مدارهای الکترون در اتم چه شکلی دارند؟ اوربیتال اتمی. اعداد کوانتومی اشکال مداری ساختار لایه الکترونی یک اتم

اوربیتال ها

بررسی دقیق طیف‌های اتمی نشان می‌دهد که خطوط "ضخیم" ناشی از انتقال بین سطوح انرژی در واقع به خطوط نازک‌تری تقسیم می‌شوند. این به این معنی است که لایه های الکترونی در واقع به لایه های فرعی تقسیم می شوند. زیر پوسته های الکترونیکی با انواع خطوط مربوط به آنها در طیف اتمی مشخص می شوند:

سزیر پوسته به دلیل "تیز" آن نامگذاری شده است س- خطوط - تیز;
پ-پوسته فرعی به نام "اصلی" نامگذاری شده است. پ- خطوط - اصلی;
د-subshell به نام "Diffuse" نامگذاری شده است. د- خطوط - پراکنده;
f- پوسته فرعی از "بنیادی" نامگذاری شده است f- خطوط - اساسی.

اگر اتم های عناصر در یک میدان مغناطیسی خارجی قرار گیرند، خطوط ایجاد شده توسط انتقال بین این لایه های فرعی، شکاف بیشتری را تجربه می کنند. این تقسیم را اثر زیمن می نامند. به طور تجربی ثابت شد که س- خط تقسیم نمی شود، آر-خط به 3 تقسیم می شود، دخط - در 5، f-خط - در 7.
بر اساس اصل عدم قطعیت هایزنبرگ، موقعیت و تکانه یک الکترون را نمی توان همزمان با دقت مطلق تعیین کرد. با این حال، با وجود عدم امکان تعیین دقیق موقعیت یک الکترون، می توان احتمال قرار گرفتن یک الکترون در یک موقعیت خاص را در هر زمان مشخص کرد. دو پیامد مهم از اصل عدم قطعیت هایزنبرگ ناشی می شود.
1. حرکت الکترون در اتم حرکت بدون مسیر است. به جای یک مسیر، مفهوم دیگری در مکانیک کوانتومی معرفی شد - احتمالحضور یک الکترون در قسمت معینی از حجم یک اتم، که در هنگام در نظر گرفتن الکترون به عنوان ابر الکترونی، با چگالی الکترون همبستگی دارد.
2. الکترون نمی تواند روی هسته بیفتد. نظریه بور این پدیده را توضیح نداد. مکانیک کوانتومی توضیحی برای این پدیده ارائه کرد. افزایش درجه قطعیت مختصات یک الکترون زمانی که روی یک هسته می افتد باعث افزایش شدید انرژی الکترون به 1011 کیلوژول بر مول یا بیشتر می شود. الکترونی با چنین انرژی به جای اینکه روی هسته بیفتد، باید اتم را ترک کند. نتیجه این است که نیرو برای جلوگیری از سقوط الکترون به هسته، بلکه برای «اجبار کردن» الکترون به درون اتم ضروری است.
تابعی که به مختصات الکترون بستگی دارد و از طریق آن احتمال وجود آن در نقطه خاصی از فضا مشخص می شود، نامیده می شود. مداری. مفهوم "مدار" را نباید با مفهوم "مدار" که در نظریه بور استفاده می شود، شناسایی کرد. در نظریه بور، مدار به مسیر (مسیر) حرکت الکترون به دور هسته اشاره دارد.
معمولاً مرسوم است که الکترون را به عنوان ابری با بار منفی در نظر بگیریم که در فضا تار شده و بار کل آن برابر با بار الکترون است. سپس چگالی چنین ابر الکترونی در هر نقطه از فضا با احتمال یافتن الکترون در آن متناسب است. مدل ابر الکترونی برای توصیف بصری توزیع چگالی الکترون در فضا بسیار مناسب است. که در آن س-اوربیتال شکل کروی دارد، آرمداری - شکل دمبل، د-اوربیتال - یک گل چهار گلبرگ یا یک دمبل دوتایی (شکل 1.10).

بدین ترتیب، س-subshell از یک تشکیل شده است س-اوربیتال ها پ- پوسته فرعی - از سه پ-اوربیتال ها د- پوسته فرعی - از پنج د-اوربیتال ها f- پوسته فرعی - از هفت f-اوربیتال ها

در شیمی و فیزیک، اوربیتال‌های اتمی تابعی به نام موج هستند که ویژگی‌های مشخصه بیش از دو الکترون را در مجاورت یا سیستم هسته‌ها، مانند یک مولکول، توصیف می‌کند. یک اوربیتال اغلب به عنوان یک ناحیه سه بعدی به تصویر کشیده می شود که در آن 95 درصد احتمال یافتن الکترون وجود دارد.

مدارها و مدارها

هنگامی که یک سیاره به دور خورشید حرکت می کند، مسیری به نام مدار را دنبال می کند. به طور مشابه، یک اتم را می توان به صورت الکترون هایی که در مدار دور هسته می چرخند نشان داد. در واقعیت، همه چیز متفاوت است و الکترون ها در مناطقی از فضا که به عنوان اوربیتال های اتمی شناخته می شوند، یافت می شوند. شیمی به یک مدل ساده شده از اتم برای محاسبه معادله موج شرودینگر و بر این اساس، تعیین حالات احتمالی الکترون بسنده می کند.

مدارها و مدارها شبیه هم هستند، اما معانی کاملا متفاوتی دارند. درک تفاوت بین این دو بسیار مهم است.

