25. Электронные конфигурации атомов

Схематическое изображение орбиталей с учетом их энергии называется энергетическая диаграммой атома. Она отражает взаимное расположение уровней и подуровней энергии.

На схеме орбитали обозначают в виде ячеек: , а электроны - в виде стрелок: или

Электрон может занять любую свободную орбиталь, но, согласно принципу минимума энергии, всегда предпочитает ту орбиталь, у которой энергия ниже. Принцип запрета Паули ограничивает число электронов на каждой орбитали. Поэтому в одной ячейке (на атомной орбитали) может быть только один или два электрона. На каждом s-подуровне (одна орбиталь) могут находиться два электрона, на каждом p-подуровне (три орбитали) - шесть электронов, на каждом d-подуровне (пять орбиталей) - десять электронов. Правило Гунда определяет порядок заселения орбиталей с одинаковой энергией.

Таким образом, можно получить последовательность заселения атомных орбиталей электронами:

Действуя с помощью принципа минимума энергии, принципа Паули и правила Гунда, можно определить порядок заселения орбиталей электронами и построить электронную формулу любого элемента. Электронная конфигурация (формула) атома - распределение электронов по орбиталям в основном (невозбужденном) состоянии этого атома и его ионов: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶... Число электронов на орбиталях данного подуровня указывается в верхнем индексе справа от буквы, например 3d⁵ - это 5 электронов на 3d-подуровне

ПЕРИОДИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ЭЛЕМЕНТОВ МЕНДЕЛЕЕВА естественная система химических элементов, разработанная Д. И. Менделеевым на основе открытого им (1869) периодического закона. Современная формулировка этого закона звучит так: свойства элементов находятся в периодической зависимости от заряда их атомных ядер. Заряд ядра Z равен атомному (порядковому) номеру элемента в системе. Элементы, расположенные по возрастанию Z (H, He, Li, Be...), образуют 7 периодов. В 1-м - 2 элемента, во 2-м и 3-м - по 8, в 4-м и 5-м - по 18, в 6-м - 32. В 7-м периоде (на 1990) известны 23 элемента. В периодах свойства элементов закономерно изменяются при переходе от щелочных металлов к благородным газам. Вертикальные столбцы - группы элементов, сходных по свойствам. Внутри групп свойства элементов также изменяются закономерно (напр., у щелочных металлов при переходе от Li к Fr возрастает химическая активность). Элементы с Z = 58-71, а также с Z = 90-103, особенно сходные по свойствам, образуют 2 семейства - соответственно лантаноиды и актиноиды. Периодичность свойств элементов обусловлена периодическим повторением конфигурации внешних электронных оболочек атомов. С положением элемента в системе связаны его химические и многие физические свойства. Тяжелые ядра неустойчивы, поэтому, напр., америций (Z = 95) и последующие элементы не обнаружены в природе; их получают искусственно при ядерных реакциях. Полное научное объяснение периодическая система элементов Менделеева получила на основе квантовой механики. Закон и система Менделеева лежат в основе современного учения о строении вещества, играют первостепенную роль в изучении всего многообразия химических веществ и в синтезе новых элементов.

26. При достаточно большой энергии бом­бардирующих анод электронов на фоне сплошного спектра появляются отдель­ные резкие линии — линейчатый спектр, определяемый материалом анода и назы­ваемый потому характеристическим рент­геновским спектром (излучением).

По сравнению с оптическими спектра­ми характеристические рентгеновские спектры элементов совершенно однотипны и состоят из нескольких серий, обозначае­мых К, L, М, N и О. Каждая серия, в свою очередь, содержит небольшой набор от­дельных линий, обозначаемых в порядке убывания длины волны индексами , , , ... (K_, К_, K_,..., _, _, _,...). При переходе от легких элементов к тяжелым струк­тура характеристического спектра не из­меняется, лишь весь спектр смещается в сторону коротких волн. Особенность этих спектров заключается в том, что атомы каждого химического элемента, независи­мо от того, находятся ли они в свободном состоянии или входят в химическое соеди­нение, обладают определенным, присущим только данному элементу линейчатым спектром характеристического излуче­ния. Так, если анод состоит из нескольких элементов, то и характеристическое рен­тгеновское излучение представляет собой наложение спектров этих элементов.

