Квантовая теория и периодическая система

ПЕРИОДИЧЕСКИЙ ЗАКОН И ПЕРИОДИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ Д. И. МЕНДЕЛЕЕВА. КВАНТОВО-МЕХАНИЧЕСКАЯ ТЕОРИЯ ЭЛЕКТРОННОГО СТРОЕНИЯ АТОМА [c.48]

Принцип очередности заполнения орбиталей. Электроны заполняют орбитали в порядке увеличения их энергии, т. е. на орбиталях с более высокой энергией электроны располагаются после того, как заполнены орбитали с меньшей энергией. Этот принцип целиком согласуется с классической физикой, где он формулируется как стремление системы к минимуму энергии. Однако сначала необходимо ответить на вопрос, как зависит энергия электрона от квантовых чисел п и I, описывающих его состояние. Ранние работы по теории периодической системы приписывали исключительную роль главному квантовому числу п, так как застройка электронных оболочек происходит в строгом соответствии с ростом п плоть до аргона (2 = 18). Однако при переходе от третьего периода к четвертому наблюдаются аномалии , которые в последующих периодах таблицы Менделеева становятся скорее правилом, чем исключением. В. М. Клечковский (1954) сформулировал закономерность возрастания энергии электронных [c.169]

Таким образом, теперь ясно видна необходимость использования трех квантовых чисел для описания энергии электрона. Каждое новое квантовое число вводилось для удовлетворения требований эксперимента. Однако даже с этими тремя квантовыми числами невозможно было полностью объяснить линейчатые спектры. Например, действие слабого магнитного поля приводит к так называемому аномальному эффекту Зеемана, который нельзя было понять на основе модели Бора — Зоммерфельда. Кроме того, у атома Бора и его вариантов было множество других недостатков. Одним из них, и, по-видимому, наиболее существенным, была невозможность применения теории Бора к более сложным атомам. Приложение ее к спектру даже такого простого атома, как атом гелия, приводило к полной неудаче, и все попытки понять основы периодической системы в рамках модели Бора были безуспешны. Это показывает, что все вышеизложенное верно только для одноэлектронной системы. Такое ограничение не имеет смысла, и поэтому очевидна необходимость найти что-то лучшее. [c.37]

Таким образом, квантовая теория объяснила особенности периодической системы, вскрыла физическую сущность периодического закона и тем самым способствовала его упрочению. В свою очередь периодический закон был той путеводной нитью, которой пользовались создатели квантовой механики и теории спектров. [c.63]

Квантовые числа. Итак, набор квантовых чисел п, /, ггц и их вариация — медствие -решения уравнения Шрёдингера для состояния электрона в атоме водорода. Эти же квантовые числа однозначно характеризуют состояние электронов любого другого атома Периодической системы . В этом заключается принципиальная значимость квантовых чисел в теории атома и в раскрытии физического смысла Периодического закона. Однако квантовая механика не отличается наглядностью и не дает физической интерпретации квантовых чисел п, / и тп[. Для придания этим квантовым числам физического смысла обратимся к модели атома Бора, в которой уже фигурировало главное квантовое число п. Оно опреде- [c.34]

Научные работы посвящены квантовой теории атома, спектроскопии и квантовой теории металлов. Для химии —в аспекте развития теории периодической системы элементов — имеют основополагающее значение те его исследования, в которых он развил боров- [c.202]

Н. X. Д. Бор заложил основы первой физической теории периодической системы элементов, в которой связал периодичность свойств элемептов с формированием электронных конфигураций атомов по мере увеличения заряда ядра. Применил два квантовых числа—п и к. Обосновал подразделение групп периодической системы на главные и побочные. Впервые объяснил подобие свойств редкоземельных элементов. [c.669]

Самой первой и наиболее четко выражающей существо периодического изменения свойств элементов была и остается модель, которую мы назвали бы химической. Она тождественна менделеевской естественной системе и, следовательно, является канонической. Именно эту модель мы и имели в виду, формулируя определение системы как упорядоченного множества. Физическое обоснование закона периодичности и разработка Н. Бором квантовой модели строения атома привели к появлению новой модели явления периодичности, ее можно назвать формальной физической. Эта модель отражает существование электронной периодичности и представляет фундамент формальной теории периодической системы. Формализм ее заключается в том, что ее построение проводилось с непременным учетом закономерностей изменения химических свойств элементов по мере роста 2, а не на основе каких-либо строгих теоретических представлений. Формальная физическая модель относится к реальной схеме формирования электронных конфигураций атомов, и ее можно рассматривать в качестве физического объяснения явления периодичности, другими словами — как интерпретацию химической модели на электронном уровне развития учения о периодичности. [c.34]