ناتوانی در تصویربرداری از مدارها

برای ترسیم مسیر حرکت چیزی، باید دقیقاً بدانید که آن جسم کجاست و بتوانید تعیین کنید که در یک لحظه کجا خواهد بود. این برای یک الکترون غیرممکن است.

بر این اساس، نمی توان دقیقاً دانست که ذره در حال حاضر کجاست و بعداً به کجا ختم می شود. (در واقع اصل می گوید نمی توان لحظه و تکانه آن را به طور همزمان و با دقت مطلق تعیین کرد).

بنابراین، ساختن مداری برای حرکت الکترون به دور هسته غیرممکن است. آیا این مشکل بزرگی است؟ خیر اگر چیزی غیرممکن است، باید آن را بپذیرید و راه هایی برای دور زدن آن پیدا کنید.

الکترون هیدروژن - اوربیتال 1s

فرض کنید یک اتم هیدروژن وجود دارد و در یک نقطه از زمان موقعیت یک الکترون به صورت گرافیکی گرفته می شود. بلافاصله پس از این، این روش تکرار می شود و ناظر متوجه می شود که ذره در موقعیت جدیدی قرار دارد. نحوه رسیدن او از مکان اول به مکان دوم مشخص نیست.

اگر به این روش ادامه دهید، به تدریج نوعی نقشه سه بعدی از محل احتمالی ذره تشکیل می شود.

در این مورد، الکترون می تواند در هر جایی در فضای کروی اطراف هسته قرار گیرد. نمودار مقطعی از این فضای کروی را نشان می دهد.

در 95% مواقع (یا هر درصد دیگری، چون فقط اندازه کیهان می‌تواند صد در صد اطمینان ایجاد کند) الکترون در یک منطقه نسبتاً آسان از فضا، تقریباً نزدیک به هسته قرار می‌گیرد. به این ناحیه اوربیتال می گویند. اوربیتال های اتمی مناطقی از فضا هستند که الکترون در آنها وجود دارد.

اون اونجا چیکار میکنه؟ ما نمی دانیم، نمی توانیم بدانیم، و بنابراین به سادگی این مشکل را نادیده می گیریم! فقط می توانیم بگوییم که اگر یک الکترون در یک اوربیتال خاص باشد، انرژی خاصی خواهد داشت.

هر اوربیتال یک نام دارد.

فضای اشغال شده توسط الکترون هیدروژن را اوربیتال 1s می نامند. واحد در اینجا به این معنی است که ذره در نزدیکترین سطح انرژی به هسته قرار دارد. S در مورد شکل مدار صحبت می کند. اوربیتال های S به طور کروی در مورد هسته متقارن هستند - حداقل مانند یک توپ توخالی از مواد نسبتاً متراکم با هسته در مرکز آن.

2 ثانیه

اوربیتال بعدی 2 ثانیه است. مشابه 1s است، با این تفاوت که ناحیه ای که الکترون در آن به احتمال زیاد یافت می شود دورتر از هسته قرار دارد. این مداری از سطح انرژی دوم است.

اگر به دقت نگاه کنید، متوجه خواهید شد که نزدیک‌تر به هسته، ناحیه دیگری با چگالی الکترونی کمی بالاتر وجود دارد ("چگالی" راه دیگری برای اشاره به احتمال وجود آن ذره در یک مکان خاص است).

الکترون‌های 2s (و 3s، 4s و غیره) بخشی از زمان خود را بسیار نزدیک‌تر از حد انتظار به مرکز اتم می‌گذرانند. نتیجه این کاهش جزئی در انرژی آنها در اوربیتالهای s است. هر چه الکترون ها به هسته نزدیکتر شوند، انرژی آنها کمتر می شود.

اوربیتال های 3s، 4s (و غیره) دورتر و دورتر از مرکز اتم قرار دارند.

اوربیتال های P

همه الکترون ها در اوربیتال ها ساکن نیستند (در واقع تعداد بسیار کمی از آنها ساکن هستند). در اولی، تنها مکان موجود برای آنها 1s است، در دومی، 2s و 2p اضافه شده است.

اوربیتال های این نوع بیشتر شبیه 2 بالون یکسان هستند که در هسته به یکدیگر متصل هستند. نمودار مقطعی از یک منطقه 3 بعدی از فضا را نشان می دهد. مجدداً، اوربیتال تنها ناحیه ای را با احتمال 95 درصد یافتن یک الکترون منفرد نشان می دهد.

اگر صفحه افقی را تصور کنیم که از هسته به گونه ای می گذرد که یک قسمت از مدار بالای صفحه و قسمت دیگر زیر آن باشد، در این صورت احتمال یافتن الکترون در این صفحه صفر است. پس چگونه یک ذره از یک قسمت به قسمت دیگر می رسد اگر هرگز از صفحه هسته عبور نکند؟ این به دلیل ماهیت موجی آن است.

بر خلاف اوربیتال s، اوربیتال p جهت گیری خاصی دارد.

در هر سطح انرژی، این امکان وجود دارد که سه اوربیتال p مطلقاً معادل در زوایای قائمه نسبت به یکدیگر داشته باشند. آنها به طور دلخواه با نمادهای p x، p y و p z نشان داده می شوند. این برای راحتی انجام می شود - منظور از جهت X، Y یا Z به طور مداوم در حال تغییر است زیرا اتم به طور تصادفی در فضا حرکت می کند.

