Учебное пособие: Электронное строение атома Периодический закон. Периодический закон и строение атома реферат

Доклад - Электронное строение атома. Периодический закон

Лекция № 2 и 3

Электронноестроение атома.

Периодическийзакон.

Квантово-механическаямодель атома. Атомные орбитали. Квантовые числа.

Правилазаполнения электронами атомных орбиталей. Валентность.

Периодическийзакон. Периодическая система.

Теориястроения атома основана на законах, описывающих движение микрочастиц(электронов, атомов, молекул) и их систем (например, кристаллов). Массы иразмеры микрочастиц чрезвычайно малы по сравнению с массами и размерамимакроскопических тел. Поэтому свойства и закономерности движения отдельныхмикрочастиц отличаются от свойств и закономерностей движения макроскопическихтел, изучаемых классической физикой. Движение и взаимодействие микрочастицописывает квантовая механика, которая основывается на представлении оквантовании энергии, волновом характере движения микрочастиц и вероятностном(статистическом) методе описания микрообъектов.

Примерно вначале XX в. исследования явлений (фотоэффект, атомныеспектры) привели к выводу, что энергия распространяется и передаётся,поглощается и испускается не непрерывно, а дискретно, отдельными порциями –квантами. Энергия системы микрочастиц также может принимать определённыезначения, которые являются кратными частицами квантов.

Предположениео квантовании энергии впервые было высказано М. Планком в 1900 г. и былообосновано Эйнштейном в 1905 г.: энергия кванта /> зависит от частоты излучения />: />, где (1)

/> – постояннаяПланка (/>)

Частотаколебаний /> идлина волны /> связанысоотношением: />,

где /> – скоростьсвета.

Согласносоотношению (1), чем меньше />, тем больше энергия кванта /> и наоборот. Такимобразом, ультрафиолетовые и рентгеновские лучи обладают большей энергией, чемскажем радиоволны и инфракрасные лучи. Для описания электромагнитного излученияпривлекают как волновые, так и корпускулярные представления: с одной сторонымонохроматическое излучение распространяется как волна и характеризуется длинойволны />, сдругой стороны оно состоит из микрочастиц – фотонов, переносящих кванты энергии.

Явление дифракцииэлектромагнитного излучения доказывает его волновую природу. В то же времяэлектромагнитное излучение обладает энергией, массой, производит давление. Так,вычислено, что за 1 год масса Солнца уменьшается за счёт излучения на />.

В 1924 г. Луиде Бройль предложил распространить корпускулярно-волновые представления на всемикрочастицы, т.е. движение любой микрочастицы рассматривать как волновой процесс.Математически это выражается соотношением де Бройля, согласно которому частицемассой />,движущейся со скоростью />, соответствует волна длиной />: />, (2)

/> – импульсчастицы.

Гипотеза деБройля была экспериментально подтверждена обнаружением дифракционного иинтерферентного эффектов потока электронов.

Согласно соотношению(2) движению электрона (/>, />) отвечает волна длиной />, т.е. её длинасоизмерима с размерами атомов.

В 1925 г. Шрёдингерпредположил, что состояние движения электрона в атоме должно описыватьсяуравнением стоячей электромагнитной волны. Он получил уравнение, котороеэнергию электрона связывает с пространством Декартовых координат и такназываемой волновой функцией />, которая соответствует амплитуде3-х мерного волнового процесса:

/>, где

/> – полнаяэнергия электрона

/> –потенциальная энергия электрона

/> – втораячастная производная

Уравнение Шредингерапозволяет найти волновую функцию /> как функцию координат. Физическийсмысл волновой функции в том, что квадрат её модуля определяет вероятностьнахождения электрона в элементарном объёме />, т.е. характеризует электроннуюплотность.Т. к. электрон обладает свойствами волны и частицы, мы не можемопределить его положение в пространстве в определённый момент времени. Электронразмазан, т.е. делокализирован в пространстве атома. В этом заключается принципГейзенберга.

Микрочастица,так же как и волна не имеет одновременно точных значений координат и импульса. Этопроявляется в том, что чем точнее определяется координаты частицы, темнеопределеннее её импульс, и наоборот. Поэтому мы говорим о максимальновероятном нахождении электрона в данном месте в определённый момент времени. Таобласть пространства, где >90% находится электрон называется атомнойорбиталью. Уравнение Шредингера имеет множество решений, но физическиосмысленное решение только в определённых условиях.

