Реферат по предмету "Химия"

Узнать цену реферата по вашей теме


Электронное строение атома. Периодический закон

Лекция № 2 и 3
Электронноестроение атома.
Периодическийзакон.
Квантово-механическаямодель атома. Атомные орбитали. Квантовые числа.
Правилазаполнения электронами атомных орбиталей. Валентность.
Периодическийзакон. Периодическая система.
Теориястроения атома основана на законах, описывающих движение микрочастиц(электронов, атомов, молекул) и их систем (например, кристаллов). Массы иразмеры микрочастиц чрезвычайно малы по сравнению с массами и размерамимакроскопических тел. Поэтому свойства и закономерности движения отдельныхмикрочастиц отличаются от свойств и закономерностей движения макроскопическихтел, изучаемых классической физикой. Движение и взаимодействие микрочастицописывает квантовая механика, которая основывается на представлении оквантовании энергии, волновом характере движения микрочастиц и вероятностном(статистическом) методе описания микрообъектов.
Примерно вначале XX в. исследования явлений (фотоэффект, атомныеспектры) привели к выводу, что энергия распространяется и передаётся,поглощается и испускается не непрерывно, а дискретно, отдельными порциями –квантами. Энергия системы микрочастиц также может принимать определённыезначения, которые являются кратными частицами квантов.
Предположениео квантовании энергии впервые было высказано М. Планком в 1900 г. и былообосновано Эйнштейном в 1905 г.: энергия кванта /> зависит от частоты излучения />: />, где (1)
/> – постояннаяПланка (/>)
Частотаколебаний /> идлина волны /> связанысоотношением: />,
где /> – скоростьсвета.
Согласносоотношению (1), чем меньше />, тем больше энергия кванта /> и наоборот. Такимобразом, ультрафиолетовые и рентгеновские лучи обладают большей энергией, чемскажем радиоволны и инфракрасные лучи. Для описания электромагнитного излученияпривлекают как волновые, так и корпускулярные представления: с одной сторонымонохроматическое излучение распространяется как волна и характеризуется длинойволны />, сдругой стороны оно состоит из микрочастиц – фотонов, переносящих кванты энергии.
Явление дифракцииэлектромагнитного излучения доказывает его волновую природу. В то же времяэлектромагнитное излучение обладает энергией, массой, производит давление. Так,вычислено, что за 1 год масса Солнца уменьшается за счёт излучения на />.
В 1924 г. Луиде Бройль предложил распространить корпускулярно-волновые представления на всемикрочастицы, т.е. движение любой микрочастицы рассматривать как волновой процесс.Математически это выражается соотношением де Бройля, согласно которому частицемассой />,движущейся со скоростью />, соответствует волна длиной />: />, (2)
/> – импульсчастицы.
Гипотеза деБройля была экспериментально подтверждена обнаружением дифракционного иинтерферентного эффектов потока электронов.
Согласно соотношению(2) движению электрона (/>, />) отвечает волна длиной />, т.е. её длинасоизмерима с размерами атомов.
В 1925 г. Шрёдингерпредположил, что состояние движения электрона в атоме должно описыватьсяуравнением стоячей электромагнитной волны. Он получил уравнение, котороеэнергию электрона связывает с пространством Декартовых координат и такназываемой волновой функцией />, которая соответствует амплитуде3-х мерного волнового процесса:
/>, где
/> – полнаяэнергия электрона
/> –потенциальная энергия электрона
/> – втораячастная производная
/>
Уравнение Шредингерапозволяет найти волновую функцию /> как функцию координат. Физическийсмысл волновой функции в том, что квадрат её модуля определяет вероятностьнахождения электрона в элементарном объёме />, т.е. характеризует электроннуюплотность.Т. к. электрон обладает свойствами волны и частицы, мы не можемопределить его положение в пространстве в определённый момент времени. Электронразмазан, т.е. делокализирован в пространстве атома. В этом заключается принципГейзенберга.
Микрочастица,так же как и волна не имеет одновременно точных значений координат и импульса. Этопроявляется в том, что чем точнее определяется координаты частицы, темнеопределеннее её импульс, и наоборот. Поэтому мы говорим о максимальновероятном нахождении электрона в данном месте в определённый момент времени. Таобласть пространства, где >90% находится электрон называется атомнойорбиталью. Уравнение Шредингера имеет множество решений, но физическиосмысленное решение только в определённых условиях.
Для описаниястоячей волны, образованной в атоме движущимся электроном, т.е. для нахожденияволновой функции /> необходимы квантовые числа.
В 3-х мерномпространстве 4-мя квантовыми числами описывается состояние электрона:
Главноеквантовое число /> характеризует удалённостьэлектрона от ядра и определяет его энергию (чем больше />, тем больше энергия электрона итем меньше энергия связи с ядром). /> принимает целочисленные значенияот 1 до ¥.
Состояниеэлектрона характеризующееся различными значениями главного квантового числа />, называетсяэлектронным слоем (электронной оболочкой, энергетическим уровнем). Ониобозначаются цифрами 1, 2, 3, 4, 5, … или соответственно буквами K, L, M, N, O ….
Квантовоесостояние атома с наименьшей энергией – основное состояние, а с более высокой –возбуждённое состояние. Переход электрона с одного уровня на другойсопровождается либо поглощением, либо выделением энергии: />.
Побочноеквантовое (орбитальное, азимутальное) число /> (принимает все целочисленныезначения от 0 до (n-1)).
/>
/> Орбиталь 1 1s 2 0,1 2s,2p 3 0,1,2 3s,3p,3d
Состояниеэлектрона характеризующееся различными значениями побочного квантового числа /> называется энергетическимподуровнем. В пределах каждого уровня с увеличением />, растёт энергия орбитали.
Каждомузначению /> соответствуетопределённая форма орбитали (например, при /> – это сфера, центр которойсовпадает с ядром).
/>