Применение постулатов квантовой механики к теории строения атомов позволило говорить о квантовомеханической модели явления периодичности. Ее основу составляет волновое уравнение, решение которого (с использованием приближенных методов) дает возможность теоретического вывода реальной схемы построения электронных конфигураций. Данная модель есть модель исключительно по отношению к электронной периодичности, построенная независимо от химической модели и, следовательно, не формальная. Здесь нужно заметить, что нередко употребляемое выражение квантовомеханическая теория периодической системы нельзя признать удачным. Вывод ре- [c.34]

Принято считать, что выяснение закономерностей построения Периодической системы элементов является одним из самых блестящих успехов квантовой механики . Однако полная теория Периодической системы еще отсутствует. Вместе с тем также очевидно, что Периодический закон Менделеева во многом стимулировал успехи квантовой механики. [c.8]

Основополагающая работа Бора 1913 г. [42] стала важнейшим опорным пунктом для развития представлений о связи свойств элементов со строением атома и, далее,—для непосредственной разработки формальной теории периодической системы. Характеризуя эти представления в целом, можно выделить два направления одно, связанное со статическими электронными теориями строения атома (В. Коссель — Г. Льюис — И. Ленгмюр), и другое, заключавшееся в обосновании схемы формирования электронных конфигураций атомов по мере роста на основе квантовой теории атома и увязывании этой схемы с периодичностью изменения свойств химических элементов. Оба указанных направления взаимно коррелировали друг с другом и в конечном счете привели к долгожданному физическому обоснованию явления периодичности. [c.248]

Следующий шаг к разработке теории периодической системы связан с дальнейшим уточнением характеристики места электрона в электронной конфигурации атома, а именно — с введением так называемого магнитного (то ) и спинового (т ) квантовых чисел. Свое же окончательное завершение формальная теория периодической системы получила в работах В. Паули, который в 1925 г. сформулировал знаменитый принцип запрета В атоме не может существовать двух или более эквивалентных электронов, для которых значения всех квантовых чисел в магнитном поле [c.251]

Таким образом, можно утверждать, что к середине 20-х годов была разработана формальная теория периодической системы периодическое изменение свойств элементов находило объяснение в закономерностях формирования электронных конфигураций атомов с ростом 2. Однако модели этих конфигураций не опирались на какую-либо строгую физическую теорию, а основывались в значительной степени на химических и спектроскопических данных. Что же касается чисто физической стороны боровской теории атома, то она страдала ограниченностью, которую была не способна преодолеть хотя представление о возможных орбитах электрона опиралось на квантовую теорию, расчет этих орбит основывался на методах классической механики и электродинамики. Таким образом, теория Бора не была последовательно ни квантовой, ни классической. Как метко заметил в свое время В. Брэгг, в ней мы как бы должны по понедельникам, средам и пятницам пользоваться классическими законами, а по вторникам, четвергам и субботам — квантовыми [45, стр. 330]. [c.252]

Все это вызвало необходимость нового подхода к теории строения атома. Таким подходом явились квантово-механические представления, впервые приложенные к атому в 1926 г. Э. Шре-дингером, выведшим свое знаменитое уравнение. Решение этого уравнения сначала для атома водорода, а потом (с помощью приближенных методов, разработанных Л. Томасом, Э. Ферми, Д. Хартри и В. А. Фоком, П. Дираком, В. Слейтером и другими) для многоэлектронных атомов позволило дать определенное кванто-во-механическое обоснование формирования электронных конфигураций атомов по мере роста 2. Можно поэтому говорить, что в настоящее время мы располагаем квантово-механической теорией периодической системы атомов. [c.252]

Весьма распространенным представлением в теории периодической системы, особенно при ее изложении в курсах химии, было представление о неразрывной связи между главным квантовым числом и взаимным расположением (внешним или внутренним) электронов, принадлежащих к разным электронным группам. На этом, в частности, базируется обычное объяснение своеобразия положения редкоземельных элементов в периодической системе. [c.56]