Для описаниястоячей волны, образованной в атоме движущимся электроном, т.е. для нахожденияволновой функции /> необходимы квантовые числа.

В 3-х мерномпространстве 4-мя квантовыми числами описывается состояние электрона:

Главноеквантовое число /> характеризует удалённостьэлектрона от ядра и определяет его энергию (чем больше />, тем больше энергия электрона итем меньше энергия связи с ядром). /> принимает целочисленные значенияот 1 до ¥.

Состояниеэлектрона характеризующееся различными значениями главного квантового числа />, называетсяэлектронным слоем (электронной оболочкой, энергетическим уровнем). Ониобозначаются цифрами 1, 2, 3, 4, 5, … или соответственно буквами K, L, M, N, O ….

Квантовоесостояние атома с наименьшей энергией – основное состояние, а с более высокой –возбуждённое состояние. Переход электрона с одного уровня на другойсопровождается либо поглощением, либо выделением энергии: />.

Побочноеквантовое (орбитальное, азимутальное) число /> (принимает все целочисленныезначения от 0 до (n-1)).

Орбиталь 1 1s 2 0,1 2s,2p 3 0,1,2 3s,3p,3d

Состояниеэлектрона характеризующееся различными значениями побочного квантового числа /> называется энергетическимподуровнем. В пределах каждого уровня с увеличением />, растёт энергия орбитали.

Каждомузначению /> соответствуетопределённая форма орбитали (например, при /> – это сфера, центр которойсовпадает с ядром).

Магнитноеквантовое число /> характеризует ориентацию орбиталив пространстве (принимает все целочисленные значения от — /> до +/>).

Например,для /> />. В пределахкаждого подуровня орбиталь имеет одинаковую энергию.

Спиновоеквантовое число /> характеризует вращательныймомент, который приобретает электрон в результате собственного вращения вокругсвоей оси (принимает два значения: /> – вращение по часовой стрелке, /> – вращениепротив часовой стрелки).

Атомныеорбитали заполняются электронами в соответствии с 3-мя принципами:

Принципустойчивости (принцип min энергии): Каждая новая орбитальзаполняется только после того, как будут заполнены все предыдущие, т.е. болееустойчивые (с min энергией) орбитали.

Энергияатомных орбиталей возрастает следующим образом:

ПравилоКлечковского: заполнение электронами атомных орбиталей происходит в соответствиис увеличением суммы главного /> и побочного /> квантовых чисел; если /> одинакова, тоатомная орбиталь заполняется от больших /> и меньших /> к меньшим /> и большим />.

Орбиталь 1 1 1s 2 2 2s 1 3 2p 3 3 3s 1 4 3p 2 5 3d 4 4 4s 1 5 4p 2 6 4d 3 7 4f 5 5 5s 1 6 5p 2 7 5d 3 8 5f 4 9 5g 6 6 6s

ПринципПаули: в атоме не может быть 2 электрона, у которых 4 одинаковых квантовыхчисла. Следовательно, на 1-ой орбитали могут находиться не более 2-х электронов,отличающихся друг от друга значением спинового квантового числа. Отсюдаследует, что максимальное количество электронов на энергетическом уровне />, наэнергетическом подуровне />.

Пример:

/> /> />

Правило Хунда:электроны располагаются на орбиталях равной энергии таким образом, чтобы ихсуммарный спин был максимальный. Это означает, что первоначально электронызаполняют все свободные орбитали данного подуровня по 1-му, имея при этомпараллельные спины, и только потом происходит заполнение этих орбиталей 2-миэлектронами.

Пример:

/> /> Px Py Pz

↑ ↑ ↑ ↑ ↑ ↑↓ ↑ ↑ K L M

1 2 3

1 1 2

-1 +1 -1 +1

↓↑ ↓↑ ↓↑ ↓↑ ↓↑ ↓↑ ↓↑ ↓↑ ↓↑

Количествонеспаренных электронов на внешнем уровне определяет валентность элемента, т.е. способностьобразовывать химические связи с другими атомами. В большинстве случаев, но невсегда.

