Энергетические уровни k. Пособие для тех, кто не знает, но хочет узнать и понять химию

Сегодня поведаем о том, что такое энергетический уровень атома, когда человек сталкивается с этим понятием, и где оно применяется.

Школьная физика

Люди впервые встречаются с естественными науками в школе. И если на седьмом году обучения дети еще находят новые знания по биологии и химии интересными, то в старших классах их начинают бояться. Когда приходит черед атомной физики, уроки по этой дисциплине уже внушают только отвращение к непонятным задачам. Однако стоит помнить, что у всех открытий, которые сейчас превратились в скучные школьные предметы, нетривиальная история и целый арсенал полезных применений. Узнавать, как устроен мир - это как открывать шкатулку с чем-то интересным внутри: всегда хочется найти потайное отделение и обнаружить там еще одно сокровище. Сегодня мы расскажем об одном из базовых физики, строении вещества.

Неделимый, составной, квантовый

С древнегреческого языка слово «атом» переводится как «неделимый, наименьший». Такое представление - следствие истории науки. Некоторые древние греки и индийцы верили, что все на свете состоит из мельчайших частиц.

В современной истории были произведены намного раньше физических исследований. Ученые семнадцатого и восемнадцатого веков работали в первую очередь для увеличения военной мощи страны, короля или герцога. А чтобы создать взрывчатку и порох, надо было понять, из чего они состоят. В итоге исследователи выяснили: некоторые элементы нельзя разделить дальше определенного уровня. Значит, существуют наименьшие носители химических свойств.

Но они ошибались. Атом оказался составной частицей, а его способность изменяться носит квантовый характер. Об этом говорят и переходы энергетических уровней атома.

Положительное и отрицательное

В конце девятнадцатого века ученые вплотную подошли к изучению мельчайших частиц вещества. Например, было понятно: атом содержит как положительно, так и отрицательно заряженные составляющие. Но была неизвестна: расположение, взаимодействие, соотношение веса его элементов оставались загадкой.

Резерфорд поставил опыт по рассеянию альфа-частиц тонкой Он выяснил, что в центре атомов находятся тяжелые положительные элементы, а по краям расположены очень легкие отрицательные. Значит, носителями разных зарядов являются не похожие друг на друга частицы. Это объясняло заряд атомов: к ним можно было добавить элемент или удалить его. Равновесие, которое поддерживало нейтральность всей системы, нарушалось, и атом приобретал заряд.

Электроны, протоны, нейтроны

Позже выяснилось: легкие отрицательные частицы - это электроны, а тяжелое положительное ядро состоит из двух видов нуклонов (протонов и нейтронов). Протоны отличались от нейтронов только тем, что первые были положительно заряженными и тяжелыми, а вторые имели только массу. Изменить состав и заряд ядра сложно: для этого требуются неимоверные энергии. А вот электроном атом делится гораздо легче. Есть более электроотрицательные атомы, которые охотнее «отбирают» электрон, и менее электроотрицательные, которые скорее «отдадут» его. Так формируется заряд атома: если электронов избыток, то он отрицательный, а если недостаток - то положительный.

Длинная жизнь вселенной

Но такое строение атома озадачивало ученых. Согласно господствовавшей в те времена классической физике, электрон, который все время двигался вокруг ядра, должен был непрерывно излучать электромагнитные волны. Так как этот процесс означает потерю энергии, то все отрицательные частицы вскоре потеряли бы свою скорость и упали на ядро. Однако вселенная существует уже очень долго, а всемирной катастрофы еще не произошло. Назревал парадокс слишком старой материи.

Постулаты Бора

Объяснить несоответствие смогли постулаты Бора. Тогда это были просто утверждения, скачки в неизвестное, которые не подтверждались расчетами или теорией. Согласно постулатам, существовали в атоме энергетические уровни электронов. Каждая отрицательно заряженная частица могла находиться только на этих уровнях. Переход между орбиталями (так назвали уровни) осуществляется прыжком, при этом выделяется или поглощается квант электромагнитной энергии.

Позже открытие Планком кванта объяснило такое поведение электронов.

Свет и атом

Количество энергии, необходимой для перехода, зависит от расстояния между энергетическими уровнями атома. Чем они дальше друг от друга, тем больше выделяемый или поглощаемый квант.

Как известно, свет - это и есть квант электромагнитного поля. Таким образом, когда электрон в атоме переходит с более высокого на более низкий уровень, он творит свет. При этом действует и обратный закон: когда электромагнитная волна падает на предмет, она возбуждает его электроны, и они переходят на более высокую орбиталь.