Время от времени эту закономерность как чисто эмпирическую замечали давно и эпизодически в литературе появлялись сообщения, в которых при описании электронных конфигураций атомов и их последовательности в периодической системе пользовались сложением квантовых чисел п и I [8]. Но лишь после введения понятия об (п /)-группах, открытия энергетической последовательности (п -Ь /)-групп в спектрах многоэлектронных атомов, а затем и теоретического обоснования правила последовательного заполнения (п /)-групп [4,5] стало выясняться значение этого правила и других, связанных с ним правил для теории периодической системы Д. И. Менделеева и для разрешения противоречий, отмеченных в начале данного сообщения. [c.63]

Атом первого элемента в Периодической системе — водорода — обладает наипростейшим строением. Он состоит всего из двух частиц протона и электрона, — между которыми существуют лишь силы притяжения. Не случайно именно для атома водорода оказалась успешно применимой первая квантовая теория — теория Бора, и только для этого атома волновое уравнение Шредингера имеет точное решение. [c.292]

Дальнейшее развитие квантовой теории позволило решить вопрос об электронной структуре атомов различных элементов, привести ее в полное соответствие с периодической системой элементов Д. И. Менделеева и раскрыть причины периодичности свойств элементов. Распределение электронов на свободных энергетических уровнях (оболочках) атомов происходит так, что в нормальном состоянии атома в первую очередь заполняются наиболее низкие энергетические уровни в порядке последовательного формирования электронных оболочек К, L, М и т. д. В соответствии с принципом Паули максимальное число электронов на какой-либо оболочке выражается формулой N = 2п , где п — главное квантовое число. [c.16]

Благодаря квантовой теории удалось объяснить важнейшие закономерности периодической системы. Прежде всего установление периодического изменения электронных структур атомов дает объяснение самому закону Менделеева — периодичности изменения свойств элементов с ростом порядкового номера. [c.66]

Теоретическое обоснование Периодического закона дано в квантово-механической теории строения атома. Физический смысл порядкового номера Z заключается в том, что Б нейтральном атоме данного элемента содержится Z протонов (в ядре) и Z электронов (на оболочке). Так, в ядре атома бора B(Z = 5) имеется 5 протонов, а на оболочке — 5е . Физической основой структуры Периодической системы является определенная последовательность заселения электронами оболочки атома при возрастании Z. [c.147]

Фридрих Хунд (род. в 1896 г.) — немецкий физик, один из создателей метода молекулярных орбиталей. Известен работами по квантовой теории атомов, молекул, спектроскопии, по строению периодической системы. [c.108]

В поисках того признака, который, проявляясь на всех стадиях эволюции химических систем, приобретает доминирующее значение у биологических систем, необходимо обратить внимание на дискретность отношений между системой и средой. Роль принципа дискретности, проявившаяся в успехах атомно-молекулярной теории, периодическом законе, структурной теории, стала еще более значительной в квантовой физике. [c.5]

Однако для познания сущности явления одних экспериментальных методов недостаточно, поэтому Ломоносов говорил, что истинный химик должен быть теоретиком. Только через мышление, научную абстракцию и обобщение познаются законы природы, создаются гипотезы и теории, открывающие путь для предсказания новых фактов. А научное предвидение — главная черта любой истинной науки. Теоретическое осмысливание опытного материала и создание стройной системы химических знаний в современной общей и неорганической химии базируются на 1) квантово-механической теории строения атомов и Периодической системе элементов Д.И.Менделеева 2) квантово-химической теории химического строения и учении о зависимости свойств вещества от его химического строения 3) учении о химическом равновесии, основанном на понятиях химической термодинамики. [c.7]

Квантовая теория, которая в начале XX в. произвела переворот в физике, необходима для понимания химии. Например, спектры, строение периодической системы, конфигурации молекул и их свойства нельзя объяснить без квантовой теории. В первой главе этой части рассмотрено историческое развитие квантовой теории и ее применение к простым модельным системам, включая частицу в ящике, гармонический осциллятор и атом водорода. Однако из-за сложности математических расчетов невозможно провести полное рассмотрение. В следующей главе даны основные представления о симметрии, так как простые молекулы и их волновые функции обладают высокой симметрией. [c.361]

