III. Количество электронов, отдаваемых атомом на образование связи, определяет его валентность. 3 страница

⇐ ПредыдущаяСтр 3 из 16Следующая ⇒

В атомном ядре содержатся так называемые нуклоны (от греческого «нуклос», ядро): протоны и нейтроны. Протоны – это частицы с массой примерно 1 а.е.м. и положительным зарядом, а нейтроны не имеют заряда и обладают примерно такой - же массой. В атомном ядре сосредоточена почти вся масса и положительный заряд. Тут возникает вопрос – а как положительно заряженные частицы удерживаются вместе, ведь одноименные заряды отталкиваются друг от друга. Нуклоны удерживаются вместе за счет так называемого «дефекта масс». В ядре действуют ядерные силы, и на данный момент, эта наиболее могущественные силы, известные человечеству[20]. Если подсчитать массу всех нуклонов, а затем определить массу атомного ядра, то расчетная масса окажется несколько больше реальной. «Недостающая» масса по формуле Энштейна E=mc² трансформируется в энергию ядерных сил, которые и удерживают от распада атомное ядро. В ядерных реакциях высвобождается именно эта энергия.

Атом в нормальном состоянии электронейтрален. Число протонов равно числу электронов. Если это не так, то атом приобретает электрический заряд: -1 за каждый приобретенный сверх разрешенного количества электрон. Такая отрицательно заряженная частица называется анионом. И +1 за каждый утраченный электрон. Такая частица называется катионом. Катионы и анионы являются заряженными частицами – ионами.

Поскольку именно электронная конфигурация определяет химические свойства, то изменение количества протонов в ядре меняет и принадлежность атома к химическому элементу. Количество нейтронов в ядре атома на его химические свойства не влияет.

В зависимости от соотношения протонов и нейтронов выделяют три комбинации строения атомов:

1. Изотопы – это атомы, у которых в ядре содержится одинаковое количество протонов и разное количество нейтронов. Раз у изотопов одинаковое количество протонов, то электронная конфигурация у них тоже одинакова. Следовательно, изотопы принадлежат к одному химическому элементу, и химические свойства изотопов одинаковы.

2. Изотоны – это атомы, у которых в ядрах наоборот одинаковое количество нейтронов и разное количество протонов. Значит, у изотонов разное количество электронов в электронейтральном состоянии и эти атомы принадлежат к разным элементам.

3. Изобары – у этих атомов совпадает только сумма нуклонов, а количество и нейтронов и протонов различно. Опять – же, разное количество протонов, значит, изобары принадлежат к разным элементам.

Для обозначения атомов химического элемента используется одна или две буквы из их латинского названия. Первая буква в символе – это первая буква из латинского названия элемента, она всегда заглавная. Например, H — водород (лат. Hydrogenium), N — азот (лат. Nitrogenium), Ca — кальций (лат. Calcium), Pt — платина (лат. Platinum). Так как у одного элемента может быть несколько изотопов (например, 3 изотопа кислорода, из-за которых пришлось создавать две шкалы атомных масс), то для их записи используются следующее обозначение:

1) В верхнем левом углу, относительно символа элемента, указывается массовое число. Оно равно относительной атомной массе, выраженной через а.е.м. и сумме нуклонов в ядре. Те самые изотопы кислорода обозначаются так: ¹⁶O, ¹⁷O, ¹⁸O. Это значит, что Ar этих ядер равна 16, 17 и 18, и в их ядрах содержится 16, 17 и 18 нуклонов соответственно.

2) В нижнем левом углу указывается количество протонов в ядре атома. Так как количество протонов в ядре атома определяет принадлежность к элементу, а символ элемента в любом случае в записи будет присутствовать, то это число чаще всего не пишется. На примере изотопов кислорода: .

Однако, чаще всего, эти подробности в химических уравнениях и расчетах не фигурируют. Химиков интересует принадлежность какого-либо атома к химическому элементу. По определению, все атомы одного элемента обладают одинаковыми химическими свойствами. Поэтому не имеет значения, какой именно из нескольких изотопов участвует в химической реакции, ведь их химические свойства одинаковы. А раз так, то излишние подробности в виде массового числа в химических уравнениях чаще всего не нужны. Массовые числа и заряд ядер используются в ядерных реакциях, например, первая ядерная реакция, проведенная Резерфордом, описывается следующим уравнением [21]:

Наличие массового числа в записи является признаком того, что описываемая реакция относится к категории ядерных реакций. В химических реакциях не участвуют ядра атомов, поэтому массовое число каждого атома остается неизменным, следовательно, указывать его в записи не имеет смысла:

Zn + 2HCl → ZnCl₂+ H₂

В этой химической реакции ни один из атомов не поменял свое массовое число или принадлежность к химическому элементу.

