Ю.М. Коренев, В.П. Овчаренко - Общая и неорганическая химия (1114428), страница 6
Текст из файла (страница 6)
е. само понятие орбита(траектория) электрона оказывается несостоятельным. Необходимсовершенно иной метод описания поведения электрона в атоме, которыйдает квантовая механика. В квантовой механике для описания поведенияэлектрона исходными являются два положения:∆p∆x >1) движение электрона носит волновой характер;2) наши знания о поведении электрона имеют вероятностный (илистатистический) характер.Некоторые разъяснения по первому положению были уже даны (настр.
25). Прокомментируем второе положение. В соответствии с принципомнеопределенности Гейзенберга никогда нельзя точно установить местонахождения частицы. Лучшее, что можно сделать в этом случае, этоуказать вероятность, с которой частица будет находиться в областипространства ∆V = ∆x ⋅ ∆y ⋅ ∆z.В 1926 г. Шредингер предложил уравнение, в которое для описанияповедения электрона в атоме была введена волновая функция. Уравнениеимеет обманчиво простой вид:€ Ψ = EΨ ,H(15)€где E – полная энергия частицы, Ψ – волновая функция, H – операторГамильтона. Гамильтониан показывает, какие математические операциинужно произвести с волновой функцией, чтобы решить уравнениеотносительно энергии. Физический смысл волновой функции определитьтрудно, а вот квадрат модуля ее | Ψ |2 определяет вероятность нахожденияэлектрона в данной области пространства.Уравнение Шредингера точно решается для водорода иводородоподобных атомов (т.
е. для систем, состоящих из ядра и одногоэлектрона). Из решения этого уравнения для атома водорода вытекало, чтоповедение электрона в атоме описывается четырьмя квантовыми числами.27Глава II1°. Главное квантовое число n. Оно может принимать значения от 1до бесконечности, которые определяют:а) номер энергетического уровня (в теории Бора – номер орбиты);б) интервал энергий электронов, находящихся на этом уровне;в) размеры орбиталей (в теории Бора – радиусы орбит);г) число подуровней данного энергетического уровня (первый уровеньсостоит из одного подуровня, второй – из двух, третий – из трех и т. д.).д) в Периодической системе Д.
И. Менделеева значению главногоквантового числа соответствует номер периода.Иногда пользуются буквенными обозначениями главного квантовогочисла, т. е. каждому численному значению n соответствует определенноебуквенное обозначение:Таблица 7Буквенные обозначения главного квантового числаЧисленныезначения nБуквенноеобозначение12345KLMNO2°.
Орбитальное или азимутальное квантовое число l. Орбитальноеквантовое число определяет момент количества движения (моментимпульса) электрона, точное значение его энергии и форму орбиталей.Новое понятие «орбиталь» по звучанию напоминает слово «орбита», ноимеет совершенно иной смысл. Орбиталь – это область пространства, вкоторой вероятность нахождения электрона имеет определенное значение(90 – 95 %). Иногда орбиталью называют граничную поверхность этойобласти, а на рисунках, как правило, изображают сечение этой областиплоскостью, проходящей через начало координат и лежащей в плоскостирисунка. В начало координат помещают центр ядра атома.
Понятиеорбиталь, в отличие от орбиты, не подразумевает знания точных координатэлектрона. Орбитальное квантовое число зависит от главного квантовогочисла и принимает следующие значения:l = 0, 1, … , (n – 1),причем каждому значению главного квантового числа n соответствует nзначений орбитального квантового числа l. Например, если n = 1, то lпринимает только одно значение (l = 0) при n = 2 величина l принимает двазначения: 0 и 1 и т. д. Каждому численному значению l соответствуетопределенная геометрическая форма орбиталей и приписывается буквенноеобозначение.
Первые четыре буквенныx обозначения имеют историческоепроисхождение и связаны с характером спектральных линий,соответствующих электронным переходам между этими подуровнями: s, p,d, f – первые буквы английских слов, использованных для названияспектральных линий sharp (резкий), principal (главный), diffuse(диффузный), fundamental (основной). Обозначения других подуровнейидут в алфавитном порядке: g, h, … .28Строение атомаТаблица 8Число подуровней, определяемых значением nЗначение nЗначение lБуквенноеобознач.
lЧислоподуровней10010312012301234sspspdspdfspdfg12243545Любой подуровень определяется двумя квантовыми числами – главным(при записи обычно указывают численное значение) и орбитальным (призаписи обычно используют буквенное обозначение ). Например,энергетический подуровень, для которого n = 2 и l = 1 следует записать так:2p-подуровень. Все орбитали с одинаковыми значениями l имеютодинаковую геометрическую форму и, в зависимости от значений главногоквантового числа различаются размерами, т.