اوربیتال های P در سطح انرژی دوم 2p x، 2p y و 2p z نامیده می شوند. اوربیتال های مشابهی در مدارهای بعدی وجود دارد - 3p x، 3p y، 3p z، 4p x، 4p y، 4p z و غیره.

همه سطوح، به استثنای سطح اول، دارای اوربیتال p هستند. در سطوح بالاتر، "لوب ها" درازتر هستند و محتمل ترین مکان الکترون دورتر از هسته است.

اوربیتال های d و f

علاوه بر اوربیتال‌های s و p، دو مجموعه دیگر از اوربیتال‌ها در دسترس الکترون‌ها در سطوح انرژی بالاتر هستند. در سوم، وجود پنج اوربیتال d (با اشکال و نام های پیچیده) و همچنین اوربیتال های 3s و 3p (3p x، 3p y، 3p z) امکان پذیر است. در مجموع 9 مورد از آنها وجود دارد.

در چهارمین، همراه با 4s و 4p و 4d، 7 اوربیتال f اضافی ظاهر می شود - در مجموع 16 مورد، همچنین در تمام سطوح انرژی بالاتر موجود است.

قرار دادن الکترون ها در اوربیتال ها

اتم را می توان به عنوان یک خانه بسیار شیک (مانند یک هرم معکوس) در نظر گرفت که هسته آن در طبقه همکف و اتاق های مختلف در طبقات بالایی که توسط الکترون ها اشغال شده است:

• در طبقه همکف فقط 1 اتاق (1s) وجود دارد.
• در دومی در حال حاضر 4 اتاق (2s، 2p x، 2p y و 2p z) وجود دارد.
• در طبقه سوم 9 اتاق (یکی 3s، 3 اوربیتال 3p و 5 اوربیتال 3 بعدی) و غیره وجود دارد.

اما اتاق ها خیلی بزرگ نیستند. هر یک از آنها فقط می تواند حاوی 2 الکترون باشد.

یک راه راحت برای نشان دادن اوربیتال‌های اتمی که ذرات معین در آنها یافت می‌شوند، رسم سلول‌های کوانتومی است.

سلول های کوانتومی

اوربیتال های اتمی را می توان به صورت مربع با الکترون های موجود در آنها به صورت فلش نشان داد. اغلب از فلش های بالا و پایین برای نشان دادن تفاوت این ذرات با یکدیگر استفاده می شود.

نیاز به الکترون های مختلف در یک اتم نتیجه نظریه کوانتومی است. اگر آنها در مدارهای مختلف باشند، عالی است، اما اگر در یک مدار باشند، باید تفاوت ظریفی بین آنها وجود داشته باشد. نظریه کوانتومی به ذرات خاصیتی به نام «اسپین» می‌دهد که جهت فلش‌ها نشان می‌دهد.

اوربیتال 1s با دو الکترون به صورت مربعی با دو فلش رو به بالا و پایین نشان داده می شود، اما می توان آن را حتی با سرعت بیشتری به صورت 1s 2 نوشت. این به عنوان "یک s دو" خوانده می شود نه "یک s مربع". اعداد در این نامگذاری ها نباید اشتباه گرفته شوند. اولی سطح انرژی و دومی تعداد ذرات موجود در مدار را نشان می دهد.

هیبریداسیون

در شیمی، هیبریداسیون مفهوم اختلاط اوربیتال های اتمی به اوربیتال های هیبریدی جدید است که قادر به جفت شدن الکترون ها برای تشکیل پیوندهای شیمیایی هستند. هیبریداسیون Sp پیوند شیمیایی ترکیباتی مانند آلکین ها را توضیح می دهد. در این مدل، اوربیتال های اتمی 2s و 2p کربن با هم مخلوط می شوند تا دو اوربیتال sp را تشکیل دهند. استیلن C 2 H 2 از درهم تنیدگی sp-sp از دو اتم کربن برای تشکیل یک پیوند σ و دو پیوند π اضافی تشکیل شده است.

اوربیتال های اتمی کربن موجود در هیدروکربن های اشباع دارای اوربیتال های هیبریدی sp 3 یکسان هستند که به شکل یک دمبل است که یک قسمت آن بسیار بزرگتر از دیگری است.

هیبریداسیون Sp 2 مشابه موارد قبلی است و از اختلاط یک s و دو اوربیتال p تشکیل می شود. به عنوان مثال، در یک مولکول اتیلن سه اوربیتال sp 2 و یک p تشکیل می شود.

اوربیتال های اتمی: اصل پر شدن

با تصور انتقال از یک اتم به اتم دیگر در جدول تناوبی عناصر شیمیایی، می توان ساختار الکترونیکی اتم بعدی را با قرار دادن یک ذره اضافی در اوربیتال موجود بعدی ایجاد کرد.

الکترون‌ها قبل از پر کردن سطوح انرژی بالاتر، سطوح پایین‌تری را که نزدیک‌تر به هسته قرار دارند، اشغال می‌کنند. در جایی که انتخاب وجود دارد، اوربیتال ها را جداگانه پر می کنند.

این دستور پر کردن به عنوان قانون هوند شناخته می شود. این فقط زمانی استفاده می شود که اوربیتال های اتمی دارای انرژی برابر باشند و همچنین به حداقل رساندن دافعه بین الکترون ها کمک می کند که باعث پایداری اتم می شود.

