Квантово-механическая модель строения атома

 

В основу КММ положена квантовая теория атома, согласно которой электрон обладает как свойствами частицы, так и свойствами волны (о местоположении электрона в определенной точке можно судить не точно, а с определенной долей вероятности). Поэтому в КММ орбиты Бора заменили орбиталями («электронные облака» - области пространства в которых существует вероятность пребывания электрона). Состояние электрона в атоме описывают с помощью 4 чисел, которые называют квантовыми.

Таблица 1.1.

Квантовые числа

Квантовое число	Символ	Описание	Значения
Главное	n	Энергетический уровень орбитали	Положительные целые числа: 1, 2, 3...
Орбитальное	l	Форма орбитали	Целые числа от 0 до n-1
Квантовое	m	Ориентация	Целые числа от -l до +l
Спиновое	ms	Спин электрона	+½ и -½

Главное квантовое число n описывает среднее расстояние от орбитали до ядра; энергетическое состояние электрона в атоме. Чем больше значение n, тем выше энергия электрона и больше размер электронного облака. Если в атоме несколько электронов с одинаковым n, то они образуют электронные облака одинакового размера - электронные оболочки.

Орбитальное квантовое число l (азимутальное) описывает форму орбитали, которая зависит от n.

Орбитальное число l может принимать целочисленные значения в диапазоне от 0 до n-1. Например, при n=2: l=0 l=1.

Значение l определяет форму орбитали, а n - ее размер

Орбитали, имеющие одинаковое n, но разные l, называют энергетическими подуровнями и обозначают буквами латинского алфавита:

 

Таблица 1.2.

Энергетические подуровни

l	Энергетический подуровень
0 1 2 3 4	s p d f g

 

Состояние электрона в атоме для различных главных и орбитальных квантовых чисел принято записывать следующим образом: 2s; 3p; 3d…

Магнитное квантовое число m описывает ориентацию орбиталей в пространстве. Может принимать целочисленные значения в диапазоне от -l до +l (включая 0).

Например:

Для l=0 возможно только одно значение: m=0. Это значит, что s-орбиталь имеет только одну пространственную ориентацию.

Для l=1: m=-1;0;+1 - p-орбиталь имеет три пространственные ориентации.
Для l=2: m=-2;-1;0;+1;+2 - d-орбиталь имеет пять пространственных ориентаций.

Спиновое квантовое число s описывает направление вращения электрона в магнитном поле: по часовой стрелке или против. На каждой орбитали может находиться только два электрона: один со спином +½ другой -½.

Таблица 1.3.

Квантовые числа для первых 3 энергетических уровней

n	l	Орбиталь	m	ms
		1s		+½ -½
		2s		+½ -½
		2p	-1 0 +1	+½ -½ +½ -½ +½ -½
		3s		+½ -½
		3p	-1 0 +1	+½ -½ +½ -½ +½ -½
		3d	-2 -1 0 +1 +2	+½ -½ +½ -½ +½ -½ +½ -½ +½ -½

На первом уровне (n=1) есть только s-орбиталь, на которой может находиться только 2 электрона со спинами +1/2 и -1/2. Это справедливо для s-орбитали любого уровня: 1s; 2s; 3s…

На втором энергетическом уровне (n=2) есть уже две орбитали s; p. На третьем (n=3) - три орбитали: s, p, d. и т.д. С каждым новым энергетическим уровнем добавляется новая орбиталь.

Для 2p-орбитали существует три пространственных ориентации (формы облака), на каждой из которых может находиться по два электрона (на втором энергетическом уровне может находиться не более 6 p-электронов).

Для 3d - максимум 10 d-электронов и пять форм облаков.

Главные энергетические уровни отличаются энергией. Чем выше уровень - тем выше энергия. С другой стороны, различные орбитали одного и того же уровня также обладают разной энергией:

Энергия электронов на орбитали 2p выше, чем на 2s

Энергия электронов на орбитали 3p выше, чем на 3s

Энергия электронов на орбитали 3d выше, чем на 3s

Энергия электронов на орбитали 3d выше, чем на 3p

Что же касается электронов «внутри орбиталей», то их энергии одинаковы (так у всех десяти электронов 3d-орбитали энергии одинаковы).