Кроме того, энергетические уровни атома индивидуальны для каждого вида химического элемента. Узор расстояний между орбиталями различается для водорода и золота, вольфрама и меди, брома и серы. Поэтому анализ спектров испускания любого объекта (в том числе и звезды) однозначно определяет, какие вещества и в каком количестве в нем присутствуют.

Применяется этот метод невероятно широко. Спектральный анализ используется:

• в криминалистике;
• в контроле качества еды и воды;
• в производстве товаров;
• в создании новых материалов;
• в усовершенствовании технологий;
• в научных экспериментах;
• в исследовании звезд.

Этот перечень лишь примерно показывает, насколько полезным оказалось открытие электронных уровней в атоме. Электронные уровни - самые грубые, самые большие. Существуют более мелкие колебательные, и еще более тонкие вращательные уровни. Но они актуальны только для сложных соединений - молекул и твердых тел.

Надо сказать, что структура ядра до сих пор не исследована до конца. Например, нет ответа на вопрос о том, почему определенному количеству протонов соответствует именно такое число нейтронов. Ученые предполагают, что атомное ядро тоже содержит некий аналог электронных уровней. Однако до сих пор это не доказано.

Строение веществ было интересно людям с той поры, как возникла возможность не беспокоиться о пропитании и изучать окружающий мир. Такие явления, как засухи, наводнения, молнии, ужасали человечество. Незнание их объяснений порождало веру в различных злых богов, требующих жертв. Именно поэтому люди начали изучать природные явления, стремясь к их предсказанию, и углубляться в строение веществ. Они изучили и ввели следующие два важных понятия в химии: энергетический уровень и подуровень.

Предпосылки к открытию мельчайших химических веществ

О маленьких частицах, из которых состоят вещества, догадались еще древние греки. Они сделали странное открытие: мраморные ступени, по которым за несколько десятилетий прошло множество людей, изменили свою форму! Это привело к выводу о том, что ступня прошедшего забирает какую-то частичку камня с собой. Данное явление далеко от понимания существования энергетического уровня в химии, но именно с него все началось. Наука начала прогрессивно развиваться и углубляться в строение химических элементов и их соединений.

Начало изучения строения атома

В начале XX века посредством опытов с электричеством был открыт атом. Он считался электронейтральным, но имел положительные и отрицательные составные частицы. Ученые хотели выяснить их распределение внутри атома. Было предложено несколько моделей, одна из которых даже имела название «булочка с изюмом». Британский физик Эрнест Резерфорд провел опыт, который показал, что в центре атома расположено положительное ядро, а отрицательный заряд находится в маленьких электронах, вращающихся вокруг него.

Открытие энергетического уровня в химии стало большим прорывом в изучении строения веществ и явлений.

Энергетический уровень

В ходе изучения свойств химических веществ выяснилось, что каждый элемент имеет свои уровни. Например, у кислорода схема строения одна, а у азота совсем другая, хотя номера их атомов различны лишь на единицу. Так что такое энергетический уровень? Это электронные слои, состоящие из электронов, которые образуются по причине различной силы их притяжения к ядру атома. Одни находятся ближе, а другие - дальше. То есть верхние электроны «давят» на нижние.

Число энергетических уровней в химии равняется номеру периода в Периодической таблице Д. И. Менделеева. Наибольшее количество электронов, которые находятся на данном энергетическом уровне, определяется по следующей формуле: 2n 2 , где n - это номер уровня. Таким образом, на первом энергетическом уровне может быть расположено не более двух электронов, на втором - не более восьми, на третьем - восемнадцати и так далее.

У каждого атома есть уровень, находящийся от его ядра дальше других. Он является крайним, или последним, и называется внешним энергетическим уровнем. на нем для элементов главных подгрупп равняется номеру группы.

Для построения схемы атома и его энергетических уровней в химии нужно следовать такому плану:

• определите число всех электронов атома данного элемента, которое равно его порядковому номеру;
• определите число энергетических уровней по номеру периода;
• определите число электронов на каждом энергетическом уровне.

Примеры схем строения энергетических уровней некоторых элементов смотрите ниже.