لازم به ذکر است که اوربیتال s همیشه انرژی کمی کمتر از اوربیتال p در همان سطح انرژی دارد، بنابراین اولی همیشه قبل از دومی پر می شود.

چیزی که واقعاً عجیب است موقعیت اوربیتال های سه بعدی است. آنها در سطح بالاتری از 4s قرار دارند و بنابراین ابتدا اوربیتال های 4s و سپس تمام اوربیتال های 3d و 4p پر می شوند.

همین سردرگمی در سطوح بالاتر با درهم تنیدگی بیشتر بین آنها رخ می دهد. بنابراین، برای مثال، اوربیتال های اتمی 4f تا زمانی که تمام مکان های 6s اشغال نشده باشند، پر نمی شوند.

دانستن ترتیب پر کردن برای درک چگونگی توصیف ساختارهای الکترونیکی بسیار مهم است.

مداری

مداری، در فیزیک ذرات کلی - سطح فضای اطراف هسته اتمی که در آن الکترونها می توانند حرکت کنند. احتمال وجود الکترون در چنین اوربیتالی زیاد است. ممکن است حاوی یک یا دو الکترون باشد. اوربیتال دارای شکل و انرژی مربوط به عدد کوانتومی اتم است. در مولکول ها، الکترون های پیوند در میدان الکتریکی ترکیبی همه هسته ها حرکت می کنند. در این حالت، اوربیتال های اتمی تبدیل به اوربیتال های مولکولی می شوند، مناطقی که دو هسته را احاطه کرده اند که دارای انرژی مشخصه و حاوی دو الکترون هستند. این اوربیتال های مولکولی که از اوربیتال های اتمی تشکیل شده اند، پیوندهای شیمیایی را تشکیل می دهند.

اوربیتال های اتمی سطح اطراف هسته اتم را توصیف می کنند که به احتمال زیاد حاوی الکترون است. آنها را می توان "ابرهای انرژی" نیز نامید. وجود آنها پیوندهای شیمیایی را توضیح می دهد. الکترون ها در ساختارهای اتمی یا مولکولی قرار دارند که در سطوح انرژی مرتب شده اند. سطح اول تنها با یک نوع الکترون مشخص می شود: دارای یک اوربیتال s (A) است که نسبت به محورهای x، y و z اتم نشان داده شده است. حداکثر تعداد الکترون هایی که می توانند در این سطح انرژی باشند دو عدد است. برای نوع دوم الکترون ها، اوربیتال شکل دو کره متصل به هم دارد که به طور متقارن نسبت به هسته قرار دارند. چنین اوربیتالی را یک اتم p-orbital (B) V می نامند که سه اوربیتال از این قبیل، و در زاویه قائم با یکدیگر قرار دارند (1،2، 3) اوربیتال هایی که شکل کروی منظمی دارند، معمولاً به عنوان ابرهای گلابی شکل تعیین می شوند. وضوح تصویر . علاوه بر این، پنج اوربیتال d (C-G) نیز وجود دارد که هر کدام از چهار لوب گلابی شکل بر روی دو محور عمود بر هم تشکیل شده است که در هسته G متقاطع می شوند - ترکیبی از دو اوربیتال p.

فرهنگ دانشنامه علمی و فنی.

ببینید «ORBITAL» در فرهنگ‌های دیگر چیست:

مداری: اوربیتال اتمی. اوربیتال مولکولی. فهرستی از معانی یک کلمه یا عبارت با پیوندهایی به مقالات مرتبط. اگر از ... ویکی پدیا به اینجا آمده اید

مداری- مجموعه کاملی از توابع موج یک الکترون واقع در میدان نوکلیدها و میدان میانگین تمام الکترون‌های دیگر که با همان هسته‌ها برهمکنش دارند. اوربیتال اتمی حالت مجاز یک الکترون در یک اتم، یک تصویر هندسی،... ... اصطلاحات شیمیایی

تابعی از متغیرهای فضایی یک الکترون که به معنای تابع موج الکترون واقع در میدان هسته اتمی یا مولکولی است. اگر چنین تابعی الکترون اسپین را در نظر بگیرد، نامیده می شود. spin O. برای جزئیات بیشتر به اوربیتال مولکولی مراجعه کنید... ... دایره المعارف فیزیکی

مداری- مداری فیزیکی توابع موج اتمی و مولکولی یک الکترون که در میدان یک یا چند هسته اتمی و در میدان متوسط ​​همه الکترون های دیگر اتم یا مولکول مورد نظر قرار دارد. NES 2000 … فرهنگ لغت تاریخی گالیسم های زبان روسی

- (از زبان lat. orbita path, track)، تابع موجی که وضعیت یک الکترون را در یک اتم، مولکول یا سیستم کوانتومی دیگر توصیف می کند. در حالت کلی، شیمی کوانتومی. عبارت O. برای هر تابعی استفاده می شود که به متغیرهای x, y, z یک ... ... بستگی دارد. دایره المعارف شیمی

مداری- orbitalė statusas T sritis chemija apibrėžtis Banginė funkcija، apibūdinanti elektrono judėjimą atome arba molekulėje; erdvė, kurioje elektrono buvimas labiausiai tikėtinas. atitikmenys: انگلیسی. روس مداری مداری... Chemijos terminų aiškinamasis žodynas

مداری- orbitalė statusas T sritis fizika atitikmenys: engl. vok مداری مداری، n rus. مداری، f pranc. orbitale, f … Fizikos terminų žodynas

