Методические указания по подготовке к практическому занятию и выполнению индивидуального задания общая характеристика объекта изучения. Методические советы и рекомендации
Скачать 0.64 Mb.
|
 нергия которых может значительно отличаться от энергии в одноэлектронных системах. Энергию таких орбиталей можно оценить по уравнению:  . (18) Порядок заполнения атомных орбиталей, энергетических подуровней и уровней в многоэлектронном атоме основывается на трех принципах: принципе наименьшей энергии, принципе Паули и принципе наибольшей мультиплетности (правило Гунда).2.5.1.ПРИНЦИП НАИМЕНЬШЕЙ ЭНЕРГИИ Принцип наименьшей энергии определяет последовательность заполнения электронами энергетических подуровней и уровней в многоэлектронном атоме. Атом является устойчивой системой, у которой энергия ниже, чем суммарная энергия невзаимодействующих между собой ядра и электронов. Согласно принципу наименьшей энергии, электрон занимает свободную орбиталь с наименьшим значением энергии. В атоме водорода и водородоподобных ионах энергия электрона зависит только от главного квантового числа «n». В многоэлектронных атомах, в отсутствии внешних магнитных и электрических полей, энергия электрона зависит от квантовых чисел n и ℓ, что экспериментально доказано с помощью спектральных исследований. Электрон движется в поле атомного остова и энергия электрона зависит от того, как он поляризует остов (нарушает его центральную симметрию) и как он проникает внутрь остова. Поляризация и проникновение электрона в свою очередь зависят от формы атомной орбитали, то есть от орбитального квантового числа ℓ. В ряду s-, p-, d- и f- подуровней одного уровня энергия электрона возрастает: ns < np < nd < nf. Таким образом, при последовательном заполнении энергетических уровней электрон должен занимать подуровень с наименьшим значением суммы (n +ℓ). Порядок заполнения подуровней в многоэлектронных атомах описывается эмпирическим правилом В.М.Клечковского: «Заполнение электронных подуровней в невозбужденных атомах происходит в порядке возрастания суммы квантовых чисел (n+ℓ); при равенстве этих сумм сначала заполняется подуровень с меньшим значением n». Согласно этому правилу, заполнение энергетических подуровней должно происходить в следующей последовательности: 1s<2s<2p<3s<3p<4s<3d<4p<5s<4d<5p<6s<4f@5d<6p<7s<5f@6d, в общем виде ns ®(n-2)f®(n-1)d®np. Правило Клечковского является эмпирическим обобщением, которое базируется на принципе наименьшей энергии и за рядом исключений подверждается квантовомеханическими расчетами и опытными данными. Это правило не закон, а удобное описание общей закономерности изменения энергии орбиталей и подуровней. Достаточно строгие закономерности изменения энергии орбиталей с увеличением заряда ядра (атомного номера), построенные на основе экспериментальных и рассчитанных значений энергии, показаны в виде диаграммы на рис.8. Из этой энергетической диаграммы следует, что при переходе от водорода к сложным атомам их энергетические уровни расщепляются и понижаются. Это объясняется тем, что при возрастании эффективного заряда ядра притяжение электрона к ядру возрастает сильнее, чем экранировние данного электрона со стороны остальных электронов, то есть энергия орбиталей снижается, см. уравнение (18). При этом с ростом заряда ядра у различных орбиталей значения энергии изменяются по-разному, поскольку в пределах одного энергетического уровня электроны, находящиеся на разных орбиталях, экранируются остовом внутренних электронов в различной степени. В частности, энергия 3d-орбиталей, которые достоточно глубоко проникают вглубь электронного остова аргона, сравнительно мало уменьшается по мере приближения атома к его электронной конфигурации. В тоже время 4s-орбиталь почти не проникает вглубь электронного остова аргона, и ее энергия изменяется значительно. И поскольку ее уровень ниже, чем у 3d-орбитали, то при переходе от аргона (Z=18) к калию (Z=19) и кальцию (Z=20) электронная конфигурация аргона дополняется электронами на 4s-орбитали. При этом за счет увеличения заряда ядра на две единицы и глубокого проникновения 3d-орбитали внутрь электронных облаков 4s, эффективный заряд, действующий на 3d-орбиталь резко возрастает, и ее энергия снижается, приближаясь к уровню 4s. Благодаря этим эффектам очередной и последующие электроны, занимая 3d-орбитали, обеспечивают дальнейшее снижение энергии и доступность 3d-подуровня. Для пятого и более высоких энергетических уровней взаимодействие электронов с ядром и между собой становится все более сложным. Между собой конкурируют s-, d- и f-орбитали.  