Квантовая механика. Современная модель состояния электрона в атоме.

При химических реакциях ядро атома не претерпевает изменений. Изменению подвергаются электронные оболочки атомов, строением которых объясняются многие свойства химических элементов. Поэтому состоянию электронов в атоме и структуре электронных оболочек уделяется большое внимание при изучении химии.

Состояние электрона в атоме описывается квантовой механикой, которая изучает движение и взаимодействие микрочастиц, то есть элементарных частиц, атомов, молекул и атомных ядер. По представлениям квантовой механики микрочастицы имеют волновую природу, то есть выступают как носители и корпускулярных, и волновых свойств. Применительно к электрону можно сказать, что он ведет себя и как частица, и как волна, то есть обладает, как и другие микрочастицы, корпускулярно-волновым дуализмом ( двойственностью ).

Электроны в атоме не имеют траекторий движения. Квантовая механика рассматривает вероятность нахождения электрона в пространстве вокруг ядра. Быстро движущийся электрон может находиться в любой части околоядерного пространства, и различные положения его рассматриваются как электронное облако с определенной плотностью отрицательного заряда. Более наглядно это можно представить так. Если бы удалось через весьма малые промежутки времени фотографировать положение электрона в атоме (он отразится на фотографии в виде точки), то при наложении множества таких фотографий получилась бы картина электронного облака. И там, где число точек наибольшее, облако наиболее плотное. Максимальная плотность отвечает наибольшей вероятности нахождения электрона в данной части атомного пространства.

Электронное облако атома водорода

Чем прочнее связан электрон с ядром, тем более плотным по распределению заряда и меньшим по размерам должно быть электронное облако.

Пространство вокруг ядра, в котором наиболее вероятно нахождение электрона, называется орбиталью. В нем заключается 90 % электронного облака. Это означает, что около 90 % времени электрон находится в этой части пространства.

Очевидно, что электроны, движущиеся в орбиталях меньшего размера, сильнее притягиваются ядром, чем электроны, движущиеся в орбиталях большего размера. Электроны, которые движутся в орбиталях близкого размера, образуют энергетические уровни (электронные слои). Энергетические уровни нумеруются, начиная с 1, 2, 3, 4 … Иногда их обозначают буквами K, L, M, N … Целое число n, обозначающее номер уровня, называется главным квантовым числом. Оно характеризует размер электронного облака, энергию электронов, занимающих данный энергетический уровень. Наименьшей энергией обладают электроны первого энергетического уровня, наиболее близкого к ядру. По сравнению с электронами первого уровня электроны последующих уровней обладают большим запасом энергии. Очевидно, менее прочно связаны с ядром электроны внешнего уровня.

Число заполняемых электронами энергетических уровней в атоме равно номеру периода, в котором находится элемент: у атомов элементов I периода – один энергетический уровень, II периода – два, III – периода – три и т.д. Наибольшее число электронов на энергетическом уровне равно удвоенному квадрату номера уровня

N = 2n²,

где N – число электронов; n – номер уровня (считая от ядра), или главное квантовое число.

В соответствии с данным уравнением на первом, ближайшем к ядру, энергетическом уровне может находиться не более 2, на втором – 8, на третьем – 18, на четвертом – 32 электронов.

Кроме главного квантового числа существует еще три энергетических параметра, определяющих состояние электрона в атоме. Это побочное (орбитальное, азимутальное) квантовое числоl, определяющее форму атомной орбитали. Оно может принимать целочисленные значения от 0 … до (n – 1) (l = 0, 1, …, n-1). Каждому значению l соответствует орбиталь особой формы. При l = 0 орбиталь независимо от значения главного квантового числа имеет сферическую форму (s-орбиталь). Значению l = 1 соответствует орбиталь, имеющая форму гантели (р-орбиталь). Еще более сложную форму имеют орбитали, отвечающие высоким значениям l, равным 2, 3 и 4 (d-, f-, g-орбитали).

Характеристика орбитального квантового числа

Магнитное квантовое число (m_l) определяет положение атомной орбитали в пространстве относительно внешнего магнитного или электромагнитного поля. Магнитное квантовое число связано с орбитальным квантовым числом, изменяясь – l, до + l, включая 0. Следовательно, каждому значению l соответствует (2 l + 1) значений магнитного квантового числа.

Характеристика магнитного квантового числа

Спиновое квантовое число (s) может принимать лишь два возможных значения +½ и -½. Они соответствуют двум возможным и противоположным друг другу направлениям собственного магнитного момента электрона.

Характеристика спинового квантового числа