Wykład 5. Elektronowa struktura atomu, chemia, CHEMIA OGÓLNA -Walkowiak- (WPC 1002w) DOC


V. ELEKTRONOWA STRUKTURA ATOMU

  1. Atom i jego budowa wg teorii mechaniki klasycznej sformułowanej przez Newtona (XVII w.)

Teoria to system pojęć, definicji i twierdzeń dot. relacji pomiędzy pojęciami i aksjomatami, tworzący spójny system pojęciowy

Teoria naukowa to uporządkowany zbiór zdań orzekających o badanej przez naukę dziedzinie rzeczywistości

Teoria nie dowiedziona faktami lub dowodami matematycznymi to hipoteza

Teorię trzeba dowieść w praktyce, np. poprzez doświadczenie. Teoria mówi jak jest w praktyce.

2. Teorie dotyczące natury światła

Ciało doskonale czarne (c.d.cz.) - pochłania wszystkie rodzaje promieniowania elektromagnetycznego. Właściwości zbliżone do c.d.cz. posiada sadza. C.d.cz. emituje też promieniowanie elektromagnetyczne - ilość energii wysyłanej wzrasta z temperaturą.

Rozkład energii w widmie c.d.cz.:

0x08 graphic

- Planck (1900 r.) - światło jest pochłaniane i emitowane) przez c.d.cz. porcjami, a ściślej kwantami energii:

0x01 graphic

Teoria kwantowa wyjaśnia m.in. efekt fotoelektryczny, tj. emitowanie elektronów przez powierzchnię metalu, na które pada promieniowanie elektromagnetyczne.

Podstawę do przypisania fotonowi określonej masy daje teoria względności Einsteina:

0x01 graphic

3. Dwoista natura światła i elektronów

De Broglie (1924r.): Dualizm korpuskularno - falowy

Jeżeli fale elektromagnetyczne mają właściwości korpuskularne to z kolei cząstka materii jaką jest elektron ma właściwości falowe. Wyprowadźmy równanie na długość fali fotonu (fali elektromagnetycznej):

0x08 graphic

De Broglie wysunął hipotezę, że elektron poruszający się z szybkością V posiada długość fali:

0x08 graphic

Przyjmując masę elektronu m = 9,110-28 g można obliczyć długości fali przy różnych prędkościach. Np:

V = 5,9105 m/s λ = 1,20 nm

V = 5,9106 m/s λ = 0,12 nm

4. Zasada nieoznaczoności Heisenberga

Mechanika klasyczna - ciała makroskopowe opis materii

Mechanika kwantowa - cząsteczki elementarne opis mikroświata w postaci równań matematycznych:

0x01 graphic

Δx - niepewność położenia elektronu

Δpx - niepewność określenia pędu elektronu

W przypadku elektronu w ruchu

nie jest możliwe równoczesne i dokładne

określenie jego położenia i pędu.

Tym samym nie jest możliwe jednoznaczne rozstrzygnięcie dualizmu falowokorpuskularnego.

Mechanika kwantowa, zamiast określać ostro położenie cząstki, zakłada jedynie istnienie określonego prawdopodobieństwa napotkania cząstki w danym miejscu.

0x08 graphic
Prawdopodobieństwo napotkania cząstki w objętości dV:

ρ - gęstość prawdopodobieństwa:

ρ = ρ(x, y, z)

0x08 graphic
Całka prawdopodobieństwa:

5. Równanie Schrödingera

Opisuje zachowanie się elektronu w atomie; jest to równanie różniczkowe:

0x01 graphic

gdzie:

Ψ - funkcja falowa - amplituda prawdopodobieństwa

w dowolnym punkcie o współrzędnych x, y, z

E - energia całkowita elektronu

V - energia potencjalna elektronu

me - masa elektronu

0x01 graphic

A - amplituda maksymalna

λ - długość fali

0x08 graphic
Kwadrat amplitudy określa gęstość prawdopodobieństwa:

Atom wodoru: zawiera tylko 1 elektron w atomie

Tylko niektóre funkcje, będące rozwiązaniem równania Schrödingera wyrażają prawdopodobieństwo napotkania elektronu w atomie wodoru. Są to tzw. funkcje porządne.