Рассмотрение структуры и особенно­стей характеристических рентгеновских спектров приводит к выводу, что их возникновение связано с процессами, проис­ходящими во внутренних, застроенных электронных оболочках атомов, которые имеют сходное строение.

 

Мозли закон

    закон, связывающий частоту спектральных линий характеристического рентгеновского излучения химического элемента с его порядковым номером. Экспериментально установлен Г. Мозли в 1913. Согласно М. з., корень квадратный из частоты ν спектральной линии характеристического излучения элемента есть линейная функция его порядкового номера Z:         где R — Ридберга постоянная, S_n — постоянная экранирования, n — главное квантовое число. На диаграмме Мозли (см. рис.) зависимость Z представляет собой ряд прямых (К-, L-, М- и т. д. серии, соответствующие значениям n = 1, 2, 3,...).

         М. з. явился неопровержимым доказательством правильности размещения элементов в периодической системе элементов (См. Периодическая система элементов) Д. И. Менделеева и содействовал выяснению физического смысла Z.  В соответствии с М. з., рентгеновские характеристические спектры не обнаруживают периодических закономерностей, присущих оптическим спектрам (см. Атомные спектры). Это указывает на то, что проявляющиеся в характеристических рентгеновских спектрах внутренние электронные оболочки атомов всех элементов имеют аналогичное строение.

         Более поздние эксперименты выявили некоторые отклонения от линейной зависимости для переходных групп элементов, связанные с изменением порядка заполнения внешних электронных оболочек, а также для тяжёлых атомов, появляющиеся в результате релятивистских эффектов (условно объясняемых тем, что скорости внутренних сравнимы со скоростью света). В зависимости от ряда факторов — от числа нуклонов в ядре (изотонический сдвиг), состояния внешних электронных оболочек (химический сдвиг) и пр. — положение спектральных линий на диаграмме Мозли может несколько изменяться. Изучение этих сдвигов позволяет получать детальные сведения об атоме.

        

        Диаграмма Мозли для К-, L- и М-серий характеристического рентгеновского излучения. По оси абсцисс отложен порядковый номер элемента Z, по оси ординат — с — скорость света).

27. Согласно квантовой механике, энергия всех видов движения в молекуле может принимать лишь определённые значения, т. е. она квантуется. Полная энергия молекулы E приближённо может быть представлена в виде суммы квантованных значений энергий трёх видов её движения:

         E = E_эл + E_кол + E_вращ. (2)

        По порядку величин

        

        где m — масса электрона, а величина М имеет порядок массы ядер атомов в молекуле, т. е. m/М Молекулярные спектры 10^-3—10^-5, следовательно:          E_эл >> E_кол >> E_вращ. (4)

        Обычно E_эл порядка нескольких эв (несколько сотен кдж/моль), E_кол Молекулярные спектры 10^-2—10^-1 эв, E_вращ Молекулярные спектры 10^-5—10^-3 эв. В соответствии с (4) система уровней энергии молекулы характеризуется совокупностью далеко отстоящих друг от друга электронных уровней (различные значения E_эл при E_кол = E_вращ = 0), значительно ближе друг к другу расположенных колебательных уровней (различные значения E_кол при заданном E_л и E_вращ = 0) и ещё более близко расположенных вращательных уровней (различные значения E_вращ при заданных E_эл и E_кол)

Молекулярные спектры, оптические спектры испускания и поглощения, а также комбинационного рассеяния света, принадлежащие свободным или слабо связанным между собой молекулам. М. с. имеют сложную структуру. Типичные М. с. — полосатые, они наблюдаются в испускании и поглощении и в комбинационном рассеянии в виде совокупности более или менее узких полос в ультрафиолетовой, видимой и близкой инфракрасной областях, распадающихся при достаточной разрешающей силе применяемых спектральных приборов на совокупность тесно расположенных линий. Конкретная структура М. с. различна для различных молекул и, вообще говоря, усложняется с увеличением числа атомов в молекуле. Для весьма сложных молекул видимые и ультрафиолетовые спектры состоят из немногих широких сплошных полос; спектры таких молекул сходны между собой.