/> 5 /> /> 4 />

4 /> 3 />

3 /> 2 />

2 /> 1 />

1 />

Периодическийзакон (1869 г): свойства простых тел, а также свойства и формы соединенийэлементов находятся в периодической зависимости от величины атомных весовэлементов.

До появлениясведений о сложном строении атома основной характеристикой элемента служилатомный вес (относительная атомная масса). Развитие теории строения атомапривело к установлению того факта, что главной характеристикой атома является положительныйзаряд ядра.

Всовременной формулировке периодический закон звучит: свойства химическихэлементов, а также формулы и свойства образуемых ими соединений находятся впериодической зависимости от величины заряда ядер их атомов.

Физическойосновой структуры периодической системы элементов служит определённаяпоследовательность формирования электронных конфигураций атомов по мере ростапорядкового номера элемента.

Взависимости от того, какой энергетический подуровень заполняется электронамипоследним, различают 4 типа элементов:

/> –элементы (последним заполняется />-подуровень внешнегоэнергетического уровня)

/> – элементы (последнимзаполняется />-подуровеньвнешнего энергетического уровня)

/> – элементы(последним заполняется />-подуровень предпоследнего энергетическогоуровня)

/> – элементы(последним заполняется />-подуровень 3-го снаружи энергетическогоуровня).

Горизонтальнорасполагаются периоды – последовательный ряд элементов, электронная конфигурациявнешнего энергетического уровня которых изменяется от /> до />. Номер периода совпадает созначением главного квантового числа /> внешнего энергетического уровня.

Вертикальнорасполагаются группы – элементы имеющие сходное электронное строение. Уэлементов главной подгруппы последним заполняется /> и /> подуровни внешнегоэнергетического уровня, у элементов побочной подгруппы происходит заполнениевнутренних /> и/> подуровней.Одинаковый номер группы, как правило, определяет число электронов, котороеможет участвовать в образовании химических связей.

Вопросы для самоконтроля

Квантово-механическаямодель атома.

Уравнения деБройля и Шредингера.

Принципнеопределенности Гейзенберга.

Атомнаяорбиталь, квантовые числа.

Правилазаполнения электронами атомных орбиталей (принцип минимальной энергии, правилоКлечковского, правила Паули и Гунда).

Периодическийзакон Д.И. Менделеева. Периодическая таблица (периоды и группы).

www.ronl.ru

Дипломная работа - Электронное строение атома Периодический закон

Лекция № 2 и 3

Электронное строение атома.

Периодический закон.

Квантово-механическая модель атома. Атомные орбитали. Квантовые числа.

Правила заполнения электронами атомных орбиталей. Валентность.

Периодический закон. Периодическая система.

Теория строения атома основана на законах, описывающих движение микрочастиц (электронов, атомов, молекул) и их систем (например, кристаллов). Массы и размеры микрочастиц чрезвычайно малы по сравнению с массами и размерами макроскопических тел. Поэтому свойства и закономерности движения отдельных микрочастиц отличаются от свойств и закономерностей движения макроскопических тел, изучаемых классической физикой. Движение и взаимодействие микрочастиц описывает квантовая механика, которая основывается на представлении о квантовании энергии, волновом характере движения микрочастиц и вероятностном (статистическом) методе описания микрообъектов.

Примерно в начале XX в. исследования явлений (фотоэффект, атомные спектры) привели к выводу, что энергия распространяется и передаётся, поглощается и испускается не непрерывно, а дискретно, отдельными порциями – квантами. Энергия системы микрочастиц также может принимать определённые значения, которые являются кратными частицами квантов.

Предположение о квантовании энергии впервые было высказано М. Планком в 1900 г. и было обосновано Эйнштейном в 1905 г.: энергия кванта зависит от частоты излучения : , где (1)

– постоянная Планка ()

Частота колебаний и длина волны связаны соотношением: ,

где – скорость света.

Согласно соотношению (1), чем меньше , тем больше энергия кванта и наоборот. Таким образом, ультрафиолетовые и рентгеновские лучи обладают большей энергией, чем скажем радиоволны и инфракрасные лучи. Для описания электромагнитного излучения привлекают как волновые, так и корпускулярные представления: с одной стороны монохроматическое излучение распространяется как волна и характеризуется длиной волны , с другой стороны оно состоит из микрочастиц – фотонов, переносящих кванты энергии.