مداری- مدار al و... فرهنگ لغت املای روسی

مداری- با. مدار بوئنچا باشکریل تورگان. Orbit buencha hәrәkәt itә torgan yaki shunyn өchen bilgelәngәn… تاتار تلن آنلاتمالی سوزلگه

مداری- تابعی از متغیرهای فضایی یک الکترون که به معنای تابع موجی تک تک الکترون ها در میدان هسته موثر اتمی یا مولکولی ... فرهنگ لغت توضیحی اصطلاحات پلی تکنیک

کتاب ها

• مجموعه میز. علم شیمی. ساختار ماده (10 جدول)، . آلبوم آموزشی 10 برگ. ساختار اتم. اوربیتال الکترونی. مدل های اتم های برخی عناصر کریستال ها پیوند شیمیایی. ظرفیت. حالت اکسیداسیون ایزومتریک. همسانی. هنر...

تابع موج (7) که وضعیت الکترون را توصیف می کند، نامیده می شود اوربیتال اتمی(AO).

اعداد کوانتومیدر مکانیک کوانتومی، هر AO با سه عدد کوانتومی تعریف می شود.

عدد کوانتومی اصلی n. می تواند مقادیر صحیح را از 1 تا ∞ بگیرد. عدد کوانتومی اصلی تعیین می کند:

عدد سطح انرژی؛

محدوده انرژی الکترون های واقع در یک سطح معین؛

اندازه های مداری؛

تعداد سطوح فرعی یک سطح انرژی معین (سطح اول شامل یک زیرسطح، دوم - از دو، سوم - از سه و غیره) است.

در جدول تناوبی عناصر، حداکثر مقدار عدد کوانتومی اصلی با عدد دوره مطابقت دارد.

عدد کوانتومی مداری لتکانه زاویه ای مداری (تکانه) الکترون، مقدار دقیق انرژی آن و شکل اوربیتال ها را تعیین می کند. می تواند مقادیر 0، 1، 2، 3، ...، ( n-1).

اوربیتال اتمی- تصویر هندسی تابع موج تک الکترونی ψ، که ناحیه محتمل ترین حضور الکترون در اتم را نشان می دهد. منطقه ای از فضا را که احتمال یافتن الکترون در آن مقدار معینی دارد (90 ... 99٪) محدود می کند. گاهی یک اوربیتال را سطح مرزی این ناحیه می‌نامند و در نقشه‌ها، قاعدتاً مقطعی از این ناحیه توسط صفحه‌ای که از مبدا مختصات می‌گذرد و در صفحه نقشه قرار دارد، نشان می‌دهد. مرکز هسته اتم در مبدا قرار می گیرد. مفهوم «اوربیتال» برخلاف «مدار» به معنای آگاهی از مختصات دقیق الکترون نیست. عدد کوانتومی مداری شکل اوربیتال اتمی را تعیین می کند. در ل=0 یک کره است، با ل=1 – جلد هشتم (دمبل)، با ل=2 – گل رز چهار گلبرگ.

هر مقدار از عدد کوانتومی اصلی مربوط به nمقادیر عدد کوانتومی مداری ل(میز 1). به عنوان مثال، اگر n= 1، پس لفقط یک مقدار می گیرد ( ل=0), n=2 - دو مقدار: 0 و 1 و غیره. هر مقدار عددی لشکل هندسی معینی از اوربیتال ها مطابقت دارد و یک نام گذاری حرف اختصاص داده می شود. چهار حرف اول این نام منشا تاریخی دارند و با ماهیت خطوط طیفی مرتبط هستند. س, پ, د, f– اولین حروف کلمات انگلیسی که برای نام گذاری خطوط طیفی استفاده می شود: تیز، اصلی، پراکنده، اساسی. نمادهای دیگر مدارها به ترتیب حروف الفبا آورده شده است: g, ساعت, …

میز 1

مقادیر اعداد کوانتومی اصلی و مداری

تعیین هر سطح فرعی توسط دو عدد کوانتومی تعیین می شود - اصلی (هنگام نوشتن، مقدار عددی نشان داده می شود) و مداری (هنگام نوشتن، تعیین حروف نشان داده می شود؛ مداری ()مقدار عددی با دو عدد کوانتومی نشان داده می شود - اصلی). برای مثال، زیرسطح انرژی که برای آن n=2 و ل=1، باید به صورت زیر تعیین شود: 2p-سطح فرعی همه اوربیتال ها با مقدار یکسان لفرمول هندسی یکسانی دارند و بسته به مقادیر عدد کوانتومی اصلی، اندازه آنها متفاوت است. به عنوان مثال، تمام اوربیتال ها برای که ل=0 (س-اوربیتال ها) به صورت کروی متقارن هستند و بسته به مقدار عدد کوانتومی اصلی از نظر اندازه متفاوت هستند. هر چه ارزش بالاتر باشد n، اندازه اوربیتال ها بزرگتر است.

عدد کوانتومی مغناطیسی m lمقادیر احتمالی پرتاب حرکت زاویه ای مداری یک الکترون را بر روی یک جهت ثابت در فضا (مثلاً روی محور) تعیین می کند. z). ارزش های منفی و مثبت به خود می گیرد لاز جمله صفر. تعداد کل مقادیر 2 عدد است ل+1:

برهمکنش میدان مغناطیسی ایجاد شده توسط الکترون با میدان مغناطیسی خارجی به مقدار عدد کوانتومی مغناطیسی بستگی دارد. اگر میدان مغناطیسی خارجی وجود نداشته باشد، انرژی الکترون در اتم به آن بستگی ندارد m l. در این حالت الکترون هایی با مقادیر یکسان nو ل، اما با معانی متفاوت m lهمین انرژی را دارند اگر میدان مغناطیسی خارجی وجود داشته باشد، انرژی الکترون ها با متفاوت است m lمتفاوت است.

