Квантовые числа. Представление о форме электронных облаков

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Омский государственный аграрный университет им. П.А. Столыпина

Институт ветеринарной медицины. 
 
 
 
 
 
 

    Сообщение на тему:

     «Квантовые числа. Представление о форме электронных облаков» 
 
 
 
 
 
 

    Выполнила: студентка 1 курса

    12-Т группа

    Вайс К.В.

    Проверила: доцент кафедры химии

    Пономарева Н.А. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Омск-2011г.

    Квантовые числа — энергетические параметры, определяющие состояние электрона и тип атомной орбитали, на которой он находится.

      Главное квантовое число n определяет энергию электрона, количество энергетических уровней в атоме и размеры электронных облаков. Энергия электрона главным образом зависит от расстояния электрона от ядра: чем ближе к ядру находится электрон, тем меньше его энергия. Поэтому можно сказать, что главное квантовое число n определяет расположение электрона на том или ином энергетическом уровне (квантовом слое). Главное квантовое число имеет значения ряда целых чисел от 1 до ∞. При значении главного квантового числа, равного единице (n=1), электрон находится на первом энергетическом уровне, расположенном на минимально возможном расстоянии от ядра. Полная энергия такого электрона наименьшая.

    Электрон, находящийся на наиболее удаленном от ядра энергетическом уровне, обладает максимальной энергией. Поэтому при переходе электрона с более удаленного энергетического уровня на более близкий выделяются порции (кванты) энергии. Энергетические уровни обозначают прописными буквами согласно схеме:

    Значение n.........1   2   3    4   5

    Обозначение......K   L  M   N   Q

    Орбитальное (побочное) квантовое число l. Согласно квантово-механическим расчетам, электронные облака отличаются не только размерами, но и формой. Форму электронного облака характеризует орбитальное квантовое число. Значение l зависит от главного квантового числа: l принимает значения от 0 до (n–1). Различная форма электронных облаков обусловливает изменение энергии электронов в пределах одного энергетического уровня, т. е. ее расщепление на энергетические подуровни.

    Энергетические  подуровни обозначают буквами:

    Значение l.......... 0   1   2  3 

    Обозначение...... s   р   d   f 

    При значении главного квантового числа, равного  единице (n=1), орбитальное квантовое  число имеет только одно значение, равное нулю (l =0). Таким значением l характеризуются электронные облака, имеющие шаровую симметрию. Электроны, орбитальное квантовое число которых равно нулю, называются s-электронами.

    На  первом энергетическом уровне могут  находиться только s-электроны, его условная запись 1s. При значении главного квантового числа, равном двум (n=2), орбитальное квантовое число имеет два значения: l =0 и l =1. Орбитальному числу, равному единице (l =1), соответствует гантелевидная форма электронного облака (форма объемной восьмерки) (рис. 1.) Электроны, орбитальное квантовое число которых равно единице, называются р-электронами.

    На  втором энергетическом уровне могут  находиться s- и р-электроны, которые  образуют два подуровня: 2s и 2р. При  значении главного квантового числа, равного трем (n=3), орбитальное квантовое число имеет три значения: l =0, l =1, l =2. Орбитальному квантовому числу, равному двум (l =2), соответствует более сложная форма электронных облаков (рис. 1). Электроны, орбитальное квантовое число которых равно двум, называются d-электронами.

    На  третьем энергетическом уровне могут  находиться s-, р- и d-электроны, которые образуют три подуровня: 3s, Зр и 3d. При значении главного квантового числа, равного четырем (n=4), орбитальное квантовое число имеет четыре значения: l =0, l = 1, l =2 и l =3. Орбитальному числу, равному трем (l=3), соответствует еще более сложная форма облаков. Электроны, орбитальное квантовое число которых равно трем, называются f-электронами.

    На  четвертом энергетическом уровне могут  находиться s-, р-, d- и f-электроны, которые  образуют четыре подуровня; 4s, 4р, 4d и 4f.

Рис. 1 Изображение с помощью граничных поверхностей s-, p-, d- и f-орбиталей.

      Магнитное квантовое  число m_l. Электронные облака ориентированы в пространстве. Пространственная ориентация электронных облаков характеризуется магнитным квантовым числом.

    Внешнее магнитное или электрическое  поле изменяет пространственную ориентацию электронных облаков, поэтому при  воздействии магнитного или электрического поля происходит расщепление энергетических подуровней электронов. В магнитном и электрическом полях наблюдается расщепление атомных спектральных линий.

    Магнитное квантовое число принимает любое  целое числовое значение «+» до «-», включая 0. Таким образом, число возможных значений магнитного квантового числа равно 2l +1. При значении орбитального квантового числа, равного нулю (l =0), магнитное квантовое число имеет только одно значение, равное нулю (m_l =0). При значении орбитального квантового числа, равном единице (l =1), магнитное квантовое число имеет три значения: m_l =1, m_l =0 и m_l =-1. Три значения магнитного числа характеризуют три состояния р-электронов, что соответствует ориентации р-облаков в пространстве в трех взаимно перпендикулярных плоскостях по осям координат х, у и z (см. рис. 1). 
При значении орбитального квантового числа, равном двум (l =2), магнитное квантовое число имеет пять значений: m_l =2, m_l =1, m_l =0, m_l =-2, m_l =-1. Пять значений магнитного квантового числа соответствуют пяти пространственным положениям d-электронных облаков (рис. 1). Орбитальному квантовому числу, равному трем (l =3), соответствует семь значений магнитного числа и семь пространственных положений f-облаков.

    Атомные орбитали (АО). На основе представлений о квантовых числах можно уточнить определение электронной орбитали в атоме. Совокупность положений электрона в атоме, характеризуемых определенными значениями квантовых чисел n, l и m_l, называют атомной орбиталью (АО). Условно АО обозначают в виде клетки (энергетической ячейки):  . Число АО равно единице на s-энергетических подуровнях  , трем — на р-подуровнях , пяти — на d-подуровнях   и семи — на f-подуровнях  .

    Три р-орбитали (р_х, р_y, p_z) перпендикулярны друг другу и направлены вдоль трех осей координат: х, у и z. Три d-орбитали (d_xz, d_yz, d_xy) имеют диагональное расположение между осями х, y и z, две остальные (d_x²_y2, d_z²) направлены вдоль осей координат.

    Изучение  атомных спектров показало, что три  квантовых числа n, l и m_l не полностью характеризуют поведение электронов в атоме.

    Спиновое  квантовое число m_s. Электрон, двигаясь в поле ядра атома, кроме орбитального момента импульса обладает также собственным моментом импульса, характеризующим его веретенообразное вращение вокруг собственной оси. Т.е. m_s характеризует движение электронов по часовой стрелке и против. Это свойство электрона получило название спина. Величину и ориентацию спина характеризует спиновое квантовое число m_s, которое может принимать значения m_s=+½ и m_s=-½ . Положительное и отрицательное значения спина связаны с его направлением. Поскольку спин — величина векторная, его условно обозначают стрелкой, направленной вверх или вниз: ↓ или ↑.

    Электроны, имеющие одинаковое направление  спина, т. е. либо m_s=+½, либо m_s=-½, называются параллельными, при противоположных направлениях спинов — антипараллельными. Итак, состояние электрона в атоме полностью характеризуется четырьмя квантовыми числами: n, l, m_l и m_s.