Явление дифракции электромагнитного излучения доказывает его волновую природу. В то же время электромагнитное излучение обладает энергией, массой, производит давление. Так, вычислено, что за 1 год масса Солнца уменьшается за счёт излучения на .

В 1924 г. Луи де Бройль предложил распространить корпускулярно-волновые представления на все микрочастицы, т.е. движение любой микрочастицы рассматривать как волновой процесс. Математически это выражается соотношением де Бройля, согласно которому частице массой , движущейся со скоростью , соответствует волна длиной : , (2)

– импульс частицы.

Гипотеза де Бройля была экспериментально подтверждена обнаружением дифракционного и интерферентного эффектов потока электронов.

Согласно соотношению (2) движению электрона (, ) отвечает волна длиной , т.е. её длина соизмерима с размерами атомов.

В 1925 г. Шрёдингер предположил, что состояние движения электрона в атоме должно описываться уравнением стоячей электромагнитной волны. Он получил уравнение, которое энергию электрона связывает с пространством Декартовых координат и так называемой волновой функцией , которая соответствует амплитуде 3-х мерного волнового процесса:

, где

– полная энергия электрона

– потенциальная энергия электрона

– вторая частная производная

Уравнение Шредингера позволяет найти волновую функцию как функцию координат. Физический смысл волновой функции в том, что квадрат её модуля определяет вероятность нахождения электрона в элементарном объёме , т.е. характеризует электронную плотность.Т. к. электрон обладает свойствами волны и частицы, мы не можем определить его положение в пространстве в определённый момент времени. Электрон размазан, т.е. делокализирован в пространстве атома. В этом заключается принцип Гейзенберга.

Микрочастица, так же как и волна не имеет одновременно точных значений координат и импульса. Это проявляется в том, что чем точнее определяется координаты частицы, тем неопределеннее её импульс, и наоборот. Поэтому мы говорим о максимально вероятном нахождении электрона в данном месте в определённый момент времени. Та область пространства, где >90% находится электрон называется атомной орбиталью. Уравнение Шредингера имеет множество решений, но физически осмысленное решение только в определённых условиях.

Для описания стоячей волны, образованной в атоме движущимся электроном, т.е. для нахождения волновой функции необходимы квантовые числа.

В 3-х мерном пространстве 4-мя квантовыми числами описывается состояние электрона:

Главное квантовое число характеризует удалённость электрона от ядра и определяет его энергию (чем больше , тем больше энергия электрона и тем меньше энергия связи с ядром). принимает целочисленные значения от 1 до ¥.

Состояние электрона характеризующееся различными значениями главного квантового числа , называется электронным слоем (электронной оболочкой, энергетическим уровнем). Они обозначаются цифрами 1, 2, 3, 4, 5, … или соответственно буквами K, L, M, N, O ….

Квантовое состояние атома с наименьшей энергией – основное состояние, а с более высокой – возбуждённое состояние. Переход электрона с одного уровня на другой сопровождается либо поглощением, либо выделением энергии: .

Побочное квантовое (орбитальное, азимутальное) число (принимает все целочисленные значения от 0 до (n-1)).

		Орбиталь
1	1s
2	0,1	2s,2p
3	0,1,2	3s,3p,3d

Состояние электрона характеризующееся различными значениями побочного квантового числа называется энергетическим подуровнем. В пределах каждого уровня с увеличением , растёт энергия орбитали.

Каждому значению соответствует определённая форма орбитали (например, при – это сфера, центр которой совпадает с ядром).

Магнитное квантовое число характеризует ориентацию орбитали в пространстве (принимает все целочисленные значения от — до +).

Например, для . В пределах каждого подуровня орбиталь имеет одинаковую энергию.

Спиновое квантовое число характеризует вращательный момент, который приобретает электрон в результате собственного вращения вокруг своей оси (принимает два значения: – вращение по часовой стрелке, – вращение против часовой стрелки).

Атомные орбитали заполняются электронами в соответствии с 3-мя принципами:

Принцип устойчивости (принцип min энергии): Каждая новая орбиталь заполняется только после того, как будут заполнены все предыдущие, т.е. более устойчивые (с min энергией) орбитали.

