Тема 8. Многоэлектронные атомы

Почвы

Мобильный электротермический обеззараживатель

Из различных способов обеззараживания почвы наиболее эф­фективен электродный, при котором на вредителей и патоген­ные микроорганизмы растений, находящихся в почве, одновре­менно действуют два уничтожающих фактора: теплота и элект­рический ток.

Для растениеводства защищенного грунта разработан мобиль­ный электротермический обеззараживатель почвы МЭОП-1, в ко­тором в качестве рабочего органа использованы электроды в виде вращающихся дисков. Электрический ток, проходящий между заглубленными частями дисков, нагревает почву до температуры 80...90 °С. При этом в межэлектродной зоне в течение нескольких минут сохраняется теплота, пагубная для вредителей, микроорга­низмов и грибковых культур. Наряду с термическим действием на фитопатогенные организмы гибельное действие оказывает и сам электрический ток, проходящий через почву.

При соответствующей влажности почвы и плотности тока ги­бель основных вредителей и возбудителей болезней растений на­ступает при температуре, меньшей на 20...30 °С, чем при паровом обеззараживании, а время процесса сокращается в 10...20 раз. Од­новременно с этим увеличивается содержание подвижных элемен­тов в почве, что способствует повышению ее плодородия.

Рабочие электроды машины, установленные в силовой части, размещены в специальной камере на изолированном валу, имею­щем привод от электродвигателя через редуктор. От них враща­ется ходовое колесо. Управление машиной осуществляется тумб­лерами, размещенными на рукоятках управления. Для обеспечения заданной глубины обработки имеется опорная плита. Для по­верхностной обработки установлен дополнительный инфракрас­ный нагреватель. С целью надежного прохождения электрическо­го тока через переходный контакт между электродом и землей над каждым диском установлена капельница, куда подается вода из водораспределительного коллектора.

Перед обработкой почву рыхлят и доводят до влажности 40...50 %. Скорость движения машины, м/с,

q —удельная мощность внутреннего объемного источника теплоты, Вт/м³; T_к, T₀ — конечная и начальная температуры почвы, °С; R — радиус дискового электрода, м; h — глубина хода машины, м; С_р — объемная теплоемкость по­чвы, Дж/(м³ • °С).

Время экспозиции зависит от приложенного напряжения, рас­стояния между электродами, площади заглубленной части элект­родов, тока, коэффициента теплопроводности почвы и разности температур в начале и конце обработки.

Технические данные обеззараживателя МЭОП-1

Потребляемая мощность, кВт 30...50

Напряжение питания, В 380/220

Производительность, м²/ч 12... 14

Глубина обработки, мм 150...250

Ширина захвата, мм 500...700

Расход электроэнергии, кВт • ч/м² 4,2...5,6

Температура нагрева почвы, °С 80...90

Влажность подготовленной почвы, % 40

Напряженность поля, В/м 2600

Экспозиция нагрева, с Не более 120

Неравномерность нагрева межэлектродного объема 5...7

почвы, °С

Суммарный КПД установки 0,86

Масса, кг 150

Число обслуживающего персонала 1

Литература:

1. Е.Н. Живописцев, О.А. Косицын. Электротехнология и электрическое освещение. М.: Агропромиздат», 1990, с. 144-153.

2. Л.А. Баранов, В.А. Захаров. Электроосвещение и электротехнологии. М.: КолосС, 2006, с.233-234.

3. И.Ф.Кудрявцев, В.А. Карасев. Электрический нагрев и электротехнология. М.: Колос, 1975, с. 232-247.

Уровни энергии и спектры атомов щелочных металлов.

В атомах щелочных металлов электронная оболочка содержит один наружный (валентный) электрон, сравнительно слабо связанный с ядром атома. Остальные электронов образуют сравнительно прочный остов, в электрическом поле которого движется валентный электрон. В таком случае атом щелочного металла можно рассматривать как одноэлетронный атом, в котором роль заряда играет указанный остов, который можно характеризовать каким-то эффективным зарядом .

Потенциальную энергию валентного электрона можно представить в виде:

(8.1)

-где , - поправки учитывающие отличие поля атомов щелочных металлов от поля атома водорода. Обычно в вычислениях ограничиваются первой поправкой.

Подстановка (8.1) в уравнение Шредингера и его решение приводят к выражению для полной энергии электрона, которое отличается от аналогичного выражения для атома водорода слагаемым :

, (8.2)

-где .

