Строение атома. Пример 1. Что такое квантовые числа?

Пример 1. Что такое квантовые числа? Какие значения они могут принимать?

Решение. Движение электрона в атоме носит вероятностный характер. Околоядерное пространство, в котором с наибольшей вероятностью (0.9-0,95 %) может находиться электрон, называется атомной орбиталью (АО). Атомная орбиталь, как любая геометрическая фигура, характеризуется тремя параметрами (координатами), получившими название квантовых чисел (n, l, ml ). Квантовые числа принимают не любые, а определенные, дискретные (прерывные) значения. Соседние значения квантовых чисел различаются на единицу. Квантовые числа определяют размер (n). форму (l) и ориентацию (ml) атомной орбитали в пространстве. Занимая ту или иную атомную орбиталь, электрон образует электронное облако, которое у электронов одного и того же атома может иметь различную форму (рис. 1). Формы электронных облаков аналогичны АО. Их также называют электронными или атомными орбиталями. Электронное облако характеризуется четырьмя квантовыми числами (n,l,m₁,m_S). Эти квантовые числа связаны с физическими свойствами электрона, и число n (главное квантовое число) характеризует энергетический (квантовый) уровень электрона; число l (орбитальное) - момент количества движения (энергетический подуровень), число m l (магнитное) - магнитный момент, m_S - спин. Спин электрона возникает за счет вращения его вокруг собственной оси. Электроны в атоме должны отличаться хотя бы одним квантовым числом (принцип Паули), поэтому в АО могут находиться не более двух электронов, отличающихся своими спинами (). В табл. 1 при­ведены значения и обозначения квантовых чисел, а также число электронов на соот­ветствующем энергетическом уровне и подуровне.

Таблица 1. Значения квантовых чисел и максимальное число электронов на квантовых уровнях и подуровнях

Квантовый

Магнитное квантовое число m l

уровень

подуровень

Число квантовых состояний

Максимальное число электронов

обозначение

главное квантовое число n

обозначение

орбитальное квантовое число l

в подуровне (2 l +1)

В уровне n^2

В подуровне 2(2 l +1)

в уровне 2n^2

К

s

L

s

p

-1

+1

М

s

p

-1

+1

+2

d

-2

-1

+1

N

s

p

-1

+1

d

-2

-1

+1

+2

­­­

f

-3

-2

-1

-1

+2

+3

Рис. 1. Формы s-, p- d- электронных облаков (орбиталей)

Пример 2. Составьте электронные формулы атомов элементов порядковыми номерами 16 и 22. Покажите распределение электронов этих атомов по квантовым (энергетическим) ячейкам.

Решение. Электронные формулы отображают распределение электронов в атоме по энергетическим уровням, подуровням (атомным орбиталям). Электронная конфи­гурация обозначается группами символов nl^x, где п - главное квантовое число. l -орбитальное квантовое число (вместо наго указывают соответствующее буквенное обозначение – s,p,d,f), x - число электронов в данном подуровне (орбитали). При этом следует учитывать, что электрон занимает тот энергетический подуровень, на котором он обладает наименьшей энергией - меньшая сумма n+ l (правило Клечковского). Последовательность заполнения энергетических уровней и подуровней следующая.

1s→2s→2p→3s→3p→4s→3d→4p→5s→4d→5p→6s→(5d¹)→4f→5d→6p→7s→

(6d^l-2) →5f→6d→7p

Так как число электронов в атоме того или иного элемента равно его порядко­вому номеру в таблице Д.И. Менделеева, то для элементов № 16 (сера) и № 22 (ти­тан) электронные формулы имеют вид

₁₆S 1s ² 2s ² 2р ⁶ 3s²Зр⁴

₂₂Ti 1s²2s²2р⁶3s²3p⁶3d²4s²

Электронная структура атома может быть изображена также в виде схем размещения электронов в квантовых (энергетических) ячейках, которые являются схематическим изображением атомных орбиталей АО. Квантовую ячейку обозначают в виде прямоугольника □, кружка ○ или линейки , а электроны в этих ячейках обозначают стрелками. В каждой квантовой ячейке может быть не более двух электронов с противоположными спинами или . В данном пособии применяют прямоугольники. Обитали данного подуровня заполняются сначала по одному элект­рону с одинаковыми спинами, а затем по второму электрону с противоположными спинами (правило Хунда):

Пример 3. Изотоп 101-го элементе - менделевия (256) был получен бомбардировкой α-частицами ядер атомов эйнштейния (253). Составьте уравнение этой ядерной реакции и напишите его в сокращенной форме.

Решение: Превращение атомных ядер обусловливается их взаимодействием с элементарными частицами или друг с другом. Ядерные реакции связаны с изменением состава ядер атомов химических элементов. С помощью ядерных реакций можно из атомов одних элементов получить атомы других.