Muszą być spełnione 3 warunki aby funkcja

była funkcją porządną

1o Energia elektronu (E):

0x08 graphic

me - masa elektronu,

e - ładunek elektronu,

ε0 - przenikalność dielektryczna,

n = 1, 2, 3,.... główna liczba kwantowa

główna liczba kwantowa 1 2 3 4 5 6 7

symbol powłoki (literowy) K L M N O P Q

2o Orbitalny moment pędu elektronu:

0x08 graphic

l = poboczna (orbitalna) liczba kwantowa,

l = 0, 1, 2, ...., n - 1

symbol orbitalu

l = 0 s (sharp)

l = 1 p (principle)

l = 2 d (diffuse)

l = 3 f (fundamental)

0x08 graphic
3o Składowa z-etowa orbitalnego momentu pędu elektronu:

m - magnetyczna liczba kwantowa:  - l m + l

w sumie m przyjmuje 2l + 1 wartości

0x08 graphic
np. dla l = 2: m = -2, -1, 0, +1, +2

l = 3: m = -3, -2, -1, 0, =1, +2, +3

Każdej kombinacji 3 liczb kwantowych, tj. n, l, m odpowiada jedna porządna funkcja falowa spełniająca równanie Schrödingera.

Funkcje te nazywamy orbitalami (podpowłokami)

Dana powłoka n składa się z n2 podpowłok (orbitali):

Wartości n

Wartości

l

Wartości
m

Podpowłoka

(orbital)

Liczba orbitali

Liczba orbitali na powłoce

1

0

0

1s

1

1

2

0

1

0

-1, 0, +1

2s

2p

1

3

4

3

0

1

2

0

-1, 0, +1

-2, -1, 0, +1, +2

3s

3p

3d

1

3

5

9

4

0

1

2

3

0

-1, 0, +1

-2, -1, 0, +1, +2

-3, -2, -1, 0, +1

+2, +3

4s

4p

4d

4f

1

3

5

7

16

Diagramy trójwymiarowe orbitali typu s, p oraz d przedstawiono poniżej:

0x08 graphic

0x08 graphic
6. Widma emisyjne (i absorpcyjne) wodoru

Gazy pobudzone do świecenia wskutek ogrzania emitują światło zawierające tylko niektóre długości fal. Światło takie obserwowane w spektrometrze daje widmo złożone z pojedynczych linii, które z kolei układają się w serie. Dla wodoru stwierdzono istnienie następujących serii:

- Lymana - w nadfiolecie

- Balmera - w zakresie widzialnym i bliskim nadfiolecie

- Paschena, Bracketta, Pfunda i Humphreysa - w

podczerwieni i dalekiej podczerwieni

0x08 graphic
Seria Balmera linii widmowych wodoru:

Balmer (1855 r.) podał wzór empiryczny: 0x01 graphic

0x08 graphic
0x08 graphic

7. Spin elektronowy

DIRAC spinowy moment pędu elektronu:

0x08 graphic

s - spinowa liczba kwantowa = 1/2

Składowa zetowa spinowego momentu pędu elektronu:

0x08 graphic

ms - spinowa magnetyczna liczba kwantowa

-s < ms < s

ms może przyjąć dwie wartości, tj.: -1/2, +1/2

Są elektrony o spinie dodatnim (ms = +1/2)

i o spinie ujemnym (ms = -1/2)

Pełen opis zachowania się danego elektronu w atomie to potrzeba uwzględnienia 4 liczb kwantowych: n, l, m, ms

Liczba elektronów o danym n 2n2

8. Orbitale w atomach wieloelektronowych

Funkcja falowa: ψ(x1, y1, z1, x2, y2, z2,....xn, yn, zn) rozwiązania przybliżone funkcja falowa jest iloczynem orbitali jednoelektronowych

Istotna różnica - o energii decyduje tak n jak i l (a nie tylko n jak dla wodoru)

Liczby orbitali

typu

s - 1

p - 3

d - 5

f - 70x08 graphic

krotność

zdegenerowania

Schemat poziomów energetycznych:

0x08 graphic

0x08 graphic

9. Zasady zapełniania orbitali przez elektrony

1o Zakaz Pauliego

W atomie nie mogą występować elektrony które nie różnią się conajmniej jedną liczbą kwantową. Oznacza to, że jeden orbital o liczbie kwantowej n, l, m może opisać zachowanie się 2 elektronów.

