книги из ГПНТБ / Столярчук В.Г. Строение атома и периодическая система элементов Д. И. Менделеева

Итав, Уоэлн дал. метод эявперэментальноа проверка

правиль»

поста порядкового

номера,

присвоенного в

пзрподаческоа

с в е т е »

ив тому илн эному элементу, н подтвердил,

что

дяняяй

оградок

элементов

является

неизменным.

На основания работа

Моэли периодический

закон

новво

сформуляроваж?

Саойотяа элементов ваходятая в верязд» --

чэокей

эашзамоотй 05

вх

в о р ^ х э а и х

номе­

р о в .

'

Располовевиэ влемеятоа по атвшмм весам,

?аюш

о б р е а с з ,

сювпедаст с раоподовеяием влемеатев по атомный аомерак„ и

совпадение это яааяетоя результатом кахой°то

елояивй

»аяо»

ноиараостй.г

Инниа

оловаш, перяодвчеояая

евстэма элемзд?0й

я в л я е м а

ояраяеняем. яаЕОй-та оаре5ея5«ной закономернее TIU

Это «'/,3 белее ярко подчёркивается яамеиенйеи вагейяяоетв

элементов. Ход валентности - сложная фуякгяя

в.йреж&звг

о д ­

ного периода.

-

Кроме

т о г о , валентность

не

является строго определёнйны,

раз н а в с е г д а

фиксированный

свойством

атома.

Нззеегло

МЕОГЛ

элементов

с

переменной

залентн

с т ь о ,

чему не

было

обьяенеиЕЙ,

Все эти

вопросы оставалась

открытыми

до

появления квапто -

вой

механики. В преандучих разделах было показано, что лох*

новая механика д а ё т уде.иетворвтельное

описание

строения . т о *

ма

водорода. Атом

лодерода

имееа

один

электрон а

вырахв!. :е

для

потенциальной

энергии

имеет

пр 5тую форму -

- . - •

-

86

-

Уравнение Шредпягерв

л этой случае

р а ш а е ^ я

довольно

точно. / всех других атомов

имеется

jrao ив один

электрон.

Если бы поведение одного

элахтропа

в

многоэдехтроином а т о ­

лось бн только ваавмодвиотвйвм о

ядрои.то уравнение Шредяяге-

ра можно было

бы разделить на

несколько

(

по

чиолу электро­

нов) водаредоподобкых

ураъиенкй,

В варажевиж для энергии заряд

ядра

е

был

би заменён

на

, гг в

-

порядковый

номер.

Но,

авмино

взаимодействия

о ядром, электроны

взаимодвйотву-

ют й метду о обой. Они

отталкивается по

закону

Кулона,

анергия

отталкивания равна

_ ,

где

Z - расстояние между длумн

элвктровани. Пбтенциальиаь анэргия мнегоэлектронного атома

ооотоит из чяаноэ

Ц~

( г д е "

<Г„- расстояние элвктро -

• а of

я д р а ) , выражающих энергию взаимодвйотвия

каждого

э л е к -

трона

с ядром, и

членов

,

опрздодявдвх

энергию

оттал -

иванж я электронов друг от друга .

Всё

это очень сильно затрудняет речение

уравнения ШрвдНи­

г е р а .

Однако,

не решая уравнения

Шредингера, но воспользовав­

скопический опыт, а

также_ химические

закономерности, выражен

вые в периодической

системе элементов!

2-6"],

Кг* и в

а томе- водорода,

в

многоэлектронных

атомах

с о с т о я ­

ние

каждого

электрона

определяется

значениями

четырёх

кванто­

вых

чисел

п

,

В , т(

и

т$

. Эти числа могут принимать

те же значения.

В нормальном

(или

в стационарном) состоянии

низким. Это значит, что электроны должны

находиться

на

с а -

ш х глубоких орбиталях. В случае водородного атома

самой

глубокой

орбиталью для "единственного

электрона

в центрально

симметричном поле

является

орбиталь

I s ,

т . е .

я «

I ,

О,

1Пе •= 0,

Поэтому

можно было

ожидать,

что

в нормальном

состо*

должны находиться в состоявши

IS.