Энергетические подуровни

В атомах, помимо энергетических уровней, существуют еще и подуровни. На каждом уровне, в зависимости от числа электронов на нем, заполняются определенные подуровни. От того, как подуровень заполняется, различают четыре типа элементов:

• S-элементы. Происходит заполнение s-подуровней, на которых могут находиться не более двух электронов. К ним относятся первые два элемента от каждого периода;
• P-элементы. В данных элементах может быть не более шести электронов, расположенных на p-подуровне;
• D-элементы. К ним относятся элементы больших периодов (декад), находящиеся между s- и p-элементами;
• F-элементы. Заполнение f-подуровня происходит у актиноидов и лантоноидов, находящихся в шестом и седьмом периодах.

(1887-1961) для описания состояния электрона в атоме водорода. Он объединил математические выражения для колебательных процессов и уравнение де Бройля и получил следующее линейное дифференциальное однородное уравнение:

где ψ - волновая функция (аналог амплитуды для волнового движения в классической механике), которая характеризует движение электрона в пространстве как волнообразное возмущение; x , y , z - координаты, m - масса покоя электрона, h - постоянная Планка, E - полная энергия электрона, E p - потенциальная энергия электрона.

Решениями уравнения Шрёдингера являются волновые функции. Для одноэлектронной системы (атома водорода) выражение для потенциальной энергии электрона имеет простой вид:

E p = −e 2 / r ,

где e - заряд электрона, r - расстояние от электрона до ядра. В этом случае уравнение Шрёдингера имеет точное решение.

Чтобы решить волновое уравнение, надо разделить его переменные. Для этого заменяют декартовы координаты x , y , z на сферические r , θ, φ. Тогда волновую функцию можно представить в виде произведения трех функций, каждая из которых содержит только одну переменную:

ψ(x ,y ,z ) = R (r ) Θ(θ) Φ(φ)

Функцию R (r ) называют радиальной составляющей волновой функции, а Θ(θ) Φ(φ) - ее угловыми составляющими.

В ходе решения волнового уравнения вводятся целые числа - так называемые квантовые числа (главное n , орбитальное l и магнитное m l ). Функция R (r ) зависит от n и l , функция Θ(θ) - от l и m l , функция Φ(φ) - от m l .

Геометрическим образом одноэлектронной волновой функции является атомная орбиталь . Она представляет собой область пространства вокруг ядра атома, в которой высока вероятность обнаружения электрона (обычно выбирают значение вероятности 90-95%). Это слово происходит от латинского "орбита " (путь, колея), но имеет другой смысл, не совпадающий с понятием траектории (пути) электрона вокруг атома, предложенным Н. Бором для планетарной модели атома. Контуры атомной орбитали - это графическое отображение волновой функции, полученной при решении волнового уравнения для одного электрона.

Квантовые числа

Квантовые числа, возникающие при решении волнового уравнения, служат для описания состояний квантово-химической системы. Каждая атомная орбиталь характеризуется набором из трех квантовых чисел: главного n , орбитального l и магнитного m l .

Главное квантовое число n характеризует энергию атомной орбитали. Оно может принимать любые положительные целочисленные значения. Чем больше значение n , тем выше энергия и больше размер орбитали. Решение уравнения Шрёдингера для атома водорода дает следующее выражение для энергии электрона:

E = −2π 2 me 4 / n 2 h 2 = −1312,1 / n 2 (кДж/моль)

Таким образом, каждому значению главного квантового числа отвечает определенное значение энергии электрона. Уровни энергии с определенными значениями n иногда обозначают буквами K , L , M , N ... (для n = 1, 2, 3, 4...).

Орбитальное квантовое число l характеризует энергетический подуровень. Атомные орбитали с разными орбитальными квантовыми числами различаются энергией и формой. Для каждого n разрешены целочисленные значения l от 0 до (n −1). Значения l = 0, 1, 2, 3... соответствуют энергетическим подуровням s , p , d , f .

Форма s -орбиталей сферическая, p -орбитали напоминают гантели, d - и f -орбитали имеют более сложную форму.

Магнитное квантовое число m l отвечает за ориентацию атомных орбиталей в пространстве. Для каждого значения l магнитное квантовое число m l может принимать целочисленные значения от −l до +l (всего 2l + 1 значений). Например, р -орбитали (l = 1) могут быть ориентированы тремя способами (m l = -1, 0, +1).

Электрон, занимающий определенную орбиталь, характеризуется тремя квантовыми числами, описывающими эту орбиталь и четвертым квантовым числом (спиновым ) m s , которое характеризует спин электрона - одно из свойств (наряду с массой и зарядом) этой элементарной частицы. Спин - собственный магнитный момент количества движения элементарной частицы. Хотя это слово по-английски означает "вращение ", спин не связан с каким-либо перемещением частицы, а имеет квантовую природу. Спин электрона характеризуется спиновым квантовым числом m s , которое может быть равно +1/2 и −1/2.

