Введение в квантовомеханическую модель

Атомная структура была захватывающей темой на протяжении всей истории. Понимание того, как организованы атомы, помогает нам понять основы химии и физики. В этом руководстве мы углубимся в квантовомеханическую модель, одну из самых продвинутых и общепринятых теорий, объясняющих структуру атомов.

Путешествие квантовомеханической модели

Прежде чем мы обсудим квантовомеханическую модель, давайте кратко рассмотрим, как наше понимание атома эволюционировало с течением времени.

Атомная теория Дальтона

В начале 1800-х годов Джон Дальтон предложил, что атомы были неделимыми частицами, наименьшими единицами вещества. Он считал, что атомы различных элементов отдельных друг от друга. Хотя это была революционная идея, последующие открытия показали, что атомы на самом деле делимы и более сложны.

Модель "пудинг с изюмом" Томсона

В 1897 году Дж. Дж. Томсон открыл электрон, отрицательно заряженную частицу. Он предложил, что атомы состоят из электронов, разбросанных в "супе" положительного заряда, как изюм в пудинге.

Атомная модель Резерфорда

Эрнест Резерфорд открыл ядро через свой эксперимент с золотой фольгой в 1911 году. Он предложил новую модель, в которой атом состоит из плотного положительного ядра, вокруг которого орбитируют электроны, так же как планеты орбитируют вокруг солнца.

Планетарная модель Бора

Нильс Бор модифицировал модель Резерфорда в 1913 году. Он ввел концепцию энергетических уровней и предложил, что электроны существуют на определенных орбитах вокруг ядра и могут переходить между этими орбитами, поглощая или испуская энергию.

Понимание квантовомеханической модели

Квантовомеханическая модель - это самое современное понимание атома. Она была разработана в 1920-х годах с существенными вкладом ученых, таких как Шрёдингер, Гейзенберг и де Бройль. Эта модель вводит концепцию вероятностных облаков вместо фиксированных орбит для электронов.

Дуализм волна-частица

Фундаментальная концепция в квантовомеханической модели - дуализм волна-частица. Эта теория утверждает, что каждая частица, включая электроны, проявляет как частичные, так и волновые свойства.

В случае электронов они иногда могут вести себя как крошечные частицы, летящие вокруг, а иногда проявлять волновые свойства с интерференционными узорами.

Принцип неопределенности Гейзенберга

Вернер Гейзенберг ввел принцип, согласно которому мы не можем точно знать как положение, так и импульс электрона одновременно. Чем точнее мы знаем одно, тем менее точно мы можем знать другое.

Уравнение волны Шрёдингера

Эрвин Шрёдингер разработал важное математическое уравнение, которое описывает, как квантовое состояние физической системы изменяется со временем. Решения уравнения Шрёдингера известны как волновые функции, которые помогают предсказать поведение электронов в атомах.

Ψ(x, t) = A e^{i(kx - ωt)}

В этом уравнении Ψ(пси) - волновая функция, которая описывает вероятность нахождения электрона в определенной области вокруг ядра.

Квантовые числа

В квантовомеханической модели электроны больше не представляются как движущиеся по определенным путям вокруг ядра. Вместо этого их состояния описываются набором из четырех квантовых чисел:

• Главное квантовое число (n): Указывает на энергетический уровень электрона.
• Квантовое число орбитального момента (l): Относится к размеру орбитали.
• Магнитное квантовое число (_ML): Определяет ориентацию орбитали в пространстве.
• Спиновое квантовое число (_ms): Указывает направление спина электрона.

Размеры орбиталей

В квантовомеханической модели электроны не вращаются по фиксированным орбитам, а находятся в областях, называемых орбиталями. Каждая орбиталь имеет уникальную форму и энергетический уровень:

s-орбитали

Простейшая орбиталь, называемая s орбиталь, является сферической. Существует одна s орбиталь для каждого энергетического уровня.

p-орбитали

p орбитали имеют форму гантели и ориентированы вдоль осей x, y и z. Начиная со второго энергетического уровня, на каждом энергетическом уровне есть три p орбитали.

d-орбитали

d-орбитали имеют более сложную форму. Начиная с третьего энергетического уровня, существует пять возможных d-орбиталей.

f-орбитали

f-орбитали еще сложнее и начинаются с четвертого энергетического уровня, на котором существует семь возможных f-орбиталей.

Электронная Конфигурация

Электронная конфигурация показывает, как электроны распределены в орбиталях вокруг ядра атома. Каждый электрон занимает наименьший энергетический орбиталь, который он может достичь. Это известно как принцип наименьшей энергии. Электроны заполняют орбитали в следующем порядке 5p 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p, 5s 6s 4d, 3d, 4p и так далее.

Когда мы пишем электронные конфигурации, мы используем надстрочные числа, чтобы указать количество электронов в каждой орбитали. Электронная конфигурация элемента говорит нам о его химических свойствах и его положении в периодической таблице.

Принципы Распределения Электронов

Принцип исключения Паули

Он утверждает, что никакие два электрона в атоме не могут иметь одинаковый набор из четырех квантовых чисел. Таким образом, каждая орбиталь может содержать максимум два электрона с противоположными спинами.

Правило Хунда

Правило Хунда гласит, что электроны будут заполнять орбитали так, чтобы максимизировать число электронов с одинаковым направлением спина. Это означает, что электроны предпочитают занимать пустые орбитали, прежде чем удваиваться в орбитале.

Визуализация Вероятностных Облаков

В отличие от планетарной модели, где электроны движутся по фиксированным путям, квантовомеханическая модель описывает электроны как вероятностные облака. Эти облака помогают нам предсказать, где электрон скорее всего будет найден.

Рассмотрим каждое электронное облако как лампочку: чем ярче свет, тем выше вероятность обнаружить электрон там.

Заключение

Квантовомеханическая модель представляет собой важное развитие в понимании атомной структуры. Она вводит ключевые концепции, такие как дуализм волна-частица, неопределенность и вероятностные поля электронов вместо определенных путей. Приняв эти концепции, студенты химии могут лучше понять поведение и взаимодействия атомов на самом базовом уровне.

Понимание этой модели не только увеличивает наши знания о научных явлениях, но и открывает двери для разработки новых технологий в таких областях, как электроника и фармакология. Квантовомеханическая модель остается краеугольным камнем в изучении химии, предоставляя более точное представление атомной структуры.

Комментарии