Таким образом, принципиальное отличие уровней энергии щелочных металлов от уровней энергии атома водорода состоит в том, что энергия теперь зависит не только от квантового числа , но и от орбитального числа .

Другими совами, в некулоновском центрально-симметричном поле вырождение по снимается.

С учетом правил отбора в спектрах щелочных металлов должны получаться следующие спектральные серии:

главная серия ;

диффузная серия ;

резкая серия ;

фундаментальная серия ; .

Главная серия возникает в результате квантовых переходов валентного электрона из различных -состояний на наиболее глубокий - уровень. Главная серия содержит наиболее характерную для рассматриваемого элемента резонансную линию

.

Таковы, например, красная линия лития и желтая линия натрия.

Диффузная серия возникает в результате переходов валентного электрона из различных - состояний на наиболее глубокий уровень, резкая серия – из различных - состояний на более глубокий - уровень.

Рассмотрим тонкую структуру уровней и спектральных линий щелочных металлов, закономерности которых являются более простыми, чем для атома водорода, у которого существует вырождение по .

Происхождение тонкой структуры в спектральных сериях натрия представлено на рис. 8.1.

Рис. 8.1.

Главная серия возникает в результате переходов на наиболее глубокий уровень с вышележащих - уровней. Уровень -простой, а все -уровни двойные, причем расстояние между компонентами этих уровней, а значит и между компонентами дуплета, убывает с возрастанием . Поэтому и сами спектральные линии главной серии получаются двойными – дуплетами. Наиболее интенсивной является желтая резонансная линия натрия, возникающая при переходах и .

Линии резкой серии также являются дуплетами, они возникают в результате переходов с простых - уровней на лежащий ниже двойной - уровень. Поэтому расстояния между компонентами дуплетов одни и те же для всех серий, так как обуславливаются расщеплением одного и того же уровня , причем сами компоненты являются резкими линиями. По этой причине и сама серия получила название резкой.

Диффузная серия возникает при переходах на двойной уровень с вышележащих также двойных уровней , и т. д. Ее спектральные линии являются триплетами, так как переходы типа ; , в которых число меняется на 2, запрещены правилами отбора.

Две линии, получающиеся при переходе с двух расщепленных уровней на один и тот же уровень , расположены весьма близко друг к другу и практически сливаются. Благодаря этому они воспринимаются как одна размытая линия. Расщепление же между парой линий и одиночной линией значительно. Поэтому, в целом все эти три линии воспринимаются как дуплет из размытых линий, а вся серия названа диффузной. Расщепление дуплета у всех линий серии одно и то же, поскольку оно определяется расщеплением одного и того же уровня .

2. Понятие об электронной конфигурации. Применение принципа Паули. Электронные оболочки атома и их заполнение. Физическое объяснение физического закона.

В обычных условиях атомы всех элементов находятся в нормальном состоянии, когда энергия их электронов минимальна. В связи с этим можно было бы ожидать, что в нормальном состоянии все электроны должны находится на наинизшем энергетическом уровне с . Однако независимо от номера оболочки на ней может находиться не любое количество электронов, а только определенное.

Заполнение оболочек в многоэлектронных атомах подчиняется принципам Паули и минимальной энергии. При конкретном количестве электронов атома, прежде всего ими заполняются свободные оболочки, характеризующиеся минимальной энергией в соответствии с принципом Паули, согласно которому в любом атоме в конкретном квантовом состоянии, характеризуемом четырьмя квантовыми числами , , , не может быть более одного электрона. Следовательно, максимальное количество электронов , образующих устойчивую электронную оболочку с главным квантовым числом определяется как .

Таким образом, совокупность электронов, обладающих одним и тем же квантовым числом, называется оболочкой. Для обозначения оболочек используют прописные буквы:

Главное квантовое число n
Обозначение оболочек	K	L	M	N	O
Максимальное число Электронов в оболочке

Состояния орбитального движения электронов характеризуются орбитальным квантовым числом и обозначаются строчными буквами.

Орбитальное квантовое число l
Орбитальное состояние	s	p	d	f	g
Максимальное число электронов

Рассмотрим заполнение оболочек электронов в периодической системе Менделеева.

В основе систематики химических элементов лежит заряд Z. Число Z и определяет порядковый номер элемента в таблице. Заряд ядра численно равен числу электронов в электронной оболочке, окружающей ядро нейтрального атома. Химические свойства элементов определяются наружными электронами электронной оболочки.

