Тема 2 Строение вещества. Строение атома

Практическое занятие

Цели: Дать представление о корпускулярно-волновом дуализме явлений микромира, волновой функции, атомной орбитали. Изучить квантовые числа: главное, орбитальное, магнитное и спиновое, энергетические уровни и подуровни, правила заполнения электронных орбиталей атома в основном состоянии, принцип Паули, правило Клечковского и Хунда, электронные емкости орбиталей, подуровней и уровней атома, способы записи электронных формул атома.

Формировать у студента диалектико-материалистическое мировоззрение о единстве природы.

Изучение строения вещества приводит к открытию все более тонких деталей его структуры, постоянно углубляет и уточняет ваши знания.

План

1 Элементарные частицы и атомное ядро

2 Корпускулярно-волновой дуализм

3 Квантовые числа. Принцип Паули

4 Правила заполнения электронных уровней и подуровней. Электронные формулы, Электронно-структурные формулы. Правило Хунда

5 Значение теории строения атома в химии и биологии

6 Сколько s, p, d, f элементов в периодической системе Д.И.Менделеева? Напишите электронную формулу атомов рубидия и цезия. Подсчитайте суммы спиновых квантовых чисел в этих атомах

7 Сформулируйте правило Хунда. Изобразите электронно-структурную формулу атома азота

8 Какие электроны называют валентными? Как изображают электронный остов атома рубидия?

9 Сколько электронов находится на d-подуровне атома с порядковым номером 43?

10 Охарактеризуйте квантовые числа следующих электронов:4s¹, 5p³, 4d²,4f¹.

Методические рекомендации

Квантово-механическая модель атома

Как известно, атомы состоят из ядра и электронов, а ядро - из протонов и нейтронов. Электроны, протоны и нейтроны являются элементарными частицами, т.е. мельчайшими частицами материи. Элементарные частицы, а также построенные из них атомные ядра, атомы и молекулы имеют чрезвычайно малые массы и геометрические размеры и поэтому обладают специфическими свойствами, отличающими их от объектов привычного нам мира-макромира, и образуют свой мир-микромир. В микромире проявля ются действия законов квантовой механики, которые не ощущаются в повседневной жизни. Квантовая механика – это наука о строении и свойст- вах элементарных частиц, ядер, атомных и молекулярных объектов, об их превращениях и о явлениях, сопровождающих эти превращения. Состояние электрона в атоме изучает квантовая механика. Главный тезис квантовой механики - микрочастицы имеют волновую природу, а волна - свойства частиц.

Частица- ( корпускула)- это сосредоточение вещества в малой части пространства . Движение частицы характеризуется траекторией, т.е. координа- тами и скоростью в каждый момент времени. Волна-это процесс, занимаю- щий значительный объем трехмерного пространства и развивающийся во времени, чаще всего как периодический процесс. Характеристиками волны являются ее длина, частота и скорость движения, амплитуда и знак амплитуды.

Луи де Бройль в 1924 году предложил, что все тела в природе обладают одновременно и волновыми и корпускулярными свойствами. Уравнение де Бройля отражает этот дуализм (двойственность).

λ=h / mv (1)

Оно объединяет характеристику волнового процесса – длину волны λ и характеристику корпускулярного движения - импульс mv.,

где m-масса частицы,

V –ее скорость.

Быстро движущийся электрон, обладающий свойствами волны, может находиться в любой части пространства вокруг ядра, и в различных положениях. Его можно рассматривать как электронное облако с определен ной плотностью отрицательного заряда. Электронное облако- это квантово-механическая модель движения электрона в атоме. Наиболее вероятное нахождение электрона на расстоянии 0,53 Ấ (наибольшая плотность). Ту сферу, где чаще бывает электрон, называют атомной орбиталью.

Квантовые числа

Состояние электрона в атоме описывают четыре квантовых числа:

1) Главное квантовое число (n) – характеризует энергетический уровень или запас энергии электрона, а также размеры электронного облака. Главное квантовое число имеет значения: n=1,2,3,4 и т.д. К,L,M,N-…буквенное обозначение уровня.

