее число орбиталей на подуровне. [c.30] Таким образом, состояние электрона в атоме определяется набором значений четырех квантовых чисел. Понятие орбиталь было дано выше (см. стр. 29). Определим четче некоторые термины, которые использовались при разъяснении физического смысла квантовых чисел и будут использоваться в дальнейшем. [c.32] Группа орбиталей, имеющих одинаковое значение орбитального квантового числа, образует энергетический подуровень. [c.32] Совокупность всех орбиталей с одинаковым значением главного квантового числа, т. е. орбиталей с близкими значениями энергий, образует энергетический уровень. [c.32] Если при описании строения атома водорода не возникает особых проблем- всего один электрон, который в основном состоянии должен занимать орбиталь с минимальной энергией, то при описании строения многоэлектронных атомов необходимо учитывать взаимодействие электрона не только с ядром, но и с другими электронами. Отсюда возникает проблема последовательности заполнения электронами различных подуровней в атоме. Эта последовательность определяется тремя правилами . [c.32] Это означает, что электроны должны отличаться значением хотя бы одного квантового числа. Первые три квантовых числа характеризуют орбиталь, на которой находится электрон. И если два электрона имеют одинаковый их набор, то это означает, что они находятся на одной и той же орбитали. В соответствии с принципом Паули они должны отличаться значением спина. Из этого следует, что на одной орбитали могут находится только два электрона с противоположными по знаку значениями спина. [c.32] Таким образом, общее число орбиталей на энергетическом уровне со значением главного квантового числа п равно А так как на одной орбитали может находиться лишь два электрона, получаем, что максимальная электронная емкость энергетического уровня составляет 2и . [c.33] Правило Хунда формулируется так В пределах одного подуровня электроны располагаются по орбиталям таким образом, чтобы их суммарный спин был максимальным, т.е. на подуровне должно быть максимальное число неспаренных электронов . Рассмотрим выполнение этого правила на примере заполнения / -подуровня. [c.34] В соответствии с правилом Хунда заполнение орбиталей происходит по первому варианту, т.е. сначала электроны занимают все свободные орбитали и только потом происходит их спаривание. [c.34] Как видно из этой таблицы, периоды располагаются парами, исключение составляет только первый период, содержащий всего два элемента, у которых заполняется первый энергетический уровень, состоящий из одного подуровня, и нет внутренних электронов, которые могли бы повлиять на строение внешнего уровня. В остальных же случаях наблюдается следующая картина строение третьего периода подобно строению второго (и оба содержат по 8 элементов), строение пятого периода подобно строению четвертого (и в обоих по 18 элементов),-седьмого подобно строению шестого (по 32 элемента). [c.35] Значительно лучшее совпадение с действительностью дает распределение электронов по (п + () группам, предложенное В. М. Клечковским В атоме каждый электрон занимает тот подуровень, на котором его энергия будет минимальной . [c.35] Выше указывалось, что энергия электрона определяется не только значением главного квантового числа, но и значением орбитального, поэтому для того, чтобы определить, какой подуровень будет заполняться электронами в первую очередь, необходимо учитывать значения обоих квантовых чисел. [c.35] Для первых двух значений сумм п + , равных соответственно 1 и 2, нет альтернативных вариантов, и заполнение подуровней происходит в следующей последовательности и затем 2 . Начиная со значения суммы, равной 3, возникают два варианта заполнять 2/ -подуровень или 3 -подуровень. В соответствии с правилом Клечковского, выбираем тот подуровень, для которого п имеет меньшее значение, т.е. 2/ -подуровень. Затем заполняется З -подуровень. Далее значение п + 1 = А. Таких значений опять два для 3/ -подуровня и для 45-подуровня (случай, аналогичный предыдущему). Сначала будет заполняться Ър-, а затем 45-подуровень. Ъс1-подуровень остается свободным, так как сумма п + для него больше, чем для 45. [c.36] Но такое заполнение происходит до определенного момента. Если рассмотреть изменение энергии подуровней с увеличением заряда ядра атома (см. рис. 8), то можно увидеть, что энергия всех подуровней снижается. Но скорость понижения энергии у разных подуровней не одинакова. Поэтому, если до кальция Зй -подуровень был по энергии выше 45, то начиная со скандия и последующих элементов, его энергия резко снижается, о чем говорит, например, электронное строение иона Ре (15 25 2/ 35 3/ Зс/ ). Из приведенного электронного строения иона видно, что два валентных электрона железа ушли с менее энергетически выгодного 45-подуровня. Аналогичная инверсия энергий наблюдается у 55-и 4/-, а также у 6з- и 5 /-подуровней. [c.36] В дальнейшем было установлено, что полностью и наполовину заполненные подуровни обладают повышенной устойчивостью. Так, для с -подуровня устойчивыми электронными конфигурациями являются с и а для /подуровня - соответственно и / . Этим объясняются аномалии в строении внешних энергетических уровней некоторых элементов, например, у хрома валентные электроны должны были располагаться Ъ(Л а реально- Зс/Ч , у меди должно быть Зс/Чх , а на самом деле. Аналогичные переходы электронов с 5-подуровня на /-подуровень наблюдаются у молибдена, серебра, золота, а также и у / элементов. [c.37] Вернуться к основной статье