Г.Б. Бокий - Кристаллохимия (1157627), страница 34
Текст из файла (страница 34)
Однако квантовое число 1 определяет только абсолютное значение этого вектора: Р= УЦ~.+~~ л, но не его ориентацию в пространстве. Ориентация в пространстве этого вектора в общем случае остается неопределенной. Только во внешнем магнитном поле можно фиксировать величину составляющей орбитального момента количества движения электрона вдоль этого магнитного полн. Установлено, что энергия взаимодействия орбитального движения электрона с магнитным полем квантована, и соответственно квантована пространственная ориентация вектора момента количества движения. Эта ориентация характеризуется квантовым числом гя (или т~), которое может принимать только следующие значения: т = О, -+-1, -~2,, -+-й Число т принято называть магнитным квантовым числом.
Проекция орбитального момента на направление магнитного поля (скажем, вдоль координатной оси г) может принимать только следующие значения: Р = э|л. г Состояние электрона характеризуется еше одним квантовым числом г, называемым спипом. Для грубой наглядности спиновое состояние сравнивают с собственным моментом количоства движения электрона (вращения).
Составляющая этого момента вдоль определенной оси может принимать только дза значения: ~д/2. Соответствующее квантовое число принимает значения г= -| '/,. Согласно принципу Паули, в одном и том же состоянии не могут быть два электрона. Поэтому при одинаковых Ь, 1 и т значения г у двух электронов противоположны по знаку (з + |з и з |2) ° говорят что спины двух электронов в атом случае антипараллельны. Зто обозначают символом () () или знаком (+ — ).
Иногда говорят не об электронном квантовом состоянии, а о квантовой ячейке. Нчейка характеризуется квантовымп числами и, 1, т. В ней, следовательно, может находиться максимально два электрона с антипараллельнымп спинами. Общая характеристика электронных состояний атома приведена в табл. 18. С помощью такой классификации электронных состояний атома и с учетом принципа запрета Паули легко описать электронное строение атомов в периодической системе элементов.
В каждом последу|ощем элементе периодической системы число атомных электронов на единицу больше, Новый электрон зш|имает следующее по порядку электронное состояние, но прп том, однако, условии, чтобы получаемая электронная конфигурация приводила бы к минимальной энергии атомной системы. Если это условно не выполняется, то электрон занимает квантовое электронное состоял|с не в указанном в табл, 18 порядке, а такое, которое соответствует минимальной энергии атомной спстемы.
На рис. 211 показаны электронные строения атомов элементов начала периодической системы. Как видно иэ рисунка, нарушение порядка рас- ||е 1Я ° И ТАБЛИЦА !8 Характерксткка электронных се«толкая атома (во всех случаях г = 5с 158). положения электронов впервые обнаруживается у калия, у которого последний (валентный) электрон расположен на 4г-подоболочке, а не на Зее-подоболочке. Такое нарушение (отсутствие электронов на Зее-подоболочке) имеется и у последующих химических элементов, и только начиная со Яс «с опозданиемь начинается заполнение Зее-подоболочки.
5г й ДЬ не ДЬЬ г ~ ДЬЬ Н?:Д ее ДЬЬ Д? ) Ь 0 ДЬЬ ~?Ь ~? 1 е ДЬЬ ИНЕД И ИЕНА ' ДЬЬ и?:Д (Ь Ь ) Н Ь ЬЩЬ Д зе Н И??Л е дьЬ ШЬЬЬЬ~ьЬдЬЬ ее ДЬЬ [ЩЯЩ 31 НИИШ 58 уг Ур Зг а ДЬЬ ЫКЕЕ М~БШЬЬЬЬЯЩ «Ь И НИШДЬЬ г; НЫКЬДЬЬ р ДЬЬ ШЬЬЬЬИШ Ь г ДЬЬ (Ь?Ь ЬЬДЬЬ ЬЬ1 еь Б Я?ь ььДьь Ре ДЬЬ ДЬЬ ИШЬЬ ЬЬ ег 3 Ж У ЬЬ ЬЬ ЬЬЬЬ В ЬЬ ЬЬ ЬЬ Н Второй особеннностью электронного строения в периодической системе элементов является то, что в последней (валентной) подоболочке электроны сначала последовательно заполняют квантовые состояния с разными ве (ячейки), но с одинаковыми г (т. е.
спины у валентных электронов при таком заполнении параллельны); это, например, имеет место Рнс. 2Н. Псследскателькссть запокнекяя электрскамн электрсккых оболочек ато- мов экемектов начала периодической си- стемы у С и г(. Только после того, как во всех квантовых ячейках окажется по одному электрону, начинают заполняться квантовые состояния с анти- параллельными спинами («спаривание спиноз»). Это, например, проявляется у О н Р.
Описанная особенность называется правилом Гунда (1931 г.). Наличие в атомах неспаренных электронов позволяет объяснить магнитные свойства простых веществ и химических соединений. 2. Основные сведения об ядре и электроне. В настоящем разделе для полноты картины мы кратко сообщим основные данные о структуре ядер и об электроне. Ядра всех атомов химических элементов состоят из протонов и нейтронов. Каждый протон имеет положительный заряд, равный +1,6 10 " к, нейтрон заряда не имеет. Масса протона равна 1,679.10 »« г,масса нейтрона равна 1,675 10-»4 г, т.
