Лекция № 9 Электронное строение атомов

Лекция № 9
Электронное
строение атомов
Электронное строение атомов
Атомная микросистема ⇄
⇄ химическая макросистема
Косвенные свидетельства
сложности строения атомов
•
•
•
•
Электролитическая диссоциация
Электролиз
Фотоэффект (Столетов)
Естественная
радиоактивность
(Беккерель, 1896 г.) – урановая смоляная
руда:
засвечивание
фотопленки,
ионизация
газов,
свечение
флуоресцирующих
веществ
ZnS
(RaSO4)
Кюри – Ra, Po
•Природа α-, β-, γ-лучей (Резерфорд, 1899-1903
гг.)
•Обнаружение атомных ядер (Резерфорд, Гейгер,
1909-1911 гг.)
•Заряд электрона (Малликен, 1909-1914 гг.)
•Дискретность энергии электрона (Франк, Герц,
1912 г.)
•Заряд ядра равен атомному номеру (Мозли, 1913
г.)
•Открытие протона (Резерфорд, 1920 г.) и
нейтрона (Чедвик, 1932 г.)
Модель атома (по Бору)
• Ядро в центре атома
rн = 4.6 · 10-2 нм, rпр = 6.5 · 10-7 нм
• Масса атома в ядре
(me = 1/1836 a.e.м.)
• Ядро из нуклонов – протонов (Z) и нейтронов
(N)
Нуклид
A=Z+N
Массовое число
заряд
Кл
электрон -1.6 · 10-19
масса
Условные
единицы
m, г
m, а.е.м.
-1
9.1 · 10-28
5 · 10-4
протон
1.6 · 10-19
+1
1.67 · 10-24
1.00728
нейтрон
0
0
1.67 · 10-24
1.00866
Изотопы – Z один, N и А различны
1Н, 2Н
1
1
≡ D, 13Н ≡ T
Изотопно-чистые элементы
природный изотоп):
(только
Be, F, Na, Al, P, Sc, Mn, Co, As, Y, Nb,
Rh, I, Cs, Pr, Tb, Ho, Tm, Au, Bi, Th –
21 элемент
137Cs
– атомная бомба
1
12С
Роль 6
13С
и6
→ 86222Rn + 24He (τ½ = 1600 лет)
τ½ = 3.8 дней
α – излучение
226Ra
88
14С
6
→ 714N + -1ºe- τ½ = 5700 лет
Метод радиоуглеродного датирования –
геохронология (Либби, 1960 г.)
Диаграмма известных
к настоящему времени
изотопов ядер. По оси
абсцисс
отложено
содержание в ядре
протонов, а по оси
ординат – нейтронов.
Обычно
число
нейтронов равно равно
или несколько больше,
чем число протонов в
ядре, т. е. N ≥ Z.
Указаны
области
значений N и Z, при
которых
ядра
испускают β--, β+- или
α-частицы.
1- устойчивые ядра,
2 – естественные изотопы,
3 – искусственные изотопы,
4 – неизвестные изотопы.
Период полураспада
212Po
τ½ = 3 · 10-7 с
214Bi
τ½ = 19.7 мин
224Ra
τ½ = 3.64 суток
210Pb
τ½ = 19.7 лет
84
83
88
82
14C
6
τ½ = 5.7 · 103 лет
92
238U
τ½ = 4.5 · 109 лет
232Th
90
τ½ = 1.4 · 1010 лет
Ядерные реакции
N  He  O  H
• (α, р)
14
7
• (р, α)
9
4
• (α, р)
31
15
P H 
• (n, γ)
59
27
Co  n 
4
2
17
8
1
1
Be  H  Li  He
1
1
6
3
2
1
32
15
1
0
60
27
4
2
P H
1
1
Co  
Чернобыль: H2O(п) + Zr → H2 + ZrO2
взрыв
горение
графитового замедлителя
→ радиоактивные вещества 30*100 км
H2 + O2
Н2О
Атомная бомба – цепная реакция
U n
235
92
1
0
90
38
Sr 
93
36
Kr 
144
54
140
56
Xe  2 n
1
0
Ba  3 n
1
0
Термояд
2
1
3
1
1
0
Н
4
2
Н
2
1
n
He
Н  Н  Не  n  E
3
1
4
2
1
0
В звездах
12
6
С  Не  О  
4
2
16
8
Дефект массы и энергия
связи нуклонов
Е = m · c2
Е (1МэВ = 106 эВ ≈ 9.6 · 1010 Дж/моль)
Пример:
Е(в нуклиде Не) = 7 МэВ
Е(в нуклиде Cl) = 8.5 МэВ
E
–
рекордсмены устойчивости
56Fe,
26
ядерный
синтез
27
59Со,
59Ni,
28
29
64Cu
ядерное деление
60
250
A
Дуализм электронов
h
 