در حالت کلی، عدد کوانتومی مغناطیسی جهت گیری یک AO در فضا را نسبت به یک نیروی خارجی مشخص می کند. عدد کوانتومی مغناطیسی جهت حرکت زاویه ای مداری را نسبت به یک جهت ثابت تعیین می کند.

تعداد کل مقادیر ممکن m lمربوط به تعداد روش‌هایی است که برای ترتیب اوربیتال‌های یک زیرسطح معین در فضا، یعنی تعداد کل اوربیتال‌ها در یک سطح فرعی معین (جدول 2).

جدول 2

تعداد اوربیتال ها در هر سطح فرعی

عدد کوانتومی مداری ل=0 مربوط به تنها مقدار عدد کوانتومی مغناطیسی است m l=0. این ارزش ها لو m lتوصیف همه چیز س-اوربیتال هایی که شکل کره دارند. از آنجایی که در این مورد عدد کوانتومی مغناطیسی فقط یک مقدار می گیرد، هر زیرسطح s تنها از یک مدار تشکیل شده است. بیایید هر کدام را در نظر بگیریم آر-سطح فرعی در ل= 1 اوربیتال شکل دمبل دارد (حجم هشت)، عدد کوانتومی مغناطیسی مقادیر زیر را می گیرد: m l= -1، 0، +1. از این رو، آر-سطح فرعی از سه AO تشکیل شده است که در امتداد محورهای مختصاتی قرار دارند p x, p y, p zبر این اساس (شکل 1).

برنج. 1. شکل فضایی اوربیتال های اتمی s و p.

برای د-سطح فرعی ل=2, m l= -2، -1، 0، +1، +2 (مجموع 5 مقدار)، و هر کدام د-سطح فرعی شامل پنج اوربیتال اتمی است که به روشی معین در فضا قرار دارند (شکل 2) و مشخص شده اند. به ترتیب.

برنج. 2. شکل فضایی اوربیتال های اتمی d.

چهار از پنج د-اوربیتال ها به شکل روزت های چهار لوبی هستند که هر کدام از آنها توسط دو دمبل تشکیل شده است، پنجمین AO دمبلی با چنبره در صفحه استوایی (-اوربیتال) است و در امتداد محور قرار دارد. z. لوب های مداری در امتداد محور x و y قرار دارند. لوب های مداری به طور متقارن بین محورهای مربوطه قرار دارند.

سطح انرژی چهارم از چهار سطح فرعی تشکیل شده است - س, پ, دو f. سه مورد اول مشابه مواردی است که در بالا توضیح داده شد و چهارمی f-سطح فرعی از هفت AO تشکیل شده است که شکل فضایی آنها کاملاً پیچیده است و در این بخش مورد بحث قرار نگرفته است.

S. Goudsmit و J. Uhlenbeck، برای توصیف برخی از اثرات ظریف در طیف اتم هیدروژن در سال 1925، وجود تکانه زاویه ای خود الکترون را فرض کردند که آن را نامیدند. چرخش. اسپین را نمی توان بر حسب مختصات و لحظه بیان کرد. شماره چرخش سالکترون فقط یک مقدار برابر با طرح بردار اسپین بر روی یک جهت مشخص از میدان خارجی (مثلاً روی محور) می گیرد. z) تعیین می شود عدد کوانتومی اسپینام‌اس ، که می تواند دو مقدار داشته باشد: ام‌اس =

مفهوم "اسپین" برای مشخص کردن ویژگی کوانتومی خاص یک الکترون معرفی شد. اسپین تجلی اثرات نسبیتی در سطح میکروسکوپی است.

الکترون چهار درجه آزادی دارد. عدد کوانتومی اسپین فقط مقادیر گسسته می گیرد: بنابراین، وضعیت یک الکترون در یک اتم با مجموعه ای از مقادیر چهار عدد کوانتومی تعیین می شود: n, ل, m l, ام‌اس.

تعیین و ساختار سطوح انرژی الکترونیکی. بیایید اصطلاحاتی را تعریف کنیم که برای توضیح معنای فیزیکی اعداد کوانتومی استفاده می شوند. گروهی از اوربیتال ها با عدد کوانتومی مداری یکسان تشکیل می شوند زیرسطح انرژی. مجموعه تمام اوربیتال ها با مقدار یکسان عدد کوانتومی اصلی تشکیل می شود سطح انرژی.

ساختار سطوح الکترونیکی اتمی را می توان به دو صورت به تصویر کشید: در قالب فرمول های الکترونیکی و نمودارهای پراش الکترونی. هنگام نوشتن فرمول های الکترونیکی از دو عدد کوانتومی n و l استفاده می شود: سطح اول 1 است س; دوم - 2 س, 2پ; سوم - 3 س, 3پ, 3د; چهارم - 4 س, 4پ, 4د, 4fو غیره. (جدول 3).