3) Верхним правым индексом указывается заряд частицы. Но если частица не является ионом, то нулевой заряд не указывается.

Гораздо больший интерес вызывает распределение электронов в атоме. Но для описания движения электронов нужно учесть несколько особенностей этих частиц. Электрон – это частица, принадлежащая к так называемому «микромиру». В микромире привычные законы движения, действующие в «макромире» не работают. Для описания движения тела из макромира, например брошенного мячика, потребуются его скорость, ускорение, кинетическая энергия, масса, импульс, координаты в пространстве и так далее. Все эти величины можно либо измерить, либо рассчитать, тем самым дав подробную характеристику этому процессу. А вот для летящего электрона, частицы из микромира, всё намного, скажем так, интереснее.

Во-первых, электрон обладает свойством корпускулярно-волнового дуализма. Поведение электрона зависит от того, с чем он будет взаимодействовать. Если направить поток электронов на какую-либо поверхность, то окажется, что этот поток может оказывать давление. У электрона можно измерить массу (9,1×10^-31 кг), определить его заряд (-1.6×10^-19 Кулона) [22,23]. То есть, охарактеризовать электрон как частицу. Но если перед тем – же потоком электронов поставить преграду с двумя узкими щелями, а за ней фотопластинку для фиксации результата, то на пластинке появится интерференционная картина. То есть, электроны, пролетая через маленькую щель, взаимодействовали с ней не как поток частиц, а как волна (рисунок 2.1) [24]:

Рисунок 2.1. Взаимодействие потока электронов с щелями.

№1 и №2 – щели в преграде, Фп – фотопластинка, затем на рисунке изображены результаты прохождения электронов через щели:

· пики №1 и №2 на фотопластинке появляются, если поток электронов проходит только через одну щель, первую или вторую соответственно (другая щель в этот момент закрыта);

· последний результат появляется в том случае, если электроны проходят через обе щели одновременно (результат интерференции).

Получается, что поток электронов можно охарактеризовать и как волну: определить её частоту, энергию, длину волны. То есть, электрон может проявлять свойства как частицы с определенной массой и зарядом, так и свойства волны. Те свойства, которые электрон проявит в эксперименте, зависит от того, с чем исследователь заставляет его взаимодействовать. Это явление и называется корпускулярно-волновым дуализмом (корпускула – старое название частицы). Строго говоря, корпускулярно-волновой дуализм не является эксклюзивной собственностью элементарных частиц, характеристики этих волн можно рассчитать для любого тела в нашей Вселенной, но об этом подробно будет рассказано в курсе физической химии.

Во-вторых, электрон является элементарной частицей, а их движение описывается уравнением Шрёдингера [23,24]:

где h – постоянная Планка; m – масса частицы; U – потенциальная энергия; Е – полная энергия; x, y, z – координаты; ψ(«пси») – волновая функция. Не очень-то походит на уравнение движения макротела с постоянной скоростью, где есть начальная координата (х₀), а пройденный путь(S) зависит от времени(t) и скорости движения (U):

х = х₀ + S = х₀ + U × t

Более того, физическим смыслом обладает не сам результат вычисления волновой функции ψ, а её модуль, возведенный в квадрат |ψ|². Квадрат модуля волновой функции |ψ|² равен вероятности нахождения элементарной частицы в точке с координатами x,y,z, то есть, решив уравнение Шрёдингера, мы получим некоторый набор точек в пространстве, в которых с определенной вероятностью может находиться электрон – электронная плотность. Почему в квадрат возводится модуль волновой функции? А потому что волновая функция может быть представлена комплексным числом, которое при возведении в квадрат даст отрицательное число. Но данное пособие все – же по общей химии, а не по высшей математике.

