Д.В. Сивухин - Общий курс физики. Том 5. Атомная и ядерная физика (1121281), страница 69
Текст из файла (страница 69)
Например, 1эг2эг2рв означает, что в состоянии и = 1, 1 = О находятся два электрона, в состоянии и = 2, 1 = Π— также два электрона, а в состоянии и = 2, 1 = 1 — шесть электронов. Из дальнейшего будет видно, что это электронная конфигурация неона. Максимальное число электронов в слое с заданным значением и получится суммированием чисел электронов во всех оболочках с допустимыми значениями 1, а именно: п — г '> 2(21+ 1) = 2п .
я=в (47. 1) Соответствующие числа для различных и были приведены выше. 4. Посмотрим теперь, как меняются электронные конфигурации при переходе от одного атома к другому в порядке возрастания их атомных номеров Л. При возрастании Я на единицу увеличивается на единицу заряд ядра, а к электронной оболочке атома добавляется один электрон.
Принцип, определяющий при этом изменение электронной конфигурации, состоит в том., что вновь получаемая конфигурация из У + 1 электронов должна обладать на меньшей энергией нз всех ') Термин «оболочка», как это делалось выше, применяется также в смысле совокупности всех электронов, окружающих атомное ядро.
сказать, что в квантовом свстполнии (пЛ,пц) может находиться не более двух электронов. 3. Совокупность электронов атома с заданным значением главного квантового числа и образует электронный слой или просто слой. В соответствии с терминологией, принятой в рентгеновской спектроскопии, слои обозначаются прописными буквами лагинского алфавита, а именно: З 47) Периодическая система х мичееких элементов Д. и. Менделеева 279 Ь 1(Х ' 1)Ь 2т«г 2т,г 2 2 где т расстояние электрона от ядра. «Центробежная» и электрическая энергии имеют противоположные знаки и поэтому действуют в разные стороны. Образно говоря, центробежная сила, возникающая при орбитальном вращении электрона, стремится удалить электрон от ядра.
По этой причине каждый из 10 электронов Зе1-оболочки обладает меньшей энергией связи, чем каждый из двух электронов 4в-оболочки. Поэтому-то оболочка 4в заполняется электронами раньше, чем оболочка Зе», хотя главное квантовое число во втором случае меньше, чем в первом. Особенно велика «центробежная энергия» в случае е1- и 7"-оболо «ек, поскольку для этих оболочек соответственно 111+ 1) = 6 и 1(1+ 1) = 12. С наличием этих оболочек и связаны отступления от того «идеального» порядка заполнения, о котором говорилось выше. В действительности слои и оболочки, если отвлечься от некогорых деталей, указанных в табл.
4 (см. ниже), заполняются в следующем порядке: 2 2в22рв Зв Зрв 4взЗе1»о4рв б '4й»вбрв бв24~ ыб«1»сбрв 7 23 «1«ба»107 6 2 электрона, 8 элекгронов, 8 электронов, 18 электронов, 18 электронов, 32 электрона, 32 электрона. возможных значений ее, допускаемых квантовой механикой. Иначе говоря, энергия связи вновь присоединяемого электрона в атоме должна быть максимально воэмоэкпой. Однако фактическое применение этого принципа требовало бы решения квантовомеханической задачи многих тел, что практически невьшолнимо.
Поэтому приходится пользоваться эмпирическими данными, в частности химическими и в особенности данными спектроскопии об ионизационных потенциалах атомов. Это придает теории периодической системы полуэмпирический, описательный характер. Лучше было бы говорить не о теории, а об объяснении периодической системы, что и отражено в заглавии настоящего параграфа. Казалось бы, что слои должны заполняться последовательно друг за другом, а в пределах каждого слоя сначала должна заполняться целиком в-оболочка, затем также целиком р-, е1- и 1-оболочки. В действительности такой «идеавьный» порядок заполнения не согпасуется столько что сформулированным принципом.
Нарушение этого порядка объясняется главным образом наличием у электронов орбитальных моментов количества движения А = ф(Г+ 1)й. Энергия связи электрона зависит не только от его потенциальной энергии в электрическом поле ядра и окружающей его электронной оболочки, но также от «центробежной энергии» [Гл. Ъ'1 Атомные системы со мног ми электронами 280 5. Слой п = 1 состоит всего из одной г-оболочки (1 = 0). В водороде на этой оболочке (т.е. в состоянии 1э) находится лишь один электрон. В атоме гелия к нему присоединяется второй электрон в том же состоянии 1л.
