Н.С. Ахметов - Общая и неорганическая химия (1109650), страница 5
Текст из файла (страница 5)
уровней и квантовые переходы Возбуждение атома происходит атома водорода при нагревании, электроразряде, поглощении света и т.д. При этом в любом случае атом поглощает лишь определенные кванты энергии, соответствующие разности энергетических уровней электронов. Обратный переход электрона сопровождается выделением точно таких же квантов энергии.
Квантовые переходы электрона соответствуют скачкообразному изменению среднего размера электронного облака: уменьшение энергии связи электрона с ядром соответствует увеличению объема облака; увеличение энергии связи — сжатию облака. Атомные спектры. Экспериментально квантование энергии атомов обнаруживается в их спектрах поглощения и испускания. Атомные спектры имеют линейчатый характер (рис, 7). Возникновение линий в спектре обусловлено тем, что при возбуждении атомов (нагреванин газа, электроразряде и пр.) электроны, принимая соответствующие порции энергии, переходят в состояние с более высокими энергетическими уровнями.
В таком возбужденном состоянии атомы находятся лишь ничтожные доли секунды. Переход электронов в состоянии с более низкими энергетическими уровнями сопровождается выделением кванта энергии. Это отвечает появлению в спектре отдельных линий, 22 -2 -Ю -4 -Х -б -7 -8 -У -/д -7! -ТР -/Х -У4 значениям энергии электрона в атоме водорода. Вертикальные стрелки указывают на возможные квантовые переходы.
Квантовое состояние атома с наименьшей энергией Е, называют оснввны,а. Остальные квантовые ьР состояния с более высокими уровня— ми энергии Ем Ез, Е4, ..., называют возбужденными. Электрон в основном состоянии связан с ядром наиболее прочно. Когда же атом находится в возбужденном состоянии, связь электрона с ядром ослабевает вплоть до отрыва электрона от атома при Е„и превращения его в положи- Симе- Ф иолезеленая Синяя товая Красная 700 650 600 550 500 450 400 350 ни Р и с.
7. Линии видимого спектра атомного водорода (серия Ввльмера) Орбиталъное квантовое число !..................... 0 1 2 34 5 Обозначения вРЫ7УЬ Для каждого значения главного квантового числа орбитальное число принимает значения, заключенные между О и (я — 1); Обозначение орбитали (электронного облака) 18 2в, 2р Зв, Зр, За 4в, 4р, 44 4Г Главное квантс~ вов число и Орбитальное квантовое число ! 0 0,1 0,1,2 О, 1, 2, 3 соответствующих излучению определенной частоты колебаний (длины волны).
Поскольку газообразный атомный водород содержит множество атомов в разных степенях возбуждения, спектр состоит из большого числа линий. Квантовые переходы возбужденных электронов с различных уровней на первый (см. рис. 6) отвечают группе линий, находящихся в ультрафиолетовой области (серия Лайжана); переходы возбужденных электронов на второй уровень в основном соответствуют видимой области спектра (серия Баяыиера); другие серии переходов выражены длинноволновой областью спектра.
Видимый спектр водорода (см. рис. 7) возникает при переходе возбужденных электронов в состояние с главным квантовым числом в = 2 (серия Баяьзаера). Ор итальное квантовое число. Формы орбитвлей. Для характериссь"биталь тики формы орбитали, а следовательно, и формы электронного облака введено орбитальное квантовое число !. Допустимые значения числа ! определяются значением главного квантового числа я. Квантовое число ! имеет значения: О, 1, 2, 3, ..., (в — 1). Орбитальное квантовое число ! принято обозначать буквами: Орбитальное квантовое число 1 О 1,0,-1 2,1,0,-1,-2 3, 2, 1, О, -1, — 2, -3 Рг Е Фгг 1 4хг 25 Р и с.
8. Форма э-, Р- и Ыорбиталей. Показаны также знаки вол- новой функции Таким образом, для электрона первого энергетического уровня (п = 1) возможна только одна форма орбитали, для второго энергетического уровня (и = 2) возможны две формы орбиталей, для третьего уровня (и = 3) — три и т.д. Согласно квантово-механическим расчетам э-орбитали имеют форму шара, р-орбитали — форму гантели, И- и Горбитали — более сложные формы. Формы граничной поверхности э-, р- и Ыс>рбиталей показаны на рис.