В-третьих, решение уравнения Шрёдингера возможно лишь для некоторых значений энергии. То есть, элементарные частицы в своем существовании ограничены некоторым набором значений энергии, которые называются стационарными состояниями. Тут можно привести такой пример. Человек может поднять свою руку вверх, опустить вдоль своего тела, или вытянуть её в любом направлении между этими двумя положениями – верхнем и нижнем. А вот элементарная частица так поступить не может. Если – бы на нас распространялись те – же ограничения, то человек мог – бы поместить свою руку вверх, вниз, прямо перед собой, и, скажем, на углы в 45⁰ и 78⁰, и на этом всё. Другие положения руке не позволены. Допустимые положения руки – это её стационарные состояния. Более того, так как все остальные состояния запрещены, переход из одного положения в другое рука совершает мгновенно, телепортируется, в лучших традициях «научной» фантастики. Однако, в макромире таких явлений не наблюдается. Ведь части макромира состоят из громадного количества частиц, и их разрешенные, стационарные состояния сливаются в одну сплошную полосу. Вот поэтому человеческая рука может занять любое промежуточное положение между верхним и нижним. Наш мир, макромир, непрерывен, между двумя любыми положениями можно занять промежуточное. А микромир подчиняется квантовым законам, и его части не могут занимать любое положение. Только разрешенные. С определенным уровнем энергии. Стационарные. Поэтому микромир, в котором действуют законы квантовой механики, в противовес макромиру, прерывистый, дискретный.

Из-за таких радикальных различий, в физике пришлось создавать свой раздел для микромира – квантовую механику. Собственно, слово «квант» обозначает порцию энергии. Идеи, так называемой старой квантовой механики, отражаются постулатами Бора:

• Атом и атомные системы могут длительно пребывать только в особенных стационарных или квантовых состояниях, каждому из которых отвечает определенная энергия. В стационарном состоянии атом не излучает электромагнитных волн.

• Излучение света происходит при переходе электрона из стационарного состояния с большей энергией в стационарное состояние с меньшей энергией. Энергия излученного фотона равна разности энергий стационарных состояний.

Эти постулаты были сформированы, когда физики впервые попытались объяснить дискретную природу микромира. В рамках классической физики (которая работала только с непрерывным макромиром) невозможно объяснить, почему тело, нагретое до температуры в 1000⁰К, светится красным, а нагретое до 9000⁰К голубым. Затем при исследовании спектра излучения атомов выяснилось, что атом излучает и поглощает свет строго определенных длин волн, игнорируя весь остальной диапазон электромагнитного излучения. Более того, энергия волн, с которыми взаимодействует атом, кратна некоторой порции энергии – кванту.

Причина такого поведения атомов заключается в дискретности микромира. Для перехода из одного стационарного состояния в другое атом долен либо поглотить энергию, либо излучить в виде электромагнитной волны. Энергия поглощенного света равна разности энергий стационарных состояний. Аналогично для излучения – энергия излученного света должна соответствовать разнице между двумя стационарными состояниями. Энергия света определяется его частотой по формуле Планка:

E = h×ν

E – энергия волны, h – постоянная Планка, равная 6,63×10^-34 Дж×сек, ν – частота излучения. А раз стационарные состояния в атоме фиксированы, то фиксирована и разница в их энергии. Следовательно, одинаковы и испускаемые (или поглощаемые) частоты световых волн, которые человеческий глаз воспринимает как свет одного цвета. То есть, возвращаясь к примеру «квантовой руки», если человек хочет руку телепортировать из верхнего положения в нижнее, то он должен отдать энергию - посветиться, скажем, зеленым цветом. Если нужно переместить руку из верхнего положения в положение на 78⁰, то придется посветиться, допустим, оранжевым цветом и так далее. Если человек наоборот хочет переместить руку из нижнего положения вверх, то ему нужна энергия – нужно попасть под источник излучения зеленого (и только зеленого) цвета. Однако эту операцию можно провести не через один, а несколько переходов. Ведь есть разрешенное положение на 78⁰. Можно отправить руку туда, попав для этого под фиолетовый источник света, а затем, облучившись оранжевым светом, отправить руку с 78⁰ до верхнего стационарного состояния. Ну, а для реального атома это выглядит так (рисунок 2.2):

Рисунок 2.2. Излучение атома водорода.

На этой схеме по оси энергии (E) отмечены стационарные состояния атома водорода, у каждого из которых есть свой порядковый номер (n) и возможные переходы между этими уровнями, которые сопровождаются излучением. Так, для перехода с уровня энергии 3 на 2 атом водорода испустит волну с энергией -1,5-(-3,4)=1,9 эВ. Излучение такой частоты воспринимается человеческим глазом как красное. Аналогично, для перехода со 2-го уровня на 3-й атом должен поглотить точно такое - же излучение. Переход с 4го уровня до 2го будет сопровождаться излучением зеленого цвета, с 5го до 2го излучение будет синего цвета. Серия переходов с вышележащих по энергии стационарных состояний до первого называется серией Лаймана, до второго – серией Бальмера (она самая примечательная для человека – излучение видимое для наших глаз, на диаграмме обозначена СБ), до третьего – серией Пашена (СП). Ну, а до тех пор, пока атом находится в одном стационарном состоянии, он не испускает и не поглощает электромагнитное излучение, что и отражает второй постулат Бора.

