Главная страница «Первого сентября»Главная страница журнала «Химия»Содержание №7/2003

УЧЕБНАЯ КНИГА ПО ХИМИИ

ДЛЯ УЧИТЕЛЕЙ СРЕДНИХ ШКОЛ,
СТУДЕНТОВ ПЕДАГОГИЧЕСКИХ ВУЗОВ И ШКОЛЬНИКОВ 9–10 КЛАССОВ,
РЕШИВШИХ ПОСВЯТИТЬ СЕБЯ ХИМИИ И ЕСТЕСТВОЗНАНИЮ

УЧЕБНИКЗАДАЧНИКЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМНАУЧНЫЕ РАССКАЗЫ ДЛЯ ЧТЕНИЯ

Продолжение.
См. № 4–14, 16–28, 30–34, 37–44, 47, 48/2002;
1,  2,  3, 4, 5, 6/2003

§ 4.5. Электрон в атоме

(окончание)

ЗАДАЧИ И ВОПРОСЫ

1. Как при помощи электролиза определить заряд электрона? Ответ можно дать без использования численных значений некоторых важных постоянных, но желательно провести расчет, тем более что материал вы изучали раньше в курсах химии и физики.
2. Может ли свободный электрон излучать или поглощать энергию?
3. Эту задачу психологи иногда предлагают учащимся и взрослым людям для оценки их творческих способностей. Шар опоясали по экватору веревкой, затем веревку разрезали, прибавили к ней еще кусок веревки длиной 1 м и также расположили вокруг шара в плоскости экватора. Пройдет ли в зазор между этой удлиненной веревкой и поверхностью шара апельсин, если в качестве шара взять следующие объекты:
1) электрон (радиус 1.10–15 см = 1.10–8 нм);
2) протон, нейтрон (радиус 1.10–6 нм);
3) атом водорода (радиус 0,046 нм);
4) планета Земля (радиус 6371 км);
5) звезда Солнце (радиус 695 300 км);
6) Солнечная система (радиус 10 млрд км).
Решение этой задачи непростое, но ответ поражает своей невероятностью. Задача показывает ваше умение использовать знания из других областей наук.
4. Переведите на русский язык.

The word «ray» is used somewhat indiscriminately to describe both a stream of particles and wave-like radiation, but the usage is, perhaps, valid when it is realized that particles may have a wave-like aspect whilst waves may have a particle-like aspect.
Newton originally regarded light on a corpuscular theory, but Huyghens introduced the wave theory of light. The wave theory is essential in accounting for interference and diffraction phenomena, whereas the corpuscular theory is necessary to explain, for instance, the photoelectric effect.
In this effect, metals give off electrons when illuminated with light of appropriate wavelengths. Moreover, there is a simple relationship between the energy of the emitted electrons and the frequency of the incident radiation. This result was interpreted, by Einstein in 1905, as meaning that radiation could be regarded as made up of small «packets» of energy, known as photons. The energy of a photon was dependent on the frequency, according to the basic equation of the quantum theory, E = hv, which explained why the energy of emitted electrons in the photoelectric effect was related to the frequency of the radiation.
So far, the electron has been regarded as a tiny, negatively charged particle, but very important results come from a consideration of the wave nature of an electron. De Broglie first suggested, in 1924, that moving electrons had waves of definite wavelength associated with them, and this theoretical prediction was demonstrated experimentally: in 1927 it was shown that a stream of electrons could be diffracted by crystals acting as simple diffraction gratings, just as light or X-rays can. As it is only possible to account for diffraction in terms of waves, it is necessary to assume that a stream of electrons behaves as a wave-like radiation such as light or X-rays.