Квантовые числа для электрона в атоме:

Энергетические уровни и подуровн и

Совокупность состояний электрона в атоме с одним и тем же значением n называют энергетическим уровнем . Число уровней, на которых находятся электроны в основном состоянии атома, совпадает с номером периода, в котором располагается элемент. Номера этих уровней обозначают цифрами: 1, 2, 3,... (реже - буквами K , L , M , ...).

Энергетический подуровень - совокупность энергетических состояний электрона в атоме, характеризующихся одними и теми же значениями квантовых чисел n и l . Подуровни обозначают буквами: s , p , d , f ... Первый энергетический уровень имеет один подуровень, второй - два подуровня, третий - три подуровня и так далее.

Если на схеме орбитали обозначить в виде ячеек (квадратных рамок), а электроны - в виде стрелок ( или ↓), то можно увидеть, что главное квантовые число характеризуют энергетический уровень (ЭУ), совокупность главного и орбитального квантовых чисел - энергетический подуровень (ЭПУ), совокупность главного, орбитального и магнитного квантовых чисел - атомную орбиталь , а все четыре квантовые числа - электрон.

Электронная плотность

Пространственное распределение заряда электрона называется электронной плотностью. Исходя из того, что вероятность нахождения электрона в элементарном объеме dV равна |ψ| 2 dV , можно рассчитать функцию радиального распределения электронной плотности.

Если за элементарный объем принять объем шарового слоя толщиной dr на расстоянии r от ядра атома, то

dV = 4πr 2 dr ,

а функция радиального распределения вероятности нахождения электрона в атоме (вероятности электронной плотности), равна

W r = 4πr 2 |ψ| 2 dr

Она представляет собой вероятность обнаружения электрона в сферическом слое толщиной dr на определенном расстоянии слоя от ядра атома.

Для 1s -орбитали вероятность обнаружения электрона максимальна в слое, находящемся на расстоянии 52,9 нм от ядра. По мере удаления от ядра атома вероятность обнаружения электрона приближается к нулю. В случае 2s -орбитали на кривой появляются два максимума и узловая точка, где вероятность обнаружения электрона равна нулю. В общем случае для орбитали, характеризующейся квантовыми числами n и l , число узлов на графике функции радиального распределения вероятности равно (n − l − 1).

2. Строение ядер и электронных оболочек атомов

2.6. Энергетические уровни и подуровни

Наиболее важной характеристикой состояния электрона в атоме является энергия электрона, которая согласно законам квантовой механики изменяется не непрерывно, а скачкообразно, т.е. может принимать только вполне определенные значения. Таким образом, можно говорить о наличии в атоме набора энергетических уровней.

Энергетический уровень - совокупность АО с близкими значениями энергии.

Энергетические уровни нумеруют с помощью главного квантового числа n , которое может принимать только целочисленные положительные значения (n = 1, 2, 3, ...). Чем больше значение n , тем выше энергия электрона и данного энергетического уровня. Каждый атом содержит бесконечное число энергетических уровней, часть из которых в основном состоянии атома заселена электронами, а часть - нет (эти энергетические уровни заселяются в возбужденном состоянии атома).

Электронный слой - совокупность электронов, находящихся на данном энергетическом уровне.

Иными словами, электронный слой - это энергетический уровень, содержащий электроны.

Совокупность электронных слоев образует электронную оболочку атома.

В пределах одного и того же электронного слоя электроны могут несколько различаться по энергии, в связи с чем говорят, что энергетические уровни расщепляются на энергетические подуровни (подслои ). Число подуровней, на которые расщепляется данный энергетический уровень, равно номеру главного квантового числа энергетического уровня:

N (подур) = n (уровн) . (2.4)

Подуровни изображаются с помощью цифр и букв: цифра отвечает номеру энергетического уровня (электронного слоя), буква - природе АО, формирующей подуровни (s -, p -, d -, f -), например: 2p -подуровень (2p -АО, 2p -электрон).

Таким образом, первый энергетический уровень (рис. 2.5) состоит из одного подуровня (1s ), второй - из двух (2s и 2p ), третий - из трех (3s , 3p и 3d ), четвертый из четырех (4s , 4p , 4d и 4f ) и т.д. Каждый подуровень содержит определенное число АО:

N (AO) = n 2 . (2.5)

Рис. 2.5. Схема энергетических уровней и подуровней для первых трех электронных слоев

1. АО s -типа имеются на всех энергетических уровнях, p -типа появляются начиная со второго энергетического уровня, d -типа - с третьего, f -типа - с четвертого и т.д.