В доквантово-механический период общий метод исследования задач теории атомных спектров состоял в следующем вычисления делались на основе некоторой модели при помощи классической механики, а затем делалась попытка изменить формулы так, чтобы эти изменения были незначительными для больших квантовых чисел, однако характер их давал бы возможность достигнуть соответствия f с экспериментом при малых квантовых числах. Следует удивляться тому коли-честву результатов современной теории линейчатых спектров, которое было получено этим путем. Существенные достижения здесь принадлежат Паули, Гейзенбергу, Гунду и Ресселю. Была построена векторная модель сложных атомов, в которой основную роль играло квантование моментов количества. > движения отдельных электронных орбит и их векторной суммы. К этому же V периоду относится открытие Паули правила запрета, согласно которому два электрона в атоме не могут обладать одной и той же совокупностью квантовых чисел. После появления квантовой механики принцип Паули естественным образом вошел в теорию. Однако этот принцип сыграл еще большую роль как эмпирическое правило, в особенности благодаря работам Гунда, посвященным строению сложных спектров, и развитию теории периодической системы элементов, начатую Бором. [c.17]

Каждый элемент периодической системы имеет определенное число электронов, равное его атомному номеру. Электроны с определенной вероятностью расположены на уровнях и подуровнях вокруг ядра в соответствии с квантовой теорией. Квантовая теория была создана Планком, который предположил, что электромагнитная энергия поглощается или испускается дискретно это означает, что энергия не непрерывна. Энергетическое состояние каждого электрона в свободном атоме характеризуется четырьмя квантовыми числами. [c.11]

Основное предположение волново механики состоит в следующем. Подобно тому как для света измеряемые на опыте свойства (частота, длина волны, скорость) оиределяются периодическими изменениями г з, так и для всех материальных систем (таких, как кванты света, электроны, ионы, атомы и молекулы) предполагается, что измеряемые на опыте свойства (эпергия, импульс, устойчивость) также определяются периодической функцией тр, характеризующей свойства системы. Основная задача современной квантовой теории заключается в нахождении функции -ф для рассматриваемых систем и вычислении с ее помощью наблюдаемых на опыте свойств. В благоприятном для теории случае результаты такого расчета должны совпадать с опытными данными. Во всех случаях решение этой задачи начинается однотипно — с рассмотрения уравнения Шредингера. Ход рассуждений прн выводе этого уравнения может быть следующим. [c.133]

Понимание природы кристаллического состояния и специфики связей разного типа может дать квантовая теория твердого тела. В задачу этой теории как одна из основных проблем входит изучение электронных состояний системы многих атомов, образующих периодическую решетку (зонная теория твердого тела, некоторые качественные результаты которой были изложены в гл. VIII, 4). Рассмотрение основного электронного состояния системы затрагивает проблему энергии кристаллической решетки (энергии связи), рассмотрение возбужденных состояний с оценкой их вероятностей при различных температурах — проблему электронного вклада в температурную зависимость термодинамических функций. В квантовой теории движения электронов и ядер обычно предполагают квазинезависимыми. В соответствии с этим приближением термодинамические функции будут включать независимые вклады электронную составляющую и составляющую, обусловленную движением ядер, которые образуют решетку ( решеточная составляющая). Вклад электронной составляющей в термодинамические функции металла (именно для металлов эта составляющая может быть наиболее существенна) был оценен ранее (гл. VIII. 5) было найдено, что при обычных температурах вклад электронов в теплоемкость металла очень мал. В настоящей главе мы будем изучать решеточную составляющую. [c.311]

Главные положения теории Бора сводятся к следующему электроны вокруг атомного ядра вращаются не по любым, а лишь по дозволенным орбитам. Такие орбиты определяются главными квантовыми числами (1, 2, 3 и т. д.), в свою очередь определяющими число оболочек электронов. Максимальное число электронов на каждой из оболочек (т. е. на разных уровнях) определяется удвоенным квадратом главных квантовых чисел,, т. е. 2-1 , 2 2 , 2-32 и т. д. Таким образом, число электронов в каждой из оболочек, начиная от ближайшей к. ядру, оказалось, равным числам элементов в периодах периодической системы, а именно 2, 8, 8, 18, 32. При этом максимальное число электронов на наружной оболочке равно 8. Такой электронной оболочкой, как. известно, обладают атомы инертных элементов. У атомов других элементов наружная оболочка не завершена, и число электронов внешнего слоя колеблется от 1 до 7. [c.217]

