Квантові переходи в атомі.

Між різними станами атомів можливі переходи, викликані зовнішнім збуренням, найчастіше електромагнітним полем. Внаслідок квантування станів атома оптичні спектри атомів складаються з окремих ліній, якщо енергія кванта світла не перевищує енергію іонізації.

При вищих частотах оптичні спектри атомів стають неперервними. Ймовірність збудження атома світлом падає із подальшим ростом частоти, але різко зростає при певних характерних для кожного хімічного елемента частотах в рентгенівському діапазоні.

Збуджені атоми випромінюють кванти світла з тими ж частотами, на яких відбувається поглинання.

Переходи між різними станами атомів можуть викликатися також взаємодією зі швидкими зарядженими частинками.

При утворенні хімічних сполук атомні орбіталі видозмінюються, деформуються і стають молекулярними орбіталями. При цьому відбувається процес гібридизації орбіталей — утворення нових орбіталей, як специфічної суми базових.

поведінка електрона в атомі

Сьогодні поведінка електрона в атомі пояснюється законами квантової механіки, в основі якої лежать такі основні положення:

1. Електрон має подвійну (корпускулярно-хвильову) природу – може поводити себе як частинка (має масу і заряд) і як хвиля (характерні явища дифракції та інтерференції).

2. Для електрона неможливо визначити точне положення в просторі у певний момент часу. Можна говорити лише про ймовірність перебування його у тій чи іншій частині простору.

Частина простору навколо ядра, у якій ймовірність перебування електрона становить понад 90% називається електронна орбіталь. Цей простір обмежується поверхнею і є об’ємною геометричною фігурою.

Навколо ядра атома Гідрогену обертається лише один електрон (на рис. жовта сфера).

Приклад гібридизації орбіталей — sp³ гібридизація

У квантовій механіці для зручності орбіталь позначають квадратиком або горизонтальною рискою і називають електронною або квантовою коміркою, а електрон позначають вертикальною стрілкою (↑ або ↓). Запис або означає, що на орбіталі розміщений один електрон.

Квантові числа

Стан будь-якого електрона в атомі можна описати за допомогою квантових чисел. Для цього використовують головне, побічне (орбітальне), магнітне (азимутальне) та спінове квантові числа.

Головне квантове число (позначається лат. літерою n) характеризує енергію і розміри електронної орбіталі і може набувати значень від 1,2,3,4 і т.д.

У багатоелектронних атомах електрони з однаковими значеннями n рухаються по орбіталях з близькими розмірами та енергіями і утворюють енергетичні рівні (електронні шари, електронні рівні). Ці рівні нумерують починаючи від ядра арабськими цифрами від 1 до 7, або позначають лат. літерами від K до Q відповідно.

Кількість електронних рівнів у атома, який перебуває в основному (не збудженому) стані дорівнює номеру періоду, в якому розміщений даний елемент у Періодичній системі.

На першому електронному рівні (n = 1) може бути лише одна (n²) s-орбіталь. На другому (n = 2) рівні розміщені чотири орбіталі – одна s- і три р-орбіталі. d-Орбіталі з’являються на третьому (n = 3), а f-орбіталі на четвертому (n = 4) електронному рівнях і містять відповідно по 5 та 7 орбіталей.

Чим менше значення n, тим менша енергія даного рівня і менший розмір орбіталі.

У межах одного рівня електрони можуть відрізнятись енергетичним підрівнями. Цю різницю відображає побічне (орбітальне) квантове число, яке визначає форму атомної орбіталі і позначається лат. Літерою l.

Побічне квантове число залежить від головного і може набувати цілочисельних значень від 0 до n – 1. Так, при n = 1, l = 0, при n = 2, l = 0 і l = 1 і т.д.

Зазвичай, числові значення l (0, 1, 2, 3, 4, 5) позначають англ. літерами s, p, d, f, g відповідно, а орбіталі називають s-, p-, d-, f- або g-орбіталями.

При l = 0, s-орбіталь має сферичну форму (рис.). При l = 1, p‑орбіталь має форму гантелі (рис.). d-, f- i g-орбіталі відповідають значенням l = 2,l = 3 і l = 4.

Просторове розміщення орбіталі визначає магнітне (азимутальне) квантове число (позначається m або m_l). Його значення залежить від l і змінюється від –l до + l, включаючи 0, тобто кожному значенню l відповідає (2l+1) значень m.

Так, якщо l = 0, то m = 0 і s-орбіталь може мати лише одне просторове розміщення (рис. а).

