Страница 10 - гдз по химии 11 класс учебник Рудзитис, Фельдман

• Как определить число энергетических уровней в атоме элемента?

Число энергетических уровней в атоме химического элемента, на которых располагаются электроны, определяется его положением в Периодической системе химических элементов Д. И. Менделеева. Это одна из фундаментальных закономерностей, отраженных в структуре таблицы.

Основное правило звучит так: число энергетических уровней в атоме элемента равно номеру периода, в котором этот элемент находится.

Энергетические уровни (или электронные оболочки) — это области пространства вокруг ядра атома, где наиболее вероятно нахождение электронов с определенным запасом энергии. Уровни нумеруются целыми числами, начиная от ближайшего к ядру: 1, 2, 3, и так далее. Это число называется главным квантовым числом ($n$).

Чтобы определить число энергетических уровней, необходимо выполнить следующие действия:

• Найти интересующий химический элемент в Периодической таблице.
• Определить номер горизонтального ряда (периода), в котором он расположен. Периоды пронумерованы слева арабскими цифрами от 1 до 7.
• Этот номер периода и будет равен числу заполняемых электронами энергетических уровней в атоме данного элемента.

Примеры:

• Натрий (Na) находится в 3-м периоде. Следовательно, в его атоме электроны располагаются на трех энергетических уровнях. Электронная конфигурация натрия: 1s²2s²2p⁶3s¹. Как видно, задействованы уровни с главным квантовым числом $n=1, n=2$ и $n=3$.
• Железо (Fe) находится в 4-м периоде. Значит, в атоме железа четыре энергетических уровня.
• Радон (Rn) находится в 6-м периоде. В его атоме электроны занимают шесть энергетических уровней.

Таким образом, структура Периодической таблицы напрямую связана со строением атомов. Каждый новый период начинается с элемента, у которого появляется новый, более высокий энергетический уровень, и заканчивается инертным газом с полностью заполненной или устойчивой внешней электронной оболочкой.

Ответ: Число энергетических уровней в атоме химического элемента равно номеру периода в Периодической системе, в котором расположен этот элемент.

• Что называют электронной орбиталью?

Что называют электронной орбиталью?

В современной квантовой химии и физике электронной орбиталью (или атомной орбиталью) называют область пространства вокруг ядра атома, в которой вероятность нахождения данного электрона является максимальной. Обычно эту область определяют так, чтобы вероятность нахождения электрона внутри нее составляла 90–95%.

Это понятие коренным образом отличается от «орбиты» в устаревшей планетарной модели атома Нильса Бора. В квантовой механике электрон проявляет свойства не только частицы, но и волны (корпускулярно-волновой дуализм). Согласно принципу неопределенности Гейзенберга, невозможно одновременно точно измерить и положение, и импульс электрона. Поэтому вместо описания четкой траектории его движения используется вероятностный подход. Электрон как бы «размазан» в пространстве, образуя так называемое электронное облако. Орбиталь — это и есть геометрический образ этого облака.

Математически, орбиталь — это пространственное распределение плотности вероятности нахождения электрона, которое описывается квадратом модуля волновой функции $ |\psi|^2 $. Волновая функция $ \psi $ (пси-функция) является решением стационарного уравнения Шрёдингера для электрона в атоме и полностью характеризует его состояние.

Форма, размер и ориентация орбитали в пространстве определяются квантовыми числами:

• Главное квантовое число (n) определяет энергию электрона и размер орбитали (энергетический уровень).
• Орбитальное (азимутальное) квантовое число (l) определяет форму орбитали. В зависимости от значения $l$ различают:
  • s-орбитали ($l=0$): имеют форму сферы.
  • p-орбитали ($l=1$): имеют форму объемной восьмерки или гантели. Их три, и они ориентированы вдоль осей координат ($p_x, p_y, p_z$).
  • d-орбитали ($l=2$) и f-орбитали ($l=3$) имеют более сложные формы.
• Магнитное квантовое число (m_l) определяет ориентацию орбитали в пространстве.

Важно отметить, что согласно принципу Паули, на одной атомной орбитали может находиться не более двух электронов, причём их спины (характеризуемые спиновым квантовым числом $m_s$) должны быть противоположны.

Ответ: Электронная орбиталь — это область пространства вокруг ядра атома, в которой сосредоточена основная часть (более 90%) вероятности нахождения электрона. Это не траектория движения, а математическое описание состояния электрона в атоме, характеризующее форму и энергию его электронного облака.

• Какие электронные орбитали вам известны?

Какие электронные орбитали вам известны?

