Всем привет! В этой статье Мы с Вами разберём тот теоретический минимум, который необходим, чтобы успешно решить задание 1 на ЕГЭ по химии. Знаю, что это задание не вызывает сложностей у школьников, но входе общения с людьми, которые сдали ЕГЭ по химии на высокий балл, выясняется, что даже среди них есть те, которым всё-таки удалось допустить ошибку (по невнимательности или ещё каким-то образом) в данной задаче, поэтому считаю своим долгом разобрать эту тему, чтобы не возникало таких оплошностей. Приятного чтения!
Давайте сначала определимся с тем, что такое атом.
Атом - это химически неделимая электронейтральная частица, состоящая из нуклонов(протонов и нейтронов) и электронов.
Что значит химически неделимая частица? Это означает, что в природе атом - это наименьшая частица, обладающая химическими свойствами данного элемента. Электронейтральность следует понимать как равенство количества протонов и количества электронов. Атом состоит из положительно заряженного ядра и находящихся вокруг отрицательно заряженных электронов. Ядро в свою очередь состоит из протонов и нейтронов. В ядре сосредоточена практически вся масса атома. Заряд ядра (обычно обозначают Z) определяется числом протонов. Теперь Мы с Вами можем перейти к понятию химического элемента:
Химический элемент - это вид атомов, который характеризуется определённым зарядом ядра.
Например, все виды атомов с зарядом ядра +3 мы определяем с Вами как атомы элемента Лития и так далее.
Чтобы успешно решить 1 задание на ЕГЭ по химии необязательно знать уравнение Шрёдингера, принцип неопределённости Гейзенберга и прочие сложные вещи, поэтому Мы с Вами сразу перейдём к понятию "атомная орбиталь". Что же это такое?
Атомная орбиталь - это область пространства, в которой вероятность нахождения электрона составляет не менее 95%.
Атомная орбиталь характеризуется определённой формой и расстоянием от ядра. В водородоподобной системе (то есть в системе, состоящей из 1 электрона) каждая орбиталь характеризуется набором 3 квантовых чисел.
Главное квантовое число (обозначают буквой n) определяет энергию атомной орбитали и среднее расстояние данной орбитали от ядра. Чем больше значение главного квантового числа, тем бОльшую энергию имеет электрон на данной орбитали, и тем дальше он находится от ядра. Главное квантовое число может принимать значения от 1 до ∞. В данном случае бесконечность следует понимать как расстояние, на котором взаимодействие электрона с ядром отсутствует (энергия орбитали E=0).
Орбитальное квантовое число l (английская буква эль) определяет форму атомной орбитали в водородоподобной системе. Это квантовое число может принимать значения от 0 до (n-1). Значение орбитального квантового числа, равное 0, обычно пишут как s, 1 соответствует p, 2 соответствует d, 3 соответствует f, 4 соответствует g. Формы орбиталей представлены на картинке.
Хорошо, пора определиться с 3 квантовым числом.
Магнитное квантовое число (обозначают как m с индексом l(орбитальное квантовое число)) определяет расположение орбитали в пространстве. Может принимать значения от -l,...,0,...l.
Например, возьмём d-орбиталь. Значение орбитального квантового числа для данной орбитали равно 2. Тогда значения магнитного квантового числа для данной орбитали будут равны соответственно -2,-1 , 0 ,1 и 2. То есть у нас будет 5 различно ориентированных атомных орбиталей в пространстве. Вы можете в этом убедиться ещё раз, посмотрев на картинку сверху).
И есть ещё 1 квантовое число, которое не связана со свойствами орбитали - собственный магнитный момент или спин (обозначается m с индексом s). У вектора спина может быть 2 направления по отношению к внешнему магнитному полю ( будем писать +1/2 и -1/2). Резюмируя
Состояние электрона в атоме полностью определяется 4 квантовыми числами, 3 из которых характеризуют электронную орбиталь, а 4 - собственный магнитный момент электрона.
Но всё было бы хорошо, если бы все наши атомы состояли из 1 электрона, а это, как Вы знаете, действительности не соответствует. Электроны влияют друг на друга, и картина изменяется. Для водородоподобного атома, например, электронные орбитали 2s и 2p будут одинаковыми по энергии (их называют вырожденными), а для случая многоэлектронного атома это будет не так.
Электроны, находящиеся на внешних орбиталях, испытывают влияние не истинного заряда ядра, а так называемого эффективного заряда. Это связано с тем, что электроны внутренних орбиталей экранируют истинный заряд ядра. Это приводит к тому, что электронные орбитали становятся разными по энергии.
Теперь рассмотрим электронную конфигурацию многоэлектронных атомов в основном состоянии. Нам понадобится знать принципы заполнения орбиталей электронами:
- Принцип наименьшей энергии
- Принцип Паули
- Правило Хунда
Принцип наименьшей энергии звучит следующим образом:
В многоэлектронном атоме стабильной является такая конфигурация, для которой достигается минимум энергии.
Правило Клечковского: энергия орбиталей увеличивается в порядке возрастания суммы квантовых чисел n+l, а при одинаковой сумме этих чисел - в порядке возрастания главного квантового числа.
В качестве примера давайте рассмотрим 2s- и 2p-орбиталь. Для первой сумма n+l = 2 (2+0), а для второй n+l = 3 (2+1), поэтому электроны сначала будут заполнять 2s-орбиталь. Теперь давайте сравним 2p- и 3s-орбиталь. Для первой сумму n+l мы уже посчитали, а вот для второй n+l = 3(3+0) и, вспоминая правило Клечковского Мы можем сказать, что 3s-орбиталь по энергии будет выше, чем 2p-орбиталь, так как у 3s-орбитали значение главного квантового числа больше.
Принцип Паули формулируется следующим образом:
В атоме не существует двух электронов, состояние которых описывается одинаковым набором квантовых чисел.
То есть вводится ограничение на количество электронов на одной орбитали: их может быть не больше двух, причём они должны иметь разные значение спинового квантового числа.
Правило Хунда звучит так:
В пределах одного подуровня (т.е. на орбиталях с одним и тем же значением l (орбитального квантового числа)) электроны распределяются так, чтобы суммарный спин был максимален.
То есть другими словами, в рамках данного подуровня, электроны "заселяют" орбитали сначала по одному. Когда будут заняты все орбитали наполовину, на них может появиться второй электрон.
А теперь, когда Вы обладаете таким знанием, вперёд практиковаться! Надеюсь, статья была полезна. Всего хорошего!