8, При обозначении состояния электрона главное квантовое число пишут перед символом орбитального квантового числа. Например, 4э означает электрон, у которого з = 4 и ( = О (облако имеет форму 24 шара); 2р означает электрон, у которого и = 2 и 1 = 1 (облако имеет форму гантели) и т.д. Магнитное квантовое число. Пространственная ориентация орбиталей.
Для характеристики пространственного расположения орбиталей применяется магнитное (ориентированное) квантовое число ть Число значений магнитного квантового числа зависит от орбитального квантового числа и равно (21+ 1): Магнитное квантовое Число орбиталей с число т1 данным значением 1 э-Состоянию отвечает одна орбиталь, р-состоянию — три, И-состоянию — пять, Рсостоянию — семь и т.д. Орбитали с одинаковой энергией называются оырожденныла.
Таким образом, Р-состояние вырождено трехкратно, Ы-состояние — пятикратно, а Гсостояние — семикратно. Общее же число орбиталей данного энергетического уровня равно п~, По хаРактеРУ оРиентации в пРостРанстве Р-оРбитали обозначают Рл ру и и» (см. рис. 8). оьОрбитапи, ориентированные своими лопастями по осям координат, обозначают Н и Ы „а И-орбитали, ориентированные лопастями между осями координат, обозначают 4с, 4„с и Н„ (см. рис. 8), Различие в ориентации электронных облаков относительно друг друга позволяет объяснить спектры атомов в магнитном поле. При действии на атомы внешнего магнитного поля происходит расщепление линий их спектров — возникновение новых близлежащих линий.
Это обусловлено изменением характера расположения электронных облаков относительно друг друга в соответствии с "дозволенными" углами поворота каждого из них в магнитном пале. Радиальпое распределение электронной плотности. Распределение электронной плотности относительно ядра изображают с помощью кривой радиального распределения вероятности (рис. 9). Эта кривая показывает вероятность того, что электрон находится в тонком концентрическом шаровом слое радиуса г толщины Аг вокруг ядра. Объем этого слоя с11~ = 4лгчуг. Общая вероятность нахождения электрона в этом слое (4лгэбг)ф', Принцип Паули.
В 1925 г. В. Паули был высказан принцип: в ателье не льолеет быть двух электронов, ильеющих одинаковый наБор всех четырех квантовых чисел. Иными словами, данными значениями квантовых чисел и, 1, тв те может характеризоваться только один электрон. Для любого другого электрона в атоме должно быть иным значение хотя бы одного нэ квантовых чисел. Из принципа Паули непосредственно вытекает, что на одной орби- тали может находиться лишь два электрона — с т, = +1/2 и — 1/2. Следовательно, в в-состоянии (одна орбиталь) может быть лишь два электрона, в р-состоянии (три орбитали) — шесть, в о-состоянии (пять орбиталей) — десять, в /состоянии (семь орбиталей) — четырнадцать электронов и т.д.
Поскольку число орбиталей данного энергетического уровня равно н, емкость энергетического уровня составляет 2нх электронов. 2 и=/ ь'=е у,в д бгйб йудит (б (г уб г,ал че 44 6б чЮ г,в» и квю Р и с. 9. Радиальное распределение вероятности нахождения электрона (электронной плотности) в атоме водорода на расстоянии т от ядра Рис. 9 отражает зависимость 4хгхог от г. Как видно, электрон любой орбитали определенное время находится в области, близкой к ядру. При этом вероятность нахождения вблизи ядра при данном значении главного квантового числа для в-электрона наибольшая, меньше — для р-электрена, еще меньше — для о-электрона и т.д.
Электронная плотность по орбиталям распределяется неравномерно. Нулевые положения на кривой называются узла.аи. Они отвечают изменению знака волновой функции (см. рис. 5). Число максимумов на кривой распределения электронной плотности определяется главным квантовым числом. Для в-электронов число максимумов на кривой вероятности нахождения электрона численно равно значению главного квантового числа, для р-электронов — на единицу меньше, а для а-электронов — на две единицы меньше значения главного квантового числа. Спиновое квзитовое число. Изучение тонкой структуры атомных спектров показало, что кроме различия в размере облаков, их формы и характера расположения относительно друг друга электроны различаются 'саино и', Спин можно представить как веретенообразное вращение электрона вокруг своей оси.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