جدول 3

ساختار سطوح انرژی الکترونیکی یک اتم

ساختار سطوح الکترونیکی با استفاده از سه عدد کوانتومی به طور کامل توضیح داده شده است: n, ل, m l. هر JSC به طور معمول به شکل سلول های کوانتومی به تصویر کشیده می شود که در کنار آنها یک عدد سطح و یک نماد زیرسطح قرار می گیرد.

یک اوربیتال اتمی دارای تقارن کروی (شکل 3) معمولاً به صورت نشان داده می شود س - مداری (س-AO)، و الکترون های موجود در آن هستند چگونهس-الکترون ها.

شعاع اوربیتال s اتمی با افزایش عدد سطح انرژی افزایش می یابد. 1s-AO در داخل 2s-AO قرار دارد، دومی در داخل 3s-AO و غیره قرار دارد. با مرکز مربوط به هسته اتم. به طور کلی، ساختار لایه الکترونی یک اتم در مدل مداری به نظر می رسد لایه لایه است. هر سطح انرژی حاوی الکترون از نظر هندسی به عنوان در نظر گرفته می شود لایه الکترونیکی

برای نامگذاری اختصاری الکترونی که یک اوربیتال s اتمی را اشغال می کند، از نام خود s-AO با یک شاخص دیجیتال بالایی که تعداد الکترون ها را نشان می دهد استفاده می شود. برای مثال، 1s نام تنها الکترون در اتم هیدروژن است.

عدد سطح انرژی مطابقت دارد عدد کوانتومی اصلی،و نوع اوربیتال است عدد کوانتومی مداری.

2s Li=1s 2 ثانیه ,Be=1s 2 ثانیه

1s H=1s ، او

فرمول الکترونیکی همراه با نمودار انرژیلایه الکترونی یک اتم (شکل 3) آن را منعکس می کند پیکربندی الکترونیکی

یک اوربیتال اتمی دارای تقارن چرخشی (محوری) معمولاً به صورت نشان داده می شود پمداری (پ -AO)(شکل 3)؛ الکترون های موجود در آن هستند پ-الکترون ها

هر اوربیتال p اتمی می تواند (در حداکثر اشغال) دو الکترون را مانند هر AO دیگری بپذیرد. این الکترون ها مجموعا هر دو نیمه را اشغال می کنند پ-اوربیتال ها در هر سطح انرژی اتمی (به جز سطح اول) سه اوربیتال اتمی وجود دارد که با حداکثر جمعیت شش الکترون مطابقت دارد.

هر سه پ-AOهای سطح انرژی یکسان در موقعیت مکانی با یکدیگر متفاوت هستند. محورهای خود، که از هر دو نیمه مدار و عمود بر صفحه گره آن عبور می کنند، سیستم مختصات دکارتی را تشکیل می دهند (تعیین محورهای خود x، y، z). بنابراین، در هر سطح انرژی مجموعه ای از سه اوربیتال اتمی p وجود دارد: p x -، p y - و p z -AO. حروف x، y، z مطابقت دارند عدد کوانتومی مغناطیسی، که به شخص اجازه می دهد تا تأثیر یک میدان مغناطیسی خارجی بر روی پوسته الکترونی یک اتم را قضاوت کند.

اوربیتال های اتمی در تمام سطوح انرژی، اتمی، وجود دارند پ-اوربیتال ها - در همه سطوح به جز سطح اول. در سطوح انرژی سوم و بعدی به یک s-AO و سه پ-AO به پنج اوربیتال اتمی به نام می پیوندد د -اوربیتال ها(شکل 4)، و در سطح چهارم و بعدی - هفت اوربیتال اتمی دیگر، به نام f -اوربیتال ها.

2.3. سطوح فرعی انرژی

اتم چند الکترون اصول

ساخت یک پوسته الکترونی

محاسبات مکانیکی کوانتومی نشان می دهد که در اتم های چند الکترونی انرژی الکترون های یک سطح یکسان نیست. الکترون ها انواع مختلفی از اوربیتال های اتمی را اشغال می کنند و انرژی های متفاوتی دارند.

سطح انرژی مشخص می شود عدد کوانتومی اصلیn. برای همه عناصر شناخته شده، مقادیر n از 1 تا 7 متغیر است. الکترون ها در یک اتم چند الکترونی واقع در بیشتر (غیر هیجانی)حالت، سطوح انرژی را از اول تا هفتم اشغال می کند.

زیرسطح انرژی مشخص می شود عدد کوانتومی مداریل. برای هر سطح (n = const) عدد کوانتومی ل تمام مقادیر صحیح از 0 تا (n-1) را می پذیرد، به عنوان مثال، با مقادیر n=3 ل 0، 1 و 2 خواهد بود. عدد کوانتومی مداری شکل هندسی (تقارن) اوربیتال ها را تعیین می کند. س-, پ-, د-, f-سطح فرعی بدیهی است که در همه موارد n> ل; در n=3 مقدار حداکثر ل برابر 2.

سطوح فرعی موجود برای چهار سطح انرژی اول، تعداد اوربیتال های اتمی و الکترون های موجود در آنها در جدول 1 آورده شده است.

الگوی پر کردن لایه‌های الکترونی اتم‌ها با اصل حذف که در سال 1925 توسط فیزیکدان سوئیسی پاولی ایجاد شد تعیین می‌شود.

اصل پائولی: یک اتم نمی تواند دو الکترون در حالت های یکسان داشته باشد.