Магнитноеквантовое число /> характеризует ориентацию орбиталив пространстве (принимает все целочисленные значения от — /> до +/>).
Например,для /> />. В пределахкаждого подуровня орбиталь имеет одинаковую энергию.
Спиновоеквантовое число /> характеризует вращательныймомент, который приобретает электрон в результате собственного вращения вокругсвоей оси (принимает два значения: /> – вращение по часовой стрелке, /> – вращениепротив часовой стрелки).
Атомныеорбитали заполняются электронами в соответствии с 3-мя принципами:
Принципустойчивости (принцип min энергии): Каждая новая орбитальзаполняется только после того, как будут заполнены все предыдущие, т.е. болееустойчивые (с min энергией) орбитали.
Энергияатомных орбиталей возрастает следующим образом:
/>
ПравилоКлечковского: заполнение электронами атомных орбиталей происходит в соответствиис увеличением суммы главного /> и побочного /> квантовых чисел; если /> одинакова, тоатомная орбиталь заполняется от больших /> и меньших /> к меньшим /> и большим />.
/>
/>
/> Орбиталь 1 1 1s 2 2 2s 1 3 2p 3 3 3s 1 4 3p 2 5 3d 4 4 4s 1 5 4p 2 6 4d 3 7 4f 5 5 5s 1 6 5p 2 7 5d 3 8 5f 4 9 5g 6 6 6s
ПринципПаули: в атоме не может быть 2 электрона, у которых 4 одинаковых квантовыхчисла. Следовательно, на 1-ой орбитали могут находиться не более 2-х электронов,отличающихся друг от друга значением спинового квантового числа. Отсюдаследует, что максимальное количество электронов на энергетическом уровне />, наэнергетическом подуровне />.
Пример:
/> /> />
Правило Хунда:электроны располагаются на орбиталях равной энергии таким образом, чтобы ихсуммарный спин был максимальный. Это означает, что первоначально электронызаполняют все свободные орбитали данного подуровня по 1-му, имея при этомпараллельные спины, и только потом происходит заполнение этих орбиталей 2-миэлектронами.
Пример:
/> /> Px Py Pz↑ ↑ ↑ ↑ ↑ ↑↓ ↑ ↑ K L M
/> 1 2 3
/> 1 1 2
/> -1 +1 -1 +1
/> ↓↑ ↓↑ ↓↑ ↓↑ ↓↑ ↓↑ ↓↑ ↓↑ ↓↑
/>
/>
/>
/>
/>
/>
/>
/>
/>

