Что такое возбужденное состояние атома в химии
Основное и возбужденное состояние атома
Как известно, атомы могут вступать в химические реакции с другими атомами, с образованием химических связей, путем отдачи/принятия своих/чужих электронов, которые называются валентными (см. Валентность).
В Периодической таблице химических элементов Д. И. Менделеева все атомы отображены в их основном состоянии (состоянии с минимальной энергией). Основное состояние атома описывается электронной конфигурацией атома, согласно его положению в Периодической таблице (см. Таблицу электронных конфигураций атомов химических элементов по периодам.
В определенных ситуациях, некоторые атомы, получая энергию извне, переходят в, так называемое, возбужденное состояние, в котором пребывают относительно короткое время, поскольку возбужденное состояние является нестабильным, после чего возбужденный атом отдает энергию и возвращается в свое основное (стабильное) состояние.
Рассмотрим основное и возбужденное состояние атома на конкретных примерах.
Рис. Электронные конфигурации атомов азота, кислорода, фтора, неона.
Азот, кислород, фтор и неон не могут иметь возбужденного состояния по той простой причине, что они не имеют свободной орбитали с более высокой энергией, на которую могли бы «перескакивать» спаренные электроны с орбиталей с меньшей энергией.
Рис. Возбужденное состояние атома серы.
В основном состоянии атом серы имеет 2 валентных электрона (голубой цвет). Как видно из вышеприведенного рисунка, получая энергию извне, у атома серы могут появляться еще 2 (желтый цвет) или 4 (желтый+оранжевый) дополнительных валентных электрона, при этом общее кол-во валентных электронов увеличивается до 4 или 6 соответственно.
Если вам понравился сайт, будем благодарны за его популяризацию 🙂 Расскажите о нас друзьям на форуме, в блоге, сообществе. Это наша кнопочка:
Код кнопки:
Политика конфиденциальности Об авторе
Атомы и электроны
Атомно-молекулярное учение
Описываемая модель атома называется «планетарной» и была предложена в 1913 году великими физиками: Нильсом Бором и Эрнестом Резерфордом
Запомните, что в невозбужденном состоянии атом содержит одинаковое число электронов и протонов. Так у кальция (порядковый номер 20) в ядре находится 20 протонов, а вокруг ядра на электронных орбиталях 20 электронов.
Я еще раз подчеркну эту важную деталь. На данном этапе будет отлично, если вы запомните простое правило: порядковый номер элемента = числу электронов. Это наиболее важно для практического применения и изучения следующей темы.
Электронная конфигурация атома
Электроны атома находятся в непрерывном движении вокруг ядра. Энергия электронов отличается друг от друга, в соответствии с этим электроны занимают различные энергетические уровни.
Состоит из s-подуровня: одной «s» ячейки (2s 2 ) и p-подуровня: трех «p» ячеек (2p 6 ), на которых помещается 6 электронов
Состоит из s-подуровня: одной «s» ячейки (3s 2 ), p-подуровня: трех «p» ячеек (3p 6 ) и d-подуровня: пяти «d» ячеек (3d 10 ), в которых помещается 10 электронов
Состоит из s-подуровня: одной «s» ячейки (4s 2 ), p-подуровня: трех «p» ячеек (4p 6 ), d-подуровня: пяти «d» ячеек (4d 10 ) и f-подуровня: семи «f» ячеек (4f 14 ), на которых помещается 14 электронов
Зная теорию об энергетических уровнях и порядковый номер элемента из таблицы Менделеева, вы должны расположить определенное число электронов, начиная от уровня с наименьшей энергией и заканчивая к уровнем с наибольшей. Чуть ниже вы увидите несколько примеров, а также узнаете об исключении, которое только подтверждает данные правила.
Подуровни: «s», «p» и «d», которые мы только что обсудили, имеют в определенную конфигурацию в пространстве. По этим подуровням, или атомным орбиталям, движутся электроны, создавая определенный «рисунок».
Правила заполнения электронных орбиталей и примеры
Должно быть, вы обратили внимание на некоторое несоответствие: после 3p подуровня следует переход к 4s, хотя логично было бы заполнить до конца 4s подуровень. Однако природа распорядилась иначе.
Запомните, что, только заполнив 4s подуровень двумя электронами, можно переходить к 3d подуровню.
Теперь мы располагаем указанное количество электронов на энергетических уровнях, руководствуясь правилами заполнения.
Обращаю ваше особе внимание: на 2p-подуровне углерода мы расположили 2 электрона в разные ячейки, следуя одному из правил. А на 3p-подуровне у серы электронов оказалось много, поэтому сначала мы расположили 3 электрона по отдельным ячейкам, а оставшимся одним электроном дополнили первую ячейку.
Внешний уровень и валентные электроны
Тренировка
Потренируйтесь и сами составьте электронную конфигурацию для магния и скандия. Определите число электронов на внешнем (валентном) уровне и число неспаренных электронов. Ниже будет дано наглядное объяснение этой задаче.
Возбужденные атомы: 1. Кто такие и где встречаются
Три изображения атома: стилизованное, упрощенное и более реалистичное. Упрощенная модель нарисована в соответствии с устаревшей боровской моделью атома, но она удобна для иллюстраций перехода электрона с орбиты на орбиту. Однако не поддавайтесь ложному впечатлению, которое она создает! Реальные электроны в атоме — это вовсе не маленькие шарики, которые летают по четко заданным орбитам; они больше напоминают размазанные в пространстве облака электронной плотности
Атомы — элементарные кирпичики вещества — устроены, на первый взгляд, очень просто. Внутри атома тяжелое и очень компактное ядро, вокруг которого движутся несколько электронов. Законы квантовой механики говорят, что электроны не могут двигаться как угодно, а должны образовывать определенную устойчивую конфигурацию, которая имеет наименьшую энергию и сама по себе уже не развалится. Эта конфигурация называется основным состоянием атома; практически все атомы вокруг нас — именно такие. Вся химия, всё многообразие веществ и материалов возникает из того, как взаимодействуют друг с другом атомы в основном состоянии.