Однако этому

предположению

противоречат

характерные

свой­

с т в а элементов

-

свойства

химической

и спектроскопической

периодичности

и

д р .

Поэтому для согласования действительных

фактов с теорети ­

ческими положениями, т . е .

как

должны

быть

распределены

элек ­

ных

этомов/отвечает открытый

в

1925

г.

закон,

известный

как

принцип запрета

Паули.

о

I .

Принцип запрета

Пауля

[ 2 1 , 27]

•'.

В одном и том же атоме

не

может

быть двух

электронов,

у к о ­

торых все четыре

квантовых

чгсла, соответственно одинаковы.

-

88

-

По существу,,

принцип

Паули

утверждает,

что

в

каидом

энергетической

состоянии

а то на

может

находиться

только

один электрон. Причём основным состоянием атома является

такое его состояние, в котором все электроны находятся в

самих низких возможных энергетических состояниях*с

учётом

запрета

Паулж.

Бзлж

рассмотреть

квантовые

числа

и

их

возможные

э н а -

чания;

О,

I

, 2 .

3

и -

I

111 -

О,

± I

,

t 2

+

О

то будет видно, что возможны только определённые комбина­

ции. Рассмотрим первый К - слой П=

I , квантовое

число

у г ­

лового

магнита

Ь

может

быть

равно

только

нуле,

магнитное

квантовое

число

ГП^ также равно нулю. Но,

спиновое

кванто ­

вое

ч ю д о

( П 5

может

быть

У/%

и

-

'/ц

•

Отсюда

следует,

что

для

первого

уровни

возможны

только

д в а

разрешённые

ограничениями

комбинации

квантовых

чисел.

Это значит, что в первом энергетическом

уровне

(Л »

I

)

могут

быть

только

д в а

электрона, постоиние

которых

будет

характеризоваться одинаковым значением трёх квантовых

чисел

(П

-

I ,

f

« 0,.lflj,= 0 ) , при

условии

антипараллельности

их

спинов, т . е . они будут различаться значеньем спинового

квантового

числа:

+

н

-

.

Поскольку

£ = 0^ эти оба

электрон.,

будут

в

S

-

состоянии.

Или,

иными

словами,

на

одной

S

-

орбитали

могут

находиться

только

два

электрс

ia

о анти пар аллель нами

спинами

( f I ) •

-

-

90

-

Как следует

и з

тайлицч

7,

$ -

состояние

есть

д л я

каждо*

го уровня и в атом состоянии может Ьыть не более двух

элек­

тронов. Для второго • последующих имеется р - состояние,

причём,в

р

- ооотоянин

может быть

только

6

электронов,

т . е .

на каждой, р

- орбитали может также лаходятьоя

только д в а

электрона о

антипараллельными

спинами.

d - состояние появляется впервые

для т р е т ь е г о ,

a

f -

с о ­

стояние для четвёртого уровня.

Из таблицы

также видно, что для данного

главного

квантового

'числа

не

может

быть

больше

двух

S

- , шести

Р ~ , десяти </-

и четырнадцати

f

-

электронов.

В любой

замкнутой

оболочке слоя

находится

2 ( 2 ^ +

I )

элек­

тронов,

где

(20

+

I )

есть

члсло

значений

rfig

при

данном

С

, а

множитель

2

обусловлен

т е м ^ ч т о п ^ -

Таким образом,максимальн ое число электронов в любом

а т о ­

ме с главным квантовым числом п

определяется

следующей

оуммо|:_

п 1

1'°

'

Совокупно»» в атоме электронов, обладающих одинаковым

значением л , ,

называют электронным слоем ( К , t , М

, М ,

О i

Р »

0

> ) и л и

энергетическим

уровнем.

В общем,

энергетические

уровни

в

многоэлектронных

атомах

описываются

следующей

закономерностью:

/ровни n i t

( я

- Hd

и ( ft-

2 ) f

близки по энергии друг к

Другу

и в с е г д а

имеют более

низкую

энергию, чем уровни

пр .

анергии спектроскопических

термов (.Уровней) монет быть

iif чд'-тавлена р и с . 2 0

[26,

с т р . 3 3 ] .

