Строение электронных оболочек. Объяснение периодической системы элементов Д.И.Менделеева

Август 8, 2022

Главная
Химия
Строение электронных оболочек. Объяснение периодической системы элементов Д.И.Менделеева

Содержание

2. В 1869 году Д.И.Менделеев обнародовал периоди-ческий закон и его следствие - таблицу элементов. В 1870 году
3. "Короткая" форма таблицы, 2000-й год
4. Объяснение периодической системы элементов – одна из важнейших задач атомной физики. Сформулируем прежде всего те принципы,
5. 2) Принцип Паули: В атоме может существо-вать только один электрон в состоянии, характеризуемом данными значениями четырех
6. Совокупность электронов, обладающих одина-ковым главным квантовым числом образует слой. Слои имеют названия : Совокупность электронов, имеющих
7. Принцип Паули ограничивает число электронов на той или иной электронной оболочке. Дейст-вительно, электроны в невозбужденном атоме
8. Установим теперь, сколько электронов может находится на оболочке и в атоме. Т.к. число ms может иметь
9. При заданном n квантовое число l может прини-мать n значений: 0, 1, 2, …, n -1.
10. Конфигурация электронных оболочек атомов за-писывается с помощью следующих обозначе-ний. Каждая оболочка обозначается соответст-вующим n и буквой,
11. Еще несколько примеров конфигураций электрон-ных оболочек атомов: 19 Калий 1s22s22p63s23p64s1 = [Ar]4s1 20 Кальций [Ar]4s2 36
12. Итак, принцип Паули дает следующую картину пост-роения электронной оболочки атомов. Каждый вновь присоединяемый электрон связывается в
13. Например, 19-ый электрон калия должен (соглас-но идеальной схеме) находиться в 3d-оболоч-ке. Однако химические и спектроскопические данные
14. По этой же причине 20-ый электрон кальция тоже находится в 4s-состоянии, а нормальное заполнение 3d-оболочки начинается
15. Таким образом, атомная физика полностью объяс- нила периодическую таблицу элементов. Причем теория не только объяснила, но
16. Недостатки короткой формы таблицы Из-за того, что короткая таблица ограничена 8-ю столбцами, приходится подразделять 4-й и
17. Длинная форма таблицы В 1989 году Международный союз теоретической и прикладной химии (International Union of Pure
18. "Длин-ная" фор-ма таб-лицы, 2004г
19. Современная (2019г) таблица Д.И.Менделеева
20. Перио-дическая система элемен-тов, предло-женная Н.Бором в 1921г
22. Скачать презентацию

Слайд 2

В 1869 году Д.И.Менделеев обнародовал периоди-ческий закон и его следствие -

таблицу элементов. В 1870 году он назвал таблицу "естественной", а еще через год - "периодической". Вид первых ва-риантов таблиц был далек от современного. В то время были известны только 63 элемента (сейчас 118), не были известны инертные газы, актиноиды, а, самое главное, отсутствовали сведения о стро-ении атомов. Таблица состояла из 6 вертикальных столбцов (предшественники современных перио-дов) и содержала 67 элементов (63 известных + 4 предсказанных). Три из предсказанных (экабор, экасилиций и экаалюминий) вскоре были открыты и получили названия соответственно: скандий Sc, германий Ge и галлий Ga. После этого периоди-ческий закон получил всеобщее признание.

Слайд 3

"Короткая" форма таблицы, 2000-й год

Слайд 4

Объяснение периодической системы элементов – одна из важнейших задач атомной физики.

Сформулируем прежде всего те принципы, на ко-торых основано это объяснение:
1). Состояние электрона в атоме полностью опре-деляется четырьмя квантовыми числами:
главным квантовым числом n = 1, 2, 3, …;
орбитальным
квантовым числом l = 0, 1, …, n-1;
магнитным квантовым числом m = 0, ±1, ±2, …, ±l;
магнитным спиновым
квантовым числом ms = +1/2, -1/2.

Слайд 5

2) Принцип Паули: В атоме может существо-вать только один электрон в

состоянии, характеризуемом данными значениями четырех квантовых чисел; т.е. два электрона в одном и том же атоме должны различаться значениями по крайней мере одного квантового числа.
3) Атом (как и любая система) устойчив тогда, когда находится в состоянии с наименьшей возможной энергией.

Слайд 6

Совокупность электронов, обладающих одина-ковым главным квантовым числом образует слой. Слои имеют

названия :
Совокупность электронов, имеющих одинаковые n и l, образует оболочку. Названия оболочек :

Слайд 7

Принцип Паули ограничивает число электронов на той или иной электронной оболочке.

Дейст-вительно, электроны в невозбужденном атоме стремятся перейти в состояние с наименьшей энергией (в устойчивое состояние), которое со-ответствует минимальным значениям главного и орбитального чисел. Однако возможность та-кого перехода ограничена принципом Паули. Поэтому электроны в невозбужденном атоме находятся в таких состояниях, при которых энергия атома является наименьшей, но распределение по состояниям удовлетворяет принципу Паули.

Слайд 8

Установим теперь, сколько электронов может находится на оболочке и в атоме.
Т.к.