Средняя энергия связи одного электрона в атоме гелия приблизительно в два раза больше, чем средняя энергия связи электрона в атоме водорода. Это объясняется тем, что заряд ядра гелия вдвое больше заряда ядра водорода, и по этой причине электрон в нормальном состоянии гелия находится на меньшем расстоянии от ядра, чем в атоме водорода. Наличие же второго электрона уменьшает энергию связи первого. Два элемента водород и гелий образуют первый период периодической системы.
Присоединим теперь к атому третий электрон, увеличив одновременно на единицу заряд ядра. Третий электрон не может находиться в слое К (п = 1), так как этот слой уже целиком заполнен. Он начинает заполнять э-оболочку слоя б (п = 2), попадая в состояние 2ж Получается щелочной металл з!л. Четвертый электрон также попадает в состояние 2э — получается элемент бериллий «Ве. Пятый элекгрон уже не может быть присоединен к оболочке 2э, гак как она заполнена целиком. Поэтому с бора еВ начинает заполняться 2р-оболочка. В результате последовательно получаются элементы еС, тХ, еО, эйй Посгроение оболочки 2р заканчиваегся благородным газом «оМе.
Так образуется второй (короткий) период периодической системы, состоящий из восьми элементов. Затем, начиная с щелочного элемента ы Ха, идет заполнение сюя М (и, = 3). Однако после заполнения э- и р-оболочек оно заканчивается благородным газом гвАг. Получается третий (опять короткий) период периодической системы, состоящий также из восьми элементов. С этого места появляются нарушения «идевльного» порядка заполнения слоев и оболочек. Именно, сначала заполняется 4э-оболочка и только после этого начинается заполнение пропущенной Зд-оболочки, да и то при ее заполнении встречаются различныс нерегулярности. 6. Порядок заполнения слоев и оболочек указан в табл.4.
В ней приведены электронные конфигурации для каждого элемента. Все элементы разбиты на две половины. Первая половина напечатана слева, а вторая смещена относительно нее вправо. Так же принято поступать в химии с символами тех же элементов при печатании периодической систомы, с целью расположить друг под другом элементы со сходными химическими свойствами. В элементах первой полонины заполняются э- н р-оболочки. Это заполнение происходит всегда закономерно.
Сначала целиком заполняегся э-оболочка, а затем юкже целиком роболочка того же слоя. К электронной конфигурации каждого элемента последовательно прибавляется по одному э- или р-электрону-- тогда получается электронная конфигурация стоящего после него элемента. В элементах второй половины идет заполнение д- и 1-оболочек. При этом и происходит нарушение «идевльного» порядка заполнения, о котором говорилось выше. Так, в четвертом периоде за электронной 3 47~ Периодическ и система химических элеменглое Д.
И. Менделеева 281 Таблица Электронные конфигурации элементов Ионизационный потенциал, В Электронная конфигурация Пе- риод Элемент 13,539 24,45 1в 1в 1 Н 2 Не водород гелий литий бериллий бор углерод кислород фтор неон натрий магний алюминий кремний фосфор сера хлор аргон 19 К 20 Са 29 Сп медь 30 Хп цинк галлий германий мышьяк 7,62 9,35 5,27 7,85 9,4 31 Са 32 Се 33 Ав 34 Яс 35 Вг 36 Кг сален бром криптон 11,8 13,94 3 !и 4 Ве 5 В 6 С 7 5! 8 О 9 Г 10 5!е 11 5!а !2 Мз 13 А! 14 8! 15 Р 16 Я 17 С! 18 Аг калий кальций 21 22 23 24 25 Ь2ь 25 3 '.28 зс скаилнй Т! титан ванадий Сг хром Мп марганец Го железо Со кобальт Н! никель Конфигурация гелия + 2в' 2вг 2в22р' 2в 2рг 2вгзз,з 2вг2рз 2вгзрз 2в 2рв Конфигурация неона + Зв Звг Звгзр' Зв'Зр' Зв'Зр' Зв 3,2 Зв'Зрв Зв Зр Конфигурация аргона + 4в' 4вг 4вгзд' 4вгздг 4вгЗ ! 4вгздз 4в~зд~ 4вгЗде 4 гздг 4вгздз 4в'Здш 4вгзаае 4 г,! 13,!1е 4в24ргЗдге 4 24 зздге 4424рвздге 4424рзздге 24 вздге 5,37 9,48 8,4 11,217 14,47 13,56 18,6 21,48 2,12 7,61 5,96 7,39 10,3 10,31 12,96 15,69 4,32 6,09 6,57 6,80 6,76 6,74 7,40 7,83 7,81 7,61 Ионизационный потенциал, В Пе- риод Электронная конфигурация Элемент Конфигурация криптона -~- 5в' 5вз бе~44' 5в 4а~ 5в'441 5в'4а~ 5в'44~ ба~411~ 5в'4а" 4,11о 37 ВЬ рубидий 38 бг стронций 39 40 41 42 43 йл 44 о ли.
