1626435914-6d29faf22cc9ba3862ba4ac645c31438 (844347), страница 55
Текст из файла (страница 55)
р3 р4 о5 рб 45 46 47 48 кь Ра АВ са ,18,110,110 аЮ 2 49 50 зп вп Р Р 5р 55 56 Са Ве ( 71 72 73 74 75 76 77 Г.о НГ Та «г Ке Оа Гг 32 33 34 35 86 ааг 4242 аза2 4442 4542 4642 4142 РЬ Вг Ро Аг Кп 2 3 4 5 6 81 Т1 Р бр 87 88 Рг Ка 2 89 90 9! 92 93 94 95 96 97 98 99 100 1О! 102 Ас ТЬ Ра Н Нр Ри Аю Ст ВВ СГ Еа Рт Ма ь' а'гг ргааг гзагг гаааг 7642 Гтаг ггагг Гвщг гго,г г н,г 71242 ггз,г 57 ба 1 2 3 4 1 3 сэ гаг (1) 2 Типе спектрое Чйбллаа 7.2 Периодическая система элементов Менделеева в форме, показывающей заполнение электронных слоев и оболочек !722\ 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 !.а Се Рг На Рт 5гп Еи Оа ТЬ Оу Но Ег Тю УЬ 78 79 80 аег,гег ,заг $442 узаг убег,таз ргаег,вааг,гсгг,ггег,!газ 71342 /гааз Н Аи нв ао, агО, агО,З ыз м о о о Д Ф 206 Глава 7.
Электронные оболочки и периодическая система 2 4 5 б 8 !8 28 2р 3 Зрб 4 Збг'~ 4рб 58' 44' 5рб 68 4/'" 54' бр 782 5уи 2 8 8 28 38 32 2 3 (7.!4) Табл. 7.2 составлена в соответствии с этим по83ядком заполнения. Как уже отмечалось, заполнение оболочки 1в заканчивается у Не (Я = 2), а заполнение оболочки 2р заканчивается у !8!е (Я = 10). Заполнение оболочек Зрб, 4рб, 5р' и брб заканчивается у Аг(Я= !8), Кг(5= 36), Хе (Я = 54) и йп (3 = 86), соответственно стоящих в конце 3, 4, 5 и 6-го периодов периодической системы. В последовательных периодах имеется 2, 8, 8, 18, !8 и 32 элемента, в полном соответствии с заполнением одной оболочки пв при и = 1, двух оболочек пв пр '2 при и = 2 и и = 3, трех оболочек пе2(п — !)о'~пр при и = 4 и и = 5 и четырех оболочек пе2(п — 2)724(п — !)И'впрб при и = 6.
Эти числа электронов, определяющие число элементов в периоде, указаны в (7. !4). В длинных периодах, четвертом и пятом, мы имеем заполнение «более внутренней» (с меньшим п) оболочки 4 десятью электронами, а в шестом периоде, кроме того, оболочки 7 четырнадцатью электронами. Заполнение оболочки пд приводит к появлению характерных групп переходных элементов от Бс до !ч! (в четвертом периоде, и = 3), от 8' до Рд (в пятом периоде, и = 4) и от 1.и до Р! (в шестом периоде, и = 5), а заполнение оболочки 48' — к появлению группы редкоземельных металлов — лантаноидов, состоящей из !4 элементов. В седьмом периоде происходит заполнение оболочки 57'; ей соответствует вторая редкоземельная группа— актиноиды, в которую входят урановые и трансурановые элементы. Мы видим, что число элементов в периодах периодической системы и наличие характерных групп элементов естественным образом объясняются порядком заполнения электронных оболочек.
При этом очень важно, что энергия электронов зависит не только от главного квантового числа и, но и от азимутального квантового числа 1. Благодаря тому обстоятельству, что электроны с меньшим 1 связаны более прочно, чем электроны с ббльшим 1, даже если для них и больше, порядок заполнения оказывается более сложным и число элементов в периодах не совпадает с полным числом электронов 2п' в последнем заполняющемся слое.
В 7.3. Зависимость энергии электронов от азимутального квантового числа Разберем подробнее зависимость энергии электрона от азимутального квантового числа 1 при заданном и. Эта зависимость связана с различиями в распределении Так, для элементов второго периода периодической системы элементов сначала происходит заполнение оболочки 2в у Б! (Я = 3) и Ве (Я = 4), а затем заполнение оболочки 2р у В, С, !81, О, Р и !че (Я = 5, 6, 7, 8, 9, 10). В силу зависимости энергии от 1 при и > 4 электроны с ббльшими п и меньшими 1 оказываются связанными прочнее, чем электроны с меньшими и и ббльшими 1.
Электрон 4в оказывается связанным прочнее, чем электрон Зд, электрон 5в прочнее, чем электроны 4д и 4/, а электрон бв прочнее не только, чем электроны 5д, 57 и 5о, но и чем электрон 47. Это приводит к тому, что действительный порядок заполнения слоев и оболочек оказывается, если его несколько схематизировать, следующим: й 7.3. Зависимость энергии электронов ат аэимутальиога кваитавога числа 207 Рис. 7.2.