В квантовой механике электронная орбиталь — это математическая функция (волновая функция), описывающая наиболее вероятное местоположение электрона в атоме. Визуально орбиталь представляет собой область пространства вокруг ядра, где вероятность нахождения электрона максимальна (обычно 90-95%). Тип, форма и ориентация орбитали определяются квантовыми числами. Основные типы орбиталей, с которыми сталкиваются в химии, обозначаются буквами s, p, d, f.

s-орбиталь:
Имеет форму сферы. Центр сферы совпадает с ядром атома. Для s-орбиталей орбитальное квантовое число $l=0$. На каждом энергетическом уровне (начиная с первого, $n \ge 1$) есть только одна s-орбиталь. Поскольку любая орбиталь может вместить не более двух электронов (с противоположными спинами), s-подуровень содержит максимум 2 электрона.

p-орбиталь:
Имеет форму объёмной восьмёрки или гантели. Для p-орбиталей орбитальное квантовое число $l=1$. Они появляются начиная со второго энергетического уровня ($n \ge 2$). Существует три p-орбитали, которые одинаковы по форме и энергии, но различаются ориентацией в пространстве: они направлены вдоль осей координат x, y и z (орбитали $p_x, p_y, p_z$). Таким образом, p-подуровень состоит из трёх орбиталей и может вместить до $3 \times 2 = 6$ электронов.

d-орбиталь:
Имеет более сложную форму. Для d-орбиталей орбитальное квантовое число $l=2$. Они появляются начиная с третьего энергетического уровня ($n \ge 3$). Существует пять d-орбиталей. Четыре из них имеют форму, похожую на четырёхлепестковый клевер, а пятая — форму гантели с кольцом (тором) в центральной части. Весь d-подуровень может содержать до $5 \times 2 = 10$ электронов.

f-орбиталь:
Обладает ещё более сложной пространственной структурой. Для f-орбиталей орбитальное квантовое число $l=3$. Они появляются начиная с четвёртого энергетического уровня ($n \ge 4$). Существует семь f-орбиталей, которые могут вместить до $7 \times 2 = 14$ электронов.

Ответ: Основные типы электронных орбиталей, изучаемые в химии, — это s-, p-, d- и f-орбитали. Они различаются по форме, энергии и ориентации в пространстве.

• Что такое спин электрона?

Что такое спин электрона?

Спин электрона — это его собственная, внутренняя квантовая характеристика, которая описывает собственный момент импульса частицы. Важно понимать, что спин не связан с реальным вращением электрона вокруг своей оси, как у классического волчка. Эта аналогия является упрощенной и неточной, поскольку электрон в стандартной модели физики элементарных частиц является точечным объектом и не имеет размеров или оси для вращения. Спин — это чисто квантовое свойство, не имеющее аналога в классической механике.

Основные свойства спина электрона:

• Фундаментальное свойство: Спин является такой же неотъемлемой характеристикой электрона, как его масса или электрический заряд. Все электроны во Вселенной имеют одинаковое значение спинового квантового числа.
• Квантование: Величина спина и его проекция на любую выбранную ось могут принимать только строго определённые, дискретные значения. Для электрона спиновое квантовое число $s$ всегда равно $1/2$.
• Проекция спина: Проекция спина электрона на произвольно выбранную ось (например, на ось z) может принимать только два значения: $+1/2$ или $-1/2$ (в единицах редуцированной постоянной Планка $\hbar$). Эти два состояния условно называют «спин вверх» (spin up, $m_s = +1/2$) и «спин вниз» (spin down, $m_s = -1/2$). Именно наличие только двух возможных проекций было экспериментально доказано в опыте Штерна-Герлаха.
• Магнитный момент: Поскольку электрон является заряженной частицей, его спин порождает собственный (спиновый) магнитный дипольный момент. Это означает, что электрон ведёт себя как крошечный магнит. Это свойство лежит в основе многих явлений, таких как ферромагнетизм, и используется в технологиях, например, в магнитно-резонансной томографии (МРТ).
• Статистика и принцип Паули: Электроны являются фермионами (частицами с полуцелым спином, как $1/2$). Согласно принципу запрета Паули, два одинаковых фермиона не могут находиться в одном и том же квантовом состоянии. В применении к атомам это означает, что на одной атомной орбитали может находиться не более двух электронов, причём их спины должны быть направлены противоположно («спин вверх» и «спин вниз»). Этот принцип определяет структуру электронных оболочек атомов и, как следствие, всю химию.

Таким образом, спин — это ключевое квантовое число, которое наряду с другими квантовыми числами (главным, орбитальным и магнитным) полностью определяет состояние электрона в атоме.

Ответ: Спин электрона — это его собственный (внутренний) момент импульса, являющийся фундаментальной квантовой характеристикой частицы, не связанной с её механическим вращением. Спин электрона квантован: его проекция на выбранное направление может принимать только два значения, условно называемые «вверх» ($+1/2$) и «вниз» ($-1/2$). Как заряженная частица, обладающая спином, электрон имеет собственный магнитный момент, а как частица с полуцелым спином (фермион), он подчиняется принципу запрета Паули, который определяет структуру электронных оболочек атомов.