Рис.8. Изменение энергии атомных орбиталей в различных уровнях и подуровнях с увеличением порядкового номера (заряда ядра) элементов. Энергии даны не в масштабе  Рис.9. Схема расположения по энергии подуровней и их заполнения электронами у многоэлектронных атомов в соответствии с правилом Клечковского (без учета «провалов» электронов). Расположение подуровей показано не в масштабе Тенденция изменения их энергии с зарядом ядра остается в целом аналогично описанной, но одновременно из-за сближения энергии у d- и f-орбиталей растет количество исключений из относительно простого правила для заполнения подуровней. На практике, занимаясь формированием электронных конфигураций атомов, целесообразно пользоваться простым правилом Клечковского или соответствующей схемой, рис.9, и при этом знать из него исключения, которые эпизодически возникают у атомов элементов с номерами больше 20. 2.5.2. ПРИНЦИП ПАУЛИ Принцип (запрет) Паули – квантово-механический постулат для атомных и молекулярных систем. Этот принцип налагает ограничения на число электронов, которые могут находиться на орбиталях, подуровнях и уровнях. Согласно принципу Паули в атоме не может быть двух электронов, у которых все четыре квантовых числа были бы одинаковыми. Иными словами, данными значениями квантовых чисел n, ℓ,  и ms может характеризоваться только одно состояние электрона. Из этого принципа следует, что атомная орбиталь Y(n, ℓ, ), имеющая определенные значения n, ℓ и может быть занята только двумя электронами - один со значением ms = -1/2 и другой с ms = 1/2; что на любом подуровне могут находиться 2(2 +1), на энергетическом уровне 2n2 электрона. Два электрона, находящихся на одной атомной орбитали и обладающие противоположно направленными спинами, называются спаренными. Если на атомной орбитали находится один электрон, то его называют неспаренным.    ¯ - спаренные электроны; - неспаренный электрон. Совместное применение принципа наименьшей энергии и принципа Паули дает количество электронных структур, принадлежащих атомам химических элементов в каждом из периодов системы Д. И. Менделеева. Согласие периодической системы Д. И. Менделеева с принципом Паули указывает на квантовую природу периодического закона. 2.5.3. ПРАВИЛО ГУНДА (ПРИНЦИП МАКСИМАЛЬНОЙ МУЛЬТИПЛЕТНОСТИ) Согласно принципу наименьшей энергии, наиболее устойчивое состояние электрона в атоме соответствует минимальному значению его энергии. Любое другое состояние электрона является возбужденным, неустойчивым. Из возбужденного состояния электрон самопроизвольно переходит в состояние с более низкой энергией. Правило Гунда позволяет распределить электроны на энергетическом подуровне атома, находящегося в основном состоянии. Основному (стабильному) состоянию атома соответствует максимальная мультиплетность (вырожденность) спиновых состояний электронов на незавершенных подуровнях и уровнях. Согласно правилу Гунда, в невозбужденном атоме в пределах данного незавершенного подуровня электроны располагаются таким образом, чтобы их суммарное магнитное спиновое число çSms½было по абсолютной величине максимально, а в случае его равенства у полученных состояний, более устойчивыми являются те, у которых больше по абсолютной величине суммарное магнитное число ½S ½.Отметим, что правило Гунда не запрещает другого распределения электронов в пределах подуровня. Оно лишь утверждает, что максимальное значение суммарного магнитного спинового числа соответствует наиболее устойчивому состоянию, в котором атом обладает наименьшей энергией. Правило Гунда можно пояснить на примере заполнения квантовых ячеек 2p-подуровня атома углерода C (Z=6): 1s2 2s2 2p2.   -1 0 1 1) çSms½= 0  ; 9) çSms½= 1 ½S½= 1; 2) çSms½= 0 ; 10) çSms½= 0 ; 3) çSms½= 0 ; 11) çSms½= 1 ½S½= 1; 4 ) çSms½= 1 ½S½= 0; 12) çSms½= 1 ½S½= 1; 5) çSms½= 0 ; 13) çSms½= 0 ; 6 ) çSms½= 1 ½S½= 0; 14) çSms½= 0 ; 7) çSms½= 1 ½S ½= 1; 15) çSms½= 0 . 8 ) çSms½= 0 ;Судя по абсолютной величине суммарного магнитного спинового числа возможны варианты: 4,6,7,9,11,12. При равенстве çSms½из нескольких вариантов выбирается состояние с наибольшим значением ½S |
Похожие:
 | Методические указания подготовлены в соответствии с учебным планом курса "Учетно-операционная и аналитическая работа в банке", предусматривающим... | | Методические указания предназначены для студентов заочного отделения по специальности 120301 «Землеустройство» исодержат программу... |
| Исследование систем управления: Методические указания по выполнению контрольного задания для студентов 2 и 3 курсов специальности... | | Содержание профилактической работы врача – педиатра с детьми и подростками в поликлинике и на дому |
| Ii содержание работы врача дошкольно-школьного отделения детской поликлиники | | Ii содержание работы врача дошкольно-школьного отделения детской поликлиники |
| Методические указания по выполнению индивидуального домашнего задания (идз) по теме «Базы данных» 58 | | Методические указания содержат не только непосредственно задания для выполнения работ, но и все необходимые бланки первичных учетных... |
| Задания для контрольной работы и методические указания по ее выполнению студентам – заочникам по специальности | | Задания по практикуму и методические рекомендации по его выполнению для слушателей 3 курса заочной формы обучения (специальность:... |