Презентация на тему "ТЕМА № 10 Багатоелектронні атоми1. Поняття про електронну конфігурацію. Застосування принципу Паулі. Електронні оболонки атома і їхнє заповнення. Фізичне пояснення періодичного закону."

Содержание

• 
  Слайд 1
  

  ТЕМА № 10 Багатоелектронні атоми1. Поняття про електронну конфігурацію. Застосування принципу Паулі. Електронні оболонки атома і їхнє заповнення. Фізичне пояснення періодичного закону.

  У звичайних умовах атоми всіх елементів знаходяться у незбудженому стані, коли енергія їхніх електронів мінімальна. У зв'язку з цим можна було б очікувати, що в нормальному стані всі електрони повинні знаходиться на найнижчому енергетичному рівні з n=1. Однак незалежно від номера рівня на ньому може знаходитися не будь-яка кількість електронів, а тільки конкретно визначена. Заповнення оболонок у багатоелектронних атомах підкоряється принципам Паулі і мінімальної енергії. При певній кількості електронів атома, насамперед ними заповнюються вільні оболонки, що характеризуються мінімальною енергією відповідно до принципу Паулі, згідно з яким в будь-якому атомі в конкретному квантовому стані, що характеризується чотирма квантовими числами n,l,ml,,ms не може бути більш одного електрона. Отже, максимальна кількість електронів N, що утворюють стійку електронну оболонку з головним квантовим числомn визначається як N=2n2. 1

• 
  Слайд 2

  Електронна оболонка атома

  Сукупність електронів, які володіють однаковим головним квантовим числом, називається оболонкоюабо шаром. Для позначення оболонок використовують прописні літери: 2 Максимальне число електронів в оболонці 2n2

• 
  Слайд 3
  

  Стани орбітального руху електронів характеризуються орбітальним квантовим числом l і позначаються малими літерами. Сукупність електронів, які володіють однаковим орбітальним квантовим числом, називається підоболонкою. 3

• 
  Слайд 4

  Заповнення оболонок електронів у періодичній системі Менделєєва

  В основі систематики хімічних елементів лежить заряд Z. Число Z і визначає порядковий номер елемента в таблиці. Заряд ядра чисельно дорівнює числу електронів в електронній оболонці, що оточує ядро нейтрального атома. Хімічні властивості елементів визначаються зовнішніми електронами електронної оболонки. У природному стані в природі зустрічаються 90 елементів. Найбільший атомний номер (92) має уран. Елементи (технецій) і (прометій) у природньому стані не зустрічаються. Елементи з атомним номером більше 92 називаються трансурановими. Вони усі радіоактивні і отримані штучно. Подивимося, як змінюються електронні конфігурації при переході від одного атома до іншого в порядку зростання їхніх атомних номерів Z, тобто при приєднанні одного електрона. 4

• 
  Слайд 5

  Правило Хунда

  Ідеальна схема заповнення будується за принципом: кожний електрон, що додається, при заданому n послідовно заповнює всі підоболонки від l=0 до l=n-1, після цього переходить до заповнення оболонок, що відповідають головному квантовому числу n+`1. Послідовність заповнення електронних станів при однаковому l визначається правилом Хунда: cпочатку заповнюються стани з різними значеннями квантового числа ml при однаковому значенні проекції спина (наприклад, при ms=+1/2); після того, як усі 2l+1 станів по квантовому числуml виявляються заповненими електронами з однаковою проекцією спина, починається їхнє заповнення електронами з протилежною проекцією спина (при ms=-1/2). 5

• 
  Слайд 6

  Заповнення К(n=1) і L(n=2) оболонок (першого і другого періоду)

  6 Відкриває таблицю Менделєєва водень, що має один електрон, який знаходиться в стані з мінімальною енергією, тобто при n=1,l=0 ; тому електронна конфігурація цього атома . У гелія Не додається ще один електрон, але з протилежним напрямком спина. Тому електронна конфігурація гелію записується . Гелій є інертним газом (має цілком заповнену зовнішню оболонку) і закриває перший період періодичної системи. Третім елементом є , у якого три електрони і за принципом Паулі третій електрон не може знаходитися в стані n=1. Тому він розміщається на оболонці з n=2 і відкриває другий період таблиці. Його електронна конфігурація. Потім йде з конфігурацією і з . В р-стані може знаходитися шість електронів. Шість елементів від бора до неону включно утворюються в результаті заповнення р- станів.

