ГОС / 43
.doc43. Стационарное состояние атома. Состояние электрона в многоэлектронном атоме. Электронные оболочки. Периодическая система элементов Менделеева.
Открытый Менделеевым периодический закон является важнейшим законом природы. Он составляет основы не только химии, но и атомной и ядерной физики.
В опытах Резерфорда было установлено, что атом представляет собой массивное ядро и электронную оболочку. Размеры ядра и электронной оболочки ~ 10-15 м, т.е. очень малы. Заряд ядра определяется количеством входящих в него протонов и измеряется в целочисленных значениях заряда электрона.
в дальнейшем z – номер элемента в таблице.
Т.к. атом нейтрален, то число протонов в ядре равно числу электронов в электронной оболочке. Менделеев располагал элементы в таблице в соответствии с атомным весом, но для некоторых элементов, исходя из их химических свойств делал исключения.
z = 18 (Ar)
z = 19 (K)
Аргон (Ar) принадлежит к инертным газам и входит в 8 группу, а калий (K) – щелочной металл и входит в основную подгруппу первой группы. При увеличении порядкового номера число протонов и электронов в ядре и оболочке увеличивается. При этом химические свойства элементов определяются в основном электронами внешней оболочки и, если у щелочных металлов на внешней оболочке один электрон, то у инертных газов их восемь. Классическая механика не может понять движение большого числа электронов в атоме, т.к. в классической механике не решена задача трех тел. Однако, квантовая механика упрощает задачу за счет дискретности атомных состояний и действия принципа Паули. При этом необходимо учитывать, что движение электрона в атоме – это движение электрона в центрально-симметричном поле. А состояние электрона в центрально-симметричном поле характеризуется четверкой квантовых чисел:
n = 1, 2 …
l =
m =
ms =
Чтобы разобраться в периодической таблице элементов Менделеева и в распределении электронов в атомах элементов, будем представлять каждый последующий элемент таблицы на основе предыдущего прибавлением одного протона в ядро и одного электрона в электронную оболочку.
Впервые такой метод построения таблицы Менделеева был предложен Бором.
Нулевой элемент в таблице – это нейтрон: z = 0
Водород: z = 1. Водород в электронной оболочке создает один электрон, находящийся в основном состоянии.
Группа состояний с главным квантовым числом n = 1 называется К-оболочкой. В К-оболочке у водорода имеется один электрон.
Следующий элемент – гелий: z = 2
n |
2n2 |
1 |
2 |
2 |
8 |
у гелия К-оболочка заполнена полностью
Далее идет – литий: z = 3
l |
состояние |
число эл-в |
0 |
S |
2 |
1 |
P |
6 |
Группа состояний с главным квантовым числом n = 2 называется L-оболочкой.
Бериллий: z = 4
Бор: z = 5
Углерод: z = 6
Азот: z = 7
Кислород: z = 8
Фтор: z = 9
Неон: z = 10
L-оболочка у неона заполнена полностью.
главное квантовое число n |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
оболочки |
K |
L |
M |
N |
O |
P |
Q |
число возможных сост.(2n2) |
2 |
8 |
18 |
32 |
50 |
72 |
98 |
последние три оболочки (O, P, Q) полностью не заполняются.
квантовые числа |
состояния |
число возможных электронов |
S |
2 |
|
p |
6 |
|
d |
10 |
|
f |
14 |
|
g |
18 |
Рассмотрим два элемента:
Ar:
K:
Под номером 57 имеется элемент лантан. Выделяется целая группа элементов (57 – 71), которые называются лантаноиды, т.к. химические свойства лантаноидов одинаковы. В p-оболочке имеются два электрона в 6S-состоянии. Физические свойства этих элементов различны, т.к. по-разному заполняется N-оболочка, а именно 4f-состояние. Еще они называются f-элементами.
Такую же группу выделяют на 89 номере (актиний). Эти элементы называются актиноиды (89 – 103). Они также обладают одинаковыми химическими свойствами, т.к. у них заполняется Q-оболочка, в 7s-состоянии имеется два электрона. Они обладают разными физическими свойствами, т.к. у них по-разному заполняется O-оболочка, 5f-состояние. Красным цветом выделены щелочные металлы (первая группа, главная подгруппа). Во внешней оболочке имеется один электрон в s-состоянии. Щелочно-земельные металлы (вторая группа, главная подгруппа) два электрона в s-состоянии. У желтых элементов d-состояние не заполнены или заполнены не полностью, эти элементы называются p-элементами. Синие элементы – переходные металлы. Перепутываются s- и d-состояния, d- состояние заполнено не полностью. Это d-элементы.