Количествонеспаренных электронов на внешнем уровне определяет валентность элемента, т.е. способностьобразовывать химические связи с другими атомами. В большинстве случаев, но невсегда.
/> 5 /> /> 4 />
4 /> 3 /> 
3 /> 2 />
2 /> 1 />
1 />
Периодическийзакон (1869 г): свойства простых тел, а также свойства и формы соединенийэлементов находятся в периодической зависимости от величины атомных весовэлементов.
До появлениясведений о сложном строении атома основной характеристикой элемента служилатомный вес (относительная атомная масса). Развитие теории строения атомапривело к установлению того факта, что главной характеристикой атома является положительныйзаряд ядра.
Всовременной формулировке периодический закон звучит: свойства химическихэлементов, а также формулы и свойства образуемых ими соединений находятся впериодической зависимости от величины заряда ядер их атомов.
Физическойосновой структуры периодической системы элементов служит определённаяпоследовательность формирования электронных конфигураций атомов по мере ростапорядкового номера элемента.
Взависимости от того, какой энергетический подуровень заполняется электронамипоследним, различают 4 типа элементов:
/> –элементы (последним заполняется />-подуровень внешнегоэнергетического уровня)
/> – элементы (последнимзаполняется />-подуровеньвнешнего энергетического уровня)
/> – элементы(последним заполняется />-подуровень предпоследнего энергетическогоуровня)
/> – элементы(последним заполняется />-подуровень 3-го снаружи энергетическогоуровня).
Горизонтальнорасполагаются периоды – последовательный ряд элементов, электронная конфигурациявнешнего энергетического уровня которых изменяется от /> до />. Номер периода совпадает созначением главного квантового числа /> внешнего энергетического уровня.
Вертикальнорасполагаются группы – элементы имеющие сходное электронное строение. Уэлементов главной подгруппы последним заполняется /> и /> подуровни внешнегоэнергетического уровня, у элементов побочной подгруппы происходит заполнениевнутренних /> и/> подуровней.Одинаковый номер группы, как правило, определяет число электронов, котороеможет участвовать в образовании химических связей.
Вопросы для самоконтроля
Квантово-механическаямодель атома.
Уравнения деБройля и Шредингера.
Принципнеопределенности Гейзенберга.
Атомнаяорбиталь, квантовые числа.
Правилазаполнения электронами атомных орбиталей (принцип минимальной энергии, правилоКлечковского, правила Паули и Гунда).
Периодическийзакон Д.И. Менделеева. Периодическая таблица (периоды и группы).


Не сдавайте скачаную работу преподавателю!
Данный реферат Вы можете использовать для подготовки курсовых проектов.

Доработать Узнать цену написания по вашей теме
Поделись с друзьями, за репост + 100 мильонов к студенческой карме:

Пишем реферат самостоятельно:
! Как писать рефераты
Практические рекомендации по написанию студенческих рефератов.
! План реферата Краткий список разделов, отражающий структура и порядок работы над будующим рефератом.
! Введение реферата Вводная часть работы, в которой отражается цель и обозначается список задач.
! Заключение реферата В заключении подводятся итоги, описывается была ли достигнута поставленная цель, каковы результаты.
! Оформление рефератов Методические рекомендации по грамотному оформлению работы по ГОСТ.

Читайте также:
Виды рефератов Какими бывают рефераты по своему назначению и структуре.