Энергия атомных орбиталей возрастает следующим образом:

Правило Клечковского: заполнение электронами атомных орбиталей происходит в соответствии с увеличением суммы главного и побочного квантовых чисел; если одинакова, то атомная орбиталь заполняется от больших и меньших к меньшим и большим .

			Орбиталь
1	1	1s
2	2	2s
1	3	2p
3	3	3s
1	4	3p
2	5	3d
4	4	4s
1	5	4p
2	6	4d
3	7	4f
5	5	5s
1	6	5p
2	7	5d
3	8	5f
4	9	5g
6	6	6s

Принцип Паули: в атоме не может быть 2 электрона, у которых 4 одинаковых квантовых числа. Следовательно, на 1-ой орбитали могут находиться не более 2-х электронов, отличающихся друг от друга значением спинового квантового числа. Отсюда следует, что максимальное количество электронов на энергетическом уровне , на энергетическом подуровне .

Пример:

Правило Хунда: электроны располагаются на орбиталях равной энергии таким образом, чтобы их суммарный спин был максимальный. Это означает, что первоначально электроны заполняют все свободные орбитали данного подуровня по 1-му, имея при этом параллельные спины, и только потом происходит заполнение этих орбиталей 2-ми электронами.

Пример:

Px Py Pz

K	L	M
	1	2	3
	1	1	2
	-1	+1	-1	+1
	↓↑	↓↑	↓↑	↓↑	↓↑	↓↑	↓↑	↓↑	↓↑

Количество неспаренных электронов на внешнем уровне определяет валентность элемента, т.е. способность образовывать химические связи с другими атомами. В большинстве случаев, но не всегда.

5 4

4 3

3 2

2 1

Периодический закон (1869 г): свойства простых тел, а также свойства и формы соединений элементов находятся в периодической зависимости от величины атомных весов элементов.

До появления сведений о сложном строении атома основной характеристикой элемента служил атомный вес (относительная атомная масса). Развитие теории строения атома привело к установлению того факта, что главной характеристикой атома является положительный заряд ядра.

В современной формулировке периодический закон звучит: свойства химических элементов, а также формулы и свойства образуемых ими соединений находятся в периодической зависимости от величины заряда ядер их атомов.

Физической основой структуры периодической системы элементов служит определённая последовательность формирования электронных конфигураций атомов по мере роста порядкового номера элемента.

В зависимости от того, какой энергетический подуровень заполняется электронами последним, различают 4 типа элементов:

– элементы (последним заполняется -подуровень внешнего энергетического уровня)

– элементы (последним заполняется -подуровень предпоследнего энергетического уровня)

– элементы (последним заполняется -подуровень 3-го снаружи энергетического уровня).

Горизонтально располагаются периоды – последовательный ряд элементов, электронная конфигурация внешнего энергетического уровня которых изменяется от до . Номер периода совпадает со значением главного квантового числа внешнего энергетического уровня.

Вертикально располагаются группы – элементы имеющие сходное электронное строение. У элементов главной подгруппы последним заполняется и подуровни внешнего энергетического уровня, у элементов побочной подгруппы происходит заполнение внутренних и подуровней. Одинаковый номер группы, как правило, определяет число электронов, которое может участвовать в образовании химических связей.

Вопросы для самоконтроля

Квантово-механическая модель атома.

Уравнения де Бройля и Шредингера.

Принцип неопределенности Гейзенберга.

Атомная орбиталь, квантовые числа.

Правила заполнения электронами атомных орбиталей (принцип минимальной энергии, правило Клечковского, правила Паули и Гунда).

Периодический закон Д.И. Менделеева. Периодическая таблица (периоды и группы).

www.ronl.ru

Доклад - Электронное строение атома Периодический закон

Лекция № 2 и 3

Электронное строение атома.

Периодический закон.

Квантово-механическая модель атома. Атомные орбитали. Квантовые числа.

Правила заполнения электронами атомных орбиталей. Валентность.

Периодический закон. Периодическая система.

Теория строения атома основана на законах, описывающих движение микрочастиц (электронов, атомов, молекул) и их систем (например, кристаллов). Массы и размеры микрочастиц чрезвычайно малы по сравнению с массами и размерами макроскопических тел. Поэтому свойства и закономерности движения отдельных микрочастиц отличаются от свойств и закономерностей движения макроскопических тел, изучаемых классической физикой. Движение и взаимодействие микрочастиц описывает квантовая механика, которая основывается на представлении о квантовании энергии, волновом характере движения микрочастиц и вероятностном (статистическом) методе описания микрообъектов.

