Elektronowa struktura atomu, studia, chemia

[ Pobierz całość w formacie PDF ]

2. Elektronowa struktura atomu

l = h / m × v

Według hipotezy de Broglie`a (1924), elektron można rozpatrywać zarówno jako cząstkę materii, ale również jako falę powstającą w wyniku poruszania się tej cząstki. Z ruchem elektronu w obrębie atomu związana jest fala o długości l zależnej od jego pędu mu:

przy czym: h – stała Plancka m – masa elektronu v – prędkość poruszania się elektronu

Falowa natura cząstek leży u podstaw mechaniki kwantowej, która poprawnie i ilościowo opisuje zachowanie cząstek elementarnych w atomach.

Zasada nieoznaczności Heisenberga: Nie jest też możliwe jednoczesne dokładne wyznaczenie położenia i pędu elektronu, czyli równoczesne podanie po jakim torze porusza się on w atomie i gdzie znajduje się w danym momencie

Można rozpatrywać tylko prawdopodobieństwo znalezienia elektronu w określonym czasie w dowolnie wybranym punkcie przestrzeni wokół jądra

Zachowanie się elektronu w obrębie atomu można opisywać za pomocą fali, której amplituda jest ciągłą funkcją współrzędnych przestrzennych x, y, z. Funkcję falową i energię elektronu (cząstki) wiąże podstawowe równanie mechaniki kwantowej, zwane równaniem Schrödingera; dla układu jedno elektronowego równanie to ma uproszczoną postać:

Równanie

gdzie: Y - funkcja falowa

m – masa elektronu poruszającego się w polu o potencjale V

h – stała Plancka

E – energia całkowita elektronu

Równanie to jest równaniem różniczkowym – jego rozwiązaniem są nie liczby tylko funkcje.

Rozwiązania te, zwane funkcjami własnymi, wyrażają stan fizyczny układu jedynie dla pewnych wartości E, nazywanych wartościami własnymi. Oznacza to, że elektrony w atomie nie mogą przyjmować dowolnej energii, czyli ich energia jest kwantowana.

Funkcje własne y (x,y,z) , będące rozwiązaniami równania Schrödingera, są nazywane orbitalami atomowymi i określają najbardziej prawdopodobne wartości energii elektronu w atomie, a kwadrat ich modułu ½y (x,y,z)½2 podaje gęstość prawdopodobieństwa znalezienia elektronu w określonym miejscu przestrzeni wokół jądra atomu.

Geometryczne kształty orbitali wskazują na przestrzenny rozkład prawdopodobieństwa znalezienia elektronu opisanego danym orbitalem.

Kontur orbitalu, tzw. „chmura” elektronowa ogranicza przestrzeń, w której prawdopodobieństwo znalezienia elektronu jest największe;

„Chmura” elektronowa nie ma wyraźnej granicy zewnętrznej, jednak im dalej od jądra, tym mniejsze jest prawdopodobieństwo znalezienia elektronu.

Każdy stan kwantowy elektronu w atomie opisuje się za pomocą czterech liczb kwantowych:

n – główna liczba kwantowa, określająca energię elektronu w atomie;

przyjmuje wartości liczb naturalnych: n = 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7.

Elektrony o takiej samej wartości głównej liczby kwantowej w atomie tworzą tę sama powłokę elektronową atomu; powłoki oznacza się kolejno: K, L, M, N, O, P, Q.

l - poboczna liczba kwantowa, charakteryzuje symetrię orbitali (podpowłok) elektronowych,

rozróżnia stany energetyczne elektronów w tej samej powłoce; przyjmuje wartości liczb całkowitych: 0 l (n –1),

tzn., że:

główna liczba kwantowa (n)

powłoka

orbitalna liczba kwantowa (l)

podpowłoka

(orbital)

n = 1

l = 0

n = 2

l = 0

l = 1

n = 3

l = 0

l = 1

l = 2

m - magnetyczna liczba kwantowa – określa liczbę poziomów orbitalnych związaną z ułożeniem się orbitali w przestrzeni pod wpływem zewnętrznego pola magnetycznego;

przyjmuje wartości liczb całkowitych: - l £ m £ l

ms – spinowa liczba kwantowa – związana z momentem pędu elektronu obracającego się wokół własnej osi; przyjmuje tylko dwie wartości: + ½ i - ½

Zakaz Pauliego: w atomie nie mogą istnieć 2 elektrony o identycznym stanie kwantowym, tzn. o tych samych wartościach czterech przypisanych im liczb kwantowych n, l, m i ms. Muszą różnić się przynajmniej jedną z nich

Maksymalna liczba elektronów, które mogą zajmować daną powłokę:

2n2

główna liczba kwantowa

Rozmieszczenie elektronów na poziomach kwantowych w atomie w stanie podstawowym

Liczba kwantowa

Typ orbitalu

Liczba kwantowa

Maksymalna liczba elektronów

n – główna

l – poboczna

m – magnetyczna

ms – spinowa

w podpowłoce (na orbitalu)

w powłoce

+ ½ - ½

0 1

s p

0 -1, 0 +1

+ ½ - ½ + ...

[ Pobierz całość w formacie PDF ]

Elektronowa struktura atomu

Elektronowa struktura atomu, studia, chemia

Tematy