Экранироэаннэ внешнего электрона внутренними электронами ь!Согласно квантовой механике, дая него будет иметься определенная вероятность находиться иа малых расстояниях от ядра. электронной плотности для электронов с различными 1. Как мы видели в з 6.3, при уменьшении 1 появляются максимумы электронной плотности, лежащие ближе к ядру (см. рис.6.5, сравнить, например, ее распределение для электронов Зс1, Зр и За).
В случае одноэлектронного атома это не сказывается на значении энергии, так как поле, действующее на электрон, является везде кулоновским, его потенциал убывает обратно пропорционально расстоянию. Положение существенным образом меняется для сложного атома. На дан- ный электрон будет действовать поле, потенциал которого зависит, согласно (7.3), не только от 1/г, но и от экранирования ядра остальными электронами, которое будет с увеличением расстояния увеличиваться. С точки зрения наглядных представлений на электрон, находящийся на расстоянии г от ядра, действует заряд ядра, уменьшен- ный на заряд всех электронов, расположенных внутри сферы радиуса г (рис, 7.2), если предположить, что электронная плотность этих электронов распределена сфе- рически симметричным образом.
Когда рассматриваемый электрон приближается к ядру, то эффективный заряд, действующий на него, увеличивается; чем большую долю времени он будет проводить вблизи ядра, тем прочнее он будет связан. рассмотрим, например, внешний электрон в атоме лития, имеющего заполненную внутреннюю оболочку !а~.
Для внеш, — ое него электрона 2а мы имеем, согласно рис. 6.5, два максиму- ма электронной плотности, причем в то время, как второй +я максимум электронной плотности лежит далеко за пределами внутренней электронной оболочки, первый максимум частично попадает внутрь этой электронной оболочки. Согласно нагляд- ным представлениям, мы можем сказать, что электрон 2а будет проникать внутрь заполненной оболочки; часть времени он бу- дет находиться вблизи ядра".
Если вне оболочки !а~ на него приближенно будет действовать заряд Я* = 1 (заряд ядра минус заряд двух электронов 1а)„то внутри этот заряд увеличится до Я' = Я = 3. Для электрона 2р, когда электронная плотность имеет лишь один далекий максимум, проникновение вглубь внутренней оболочки будет мало. В результате связь с ядром электрона 2а будет прочнее связи с ядром электрона 2р. Представление о том, что при заполнении электронами слоев с и = 1, 2, 3,...
эти слои совершенно отделены друг от друга и что электроны определенного слоя с н = и' локализованы, независимо от значения 1, между слоями с п = п' — 1 и с н = и'+ 1, является слишком грубым. В действительности, локализация является только частичной, и электроны проникают вглубь более внутренних слоев.
Это проникновение тем больше, чем меньше 1; с увеличением проникновения связь электрона с ядром упрочняется и его энергия уменьшается. Таким образом, энергия электронов при заданном и тем меньше, чем меньше 1. Квантовомеханический расчет проникновения электронов более внешних обо- лочек (с ббльшими н) внутрь более внутренних оболочек (с меньшими и) чрез- вычайно сложен, но уже качественные соображения, изложенные выше, выясняют существо дела. Впервые представление о проникновении электронов внешних оболочек внутрь заполненных оболочек было развито в рамках боровской теории как представление о проникающих орбитах.
Чем больше вытянута эллиптическая орбита, т. е. чем 208 Глава 7. Электронные оболочки и периодическая система меньше й = 1+ 1, тем сильнее электрон проникает внутрь заполненных оболочек и тем больше упрочняется его связь. На рис.7.3, показывающем взаимное расположение орбит с и = 1,2,3 для одноэлектронного атома, наглядно видно проникновение электронов 2в (и = 2, й = 1), Зв (я=3, й=!) и Зр (и = 3, й = 2) внутрь орбит ! в (и = 1, й = 1) и 2р (и = 2, й = 2). Следует иметь в виду, что для сложных атомов вследствие увеличения эффективного заряда, действующего на электрон при приближении его Ряс.7.3. Проникающие н непроникающие орбиты к ядру, проникновение увеличивается еше больше.
О «щюпикающих орбитах» условно можно говорить и в рамках квантовомеханических представлений, основываясь на аналогии между орбитами боровской теории и распределением электронной плотности. Если мы имеем внешние электроны с большими значениями 1, особенно при больших и, то они практически движутся за пределами заполненных оболочек, электронная плотность во внутренних областях для них мала и они не проникают заметным образом внутрь этих оболочек; их состояния соответствуют пепрояикающим орбитам. Если имеется только один внешний непроникающий электрон, движущийся под действием ядра с зарядом В и всех остальных Я вЂ” 1 более внутренних электронов, то его энергия будет определяться той же формулой, что и для атома водорода; в этом случае Я' в формуле (7.6) равно просто 1.
Состояние такого электрона является водородоподобным. Наоборот, для внешних электронов с малыми значениями 1 электронная плотность во внутренних областях достаточно велика, и они сильно проникают внутрь заполненных оболочек; их состояния соответствуют проникающим орбитам. Проникновение приводит к резкому уменьшению постоянной экранирования и к соответствующему увеличению эффективного заряда.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