Квантовые числа. Итак, набор квантовых чисел п, I, тг и их вариация — следствие решения уравнения Шрёдингера для состояния электрона в атоме водорода. Эти же квантовые числа однозначно характеризуют состояние электронов любого другого атома Периодической системы . В этом заключается принципиальная значимость квантовых чисел в теории атома и в раскрытии фи- [c.45]

Принцип минимума энергии и принцин Паули определяют для каждого атома в нормальном состоянии распределение электронов по оболочкшл п1. Тем самым мы приходдш к оболочечной теории периодической системы Менделеева. В соответствш со сказанным в разделе п наиболее существенно для энергии главное квантовое число п, а при данном п энергия растет с ростом 1. Поэтому оболочки заполняются в последовательности is,2а,2р,зр,за,.... [c.24]

В данной книге излагаются электронно-квантовые основы периодической системы элементов теория химической связи и структура молекул, электрические свойства молекул и методы расчета дипольных моментов зависимость электрических и других свойств от химического состава и структуры мшекул, от внешних факторов (электрическое поле, радиационное излучение, температура, влажность, давление и др.). [c.3]

Опираясь на менделеевскую систему и широко используя данные о спектрах элементов, Бор, таким образом, заложил q hobu формальной теории периодической системы. В качестве важнейших ее положений нужно выделить следующие 1) Заполнение оболочек в атомах по мере роста Z происходит ступенчато, т. е. может начинаться заполнение оболочки с главным квантовым числом n-j-l, хотя оболочка, отвечающая значению щ осталась незавершенной. Исключение составляют лишь первые два периода системы, в каждом из которых заполнение данной оболочки происходит нацело. 2) В атоме каждого щелочного металла, открывающего период, начинается заполнение новой оболочки, причем периоды заканчиваются благородными газами, имеющими особо устойчивую электронную конфигурацию внешних оболочек (2 нля [c.250]

Вопрос о длинах периодов тесно переплетается с более общим вопросом теории периодической системы — о закономерности, опредзляющей последовательность заполнения электронных групп и подгрупп с увеличением порядкового номера элемента и о взаимоотношении ее с энергетической последовательностью рентгеновских и оптических термов многоэлектронных атомов. Согласно общераспространенному представлению преимущественная роль в определении уровня энергии атомных электронов принадлежит главному квантовому числу. И казалось бы, что это действительно обстоит так и в спектре атомов водорода и водородоподобных ионов и в области глубоких рентгеновских уровней многоэлектронных атомов, а также и в той области оптических термов этих атомов, которая включает возбужденные состояния с очень высокими значениями углового момента излучающего электрона — последовательность уровней энергии на амом деле отвечает возрастающим значениям главного квантового числа. [c.55]

Рассмотрены вопросы теории периодической системы Д. И. Менделеева, связатнгые с обоснованием и применением принципа группировки электронных состояний по сумме главного и орбитального квантовых чисел. При помощи этого принципа дана строгая формулировка правила, которому подчиняется последовательность заполнения электронных групп и подгрупп в основном состоянии атомов с увеличением порядкового номера элемента. На той же основе дано физическое определение совокупности подгрупп, заполнение которых происходит па протяжении периода системы Д. П. Менделеева, и решение задачи о зависимости между номером периода и его длиной. Получено решение ряда других задач, относящихся к зависимости между Z и распределением атомных электронов. [c.244]

Считается, что квантовая теория дала полное объ-яснрие системы элементов. Известный ученый, посвятив-ший теории периодической системы многие свои труды, про- [c.27]

Люди, разрабатывавшие квантовун теорию и методы интерпретации атомных спектров, воспитывались на традициях, в которых менделеевская классификация была частью научного климата века. Разобраться в с.южных атомных спектрах было бы невозможно без сознательного применения периодической системы. Квантовая теория. несмотря на ее триу.иф, не превзошла достижений Д. И. Менделеева в точном предсказании свойств до того неизвестных скандия, галлия и германия. Однако квантовая теория действительно устранила некоторые недостатки периодической системы. [c.60]

Справочник химика 21

Химия и химическая технология