е. немного меньше массы протона. Каждый атом химического элемента имеет строго постоянное и вполне определенное число протонов в ядре (это число равно атомному номеру элемента). Число же нейтронов в ядрах атомов одного и того же химического элемента может несколько разли чаться.
Этому соответствует наличие в природе нескольких изотопов химических элементов. Так, например, хорошо известны три изотопа водорода: протнй, ядро которого состоит только из одного протона; дейтерий с ядром из одного протона и одного нейтрона и тритий, в ядре которого содержится один протон и два нейтрона. Различные изотопы элементов отличаются, таким образом, друг от друга своими атомными весами. Физическая природа взаимодействия нейтронов и протонов в ядрах атомов до сих пор полностью не выяснена. Однако известно, что это очень сильное взаимодействие. По этой причине можно с достаточной строгостью считать ядро весьма компактным образованием и характеризовать его определенным линейным размером; называемым радиусом ядра.
Радиусы атомных ядер оказались порядка 10 "— 10«м см. Длясравнения напомним, что линейные размеры атома имеют порядок величины 10-' см. О структурных особенностях электрона говорить почти невозможно. Описание поведения электрона можно дать только в рамках волновой механики, которая указывает лишь область его наиболее вероятного нахождения.
При этом можно определить среднюю скорость его движения в атой области. Она оказывается огромной. Так, например, электрон атома водорода имеет среднюю скорость 2 10-зем(сея в. При такой средней скорости «облет» пространства, где он может находиться, занимает время порядка 10 'т сек. Поэтому удобно ввести модельное представление об облаке размазанного заряда электрона, окружающего ядро.
Форма этого облака определяется орби- талями, которые волновая механика определяет вполне точно. Следует все же заметить, что поскольку электрон заряжен, он может взаимодействовать с другими заряженными частицами на далеких расстояниях. Это взаимодействие электрической природы (кулоновское взаимодействие) и сравнительно слабое, Однако установлено, что на очень малых расстояниях (порядка 10-'з см) проявляется сильное взаимодействие с другими частицами. Это можно рассматривать как проявление структурной особенности электрона (наличия у него конечных размеров).
Масса электрона равна 9,1 10 " г, т. е. почти в две тысячи раз меньше массы протона, Отсюда можно сделать заключение, что практически вся масса атома сосредоточена в ядре. 3. Нормальное и вовбужденное состояние атомов. Иовы. Как уже отмечалось, электроны в атомах в нор»«альном состоянии заполняют внут- * Скорость света 3 тзн см/«ек. репкие оболочки (янижние» электронные состояния) так, что атом в нормальном состоянии имеет минимальную энергию. Все остальные электронные состояния остаются пустыми. Переход па них электрона из занятого состояния соответствует поглощен ию атомной си отомо й вполне определенных порций энергии. Состояние атома, в котором его энергия не минимальная, а повышена из-за перехода электрона в ранее незанятое состояние, называется возбужденным состоянием.
Атом в возбужденном состоянии обычно обозначается символом химического элемента со знач. ком звездочки. Например, Н* означает возбужденный атом водорода. При возбуждении атома водорода в зависиМости от величины поглощаемой энергии возможен переход эчектропа с орбитали 1г, соответствующей нормальному состоякшо атома,на орбптали 2г, 2р н т. д. Возможно также постепенное возбуждение атома: сначала переход с орбиталп !г на орби- таль 2г, затем с 2г на 2р и т. д. Для примера на рис. 212 показано электронное строение атома углерода в нормальном и возбужденном состояниях.
Для как<доге электрона в атоме существует вполне определенная максимальная энергия, при возбуждении которой электрон уже не оудет связан с атозшой системой. Прк этой энер- 1 Н ННННГ ПН НППП Рве. 212. Электронное строение атома углерода з нормальном я возбужденном состояниях аг гг гг 1 ННННН р НН'ННгз Рвс. 213. Электронное строение атома в иова ватрвя з66 гии возбуждения электрон покидает атом. Соответствующую энергию возбуждения называют энергией ионизации атома, а сам атом называют положительным ионом (или катионом) соответственно тому, что он приобретает положительный заряд. Оставшиеся электроны ие компенсируют положительный заряд ядра.
Очевидно, заряд иона равен по величине и обратен по знаку заряду электрона (или суммарному заряду всех потерянных электронов, если потерян ке один, а несколько электронов). Следует обратить внимание, что атом может поглощать энергию только вполне определеи~ыми порциями. Поэтому, соответственно условиям возбуждения атома; возможны случаи перехода электронов как о внешних, так и с внутренних оболочек. Аналогично и зыоивание электрона ив атома (гкокиэацияг) может происходить как с внешних, так и с внутренних оболочек.
Однако в последнем случае за очень короткий последующий промежуток времени (порядка 10-з сек) происходит перестройка электронной структуры так, чтобы энергия иона стала минимальной, чему соответствует переход электрона с внешних оболочек на незанятое состояние во внутренней оболочке. Процесс приводит в конце концов к тому, что яезапятое состояние оказывается ка самой внешней подоболочке. Для примера на рис. 213 по-' казаны электронные строения атома и иона натрия. Энергия ионизации различна для отрыва разных электронов. Она наименьшая для самого внешнего электрона и увеличивается для последуюп1их.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