В естественном состоянии в природе встречаются 90 элементов. Наибольший атомный номер (92) имеет уран. Элементы (технеций) и (прометий) в естественных состояниях не встречаются. Элементы с атомным номером больше 92 называются трансурановыми. Они все радиоактивны и также получены искусственно. К настоящему времени получены элементы с порядковыми номерами до 109 включительно.

Посмотрим, как меняются электронные конфигурации при переходе от одного атома к другому в порядке возрастания их атомных номеров Z. То есть при присоединении одного электрона.

Идеальная схема заполнения строится по принципу: каждый вновь присоединившийся электрон при заданном n последовательно заполняет все оболочки от до , после этого переходит к заполнению оболочек, соответствующих главному квантовому числу .

Последовательность заполнения электронных состояний при одном и том же определяется правилом Хунда:

Сначала заполняются состояния с различными значениями квантового числа при одинаковом значении проекции спина (например, при ); после того, как все состояний по квантовому числу оказываются заполненными электронами с одинаковой проекцией спина, начинается их заполнение электронами с противоположной проекцией спина (три ).

Открывает таблицу Менделеева водород, который имеет один электрон, который находится в состоянии с минимальной энергией, то есть при , ; поэтому электронная конфигурация этого атома . У гелия Не добавляется еще один электрон, но с противоположным направлением спина. Поэтому электронная конфигурация гелия записывается .

Гелий является инертным газом (имеет полностью заполненную внешнюю оболочку) и закрывает первый период периодической системы.

Третьим элементом является , у которого три электрона и по принципу Паули третий электрон не может находиться в состоянии . Поэтому он размещается на оболочке с и открывает второй период таблицы. Его электронная конфигурация . Затем идет с конфигурацией и -. В -состоянии может находиться шесть электронов. Шесть элементов от бора до неона включительно образуются в результате заполнения - состояний.

На неоне (также инертном газе, потому что внешняя оболочка заполнена полностью - ) завершается построение второго периода.

Появление одиннадцатого электрона приводит к необходимости заполнения оболочки с , поэтому открывает третий период таблицы. Его электронная конфигурация . Наличие у натрия вне заполненной оболочки одного электрона (валентного), обуславливает сходство его физико-химических свойств со свойствами , который открывает второй период. Оба эти элемента обладают металлическими свойствами и относятся к щелочным металлам. Восемь элементов от натрия до получаются вследствие заполнения состояний и . Таким образом третий период также заканчивается инертным газом с электронной конфигурацией . Следующим элементом после является . С этого места появляются нарушения идеального порядка заполнения оболочек. По идеальной схеме его конфигурация . Но в действительности это не так. Энергетически более выгодным оказывается присоединение следующего электрона не в состояние , а в состояние . Таким образом, с калия начинается четвертый период таблицы Менделеева. Конфигурация следующего после калия элемента есть . После этого энергетически более выгодным оказывается заполнение- состояний, а не - состояний, идущих по порядку после - состояний. У последующих элементов до никеля происходит заполнение - состояний, при этом оболочка не остается все время заполненной двумя электронами. Иногда оказывается энергетически более выгодным перебросит один из электронов из в - оболочку. Такой переброс наблюдается у хрома: .

Нарушение идеального порядка заполнения объясняется наличием у электронов орбитальных моментов количества движения: . При орбитальном вращении электрона вокруг ядра появляется центробежная сила, которая стремится удалить электрон от ядра. Таким образом, центробежная и электрическая энергии имеют противоположные знаки и поэтому действуют в разные стороны, в результате чего электроны - оболочки обладают меньшей энергией связи, чем электроны - оболочки . Поэтому-то оболочка заполняется электронами раньше, чем оболочка , хотя главное квантовое число во втором случае меньше, чем в первом. Особенно велика,,центробежная энергия” в случае - и - оболочек, поскольку для этих оболочек соответственно и . С наличием этих оболочек и связаны отступления от идеального порядка.

Поэтому в действительности энергетическое возрастание электронных уровней с увеличением номера оболочек определяется следующим рядом:

.

Электронная конфигурация имеет вид: , причем символ означает полностью заполненные и - оболочки. Поэтому у никеля для полного заполнения м – оболочки не хватает два электрона, так как максимальное число электронов в - состоянии – 10.