е. являются подобнымифигурами. Например, все орбитали, для которых l = 0 (s-орбитали) имеютформу сферы, но различаются радиусами, в зависимости от значенияглавного квантового числа n. Чем больше значение n, тем больше размерыорбиталей, например, 1s-орбиталь имеет наименьшие размеры, радиус 2sорбитали больше, 3s-еще больше.3°. Магнитное квантовое число ml . Вращение электрона вокруг ядраможно сравнить с движением тока по замкнутому контуру.
При этомвозникает магнитное поле, напряженность которого направленаперпендикулярно плоскости вращения электрона. Если атом находится вовнешнем магнитном поле, то, согласно квантовомеханическимпредставлениям, его электроны должны расположиться так, чтобыпроекции их магнитных моментов на направление этого поля былицелочисленными (см.
рис. 3). При этом они могут принимать какотрицательные, так и положительные значения, включая нулевое.Численное значение проекции магнитного момента и являетсямагнитным квантовым числом. Если значение орбитального квантовогочисла равно l, то магнитное квантовое число будет принимать значения от– l до + l, включая ноль. Общее количество значений будет равно 2l + 1.напряженность внешнегомагнитного поля–3 –2 –1029123=mГлава IIРис. 3.
Физический смысл магнитного квантового числаТаким образом, магнитное квантовое число определяет расположениеорбиталей в пространстве относительно выбранной системы координат.Общее число возможных значений ml показывает, сколькими способамиможно расположить орбитали данного подуровня в пространстве, т. е.общее число орбиталей на подуровне.nlmlЧислоорбиталейна подуровне1000021– 1, 0, + 1001131Таблица 9Число орбиталей на подуровне3...12...– 1, 0, + 1– 2, – 1, 0, + 1, + 2...35...Орбитальному квантовому числу l = 0 соответствует единственноезначение магнитного квантового числа ml = 0. Эти значения характеризуютвсе s-орбитали, которые имеют форму сферы. Т.
к. в этом случае магнитноеквантовое число принимает только одно значение, каждый s-подуровеньсостоит только из одной орбитали. Рассмотрим любой p-подуровень: приl = 1 орбитали имеют форму гантелей (объемные «восьмерки»), магнитноеквантовое число принимает следующие значения ml = – 1, 0, + 1 (тризначения), следовательно, p-подуровень состоит из трех орбиталей, и этиорбитали располагаются вдоль трех осей координат и, соответственно,обозначаются px, py, pz. Для d-подуровня l = 2, ml = – 2, – 1, 0, + 1, + 2 (5значений), и любой d-подуровень состоит из пяти орбиталей, которыеопределенным образом расположены в пространстве (см. рис.
6) исоответственно обозначаются dxy, dxz, dzy, d z 2 и d x 2 − y 2 . Четыре из пяти dорбиталей имеют форму четырехлепестковых розеток, каждая из которыхобразована двумя гантелями, пятая орбиталь представляет собой гантель стором в экваториальной плоскости ( d z 2 -орбиталь) и расположена вдольоси z.
«Лепестки» орбитали d x 2 − y 2 расположены вдоль осей x и y. Орбиталиdxy, dxz и dyz расположены между соответствующими осями.30Строение атомаzyxs-орбиталиzzyxpxpyzyyxxpzp-орбиталиyzzxzyyxdxydxzdyzzzyyxxd x2 y2xd-орбиталиd z2Рис. 4. Пространственные конфигурации s-, p- и d-орбиталейЧетвертый энергетический уровень состоит из четырех подуровней – s,p, d и f. Первые три из них аналогичны рассмотренным выше, а четвертый –f-подуровень состоит уже из семи орбиталей, пространственныеконфигурации которых достаточно сложны, и рассматривать их мы небудем.4°.
Спиновое квантовое число (спин электрона), ms . В 1926 г.Уленбек и Голдсмит показали, что помимо орбитального движенияэлектрон должен участвовать во вращении вокруг собственной оси,проходящей через центр. Поэтому электрон должен иметь собственныймомент импульса, а так как он является заряженной частицей, то имагнитный момент. Это представление довольно примитивно, ноиспользуется для наглядности, поэтому мы будем им пользоваться.Возможны только два направления вращения электрона вокруг своей оси:по и против часовой стрелки.
Следовательно, спиновое квантовое числопринимает лишь два значения: + 12 и − 12 .31Глава IIHrHSРис. 5. Возникновение спина электрона (согласно Уленбеку и Голдсмиту)Таким образом, состояние электрона в атоме определяется наборомзначений четырех квантовых чисел. Понятие «орбиталь» было дано выше(см. стр. 29). Определим четче некоторые термины, которыеиспользовались при разъяснении физического смысла квантовых чисел ибудут использоваться в дальнейшем.Группа орбиталей, имеющих одинаковое значениеквантового числа, образует энергетический подуровень.орбитальногоСовокупность всех орбиталей с одинаковым значением главногоквантового числа, т. е.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
