Состояние электронов в атоме. Квантовые числа

Химические свойства элементов определяются строением электронных оболочек их атомов.

В 20-ых годах XX в. ученые установили, что электрон имеет двойственную структуру: он является одновременно частицей и волной. Подобно частице электрон имеет массу 9,1 · 10^{-28 г и заряд 1,6 · 10-19} Кл. Движущийся электрон обладает свойствами волны: способность к дифракции и интерференции.

Представление о двойственной природе электрона привело к созданию квантово-механической теории строения атома. Электрон в атоме не движется по определенной траектории, а может находиться в любой части околоядерного пространства, вероятность нахождения электрона в разных частях околоядерного пространства неодинакова.

Таким образом, в соответствие с квантово-механическими представлениями невозможно точно определить энергию и положение электрона, поэтому в квантово-механической модели атома используют вероятностный подход для характеристики положения электрона: можно говорить только о вероятности нахождения электрона в разных частях атомного пространства.

Часть атомного пространства, в которой вероятность нахождения данного электрона наибольшая (равна ≈ 90%), называется атомной орбиталью.

Каждый электрон в атоме занимает определеннуюорбиталь и образует электронное облако, которое является совокупностью различных положений быстро движущегося электрона.

Для характеристики поведения электрона в атоме введены квантовые числа.

Главное квантовое число n определяет энергию и размеры электронныхорбиталей. Главное квантовое число принимает значения 1,2,3,4,5, … и характеризует энергетический уровень. Чем выше n, тем выше энергия. Уровни имеют буквенные обозначения: К (n =1), L (n =2), М (n=3), N (n =4), …

Максимальное число электронов на данном энергетическом уровне находят по формуле ∑ е^- = 2 n ². таким образом, на первом энергетическом уровне n =1,

е^- = 2, на втором n =2, е^- = 8, на третьем n = 3, е^- = 18 и т.д.

Орбитальное квантовое число l определяет форму электроннойорбитали. Орбитальное квантовое число также характеризует энергетические подуровни в электронной оболочке атома. Орбитальные квантовые числа принимают целочисленные значения от 0 до (n -1). Подуровни также обозначаются буквами:

Орбитальное квантовое число, l …        0 1 2 3

Подуровень (подоболочка)………….      spdf

Электроны с орбитальным квантовым числом 0, называются s -электронами. Орбитали и соответственно электронные облака имеют сферическую форму (окружности).

Электроны с орбитальным квантовым числом 1 называются p -электронами. Орбитали и соответственно электронные облака имеют форму, напоминающую гантель.

Электроны с орбитальным квантовым числом 2 называются d -электронами. Орбитали имеют более сложную форму, чем p-орбитали.

    Электроны с орбитальным квантовым числом 3 называются f - электронами. Форма их орбиталей еще сложнее, чем форма d -орбиталей.

    Максимальное число электронов на энергетическом подуровне находят по формуле ∑ е^- = 2(2 l +1). Так максимальное заполнение s², p⁶, d¹⁰, f¹⁴.

Магнитное квантовое число m_l характеризует ориентацию орбитали в пространстве. Магнитное квантовое число принимает целочисленные значения от – l до + l, включая 0. Число значений m_l определяет число орбиталей на подуровне

Следовательно, на подуровне s (l =0) имеется одна орбиталь (m _l =0), на подуровне p (l =1) – три орбитали (m _l = -1, 0, +1), на подуровне d (l =2) пять орбиталей (m_l =-2, -1, 0, +1+2).

 

Условно атомнуюорбиталь обозначим в виде клеточки.

Соответственно, для s- подуровня имеется одна АО

Для р -подуровня – три АО

 

Для d -подуровня - пять АО

 

Для f - подуровня – семь АО

   

Спиновое квантовое число m_s. Каждый электрон характеризуется собственным механическим моментом движения, который получил название спин. Спиновое квантовое число m_s имеет только два значения +1/2 и –1/2 Положительные и отрицательные значения спина связаны с его направлением. Электроны с разными спинами обычно обозначаются противоположно направленными стрелками. Электрон со спином +1/2 условно обозначают ↑, со спином -1/2: ↓.

Таким образом, состояние электрона в атоме полностью характеризуется четырьмя квантовыми числами: n, l, m_l, m_s