2) Орбитальное или побочное квантовое число (l) – характеризует энергетическое состояние электрона в подуровне и форму электронного облака. При данном (n) главного квантового числа орбитальное квантовое число(l) может принимать все неотрицательные целочисленные значения от 0 до n=1 . Это значит, что число возможных значений l при данном n также равно n . Например, если n =1, то l=0, при n=2 , l= 0,1, т.е. два значения. Числовые значения l имеют буквенные обозначения, которые удобнее в употреблении l =0,1,2,3 обозначение: s ,p, d ,f

Соответственно говорят о s -, р-, d-, f- состояниях электрона.

s- , p- , d- , f- орбиталях : S- O сфера имеет (шаровую форму), Р- (гантелевид-

ную форму), d- (форма четырехлепестковой розетки), f- (сложную форму).

Подуровни принято обозначать двумя символами: цифровым и буквенным, означающими главное и орбитальное квантовые числа.

n	l	Число подуровней	Буквенное обозна- чение подуровней
			1S
	0,1		2S ,2p
	0,1,2		3S, 3p ,3d
	0,1,2,3		4S, 4p, 4d ,4f

3) Магнитное квантовое число (m) –характеризует ориентацию орбиталей в пространстве. Им определяется число орбиталей на каждом подуровне. Величина m может принимать целые отрицательные и положительные значения от – l до +l включая ноль. Это означает, что каждому значению l соответствует свой набор магнитных квантовых чисел m . На подуровне l независимо от главного квантового числа n , всегда имеется 2l+1 атомных орбиталей. Для S-подуровня l=0 и поэтому m=0. Таким образом, на S-подуров- не всегда существует единственная S-орбиталь. Графически обозначают одной квантовой ячейкой. Для p-электронов или p-подуровня l=1 и m =-1,0,+1, т.е. p-подуровень всегда имеет три p-орбитали, т.е. квантовые ячейки

S-орбиталь P_x-орбиталь P_y-орбиталь P_z-орбиталь

Соответственно d-подуровень l=2, m= -2,-1,0,+1,+2, т.е. пять квантовых ячеек, таким образом, 5 орбиталей т.е. 2l + 1, l=2→ 2 2+1=5

f –подуровень l=3, m = -3,-2,-1,0 +1,+2,+3

f –орбиталей семь N_l = 2 _* 3 +1 =7 квантовых ячеек.

4) Спин- это собственный момент количества движения электрона. В атоме этот момент количества движения квантуется и определяется спиновым квантовым числом. Спиновое квантовое число характеризует собственное вращение электрона вокруг своей оси. Спиновое квантовое число (ms) может принимать только два численных значения: - 1/2 и + 1/2

Оно определяет число электронов, которое может находиться на орбитали . В соответствии с принципом Паули на одной орбитали может находиться не более двух электронов. Этот принцип сформулирован В. Паули (1925).

В атоме не может быть двух электронов с одинаковыми значениями всех четырех квантовых чисел.

Принцип Паули определяет, прежде всего, максимальную емкость по электронам одной орбитали Nm , т.е. в одной ячейке может быть два электрона с противоположными спинами ↓ ↑ - обозначение.

Максимальная емкость уровня по электронам определяется по формуле

N_l=2(2_*l+1), l=0, m=0, s=1/2 , s=-1/2 S-подуровень N _S =2(2_*0+1)=2

l=1, m=-1 , 0 , +1, m=-1, s = + 1/2 , -1/2,

m=0, s = + 1/2 , - 1/2, p-подуровень Np = 2(2_*1 +1 )=6

m=+1, s = 1/2 , -1/2,

n=1, N=2n², N = 2_* 1² =2 т.е. на I уровне максимально может быть два электрона.

n=2, N₂= 2_*2² =8

n=3, N₃= 2_*3² =18

n=4, N₄= 2_*4² =32

Например: на d-подуровне (l=2) количество электронов равно

N _d = 2 (2_* 2+1)=10