Примерно в начале XX в. исследования явлений (фотоэффект, атомные спектры) привели к выводу, что энергия распространяется и передаётся, поглощается и испускается не непрерывно, а дискретно, отдельными порциями – квантами. Энергия системы микрочастиц также может принимать определённые значения, которые являются кратными частицами квантов.

– постоянная Планка ()

Частота колебаний и длина волны связаны соотношением: ,

где – скорость света.

Явление дифракции электромагнитного излучения доказывает его волновую природу. В то же время электромагнитное излучение обладает энергией, массой, производит давление. Так, вычислено, что за 1 год масса Солнца уменьшается за счёт излучения на .

В 1924 г. Луи де Бройль предложил распространить корпускулярно-волновые представления на все микрочастицы, т.е. движение любой микрочастицы рассматривать как волновой процесс. Математически это выражается соотношением де Бройля, согласно которому частице массой , движущейся со скоростью , соответствует волна длиной : , (2)

– импульс частицы.

Гипотеза де Бройля была экспериментально подтверждена обнаружением дифракционного и интерферентного эффектов потока электронов.

В 1925 г. Шрёдингер предположил, что состояние движения электрона в атоме должно описываться уравнением стоячей электромагнитной волны. Он получил уравнение, которое энергию электрона связывает с пространством Декартовых координат и так называемой волновой функцией , которая соответствует амплитуде 3-х мерного волнового процесса:

, где

– полная энергия электрона

– потенциальная энергия электрона

– вторая частная производная

Микрочастица, так же как и волна не имеет одновременно точных значений координат и импульса. Это проявляется в том, что чем точнее определяется координаты частицы, тем неопределеннее её импульс, и наоборот. Поэтому мы говорим о максимально вероятном нахождении электрона в данном месте в определённый момент времени. Та область пространства, где >90% находится электрон называется атомной орбиталью. Уравнение Шредингера имеет множество решений, но физически осмысленное решение только в определённых условиях.

В 3-х мерном пространстве 4-мя квантовыми числами описывается состояние электрона:

Квантовое состояние атома с наименьшей энергией – основное состояние, а с более высокой – возбуждённое состояние. Переход электрона с одного уровня на другой сопровождается либо поглощением, либо выделением энергии: .

Побочное квантовое (орбитальное, азимутальное) число (принимает все целочисленные значения от 0 до (n-1)).

		Орбиталь
1	1s
2	0,1	2s,2p
3	0,1,2	3s,3p,3d

Например, для . В пределах каждого подуровня орбиталь имеет одинаковую энергию.

Атомные орбитали заполняются электронами в соответствии с 3-мя принципами:

Принцип устойчивости (принцип min энергии): Каждая новая орбиталь заполняется только после того, как будут заполнены все предыдущие, т.е. более устойчивые (с min энергией) орбитали.

Энергия атомных орбиталей возрастает следующим образом:

			Орбиталь
1	1	1s
2	2	2s
1	3	2p
3	3	3s
1	4	3p
2	5	3d
4	4	4s
1	5	4p
2	6	4d
3	7	4f
5	5	5s
1	6	5p
2	7	5d
3	8	5f
4	9	5g
6	6	6s

Принцип Паули: в атоме не может быть 2 электрона, у которых 4 одинаковых квантовых числа. Следовательно, на 1-ой орбитали могут находиться не более 2-х электронов, отличающихся друг от друга значением спинового квантового числа. Отсюда следует, что максимальное количество электронов на энергетическом уровне , на энергетическом подуровне .

Пример:

Правило Хунда: электроны располагаются на орбиталях равной энергии таким образом, чтобы их суммарный спин был максимальный. Это означает, что первоначально электроны заполняют все свободные орбитали данного подуровня по 1-му, имея при этом параллельные спины, и только потом происходит заполнение этих орбиталей 2-ми электронами.

Пример:

Px Py Pz

K	L	M
	1	2	3
	1	1	2
	-1	+1	-1	+1
	↓↑	↓↑	↓↑	↓↑	↓↑	↓↑	↓↑	↓↑	↓↑