Основы химии
Zp+(A–Z)n
Например, структура ядра атома фтора /А=19, Z=9/ будет 9р+10n, т.е. в
состав ядра атома фтора входит 9 протонов и 10 нейтронов. Так как заряд
ядра /Z/ и массовое число /А/ являются количественной характеристикой атома
любого элемента /Э/, то он ставятся в виде индексов возле символа данного
элемента AZЭ, например для фтора 199F или для серебра 10847Ag.
Элементы, ядра атомов которых содержат одно и то же число протонов но
различное количество нейтронов, названы изотопами, например, цинк /Z=30,
A=64; 66; 67; 68;70/ имеет изотопы 6430Zn, 6630Zn, 6730Zn, 6830Zn, 7030Zn.
Атомы элементов, имеющие одинаковые массовые числа, но различные заряды
ядер, названы изобарами, например: 4018Ar, 4019K, 4020Cr.
Химическим элементом называют вид атомов, обладающих одинаковым зарядом
ядра.
Наряду с протонами и нейтронами в состав ядер атомов входят и другие
элементарные частицы, например, мезон. /Мезоны в двести-триста раз тяжелее
электрона/. Существует мнение, что мезоны обуславливают ядерные силы,
которые приводят к образованию прочных и компактных ядер из протонов и
нейтронов. Этот аспект рассматривается в курсе ядерной физики.
2.1.2. Двойственная природа электрона.
Электроны, как элементарные частицы, проявляют корпускулярно-волновой
дуализм. Они являются частицами и проявляют волновые свойства.
Любая частица представляет собой сосредоточение вещества в малой части
пространства. Следовательно, как частицы электроны обладают массой me и
зарядом е.
Масса электрона me =9,11*10–28г. /в 1837,11 раз меньше массы атома
водорода/. Заряд электрона е=1,6*10–19 Кл/ или 4,8*10–10 эл.ст.ед./.
Движение электрона как частицы должно характеризоваться, с одной стороны,
траекторией, т.е. координатами и, с другой стороны, скоростью в данный
момент времени.
Однако в движении электроны проявляют волновые свойства. Этот процесс
происходит в объеме трехмерного пространства и развивается во времени, как
периодический процесс. Характеристикой волны является длина волны, ее
частота, скорость движения и амплитуда с определенным знаком.
Следовательно, электронный поток характеризуется длиной волны ?, которую
можно оценить с помощью уравнения Луи де Бройля /1924г./:
?=h/mv
Здесь h–постоянная Планка /h=6,62*10–34 Дж/, m–масса электрона, v–скорость
электрона.
Можно сказать, что уравнение де Бройля объединяет характеристику волнового
процесса /?/ и корпускулярного движения /mv–импульс/. Волновая природа
электронов подтверждена экспериментально полученной картиной интерференции
и дифракции электронов.
Неопределенность в поведении электрона.
Поскольку электрон обладает волновыми свойствами, то его движение не
может быть описано определенной траекторией. Траектория «размывается»,
возникает область /полоса/ неопределенности, в пределах которой и находится
электрон.
В связи с этим, для электрона, как микрочастицы, применим принцип
/соотношение/ неопределенности Гейзенберга /1927/, который гласит, что в
любой момент времени невозможно одновременно точно определить и положение
электрона в пространстве /его координату/ и его скорость /импульс/,
минимальная возможная неточность равна h.
Математически принцип неопределенности можно выразить так:
(?px)(?x)=>h
Здесь ?px –неопределенность в величине импульса,
?x – неопределенность в положении частицы в
пространстве,
h – постоянная Планка.
Так как h– величина постоянная, то из принципа неопределенности следует,
что чем точнее будем определять импульс электрона / его скорость /, тем
большую будем допускать ошибку в определении его координаты, т.е.
местонахождения.
В соответствии с принципом неопределенности траекторию электрона нельзя
рассматривать со строгой математической точностью, как боровскую орбиту,
существует область неопределенности, в которой может двигаться электрон.
Поэтому следует говорить только о вероятности того, что электрон в данный
момент времени будет в данном месте пространства атома.
В квантовой механике имеют дело со статическими принципами и
вероятностным характером поведения электронов. Область пространства атома,
внутри которой существует наибольшая вероятность нахождения электрона,
называется орбиталью.
2.1.3. Волновая функция и волновое уравнение.