• 
  Слайд 7

  Заповнення L (n=2) і M (n=3) оболонок (другого і третього періоду)

  На неоні (також інертному газі, оскільки зовнішня оболонка заповнена цілком - ) завершується побудова другого періоду. Поява одинадцятого електрона приводить до необхідності заповнення оболонки з n=3, тому Na відкриває третій період таблиці. Його електронна конфігурація . Наявність у натрію поза заповненою оболонкою одного електрона (валентного), обумовлює подібність його фізико-хімічних властивостей із властивостями Li, що відкриває другий період. Обидва ці елементи мають металеві властивості і належать лужним металам. Вісім елементів від натрію до утворюються унаслідок заповнення станів 3sі 3p. У такий спосіб третій період також закінчується інертним газом аргоном з електронною конфігурацією 7

• 
  Слайд 8

  Порушення ідеального порядку заповнення оболонок

  Наступним елементом після Ar єK. З цього місця з'являються порушення ідеального порядку заповнення оболонок. За ідеальною схемою його конфігураціяповинна бути . Але в дійсності це не так. Енергетично більш вигідним виявляється приєднання наступного електрона не в стан 3d, а в стан 4s . Таким чином, з калію починається четвертий період таблиці. Конфігурація наступного після калію елемента Ca є . Після цього енергетично більш вигідним виявляється заповнення3d - станів, а не 4p - станів, що йдуть один за одним після 4s - станів. У наступних елементів скандію Sc до нікелю Niвідбувається заповнення 3d - станів, при цьому 4s-оболонка не залишається увесь час заповненою двома електронами. Іноді виявляється енергетично більш вигідним перекинути один з електронів з 4s- у 3p - оболонку. Таке перекидання спостерігається у хрома: 8

• 
  Слайд 9
  

  Порушення ідеального порядку заповнення пояснюється наявністю в електронів орбітальних моментів кількості руху: . При орбітальному обертанні електрона навколо ядра з'являється відцентрова сила, що прагне віддалити електрон від ядра. Таким чином, відцентрова й електрична енергії мають протилежні знаки і тому діють у різні сторони, у результаті чого електрони 3d – оболонки (l=2) мають меншу енергію зв'язку, ніж електрони 4s – оболонки (l=0). Тому оболонка 4s заповнюється електронами раніш, ніж 3d-оболонка, хоча головне квантове число в другому випадку менше, ніж у першому. Особливо велика ,,відцентрова енергія” у випадку d- і f- оболонок, оскільки для цих оболонок відповідноl(l+1)=6 і l(l+1)=12. З наявністю цих оболонок і пов'язані відступи від ідеального порядку. 9

• 
  Слайд 10

  Перехідні елементи

  Тому в дійсності енергетичне зростання електронних рівнів зі збільшенням номера оболонок визначається наступним рядом: Електронна конфігурація Ni має вигляд: , причому символ (KL) означає цілком заповнені K і L- оболонки. Для повного заповнення M – оболонки нікелю не вистачає два електрони, оскільки максимальне число електронів у d- стані дорівнює 10. Елементи, що мають недобудовані внутрішні електронні оболонки, називають перехідними. У четвертому періоді такими елементами є елементи з №21 (скандій) по №28 (нікель). Однак частіше до перехідних елементів відносять тільки останні три: Fe, Co, Ni, тобто ті елементи, у яких оболонка недобудована менше ніж наполовину. Ni завершує перший напівперіод четвертого періоду. 10

• 
  Слайд 11

  Заповнення N(n=4)оболонки (четвертого періоду)

  У наступного за нікелем елемента міді Cu додається один електрон, при цьому енергетично більш вигідним є перерозподіл електронів, у результаті якого 3d - стан виявляється цілком заповненим, а в 4s- стані залишається лише один електрон, і конфігурація міді має вигляд: , тобто її конфігурація аналогічна конфігурації лужних металів. У наступних семи елементів продовжується заповнення N – оболонки (4s- і 4p- станів), тобто конфігурації зовнішніх електронів повторюють конфігурації 2-го і 3-го періоду. У криптону завершується заповнення 4s- і 4p- станів, у результаті чого криптон є інертним газом. На криптоні завершується перший великий період періодичної системи, що складається з 18 елементів (четвертий період). 11