§ 4.6. Электронное строение атома водорода

Содержание этой главы имеет несколько философский характер. Те, кого не интересует философия нашего мироздания, могут пропустить этот важнейший материал.
Квантовый характер энергетических изменений, корпускулярно-волновое поведение микрочастиц, неопределенность положения и скорости микрочастицы – это основы квантовой механики, недоступной нашему пониманию и наглядному представлению, в отличие от классической механики, с которой мы имеем дело ежесекундно и всю жизнь. Квантовая механика описывает особое, опять же не выражаемое наглядно и понятно движение электрона в атоме. Атом водорода принадлежит к небольшому числу систем, для которых такое описание оказывается наиболее точным.
Вероятность нахождения электрона в определенной области вокруг ядра соотносится с так называемой электронной орбиталью и зависит от энергетического состояния электрона. Электрон может находиться в любом месте пространства, но имеются области, где вероятность его нахождения выше, и в этих областях он пребывает чаще. Эти области соответствуют пониженной (даже минимальной) энергии электрона. Совокупность мест (точек) пространства, где вероятность нахождения электрона велика (максимальна), называется электронным облаком атома.
Плотность участков электронного облака пропорциональна вероятности нахождения в них электрона. Вероятность нахождения электрона в некотором слое часто называют плотностью электронного облака, или, короче, электронной плотностью.
Распределение электронной плотности в пространстве вокруг ядра связано с энергетическим состоянием электрона, которое описывается тремя квантовыми числами.
Главное квантовое число n может принимать целочисленные значения от 1 до бесконечности:

Это число характеризует энергию электрона и его расстояние от ядра атома. В химии используют только семь первых значений главного квантового числа. Бесконечно большое значение n говорит о том, что электрон находится на бесконечно большом расстоянии от ядра, т. е. является свободным, или не связанным с ядром. Подумайте, каков смысл n = 0?
Значения главного квантового числа характеризуют энергетические уровни, на которых может находиться электрон. В атомах химических элементов семь энергетических уровней: n = 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7.
Побочное, или орбитальное, квантовое число l может принимать значения от нуля до n – 1:

l = 0, 1, 2 … n – 1.

Необходимость введения побочного квантового числа подтверждается изучением спектра атома водорода и других атомов. Спектральные линии, отвечающие переходам с одного уровня на другой, часто состоят из нескольких близко расположенных отдельных линий, причем первая из них, относящаяся к n = 1, состоит только из одной линии. Линия, соответствующая n = 2, состоит из двух линий, или, как говорят, расщеплена на две линии. Линия, соответствующая n = 3, расщеплена на три близко расположенные линии и т. д. Это указывает на небольшие энергетические различия электронов одного и того же энергетического уровня, кроме первого. В связи с этим все уровни, характеризуемые
n = 2, 3, 4, 5, 6, 7, т. е. кроме первого, разделены (расщеплены) на несколько энергетических подуровней, которые обозначают буквами s, p, d и f соответственно значениям l = 0, 1, 2 и 3. Несмотря на то, что первый энергетический уровень (n = 1) не расщепляется, его также обозначают буквой s. Теми же буквами обозначают электронные орбитали атома.
При n = 2 побочное квантовое число принимает значения 0 и 1, это указывает на то, что уровень состоит из двух подуровней: s и p.
При n = 3 побочное квантовое число l принимает значения 0, 1 и 2, из чего вытекает, что третий энергетический уровень расщеплен на три подуровня: s, p и d.
При n = 4 побочное квантовое число l принимает значения 0, 1, 2 и 3, из чего следует, что четвертый энергетический уровень состоит из четырех подуровней: s, p, d и f.
Вы обратили внимание на то, что число подуровней в каждом данном уровне равно его главному квантовому числу?
Ниже приведены значения главного квантового числа n, соответствующие побочные квантовые числа l и обозначения отвечающих им подуровней.

Орбитальное (побочное) квантовое число кроме указания на энергетическое расщепление уровня определяет форму орбитали, т. е. вероятность нахождения электрона вблизи ядра. Только s-орбитали имеют вид сферической поверхности, другие орбитали имеют иную форму. Возможное число орбиталей на каждом подуровне определяется третьим квантовым числом.
Магнитное квантовое число m зависит от побочного квантового числа l и может принимать значения от –l, проходя через нуль, до +l:

m = –l … 0 … +l.