Так как электронам присущи волновые свойства и они обладают
неопределенностью положения в пространстве, их движение характеризуется при
помощи волновой функции ? и описывается волновым уравнением. Физический
смысл волновой функции заключается в том, что ее квадрат ?2 пропорционален
вероятности нахождении электрона в элементарном объеме атома ?V с
координатами x, y, z.
Значение волновой функции находят при решении волнового уравнения
Шредингера:
?2?/?x2 + ?2?/?y2 + ?2?/?z2 +8?2m/h2*(E–U)?=0
В этом сложном дифференциальном уравнении с частными производными:
Е–полная энергия частицы, U – потенциальная энергия, ? –волновая функция.
Волновая функция, получаемая при решении уравнения Шредингера, может
иметь ряд значений. Эти значения зависят от квантовых параметров n, l, me,
названных квантовыми числами
n
? l
me
В итоге – значения квантовых чисел есть не что иное как результат
решения уравнения Шредингера. Следовательно, при решении уравнения
Шредингера получены значения волновой функции и возможные /допустимые/
значения квантовых чисел.
2.1.4. Квантовые числа. Атомные орбитали.
Так как электрон имеет четыре степени свободы, то для характеристики
его поведения в атоме требуется четыре квантовых числа.
Главное квантовое число n определяет удаленность атомной орбитали от
ядра и характеризует общий запас энергии электрона на данном энергетическом
уровне. n принимает целочисленные значения от единицы до бесконечности. В
зависимости от цифровых значений главного квантового числа приняты
буквенные обозначения квантовых уровней n=1, 2, 3, 4,…
обозначение К, L, M, N,…
Чем больше n, тем слабее электрон связан с ядром и более емким становится
квантовый уровень. Числовые значения n определяют также и количество
подуровней, содержащееся на данном квантовом уровне /т.е. числовые значения
n определяют емкость квантового уровня/. Так, если n=3, то это значит, что
имеем третий квантовый уровень, который состоит из трех подуровней.
Орбитальное квантовое число l характеризует момент количества движения
электрона относительно центра орбитали. Наличие такого движения приводит к
делению квантового уровня на подуровни. Орбитальное квантовое число
характеризует так же пространственную форму электронного облака. Это
квантовое число предопределяется главным квантовым числом n и принимает ряд
целочисленных значений от нуля до n–1. В зависимости от числовых значений l
приняты буквенные обозначения подуровней:
n=1, 2, 3, 4,…
l=0, 1, 2, 3,…,–1
обозначение подуровня: s, p, d, f,…
форма орбитали
Магнитное квантовое число ml характеризует магнитный момент электрона.
Определяет ориентацию квантового подуровня в пространстве. Число проекций
подуровня на направление магнитных силовых линий квантуется и оно равно
количеству орбиталей на данном подуровне. Можно сказать, что магнитное
квантовое число определяет количество орбиталей на подуровне. ml принимает
значения от –l через ноль до +l.
ml = –l,…,+1, 0, –1,…, +l.
Рассмотрим подуровень s. Для него: l=0, ml=0
H рис.2.1.
У подуровня шарообразной формы может быть только одна проекция. (рис.2.1.),
имеющая значение «ноль». Следовательно, на s -подуровне только одна s-
орбиталь.
Подуровень Р имеет l=1, а ml = –1, 0, +1
l=1
В данном случае согласно правил квантования уже три проекции.
Следовательно на р-подуровне три р-орбитали.
рис2.2.
Для d-подуровня: l=2, ml = –2, –1, 0, +1, +2. Это значит, что согласно
квантовой теории d-подуровень состоит из пяти d-орбиталей.
Подуровень f имеет l=3, ml = –3, –2, –1, 0, +1, +2, +3. Следовательно f-
подуровень состоит из семи f-орбиталей.
Число орбиталей на подуровне можно определить из выражения ml =2l+1:
значение l: 0, 1, 2, 3, …….
подуровень: s, p, d, f, …….
число орбиталей: 1, 3, 5, 7, …….
Спиновое квантовое число ms характеризует собственный момент количества
движения, возникающий как бы из-за «вращения» электрона вокруг собственной
оси. Принимает два значения: +1/2 и –1/2, что соответствует двум возможным
направлениям вращения электрона.
ms= +1/2; –1/2.
Оно получено из опытов Штерна и Герлаха.
Рассмотренные квантовые числа определяют энергию электрона, объем и
форму пространства, в котором вероятно его пребывание в околоядерном
объеме, т.е. размер, форму и ориентацию орбитали в пространстве.
Так как волновая функция ? является реше
| |  скачать работу |
Основы химии |