• 
  Слайд 12

  Заповнення О- (n=5)оболонки (п’ятого періоду)

  П’ятий період відкриває рубідій , що йде після криптону, і починає заповнення 5s- стану, оскільки це виявляється енергетично більш вигідно, чим заповнення 4d- і 4f - станів. Після заповнення 5s- стану в стронцію, що розташований за рубідієм, здійснюється заповнення 4d - станів, унаслідок чого елементи з №39 (іттрій) по №46 (палладій) відносяться до перехідних, особливо це стосується до рутенію, родію і палладію, що закінчує перший напівперіод п'ятого періоду. Заповнення другого напівперіоду п'ятого періоду цілком аналогічно другому напівперіоду четвертого періоду, тобто в перших двох елементів заповнюється 5s - оболонка, у наступних шести – 5p- оболонка. Таким чином, другий великий період також закінчується інертним газом - ксеноном, у якого цілком заповнена 5s - і 5p - оболонка. 12

• 
  Слайд 13

  Заповнення P- (n=6)оболонки (шостого періоду)

  У цезія Csі баріяBa, що відкривають шостий період таблиці, заповнюється 6s-стан. Потім у лантану додатковий електрон додається на внутрішню оболонку в 5d- стані, а в наступних за ним 14 елементів заповнюються 4f - стани. Оскільки електрони в 4f - стані є внутрішніми (більш зовнішні оболонки вже заповнені), це заповнення 4f- стану істотно не змінює хімічних властивостей елементів. Тому всі ці 14 елементів у періодичній системі займають одну клітинку, і називаються лантаноїдами чи рідкоземельними елементами. У наступних семи елементів (від гафнію до платини) йде заповнення 5d- оболонки, тому вони, особливо останні три (осмій, іридій і платина) належать до перехідних елементів. 13

• 
  Слайд 14

  Заповнення R- (n=7)оболонки (cьомого періоду)

  Другий напівперіод шостого періоду починається лужним металом- золотом з одним зовнішнім електроном у 6s- стані, після заповнення якого в атомі таллія починається заповнення 6р- станів, і закінчується інертним газом радоном, у якого цілком заповнені 6s- і 6р- стани. Сьомий період відкривають франций і радій заповненням 7s - оболонки, далі випливає актиній, у якого наступний електрон знаходиться в стані . 14

• 
  Слайд 15

  Актиноїди

  Однак, у наступних 14 елементів після актинію відбувається заповнення більш внутрішньої оболонки 5f. Тому, вони так само, як і лантаноїди, володіють схожими фізико-хімічними властивостями і називаються актиноїдами. В елементів, що розташовані за актиноїдами, відновлюється заповнення 6d- оболонки, тому вони відносяться до перехідних елементів. 15

• 
  Слайд 16

  Трансуранові елементи

  Періодична система Менделєєва обривається на елементі 113, штучно отриманому в 2010 році. Це, звичайно, не означає, що надалі не можуть бути отримані елементи з більш великими атомними номерами. З актиноїдів лише торій, протактиній і уран існують стійко в природі, інші були отримані лише штучно в лабораторіях. Ці елементи називаються трансурановими. Таким чином, останнім стабільним елементом у періодичній системі, що існує в природі, є уран. Більш важкі елементи існувати стійко не можуть. Це пояснюється тим, що сили кулонівського відштовхування протонів у ядрі (які є дальнодіючими) не можуть бути урівноваженими ядерними силами притягання (які є близькодіючими, їхня дія виявляється на відстанях 10-17 м) і ядро виявляється хитливим. При малому числі частинок (нуклонів) у ядрі енергія ядерної взаємодії значно більше енергії кулонівського відштовхування, оскільки ядерні сили значно більше кулонівських. Але при збільшенні числа частинок настає такий момент, коли ядерні сили притягання вже не в змозі хоча б зрівноважити кулонівські сили відштовхування, і ядро стає нестабільним. Цим і обумовлюється наявність кінця періодичної системи елементів. 16