Число орбиталей с данным значением l равно 2l +1.

Физический смысл магнитного квантового числа заключается в следующем. В спектрах атомов, находящихся во внешнем магнитном поле, обнаруживается дополнительное расщепление спектральных линий. Возникновение новых близлежащих линий свидетельствует о том, что в магнитном поле энергия электронов изменяется. Но это возможно только при различной взаимной ориентации электронных облаков (орбиталей).
Было обнаружено, что все s-подуровни в магнитном поле не расщепляются. Это говорит о том, что все s-электронные облака имеют одинаковую форму, а именно шаровую, что показано на рис. 4.1, а. Имейте в виду, что на этом и следующих рисунках изображено не само электронное облако, а кривая, показывающая наибольшую вероятность нахождения электрона в пространстве вокруг ядра.
Спектральные линии р-подуровней расщепляются в магнитном поле на три близлежащие линии. Это указывает на три различные ориентации р-облаков в пространстве. Расчеты показывают, что области максимального значения вероятности нахождения р-электронов напоминают фигуру, внешне похожую на гантель (рис. 4.1, б). Возможны три различных направления р-орбиталей в пространстве, поэтому удобно расположить их на рисунке вдоль координатных осей х, y и z, а орбитали обозначить px, py и pz. Несмотря на различную ориентацию р-облаков, энергетически они равноценны.
Спектральные линии d-подуровней расщепляются в магнитном поле на пять близлежащих линий, что указывает на пять различных ориентаций d-облаков в пространстве. Форма d-облаков значительно сложнее формы р-облаков (рис. 4.1, в). Мы не будем обсуждать причины различных и непонятных обозначений этих облаков (орбиталей). Несмотря на различную ориентацию d-облаков, они энергетически равноценны.
Спектральные линии f-подуровней в магнитном поле расщепляются на семь близких линий, поэтому f-подуровню соответствуют семь энергетически равноценных орбиталей. Форма f-облаков настолько сложна, что изобразить их на плоском листе бумаги невозможно.

Рис.4.1. Модели электронных орбиталей: s-орбиталь (а); p-орбитали (б); d-орбитали (в)
Рис.4.1.
Модели электронных орбиталей:
s-орбиталь (а); p-орбитали (б); d-орбитали (в)

Если одному и тому же энергетическому электронному подуровню соответствуют несколько энергетически равноценных орбиталей, то такие подуровни называют вырожденными, а само явление называют вырождением.

В общем случае вырождение заключается в том, что значение некоторой величины, характеризующей систему, одинаково для различных состояний системы. Число таких состояний называется кратностью вырождения.

Поскольку s-состоянию отвечает только одна орбиталь, то термин «вырождение» к s-подуровню неприменим; р-подуровню соответствуют три энергетически равноценных орбитали, и говорят, что р-подуровень трижды вырожден, или ему отвечают три равноценные р-орбитали. Аналогично d-состояние вырождено пятикратно, а f-состояние – семикратно. Не смогли бы вы предложить аналогию понятию «вырождение» в гуманитарных науках?
Каждую электронную орбиталь принято изображать квадратиком, а иногда кружком. Такой квадратик называют также электронной ячейкой или просто ячейкой. Таким образом, s-подуровень изображается одной ячейкой, p-подуровень – тремя, d-подуровень – пятью и f-подуровень – семью ячейками, что показано на рис. 4.2.