mv
- волны де Бройля
пуля (25 г, 900 м/с) λ = 3 · 10-33 см
электрон (10-27 г, 3 · 106 м/с) λ = 2.4 Å
Принцип неопределенности
Пространство с вероятностью нахождения
электрона > 95% АО
Главное квантовое число n (= 1, 2, 3….∞)
1
2
3
4
5
6
K
L
M
N
O
P
n = 1 отвечает Emin
13.6
Е   2 (эВ) для атома Н
n
(оболочка)
Побочное (орбитальное) квантовое число l (форма
АО)
l = 0, 1, 2, 3…n-1
l=0
s орбиталь
l=1
p орбиталь рх ≡ рy ≡ pz
(вырожденность в нулевом
магнитном поле)
l=2
d – орбитали
dxy, dxz, dyz
Магнитное квантовое число m
- положение АО в пространстве относительно
внешнего магнитного и электрического поля
от +l до –l, включая 0
(2l+1) АО
l = 0 (s - орбиталь) → одна
l = 1 (р - орбитали) → три
l = 2 (d - орбитали) → пять
Спиновое квантовое число s
- направление собственного магнитного
момента
•+½и-½
• Суммарное число АО = n2 (1, 4, 9, 16)
• Стремление электронов к минимуму
энергии
Принцип Паули → N = 2n2 (емкость
оболочки)
Правило Хунда (суммарный спин
электронов на одинаковых АО стремится
к max)
Правило Клечковского – стремление к
min (n + l), а при фиксированной (n + l) –
к min n
Н – 1 электрон, n = 1, l = 0
1s1 1s ↑
He – 2 электрона, n = 1, l = 0
1s2 1s ↑↓
2n2 = 2
Li – 3 электрона n = 2, n + l = 2, n + l = 3
1s22s1 2s ↑
1s ↑↓
Энергия орбиталей
1s < 2s <2p < 3s < 3p < 4s < 3d < 4p < 5p < 6s < 4f < 5d
Be – 4 электрона
1s22s2
2s ↑↓
1s ↑↓
B - 1s22s22p1x 2p ↑
2s ↑↓
1s ↑↓
С → (N, O, F) → Ne
1s22s22p1x2p1y 1s22s22p6
2n2 = 8
0 – валентность
валентность
11Na,
n = 3, n + l = 3
1s22s22p63s1
11Na
(Mg, Al, Si, P, S, Cl) 18Ar
1s22s22p63s23p6
2n2 = 18
19K
n+l=5
4
3d
4s
1s22s22p63s23p64s1
22s22p63s23p64s2
Ca
1s
20
n+l=5
5
21Sc
3d
4p
1s22s22p63s23p63d14s2
Периодическая система
Ln 
Ln 
П
2

1
2
П
 2
2
2
в нечетном периоде
в четном периоде
Первый период → 2
Второй и третий период периоды → 8
Четвертый и пятый периоды → 18
Шестой и седьмой периоды → 32
Число главных подгрупп = максимальное
число s + p электронов = 8
Число переходных элементов = максимальное
число d элементов = 10
21Sc → 30Zn
39Y → 48Cd
57La и 72Hf → 80Hg
Число лантаноидов = максимальное число f
элементов = 14
Предсказать свойства 72Hf (не РЗЭ, Zr аналог)
Примеры электронных
конфигураций атомов
1) He
2) Be
3) Si
4) S
5) Ti
Z=2
Z=4
Z = 14
Z = 16
Z = 22
1s2
↑↓
[He]2s2
↑↓
[Ne]3s23p2
↑ ↑
[Ne]3s23p4 ↑↓ ↑ ↑
[Ar]4s23d2 ↑ ↑
Ar: 18e–
1s22s22p63s23p63d104s2
6) Cr
7) As
8) Cs
9) Nd
Z = 24
[Ar]4s13d5
↑ ↑ ↑ ↑ ↑
E(4s) ≈ E(3d)
Правило Хунда: S = 3
Z = 33
[Ar]4s23d104p3
↑ ↑ ↑
1s22s22p63s23p63d104s24p3
Z = 55
Z = 60
↑
[Xe]6s1
↑
[Xe]6s24f4 ↑ ↑ ↑ ↑