число ms может иметь два значения, то в атоме может быть два электрона с одинако-выми числами n, l, m.
При заданном l квантовое число m может иметь (2 l +1) значений, следовательно, на оболоч-ке может быть 2(2 l +1) электронов, т.е.

Слайд 9

При заданном n квантовое число l может прини-мать n значений: 0,

1, 2, …, n -1. Поэтому мак-симальное число электронов в слое можно вы-разить суммой арифметической прогрессии:
(17.1)

Слайд 10

Конфигурация электронных оболочек атомов за-писывается с помощью следующих обозначе-ний. Каждая оболочка

обозначается соответст-вующим n и буквой, обозначающей l, а индек-сом справа вверху обозначается число элект-ронов. Например:
Водород 1s1
Гелий 1s2
Литий 1s22s1
Углерод 1s22s22p2
Кислород 1s22s22p4
Аргон 1s22s22p63s23p6

Слайд 11

Еще несколько примеров конфигураций электрон-ных оболочек атомов:
19 Калий 1s22s22p63s23p64s1 =

[Ar]4s1
20 Кальций [Ar]4s2
36 Криптон [Ar]4s23d104p6
37 Рубидий [Ar]4s23d104p65s1 = [Kr]5s1
43 Технеций [Kr]5s14d6
54 Ксенон [Kr]5s24d105p6
55 Цезий [Xe]6s1
56 Барий [Xe]6s2
57 Лантан [Xe]6s25d1
71 Лютеций [Xe]6s25d14f14
86 Радон [Xe]6s25d104f146p6

Слайд 12

Итак, принцип Паули дает следующую картину пост-роения электронной оболочки атомов. Каждый

вновь присоединяемый электрон связывается в состоянии с наименьшими возможными квантовы-ми числами. Эти электроны постепенно заполняют слой с одним и тем же главным квантовым числом n. Когда построение слоя заканчивается, получа-ется устойчивая структура (инертный газ). Следу-ющий электрон начинает заполнение уже нового слоя и т.д. Эта идеальная схема соблюдается до 18 элемента таблицы Менделеева (до аргона).
Начиная с 19-го элемента (калия) наблюдаются от-ступления от идеальной схемы. Причина этих отс-туплений заключается в том, что идеальная схема не учитывает взаимодействия электронов между собой.

Слайд 13

Например, 19-ый электрон калия должен (соглас-но идеальной схеме) находиться в 3d-оболоч-ке.

Однако химические и спектроскопические данные указывают на то, что этот электрон на-ходится в 4s-оболочке. Детальный расчет с учетом взаимодействия электронов показыва-ет, что состояние 3d действительно отвечает большей энергии, чем 4s.

Слайд 14

По этой же причине 20-ый электрон кальция тоже
находится в 4s-состоянии,

а нормальное заполнение
3d-оболочки начинается у скандия. Аналогичное на-
рушение нормального порядка наблюдается у руби-
дия, цезия, франция. Другое отступление от нор-
мального порядка заполнения слоев имеет место у
редких земель (Z =58 - 71): идет заполнение 4f-обо-
лочки после того, как заполнены оболочки 5s, 5p и 6s.

Слайд 15

Таким образом, атомная физика полностью объяс-
нила периодическую таблицу элементов. Причем
теория не

только объяснила, но и уточнила табли-
цу. До 1922г. элемент Z=72 не был известен. Он
был предсказан Менделеевым, и ему было остав-
лено место в группе редких земель. Однако по те-
оретическим соображениям, группа редких земель
должна содержать 14 элементов (т.к. на 4f оболоч-
ке может находиться 14 электронов), т.е. должна
заканчиваться 71-м элементом, а элемент Z=72
должен быть аналогом циркония и титана. На это
впервые указал Н. Бор, и вскоре элемент 72 (гаф-
ний) был открыт в циркониевых рудах и по своим
химическим и оптическим свойствам оказался ана-
логом титана и циркония, а не элементов группы
редких земель.

Слайд 16

Недостатки короткой формы таблицы
Из-за того, что короткая таблица ограничена 8-ю столбцами,

приходится подразделять 4-й и следу-ющие периоды на ряды и подгруппы, что лишено химического смысла. Например, в I группе нахо-дятся щелочные металлы и резко отличающиеся от них по химическим свойствам золото, серебро и медь. В VII группе находятся галогены и тугоплав-кий металл рений. Максимально противоречива структура VIII группы. В нее включена "триада" же-леза (Fe, Co, Ni), семейство платиновых металлов (Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt) и инертные газы. Имеются и другие недостатки.

Слайд 17

Длинная форма таблицы
В 1989 году Международный союз теоретической и прикладной химии

(International Union of Pure and Applied Chemistry - IUPAC, ИЮПАК) отменил ко-роткую форму и утвердил новую "длинную" фор-му. Она состоит из 18 групп, обозначенных арабс-кими цифрами. Но чтобы сохранить преемствен-ность, параллельно новым номерам групп записа-ны старые номера римскими цифрами с указанием подгрупп (а, б), как в короткой форме. При этом f-элементы (лантаноиды и актиноиды) остались в третьей группе, и для них, как и раньше, выделе-ны отдельные строки.

Слайд 18

"Длин-ная" фор-ма таб-лицы, 2004г

Слайд 19

Современная (2019г) таблица Д.И.Менделеева

Слайд 20