Рис. 4.2. Изображение электронных орбиталей ячейками
Рис. 4.2.
Изображение электронных орбиталей
ячейками

Энергетические электронные подуровни, как упоминалось, обозначают буквами s, p, d и f, а цифра перед буквой указывает номер уровня (главное квантовое число). Например, запись 3p означает, что речь идет о p-подуровне третьего уровня, т. е. n = 3, l = 1.
В невозбужденном атоме водорода единственный его электрон находится на орбитали 1s. При возбуждении атома в зависимости от количества полученной энергии электрон может занять любой вышестоящий подуровень. При обратном переходе из возбужденного состояния в невозбужденное, (основное состояние) электрон выделяет эту энергию, испуская кванты соответствующей частоты. Заметим, что переход из возбужденного состояния в невозбужденное необязательно совершается непосредственно, а чаще всего проходит перескоками на промежуточные по энергии уровни и подуровни (что объясняет окраску веществ).

Рис. 4.3. Энергетическая диаграмма электронных уровней и подуровней: развернутая (а); сжатая, общепринятая (б)
Рис. 4.3.
Энергетическая диаграмма электронных уровней и подуровней:
развернутая (а); сжатая, общепринятая (б)

Орбитали с одинаковым значением l, к какому бы уровню они ни относились, имеют одинаковую форму (и симметрию).
Энергия электрона возрастает при переходе на вышестоящий уровень. Когда на одном уровне имеется несколько подуровней (s, p, d, f ), то их энергия возрастает от s к f. На рис. 4.3, а изображена (без соблюдения масштаба) энергетическая диаграмма уровней и подуровней невозбужденного и возбужденного атома водорода. Подобные диаграммы иногда используют в учебной литературе и для других атомов. Однако в научных трудах диаграмму обычно сжимают по вертикали и приводят к виду, изображенному на рис. 4.3, б.
Для описания поведения одного электрона в атоме водорода достаточно трех квантовых чисел. Для многоэлектронных атомов необходимо введение четвертого квантового числа и целого ряда новых теоретических предпосылок.

Список новых и забытых понятий и слов

Электронное облако;
орбиталь;
плотность электронного облака, электронная плотность;
квантовые числа;
главное квантовое число;
энергетический электронный уровень;
побочное, или орбитальное, квантовое число;
расщепление спектральных линий;
электронный подуровень;
s-, p-, d- и  f-подуровни;
магнитное квантовое число;
вырождение, вырожденные подуровни;
электронная ячейка.

ЗАДАЧИ И ВОПРОСЫ

1. Какие значения может принимать главное квантовое число n? Объясните смысл значений 11-7.gif (409 bytes). При каких значениях n электрон обладает наибольшей и наименьшей энергией? При каких значениях n энергия связи электрона с ядром наибольшая и наименьшая?
2. Какие значения могут принимать остальные квантовые числа.
3. Переведите на русский язык.

When Rutherford propounded the nuclear theory of the atom in 1912, it was at once apparent that this theory was not compatible with the classical theory of radiation. According to the latter, radiation must always be emitted, or absorbed, when positive and negative charges experience a mutual acceleration: emission when they are accelerated away from one another.
The Danish physicist, Bohr, was working in England at that time, and in 1913 he published a series of celebrated papers which cut through this difficulty and inaugurated a new era in atomic physics. The Bohr theory has since been bypassed by one based on wave-mechanics. Bohr made two postulates:
(1) the postulate of stationary states assumes that there are certain possible circular orbits in which the electron can revolve round the nucleus without emitting radiation. These states of the atom are called «stationary» because the energy remains constant; the level of the energy is stationary.
(2) the frequency postulate was less revolutionary since it was an adaptation of Planck’s concept. The electron may on occasion jump from one possible orbit to another. When it does this, the difference between its energies in two orbits is emitted, or absorbed, as radiation of frequency given by the equation .
The brilliant success of the Bohr theory of the hydrogen atom was followed by its extension by Sommerfeld. He introduced the notion that the orbits might also be elliptical, as well as circular.
Nevertheless one fundamental aspect of Bohr theory remains valid: that there are only certain possible energy-levels for an atom; that these can be denoted by quantum numbers, such as n; and that the atom can change its energy only by moving from one level to another.

О.С.ЗАЙЦЕВ