« о

М М

6SQ

л

т

п

" I N

m

1 1 1 1

5SQ

Sp

J . I

1

I

i

М М

4SO

*/>

л /

М М

jso

Зр

у Г" т

•>

2SQ

11. и

*6S*

0~i

*Ц

±6р

*7S

* 6ct^

Sf

.'

Такой неожиданный

порядок

заполнения

электронных с о с т о я ­

ний

объясняется расщеплением электронных уровней энергии, по

мэре т о г о ,

как

в атома накапливается воё

больше электронов .

;1то

растепление

показано

на

р и с . 21.

Pno.

21# Зависимое г* ^энергия

атомных орбвталеЙ

*

4

от порядкового номера элемента.

о

Шли

на

f

-

орбитоли могут быть только два электрона,

то

на трёх

р -

орбмталях -

их чиоло

равно шеоти. На каа-

д о |

оголтел я д м

мижтрона могут находиться о протияополо

тик

оликаыя,

я

«том случае

суммарный

спмн Судет равен ну

t

о -I

/

0

-I •

М М »

или

щи

В первой

схеме ( а )

в с е

р - электроны имеют разные

значения mg( 1,0-1) , во второй ( б ) -

у д в у х

р - э л а к т р о н о в

ши

одинаковы.

Какому

из

этих

двух

вариантов

с л е д у е т

о т д а т ь предпочтение?

Это

в а я н о ,

особенно

д л я

ш о г о э л е к -

тронных атомов,

т а к

как в

i -

состоянии

имеется

п я т ь

а

- о р б и т а л е й ,

а в

j

-

состоянии -

семь

i

~ о р б и т а л е й .

На

э т о т вопрос

отвечает

правило

Гунда [ 1 9 , 2 0 , 2 2 ]

:

Исходя из правила Гунда,первая схема

( а )

- б о л е е в е - -

р о я т я а ,

так

как суммарный спин

равен 3/2,

а

во - втором

случае

( б )

1/2,

2,

Построение электронных

оболочэк

элементов

двух важных принципах:

з а о р е т е

Паула и п р а в и л е

Гунда, . .

При изучении распределения электронов в

атоме

удобно и с ­

ходить

из " г о л о г о " я д р а ( б е з

окружающих

э л е к т р о н о в ) .

Тогда

последовательно

увеличивая заряд

ядра

на

единицу

-

94

-

и д о б а в л я я

по

одному электрону

( д л я

образования

нейтрально ­

г о

а т о м а ) ,

ш

можем построить

электронные конфигурации

всех

элементов

периодической

системы . При э т о м должен

соблюдать ­

с я

также следующий

принцип:

при

переходе

от

д а н н о г о

э л е м е н ­

та

к

следующему, с

более

высоким

порядковым

номером,

д о п о л ­

нительный

электрон

должен занимать

положение,

с о о т в е т с т в у ю ­

щее

наиболее

прочной с в я з и

данного

электрона

со

всей

о с т а л ь ­

ной

с и с т е м о й .

Критерием

такой

прочной с в я з и

я в л я е т с я

п р а в и -

-

*

ло

Гунда.-

Первым

элементом

в периодической

системе

я в л я е т с я

в о д о - 4

р о д ,

е г о атом

имеет

один

э л е к т р с н .

Самой

глубокой

орбиталью

его

электрона

б у д е т

орбиталь

1 ^ ( п р и # =

0 ) .

Увеличивая

заряд

на

единицу

и

д о б а в л я я один

э л е к т р о н , получаем

атом

г е л и я

( # f l ) .

На

оонованин

принципа Паули оба электрона с

антипараллельны -

ци спинами могут находиться в первой оболочке

( К - о б о л о ч к е ) .

максимальное

число

э л е к т р о н о в ,

которое может

быть

на

t

-

о р ­

б и т а л и , р а в н о

д в у м .

В периодической

сизтеме

э л е м е н т о в

( т а б л и -

ца)водород

и

гелий

образуют

первый

пер изд .

Схематическое

и з о ­

бражение. основного,

состояния

элементов п е р в о г о периода

можно

представить в

оледующем

в и д е :

I . .

н

Ш i$'

г.

Не

Ш

is"