Для l = 1, m = –1, 0, +1 і р-орбіталь має три можливі варіанти просторової орієнтації (р_x- р_y- р_z-орбіталі). Осі симетрії р-орбіталей розміщені під кутом 90⁰ одна відносно одної, що досягається взаємним відштовхуванням р‑електронів і забезпечує максимальну однакову відстань між усіма р‑орбіталями одного електронного рівня (рис.).

Рис. 4. Форми s-, p- і d-орбіталей.

При l = 2, m = –2, –1, 0, +1, +2, тобто d-орбіталей є п’ять (рис. 4.4, в), а f‑орбіталей (l = 3, m = –3, –2, –1, 0, +1, +2, +3) – сім.

Таким чином, в межах одного енергетичного рівня максимально можуть бути одна s-, три p-, п’ять d- і сім f-орбіталей.

Графічно s-, p-, d- і f-орбіталі зображають:

Для повної характеристики електрона в атомі у 1925 р. ввели спінове квантове число (позначається s або m_s), яке характеризує можливість обертання електрона навколо своєї осі. Якщо електрон обертається за годинниковою стрілкою (вправо), то s = +½, якщо проти (вліво) – то s = –½ (рис. 4.5).

Рис. 4.5. Схема визначення спінового квантового числа.

На одній орбіталі може бути лише 2 електрони зі значеннями s = +½ та s = –½. Якщо s = +½, то графічно електрон зображають , а якщо s = –½, то . Коли на орбіталі розміщені два електрони, то їх зображають з антипаралельними (протилежно спрямованими) спінами: .

Закон Менделєєва

Сучасне формулювання періодичного закону Менделєєва звучить так: властивості елементів перебувають у періодичній залежності від заряду їхніх атомних ядер. Заряд ядра Z дорівнює атомному (порядковому) номеру елемента в системі. Елементи, розташовані за зростанням Z (H, He, Li…) і утворюють 7 періодів.

Період — сукупність елементів, що починається лужним металом та закінчується благородним газом (особливий випадок — перший період, що складається з двох неметалічних елементів — Н та Не). У 2-у і 3-у періодах — по 8 елементів, у 4-у і 5-у — по 18, у 6-у 32. Вертикальні стовпці — групи елементів з подібними хімічними властивостями. Всередині груп властивості елементів також змінюються закономірно (наприклад, у лужних металів від Li до Fr зростає хімічна активність). Елементи Z = 58-71 та Z = 90-103, особливо схожі за властивостями, утворюють два сімейства — лантаноїдів та актиноїдів. Періодичність властивостей елементів зумовлена періодичним повторенням конфігурації зовнішніх електронних оболонок атомів.

З синтезом Унуно́ктія (лат. Ununoctium, Uuo) або ека-радон — тимчасове найменування для хімічного елемента з атомним номером 118, сьомий період періодичної системи був завершений.

Сутність відкриття Менделєєва полягала у тому, що зі зростанням атомної маси хімічних елементів їхні властивості змінюються не монотонно, а періодично. Після певної кількості різних за властивостями елементів, розташованих за зростанням атомної ваги, властивості починають повторюватися. Наприклад, натрій схожий на калій, фтор схожий на хлор, а золото схоже на срібло і мідь. Зрозуміло, властивості не повторюються в точності, до них додаються і зміни. Відмінністю роботи Менделєєва від робіт його попередників було те, що основа для класифікації елементів у Менделєєва була не одна, а дві — атомна маса і хімічна схожість. Для того, щоб періодичність повністю дотримувалася, Менделєєвим були зроблені дуже сміливі кроки: він виправив атомні маси деяких елементів (наприклад, берилію, індію, урану, торію, церію, титану, ітрію), кілька елементів розмістив у своїй системі всупереч прийнятим у той час уявленням про їх схожість з іншими (наприклад, талій, що вважався лужним металом, він помістив у третю групу згідно з його фактичною максимальною валентністю), залишив у таблиці порожні клітини, де повинні були розміститися поки не відкриті елементи. У 1871 році на основі цих робіт Менделєєв сформулював періодичний закон, формулювання якого з часом було уточнене та змінене.

Наукова достовірність періодичного закону отримала підтвердження дуже скоро: у 1875–1886роках були відкриті галій (екаалюміній), скандій (екабор) і германій (екасіліцій), для яких Менделєєв, користуючись періодичною системою, передбачив не тільки можливість їх існування, але й, з разючою точністю, цілий ряд фізичних і хімічних властивостей. У 1882 Лондонське королівське товариство присудило золоті медалі Деві з формулюванням «За відкриття періодичних співвідношень атомних ваг» спільно Менделєєву і Маєру.