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 (RaSO 4 )

Кюри – Ra, Po Природа α-, β-, γ-лучей (Резерфорд, гг.) Обнаружение атомных ядер (Резерфорд, Гейгер, гг.) Заряд электрона (Малликен, 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 r н = 4.6 · нм, r пр = 6.5 · нм Масса атома в ядре (m e = 1/1836 a.e.м.) Ядро из нуклонов – протонов (Z) и нейтронов (N) Нуклид Массовое число A = Z + N

зарядмасса КлКл Условные единицы m, гm, а.е.м. электрон-1.6 · · · протон1.6 · · нейтрон ·

Изотопы – Z один, N и А различны 1 1 Н, 1 2 Н D, 1 3 Н T Изотопно-чистые элементы (только 1 природный изотоп): Be, F, Na, Al, P, Sc, Mn, Co, As, Y, Nb, Rh, I, Cs, Pr, Tb, Ho, Tm, Au, Bi, Th – 21 элемент 137 Cs – атомная бомба

Роль 6 12 С и 6 13 С Ra Rn He (τ ½ = 1600 лет) τ ½ = 3.8 дней α – излучение 6 14 С 7 14 N + -1 ºe - τ ½ = 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 Poτ ½ = 3 · с Biτ ½ = 19.7 мин Raτ ½ = 3.64 суток Pbτ ½ = 19.7 лет 6 14 Cτ ½ = 5.7 · 10 3 лет Uτ ½ = 4.5 · 10 9 лет Thτ ½ = 1.4 · лет

Ядерные реакции (α, р) (р, α) (α, р) (n, γ)

Чернобыль: H 2 O (п) + Zr H 2 + ZrO 2 H 2 + O 2 взрыв Н 2 О горение графитового замедлителя радиоактивные вещества 30*100 км

Атомная бомба – цепная реакция

В звездах Термояд

Дефект массы и энергия связи нуклонов Е (1МэВ = 10 6 эВ 9.6 · Дж/моль) Пример: Е(в нуклиде Не) = 7 МэВ Е(в нуклиде Cl) = 8.5 МэВ Е = m · c 2

E A ядерное деление ядерный синтез Fe, Со, Ni, Cu – рекордсмены устойчивости

Дуализм электронов - волны де Бройля пуля (25 г, 900 м/с) λ = 3 · см электрон ( г, 3 · 10 6 м/с) λ = 2.4 Å Принцип неопределенности Пространство с вероятностью нахождения электрона > 95% АО

Главное квантовое число n Главное квантовое число n (= 1, 2, 3….) (оболочка) n = 1 отвечает E min (эВ) для атома Н KLMNOP

Побочное (орбитальное) квантовое число l (форма АО) l = 0, 1, 2, 3…n-1 l = 0 s орбиталь l = 1 p орбиталь р х р y p z (вырожденность в нулевом магнитном поле) l = 2 d – орбитали d xy, d xz, d yz

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 + ½ и - ½ Суммарное число АО = n 2 (1, 4, 9, 16) Стремление электронов к минимуму энергии

Принцип Паули N = 2n 2 (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 1s 1 1s He – 2 электрона, n = 1, l = 0 1s 2 1s 2n 2 = 2 Li – 3 электрона n = 2, n + l = 2, n + l = 3 1s 2 2s 1 2s 1s

Энергия орбиталей 1s < 2s

Be – 4 электрона 2s 0 – валентность 1s 2 2s 2 1s B - 1s 2 2s 2 2p 1 x 2p 2s 1s валентность С (N, O, F) Ne 1s 2 2s 2 2p 1 x 2p 1 y 1s 2 2s 2 2p 6 2n 2 = 8

11 Na, n = 3, n + l = 3 1s 2 2s 2 2p 6 3s 1 11 Na (Mg, Al, Si, P, S, Cl) 18 Ar 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 2n 2 = 18

19 K n + l = 5 4 3d 4s 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 1 20 Ca 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 21 Sc n + l = 5 5 3d 4p 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 1 4s 2

Периодическая система 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 = Sc 30 Zn 39 Y 48 Cd 57 La и 72 Hf 80 Hg Число лантаноидов = максимальное число f элементов = 14 Предсказать свойства 72 Hf (не РЗЭ, Zr - аналог)

Примеры электронных конфигураций атомов 1) HeZ = 21s 2 2) BeZ = 4[He]2s 2 3) SiZ = 14[Ne]3s 2 3p 2 4) SZ = 16[Ne]3s 2 3p 4 5) TiZ = 22[Ar]4s 2 3d 2 Ar: 18e – 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 10 4s 2

6) CrZ = 24[Ar]4s 1 3d 5 E(4s) E(3d) Правило Хунда: S = 3 7) AsZ = 33[Ar]4s 2 3d 10 4p 3 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 10 4s 2 4p 3 8) CsZ = 55[Xe]6s 1 9) NdZ = 60[Xe]6s 2 4f 4