Элементы, которые имеют недостроенные внутренние электронные оболочки, называют переходными. В четвертом периоде такими элементами являются элементы с №21 (скандий) по №28 (никель). Однако обычно к переходным элементам относят только последние три: Fe, Co, Ni, то есть те элементы, у которых оболочка недостроена меньше чем наполовину. Ni завершает первый полупериод четвертого периода. У следующего за никелем элемента меди Cu добавляется один электрон, при этом энергетически более выгодным является перераспределение электронов, в результате которого - состояние оказывается полностью заполненным, а в - состоянии остается лишь один электрон, и конфигурация меди имеет вид: , то есть ее конфигурация аналогична конфигурации щелочных металлов. У последующих семи элементов продолжается заполнение N – оболочки (и - состояний), то ест конфигурации внешних электронов повторяют конфигурации 2-го и 3-го периода. У криптона завершается заполнение и состояний, в результате чего криптон является инертным газом. На криптоне завершается первый большой период периодической системы, состоящий из 18 элементов. (по сути четвертый период).

Затем повторяется четвертый период. У рубидия , идущего после криптона, начинается заполнение - состояния, поскольку это оказывается энергетически более выгодно, чем заполнение и - состояний. После заполнения - состояния у стронция, следующего за рубидием, заполнение - состояний, вследствие чего элементы с№39 (иттрия) по №46 (палладий) относятся к переходным, особенно это относится к рутению, родию и палладию, который заканчивает первый полупериод пятого периода.

Выполнение второго полупериода пятого периода полностью аналогично второму полупериоду четвертого периода, то есть у первых двух элементов заполняется - оболочка, у следующих шести - - оболочка. Таким образом, второй большой период также заканчивается инертным газом - ксеноном, у которого полностью заполнена - и - оболочка.

У цезия и бария , которые открывают четвертый период таблицы, заполняется - состояние. Затем у лантана дополнительный электрон добавляется на внутреннюю оболочку в - состоянии, а у следующих за ним 14 элементов заполняются - состояния. Поскольку электроны в - состоянии являются внутренними (более внешние оболочки уже заполнены), это заполнение - состояния существенно не изменяет химических свойств элементов. Поэтому все эти 14 элементов в периодической системе занимают одну клетку, и называются лантаноидами или редкоземельными элементами. У следующих семи элементов (от гафния до платины) идет заполнение - оболочки, поэтому они, особенно последние три (осмий, иридий и платина) принадлежат к переходным элементам.

Второй полупериод четвертого периода начинается щелочным металлом с одним внешним электроном в - состоянии, после заполнения которого в атоме ртути начинается заполнение состояний, и заканчивается инертным газом радоном, у которого полностью заполнены и - состояния.

Седьмой период открывают франций и радий заполнением - оболочкой, далее следует актиний, у которого следующий электрон находится в состоянии . Однако, у следующих 14 элементов после актиния происходит заполнение более внутренней оболочки . Поэтому, они так же, как и лантаноиды, обладают схожими физико-химическими свойствами и называются актиноидами. У элементов, которые следуют за актиноидами, возобновляются заполнения - оболочки.

Периодическая система Менделеева обрывается на элементе 109, искусственно полученному к настоящему времени. Это, конечно, не означает, что в дальнейшем не могут быть получены элементы с большими атомными номерами. Из актиноидов только торий, протактиний и Уран существуют устойчиво в природе, остальные были получены лишь искусственно в лабораториях. Эти элементы называются трансурановыми. Таким образом, последним стабильным элементом в периодической системе, который существует в природе, является уран. Более тяжелые элементы существовать устойчиво не могут. Это объясняется тем, что силы кулоновского отталкивания протонов в ядре (которые являются дальнодействующими) не могут быть уравновешенными ядерными силами притяжения (которые являются короткодействующими, их действие проявляется на расстояниях 10^-17 м) и ядро оказывается неустойчивым.

При малом числе частиц (нуклонов) в ядре энергия ядерного взаимодействия значительно больше энергии кулоновского отталкивания, потому что ядерные силы значительно больше кулоновских. Но при увеличении числа частиц наступает такой момент, когда ядерные силы притяжения уже не в состоянии хотя бы уравновесить кулоновские силы отталкивания, и ядро становится нестабильным. Этим и обуславливается наличие конца периодической системы элементов.

Дата добавления: 2014-01-04