В-четвертых, существует ограничение на экспериментальное определение величин, описывающих движение элементарной частицы. Движение можно описать импульсом (произведением массы и скорости) и координатами. Так вот, измерение одной из этих величин вносит неустранимую погрешность в определение другой. Математически это описывается принципом неопределенности Гейзенберга:

Произведение погрешности при определении координаты (Δх) на погрешность определения импульса (Δp) больше или равно половины приведенной постоянной Планка (ħ ). То есть, если экспериментатор абсолютно точно определит координату частицы, то он ничего не сможет сказать о её импульсе (скорости). Ведь если Δх=0, то Δp по правилам высшей математики будет больше или равна бесконечности.

Еще раз, перечислим свойства, которые влияют на положение электрона в атоме:

· Электрон обладает свойством корпускулярно-волнового дуализма;

· описание его движения носит вероятностный характер, а одновременно экспериментально определить его координаты и импульс (скорость) невозможно;

· в атоме электрон находится в стационарном состоянии, и смена состояния сопровождается поглощением или испусканием электромагнитного излучения.

Современная модель движения электрона в атоме и молекулах построена на понятии электронного облака. Это именно что модель, человеческое представление о том, как происходит взаимодействие атомного ядра и электрона. Равно как и модель «булочка с изюмом», от которой отказались после опытов Резерфорда, и «планетарная» модель, от которой отказались в процессе развития представлений о квантовой структуре атома, модель электронного облака так – же может быть заменена более совершенной. Электронное облако – это пространство вокруг атома, в котором вероятность обнаружения электрона составляет не менее 90%. То есть, это набор точек, для которых квадрат модуля волновой функции из уравнения Шрёдингера |ψ|² более 90%. Наряду с термином электронное облако может использоваться его синоним атомная орбиталь. Это устаревшее словосочетание, пришедшее из планетарной модели атома, под которой подразумевается именно облако. Никаких «орбит», по которым вращаются электроны, в атоме нет.

Для характеристики электрона в атоме достаточно знать всего – лишь четыре числа, которые называются квантовыми[25]:

• n – главное

• l – орбитальное (иногда называемое побочным)

• m_l - магнитное

• m_s- cпиновое

Так как в атоме существуют энергетические уровни, на которых могут располагаться электроны, а в атомах одного химического элемента эти уровни одинаковы по энергии, то их можно просто пронумеровать. Главное квантовое число(n) – это порядковый номер энергетического уровня для электронов в атоме. Разумеется, чем больше главное квантовое число, тем большие размеры у электронных облаков в этом энергетическом уровне, и тем больше их энергия. Значение главного квантового числа для последнего энергетического уровня в атоме совпадает с номером периода в периодической таблице Менделеева. Ну, а если у атома калия K есть четвертый энергетический уровень, то очевидно, что должны существовать первый, второй и третий. Для обозначения главного квантового числа иногда используются исторические обозначения: K, L, M, N, O, P, Q. K – это первый уровень, L – второй, M – третий и так далее.

Орбитальное квантовое число (l) характеризует форму электронного облака. Оно может принимать значения от 0 до n-1. Каждое значение орбитального квантового числа соответствует определенной форме электронного облака. Облака определенной формы имеют буквенное обозначение (табл. 2.1):

Таблица 2.1. Обозначение различных форм электронных облаков

Значение l	0	1	2	3	4	5
Обозначение подуровня	s	p	d	f	g	h

Совокупность электронных облаков одной формы на одном энергетическом уровне называется энергетическим подуровнем. Энергия орбиталей, принадлежащих одному подуровню одинакова.

Электронное облако типа s (l=0) имеет форму шара (рис. 2.3), облако типа p имеет форму гантели (результат вращения восьмерки, рис. 2.4) [26], d-облако, в общем случае, выглядит как две соединенные p-орбитали (рис. 2.5). Строго говоря, это упрощенные модели, так как решение уравнения Шрёдингера дает точный результат при введении ряда упрощений. Точное решение существует для частицы, который содержит только один электрон – атом водорода (H), катион гелия (He⁺). А, скажем, в атоме золота (Au) электронов 79.

Дата добавления: 2018-04-05; просмотров: 269; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

⇐ Предыдущая 1 234 5 6 7 8 9 10 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!