е Яке 45 4,16 5,67 6,5 У иттрий 21 цирконий ЫЬ ниобий Мо молибден Тс технеций Нн рутений НЬ радий Рд палладий 7,65 7,7 7,7 8,5 47 Аб серебро 48 Сб квдмий индий олово 5в'4анс 5 в 2 4 он с 5ввбр1441о 5взбр2441о 5вэбрв4аго 25 4441о 5взбрв441о 5ввбрв441о 7,54 8,95 о,76 7,37 8,5 10,44 12,08 49 !п 50 8п 51 ЯЬ 52 Те 53 1 54 Хе сурьма теллур иод ксенон Конфигурация ксенона 4- бв' Ьвг 6 2501 62~41 ~ бв24ув бв24У4 бв 41~ бе~41~ бв2471 бе~ба'41'" 6 25414Ув 6 в 2 4 7 1 о 6~241" бв'1,1 гив бв24у12 6 в 2,17 14 25нг14 г14 бе~ба~41'~ 55 Св цезий 55 Ва барий 57 1 а лантан 3,88 5,19 72 Н1 гафний 282 Атомные системы со многими электронами Гл, Н~ Продолжение табл, 4 Продолжение гаабл. 4 ИонизаЭлектронная ционный конфигурация потенциал, В Пе- риод Элемент Конфигурация ксенона -~- 6вгбдв4у14 6425444 414 йвгбдв4у14 64'54"4~м 25424 414 64'54~41м 73 74 75 , 9 ел.76 5 я я' ах ю.77 Та тантал ЪУ вольфрам Ке рений Ов осмий 1г иридий Рс платина 79 Аи золото 80 Нй ртуть таллий 6в1541о4714 64254104у14 6426рг 541о4у 14 6вгбргбдго45'14 6в26 25дго4у14 6426р4541о4114 6вгбрвбдго4714 6426рвбдго4414 9,20 10,59 7,39 8,0 8'! Т! 82 РЬ 83 В! 84 Ро 85 А! 86 Кп свинец висмут полоний астат радон 10,69 Конфигурация радона -Ь 74' 742 7в~бд' 7 1611 7в'6д'5У' 7в~бд'5У2 7в264155'4 7в 5У 7 2541 7 26415Уг 7в~бд'5 !" 7в25Уго 74157" 74~57'~ 25У12 7 25 414 7в26415|14 7426425714 7в~бд~51'" 74264~5Ум 7вгбдвбу14 87 Рг франций 88 Ка радий 89 Ас акгиний я к к < 104 (Кп курчатовий) \ 05 (!4в иильсборий) 106 107 3 47) Периодическая система х миусских элементов Д.
И. Менделеева 283 [Гл. У1 Атомные системы со многими электронами 284 конфигурацией ванадия 4езЗдз следует электронная конфигурация хрома 4эеЗд~ (конфигурацию аргона для краткости опускаем), т.е. в Зд-оболочке число электронов увеличивается сразу на два, причем один электрон заимствуется из 4э-оболочки. В конфигурации следующего элемента марганца 4эзЗде новый электрон присоединяется не к Зд-, а к 4э-оболочке, восстанавливая в ней прежнее число электронов. Аналогичные нарушения идеального порядка, как легко проследить по табл. 4, происходят и при заполнении остальных д-, а также 7"-оболочек.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