Превращения атомных ядер как при естественной, так и при искусственной радиоактивности записывают в виде уравнений ядерных реакций. При этом следует помнить, что суммы массовых чисел (цифры, стоящие у символа элемента вверху слева) и алгебраические суммы зарядов (цифры, стоящие у символа элемента внизу слева) частиц в левой и правой частях равенства должны быть равны. Данную ядерную реакцию выражают уравнением

Часто применяют сокращенную форму записи. Для приведенной реакции она имеет вид:²⁵³Es(α, n)²⁵⁶Md. В скобках на первом месте пишут бомбардирующую частицу, а на втором, через запятую. - частицу, образующуюся при данном процессе. В сокращенных уравнениях частицы ; ;;обозначают соответственно α, p. d. n.

Пример 4. Исходя из сокращенных уравнений ядерных реакций (табл. 2). напи­шите их полные уравнения.

Решение:. Ответ на вопрос отражен в табл. 2.

Таблица 2. Сокращенные и полные уравнения ядерных реакций

Сокращенные уравнения	Полные уравнения

Контрольные вопросы

21. Напишите электронные формулы атомов элементов с порядковыми номерами 9 и 28. Покажите распределение электронов этих атомов по квантовым ячейкам. К какому электронному семейству относится каждый из этих элементов?

22. Напишите электронные формулы атомов элементов с порядковыми номерами 16 и 26. Распределите электроны этих атомов по квантовым ячейкам. К какому электронному семейству относится каждый из этих элементов?

23. Какое максимальное число электронов могут занимать s-, p -. d- и f- обитали. данного энергетического уровня? Почему? Напишите электронную формулу атома элемента с порядковым номером.

24. Напишите электронные формулы атомов элементов с порядковыми номерами 25 и 34. К какому электронному семейству относится каждый из этих элементов?

25. Какие орбитами атома заполняются электронами раньше: 4s или 3d; 5s или 4р. Почему? Напишите электронную формулу атома элемента с порядковым номером 21.

26. Изотоп никеля-57 образуется при бомбардировке ядер атомов железа-54. Составьте уравнение этой ядерной реакции и напишите его в сокращенной форме.

27. Какие орбитали атома заполняются электронами раньше: 4d или 5s; 6s или 5p? Почему? Напишите электронную формулу атома элемента с порядковым номером 43.

28. Что такое изотоп? Можно объяснить что у большинства элементов периодической системы атомные массы выражаются дробным числом? Могут ли атомы разных элементов иметь одинаковую массу? Как называются подобные атомы?

29. Изотоп кремния 40 образуется при бомбардировке a-частицами ядер атомов алюминия-27. Составьте уравнение этой ядерной реакции и напишите его в сокращенной форме.

30. Напишите электронные формулы атомов элементов с порядковыми номерами 14 и 40. Сколько свободных d- орбиталей у атомов последнего элемента

31. Изотоп углерода-11 образуется при бомбардировке прогонами ядер атомов азота-14. Составьте уравнение этой ядерной реакции и напишите его в сокращенной форме.

32. Напишите электронные формулы атомов элементов с порядковыми номерами 15 и 28. Чему равен максимальный спин р- электронов у атомов первого и f-электронов у атомов второго элемента?

33. Напишите электронные формулы атомов элементов с порядковыми номерами 21 и 23. Сколько свободных d- орбиталей в атомах этих элементов?

34. Сколько и какие значения может принимать магнитное квантовое число m l при орбитальном числе l = 0,1,2 и 3? Какие элементы в периодической системе называют S-, p-. d- и f- элементами? Приведите примеры.

35. Какие значения могут принимать квантовые числа n, l, m l,ms характеризующие состояние электронов в атоме? Какие значения они принимают для внешних электронов атома магния?

З6. Какие из электронных формул, отражающих строение не возбужденного атома некоторого элемента неверны: a) 1s²2s²2p⁵3s¹; б) 1s²2s²2p⁶.в) 1s²2s²2р⁶3s²Зр⁶3d⁴. г) 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²; д) 1s²2s²2р^бЗs^2:Зd²? Почему? Атомам, каких элементов отвечают правильно составленные электронные формулы?

37. Напишите электронные формулы атомов элементов с порядковыми номерами 24 и 33, учитывая, что у первого происходит "провал" одного 4s-электрона на 3d -подуровень. Чему равен максимальный спин d-электронов у атомов первого и р- электронов у атомов второго элементов?

38. Квантовые числа для электронов внешнего энергетического уровня атомов некоторого элемента имеют следующие значения: n=4; l =0; ml=0; ms=±1/2. Напишите электронную формулу атома этого элемента и определите, сколько свободных Зd-орбиталей он содержит.

39. В чем заключается принцип Паули? Может ли быть на каком-нибудь подуровне атома р⁷- или d¹²-электронов? Почему? Составьте электронную формулу атома элемента с порядковым номером 22 и укажите его валентные электроны.

40. Составьте электронные формулы атомов элементов с порядковыми номерами 32 и 42. учитывая, что у последнего происходит "провал" одного 5s-электрона на 4d - подуровень. К какому электронному семейству относится, каждый из этих элементов?

Дата добавления: 2014-10-23