تفاوت بین الکترون هایی که اوربیتال های اتمی متفاوتی از یک سطح فرعی را اشغال می کنند ( n, ل = پایان)، به جز زیرسطح s، مشخص می شود عدد کوانتومی مغناطیسیمتر. این عدد مغناطیسی نامیده می شود زیرا رفتار الکترون ها را در یک میدان مغناطیسی خارجی مشخص می کند. اگر ارزش لشکل هندسی اوربیتال های اتمی سطح فرعی و سپس مقدار عدد کوانتومی را تعیین می کند. متر آرایش فضایی نسبی این اوربیتال ها را تعیین می کند.

میز 1

سطوح انرژی، سطوح فرعی و اوربیتال ها

اتم چند الکترونی

عدد کوانتومی مغناطیسی متر ل در این زیرسطح ( n, ل = پایان) تمام مقادیر عدد صحیح را از + می پذیرد ل قبل از - ل, از جمله صفر برای s-sublevel ( n = پایان, ل = 0 ) فقط یک مقدار ممکن است متر ل = 0، به این معنی که زیرسطح s هر سطح انرژی (از اول تا هفتم) دارای یک s-AO است.

برای زیرسطح p ( n> 1, ل = 1) متر ل می تواند سه مقدار +1، 0، -1 را بگیرد، بنابراین، زیرسطح p هر سطح انرژی (از دوم تا هفتم) شامل سه p-AO است.

برای d-sublevel ( n> 2, ل = 2) متر لدارای پنج مقدار +2، +1، 0، -1، -2 و در نتیجه، د- سطح زیرین هر (از سوم تا هفتم) سطح انرژی لزوماً شامل پنج است د- JSC.

به همین ترتیب، برای هر کدام f- سطح فرعی ( n> 3, ل = 3) متردارای هفت مقدار +3، +2، +1، 0، -1، -2، -3 و بنابراین هر f- سطح فرعی شامل هفت است f- JSC.

بدین ترتیب، هر اوربیتال اتمی به طور منحصر به فرد توسط سه عدد کوانتومی - اصلی - تعیین می شودn ، مداری ل و مغناطیسی متر ل .

در n = پایان تمام مقادیر مربوط به یک سطح انرژی معین کاملاً تعریف شده است ل، و وقتی که ل = پایان – تمام مقادیر مربوط به یک زیرسطح انرژی معین متر ل .

از آنجایی که هر اوربیتال را می توان حداکثر با دو الکترون پر کرد، تعداد الکترون هایی که می توان در هر سطح انرژی و زیرسطح جای داد، دو برابر تعداد اوربیتال های آن تراز یا زیرسطح است. از آنجایی که الکترون های واقع در یک اوربیتال اتمی دارای اعداد کوانتومی یکسانی هستند n, لو متر ل، سپس برای دو الکترون در یک اوربیتال از الکترون چهارم استفاده می شود، عدد کوانتومی اسپینسکه با اسپین الکترون مشخص می شود.

با توجه به اصل پائولی می توان بیان کرد که هر الکترون در یک اتم منحصر به فرد است با مجموعه چهار عدد کوانتومی - اصلی - مشخص می شودn ، مداریل ، مغناطیسیمتر و بچرخس.

جمعیت سطوح انرژی، سطوح فرعی و اوربیتال های اتمی توسط الکترون ها تابع قانون زیر است (اصل حداقل انرژی): در حالت تحریک نشده، همه الکترون ها کمترین انرژی را دارند.

این بدان معنی است که هر یک از الکترون هایی که پوسته یک اتم را پر می کنند، چنان مداری را اشغال می کنند که اتم به عنوان یک کل دارای حداقل انرژی است. افزایش کوانتومی ثابت در انرژی سطوح فرعی به ترتیب زیر رخ می دهد:

1س – 2س – 2پ – 3س – 3پ – 4س – 3د – 4پ – 5س - …..

پر شدن اوربیتال های اتمی در یک سطح فرعی انرژی مطابق با قانون فرموله شده توسط فیزیکدان آلمانی F. Hund (1927) اتفاق می افتد.

قانون هوند: اوربیتال های اتمی متعلق به یک سطح فرعی هر کدام ابتدا با یک الکترون و سپس با الکترون دوم پر می شوند.

قاعده هوند را اصل کثرت حداکثری نیز می نامند. حداکثر جهت موازی ممکن اسپین های الکترون های یک سطح فرعی انرژی.

یک اتم آزاد نمی تواند بیش از هشت الکترون در بالاترین سطح انرژی خود داشته باشد.

الکترون هایی که در بالاترین سطح انرژی یک اتم (در لایه الکترونی بیرونی) قرار دارند نامیده می شوند خارجی; تعداد الکترون های بیرونی در اتم هر عنصری هرگز از هشت عدد بیشتر نیست. برای بسیاری از عناصر، تعداد الکترون های خارجی (با سطوح فرعی داخلی پر) است که تا حد زیادی خواص شیمیایی آنها را تعیین می کند. برای سایر الکترون‌هایی که اتم‌هایشان یک سطح فرعی داخلی پر نشده دارند، مثلاً 3 د- سطح فرعی اتم های عناصری مانند Sc، Ti، Cr، Mn و غیره، خواص شیمیایی به تعداد الکترون های داخلی و خارجی بستگی دارد. همه این الکترون ها نامیده می شوند ظرفیت; در فرمول‌های الکترونیکی مختصر اتم‌ها بعد از نماد اسکلت اتمی، یعنی بعد از عبارت در پرانتز نوشته می‌شوند.