2o Orbitale zapełniane są wg wzrastającej energii

3o Reguła Hunda (reguła maksymalnej różnorodności)

0x08 graphic
Kolejność zapełnienia orbitali elektronowych:

9. Zasady zapełniania orbitali przez elektrony

1o Zakaz Pauliego

W atomie nie mogą występować elektrony które nie różnią się conajmniej jedną liczbą kwantową. Oznacza to, że jeden orbital o liczbie kwantowej n, l, m może opisać zachowanie się 2 elektronów.

2o Orbitale zapełniane są wg wzrastającej energii

3o Reguła Hunda (reguła maksymalnej różnorodności)

Elektrony wypełniają poszczególne typy orbitali

w taki sposób, aby liczba niesparowanych elektronów była w stanie podstawowym atomu możliwie najwyższa.

Przykład dwa elektrony na orbitalach typu p:

źle

dobrze

Koniec rozdz. V -go

Władysław Walkowiak - Chemia Ogólna, kurs WPC 1002w

1 / 25

Rozdział V. Elektronowa struktura atomu

0x01 graphic

Rozkład gęstości elektronowej dla orbitali p: :orbitali p:

0x01 graphic

Ro = 1,0973107 m-1; stała Rydberga j oraz i - liczby naturalne, j > i

Dla serii Lymana: i = 1; j = 2, 3,...

Dla serii Balmera: i = 2; j = 3, 4,....

0x01 graphic

stąd:

0x01 graphic

Rozkład gęstość elektronowej dla orbitali d: d:

zakres widzialny

nadfiolet

0x01 graphic

0x01 graphic

Rozkład gęstości elektronowej orbitalu s: s: stypu p:

Rozkład gęstości elektronowej dla orbitalu typu s:

0x01 graphic

0x01 graphic

0x01 graphic

0x01 graphic

0x01 graphic



Wyszukiwarka

Podobne podstrony:
Wykład 11b. Elektrolity - cd., chemia, CHEMIA OGÓLNA -Walkowiak- (WPC 1002w) DOC
Wykład 11a. Elektrolity - kwasy, chemia, CHEMIA OGÓLNA -Walkowiak- (WPC 1002w) DOC
Wykład 3. Reakcje chemiczne, chemia, CHEMIA OGÓLNA -Walkowiak- (WPC 1002w) DOC
Wykład 2. Roztwory i stężenia, chemia, CHEMIA OGÓLNA -Walkowiak- (WPC 1002w) DOC
Wykład 10.Równowaga chemiczna. Prawo działania mas, chemia, CHEMIA OGÓLNA -Walkowiak- (WPC 1002w) DO
Wykład 1. Wstępne pojęcia chemiczne, chemia, CHEMIA OGÓLNA -Walkowiak- (WPC 1002w) DOC
Wykład 4. Reakcje utleniajaco-redukcyjne, chemia, CHEMIA OGÓLNA -Walkowiak- (WPC 1002w) DOC
Wykład 12. Reakcje jadrowe, chemia, CHEMIA OGÓLNA -Walkowiak- (WPC 1002w) DOC
Wykład 7. Okresowosc wlasciwosci pierw. chemicznych, chemia, CHEMIA OGÓLNA -Walkowiak- (WPC 1002w) D
Wykład 9. Szybkosc reakcji chemicznych, chemia, CHEMIA OGÓLNA -Walkowiak- (WPC 1002w) DOC
Wykład 3. Reakcje chemiczne, chemia, CHEMIA OGÓLNA -Walkowiak- (WPC 1002w) DOC
WYKŁAD 5. Elektronowa struktura atomu, chomikowe, WYKŁADY z Chemii
Chemia Ogólna - PROGRAM WPC1002w (Walkowiak), Biotechnologia PWR, Semestr 1, Chemia ogólna, Chemia o
chemia wyklady2ok, Studia, Mibm, semestr I, Chemia Ogólna
Chemia - wykłady, Dietetyka CM UMK, Chemia ogólna i żywności
Wyklad 11a. Elektrolity, pwr biotechnologia(I stopień), I semestr, Chemia ogólna
Wyklad 11b. Elektrolity - cd., pwr biotechnologia(I stopień), I semestr, Chemia ogólna

więcej podobnych podstron