2. На данном энергетическом уровне может быть одна s -, три p -, пять d -, семь f -орбиталей.

3. Чем больше главное квантовое число, тем больше размеры АО.

Поскольку на одной АО не может находиться более двух электронов, общее (максимальное) число электронов на данном энергетическом уровне в 2 раза больше числа АО и равно:

N (e) = 2n 2 . (2.6)

Таким образом, на данном энергетическом уровне максимально может быть 2 электрона s -типа, 6 электронов р -типа и 10 электронов d -типа. Всего же на первом энергетическом уровне максимальное число электронов равно 2, на втором - 8 (2 s -типа и 6 р -типа), на третьем - 18 (2 s -типа, 6 р -типа и 10 d -типа). Эти выводы удобно обобщить в табл. 2.2.

Таблица 2.2

Связь между главным квантовым числом, числом э

Чем ближе к атомному ядру находится электронная оболочка атома, тем сильнее притягиваются ядром электроны и тем больше их энергия связи с ядром. Поэтому расположение электронных оболочек удобно характеризовать энергетическими уровнями и подуровнями и распределением по ним электронов. Число электронных энергетических уровней равно номеру периода, в котором находится данный элемент. Сумма чисел электронов на энергетических уровнях равна порядковому номеру элемента.

Электронная структура атома представлена на рис. 1.9 в виде диаграммы распределения электронов по энергетическим уровням и подуровням. Диаграмма состоит из электронных ячеек, изображенных квадратами. Каждая ячейка символизирует одну электронную орбиталь, способную принять два электрона с противоположными спинами, обозначаемыми стрелками вверх и вниз.

Рис. 1.9.

Электронная диаграмма атома построена в последовательности повышения номера энергетического уровня. В том же направлении повышается энергия электрона и понижается энергия его связи с ядром. Для наглядности можно представить, что ядро атома находится «внизу» диаграммы. Число электронов в атоме элемента равно числу протонов в ядре, т.е. порядковому номеру элемента в периодической таблице.

Первый энергетический уровень состоит всего из одной орбитали, которую обозначают символом s. Эту орбиталь заполняют электроны водорода и гелия. У водорода один электрон, и водород одновалентен. У гелия два парных электрона с противоположными спинами, гелий имеет нулевую валентность и не образует соединений с другими элементами. Энергии химической реакции недостаточно для того, чтобы возбудить атом гелия и перевести электрон на второй уровень.

Второй энергетический уровень состоит из.«-подуровня и /.(-подуровня, имеющего три орбитали (ячейки). Литий третий электрон посылает на 2«-подуровень. Один непарный электрон обусловливает одновалентность лития. Бериллий вторым электроном заполняет тот же подуровень, поэтому в невозбужденном состоянии у бериллия два парных электрона. Однако незначительной энергии возбуждения оказывается достаточно для того, чтобы перевести один электрон на ^-подуровень, что делает бериллий двухвалентным.

Подобным образом происходит дальнейшее заполнение 2р-под- уровня. Кислород в соединениях двухвалентен. Более высокие валентности кислород не проявляет из-за невозможности распаривания электронов второго уровня и перевода их на третий энергетический уровень.

В отличие от кислорода сера, расположенная под кислородом в той же подгруппе, может проявлять в своих соединениях валентности 2, 4 и 6 благодаря возможности распаривания электронов третьего уровня и перемещения их на ^-подуровень. Заметим, что возможны и другие валентные состояния серы.

Элементы, у которых заполняется s-подуровень, называются «-элементами. Аналогично образуется последовательность р- элементов. Элементы s- и р-подуровней входят в главные подгруппы. Элементы побочных подгрупп - это ^-элементы (неправильное название - переходные элементы).

Удобно подгруппы обозначать символами электронов, благодаря которым образовались входящие в подгруппу элементы, например s" -подгруппа (водород, литий, натрий и др.) или //-подгруппа (кислород, сера и др.).

Если периодическую таблицу построить так, чтобы номера периодов повышались снизу вверх, а в каждую электронную ячейку помещать сначала по одному, а затем по два электрона, получится длиннопериодная периодическая таблица, напоминающая по форме диаграмму распределения электронов по энергетическим уровням и подуровням.