Основы химии

Методическое пособие - Химия

Другие методички по предмету Химия

?ачения волновой функции и возможные /допустимые/ значения квантовых чисел.

 

2.1.4. Квантовые числа. Атомные орбитали.

Так как электрон имеет четыре степени свободы, то для характеристики его поведения в атоме требуется четыре квантовых числа.

Главное квантовое число n определяет удаленность атомной орбитали от ядра и характеризует общий запас энергии электрона на данном энергетическом уровне. n принимает целочисленные значения от единицы до бесконечности. В зависимости от цифровых значений главного квантового числа приняты буквенные обозначения квантовых уровней n=1, 2, 3, 4,…

обозначение К, L, M, N,…

Чем больше n, тем слабее электрон связан с ядром и более емким становится квантовый уровень. Числовые значения n определяют также и количество подуровней, содержащееся на данном квантовом уровне /т.е. числовые значения n определяют емкость квантового уровня/. Так, если n=3, то это значит, что имеем третий квантовый уровень, который состоит из трех подуровней.

Орбитальное квантовое число l характеризует момент количества движения электрона относительно центра орбитали. Наличие такого движения приводит к делению квантового уровня на подуровни. Орбитальное квантовое число характеризует так же пространственную форму электронного облака. Это квантовое число предопределяется главным квантовым числом n и принимает ряд целочисленных значений от нуля до n1. В зависимости от числовых значений l приняты буквенные обозначения подуровней:

n=1, 2, 3, 4,…

l=0, 1, 2, 3,…,1

обозначение подуровня: s, p, d, f,…

форма орбитали

 

Магнитное квантовое число ml характеризует магнитный момент электрона. Определяет ориентацию квантового подуровня в пространстве. Число проекций подуровня на направление магнитных силовых линий квантуется и оно равно количеству орбиталей на данном подуровне. Можно сказать, что магнитное квантовое число определяет количество орбиталей на подуровне. ml принимает значения от l через ноль до +l.

ml = l,…,+1, 0, 1,…, +l.

Рассмотрим подуровень s. Для него: l=0, ml=0

 

Hрис.2.1.

У подуровня шарообразной формы может быть только одна проекция. (рис.2.1.), имеющая значение ноль. Следовательно, на s -подуровне только одна s-орбиталь.

Подуровень Р имеет l=1, а ml = 1, 0, +1

l=1

В данном случае согласно правил квантования уже три проекции.

Следовательно на р-подуровне три р-орбитали. рис2.2.

Для d-подуровня: l=2, ml = 2, 1, 0, +1, +2. Это значит, что согласно квантовой теории d-подуровень состоит из пяти d-орбиталей.

Подуровень f имеет l=3, ml = 3, 2, 1, 0, +1, +2, +3. Следовательно f-подуровень состоит из семи f-орбиталей.

Число орбиталей на подуровне можно определить из выражения ml =2l+1:

значение l: 0, 1, 2, 3, …….

подуровень: s, p, d, f, …….

число орбиталей: 1, 3, 5, 7, …….

 

Спиновое квантовое число ms характеризует собственный момент количества движения, возникающий как бы из-за вращения электрона вокруг собственной оси. Принимает два значения: +1/2 и 1/2, что соответствует двум возможным направлениям вращения электрона.

ms= +1/2; 1/2.

Оно получено из опытов Штерна и Герлаха.

Рассмотренные квантовые числа определяют энергию электрона, объем и форму пространства, в котором вероятно его пребывание в околоядерном объеме, т.е. размер, форму и ориентацию орбитали в пространстве.

Так как волновая функция y является решением уравнения Шредингера при всевозможных значениях квантовых чисел, то можно сказать, что волновая функция является в свою очередь функцией рассмотренных квантовых параметров n, l и ml, где:

n= 1, 2, 3, 4,…,

l= 0, 1, 2, 3,…,n1

ml=l,…, 1, 0, +1,…, +l

Атомные орбитали. Так как вероятность нахождения электрона в пространстве далеком от ядра очень мала, когда говорят об орбиталях, то имеют в виду такую область вокруг ядра атома внутри которой сосредоточено 9095% электронного заряда. С точки зрения квантовой механики атомные орбитали являются геометрическим изображением волновой функции y (n, l, ml).

Z Электронное облако. Если бы в каждый момент времени

y определяли положение электрона в трехмерном пространстве и

ставили в том месте точку, то через множество таких определений

X получили бы картину в виде пространственного облака изображен-

ного точками с размытыми краями /рис.2.3.)

рис.2.3.

Такое зарядовое облако называют электронным облаком. Его плотность, пропорциональная y2, является непосредственной мерой вероятности нахождения электрона. Граничная поверхность облака, внутри которой содержится 9095% электронного заряда, дает форму орбитали.

Z s-орбиталь. Она существует при l=0. Значение ml тоже равно

Yнулю. Имеем только одно значение ml =0. Следовательно,

s-орбиталь имеет максимальную симметричность. У нее

Xсферическая форма (рис.2.4.). В этом случае вероятность на

хождения электрона в околоядерном пространстве определя

рис.2.4. ется только радиусом-вектором и не зависит от угла координат.

yРадиальное распределение электронной плотности для 1s

электрона соответствует кривой с максимумом (рис.2.5.).

Максимум распространения вероятности находится на

0r1r,A0расстоянии от ядра r1, которые соответствует радиусу

рис.2.5.первой боровской орбиты.

р-орбиталь. Существует при l=1. ml = 1, 0, +1.

Zр-орбиталь появляется на втором и всех последующих

Рz уровнях. Так как ml имеет три значения, то на р-подуров-