Однако электронную конфигурацию можно «взбаламутить», посветив на атом светом или как-то иначе передав ему дополнительную энергию. Форма электронной оболочки изменится, полная энергия атома повысится, и атом перейдет в новое состояние, которое называется возбужденным. Опять же, по законам квантовой механики возбужденные состояния не могут быть какие угодно, они должны быть строго определенными, с некоторой дополнительной энергией, зависящей от типа возбуждения. Поэтому возбужденные состояния занимают определенные энергетические уровни, причем эта лесенка уровней энергии — своя для каждого сорта атомов.
Вверху: электронные облака для некоторых возбужденных состояний атома водорода. Внизу: энергетический спектр атома водорода. Изображение с сайта en.wikipedia.org
Передав атому очень много лишней энергии, его можно возбудить настолько сильно, что электрон попросту от него оторвется и улетит прочь. Такой процесс называется ионизацией, а получившийся положительно заряженный «недоатом» — ионом. Оставшиеся у иона электроны можно возбуждать дальше, но только лесенка, — или, на научном языке, спектр — возбужденных уровней энергии у него уже будет отличаться от исходного атома. Экстремальный случай возбуждения — это когда у атома отбирают вообще все электроны, и от него остается лишь голое ядро. Так бывает либо при очень высокой температуре, либо в экстремальных условиях, например, при поглощении сверхмощной световой вспышки.
То, что у каждого сорта атомов и даже у каждого типа ионов одного элемента есть свой собственный спектр возбужденных состояний, — очень помогает физикам. Это дает им исключительно удобный метод диагностики на расстоянии, без непосредственного контакта, и самого вещества, и физических условий, в которых оно находится.
Спектральный состав света, исходящего от полярного сияния, позволяет определить, какие именно молекулы испускают это сияние и с какой интенсивностью. Изображение с сайта atoptics.co.uk
Например, в глубоком космосе встречаются огромные облака частично ионизированного газа. От него идет свет, в спектре которого встречаются многочисленные линии излучения или поглощения. Расшифровав эти спектры, можно найти в них «личную подпись» каждого типа ионов, находящихся в том далеком облаке. Сравнив интенсивность линий друг с другом, можно узнать, каких ионов там больше, а отсюда оценить температуру и плотность газа. Ну а если вдруг в спектре светящихся космических облаков встретится какая-то «анонимка» — линия излучения, не соответствующая ни одному известному иону, — это производит в физике настоящий фурор. Один пример такой ситуации, которая развивается прямо на наших глазах, см. в новостях В спектрах скоплений галактик обнаружена неизвестная линия излучения и Новые результаты не подтверждают загадочную рентгеновскую линию излучения
Электронная конфигурация атома
Теория к заданию 1 из ЕГЭ по химии
Понятие атом возникло еще в античном мире для обо значения частиц вещества. В переводе с греческого атом означает «неделимый».
Электроны
Томсон и Перрен соединяли полюса источника тока с двумя металлическими пластинами — катодом и анодом, впаянными в стеклянную трубку, из которой был откачан воздух. При подаче на пластины-электроды напряжения около 10 тысяч вольт в трубке вспыхивал светящийся разряд, а от катода (отрицательного полюса) к аноду (положительному полюсу) летели частицы, которые ученые сначала назвали катодными лучами, а затем выяснили, что это был поток электронов. Электроны, ударяясь об особые вещества, нанесенные, например, на экран телевизора, вызывают свечение.
Был сделан вывод: электроны вырываются из атомов материала, из которого сделан катод.
Свободные электроны или поток их можно получить и другими способами, например, при накаливании металлической проволоки или при падении света на металлы, образованные элементами главной подгруппы I группы таблицы Менделеева (например, цезий).
Состояние электронов в атоме
Под состоянием электрона в атоме понимают совокупность информации об энергии определенного электрона в пространстве, в котором он находится. Мы уже знаем, что электрон в атоме не имеет траектории движения, т.е. можно говорить лишь о вероятности нахождения его в пространстве вокруг ядра. Он может находиться в любой части этого пространства, окружающего ядро, и совокупность различных положений его рассматривают как электронное облако с определенной плотностью отрицательного заряда. Образно это можно представить себе так: если бы удалось через сотые или миллионные доли секунды сфотографировать положение электрона в атоме, как при фотофинише, то электрон на таких фотографиях был бы представлен в виде точки. При наложении бесчисленного множества таких фотографий получилась бы картина электронного облака с наибольшей плотностью там, где этих точек больше всего.
Пространство вокруг атомного ядра, в котором наиболее вероятно нахождение электрона, называется орбиталью.
Оно характеризует 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 характеризуются большим запасом энергии. Следовательно, наименее прочно связаны с ядром атома электроны внеш него уровня.
Число энергетических уровней (электронных слоев) в атоме равно номеру периода в системе Д. И. Менделеева, к которому принадлежит химический элемент: у атомов элементов первого периода один энергетический уровень; второго периода — два; седьмого периода — семь.
Наибольшее число электронов на энергетическом уровне определяется по формуле:
Число подуровней равно значению главного квантового числа: первый энергетический уровень имеет один под уровень; второй — два; третий — три; четвертый — четыре. Подуровни, в свою очередь, образованы орбиталями.
Главное квантовое число, типы и число орбиталей, максимальное число электронов на подуровнях и уровнях.
Ядро атома
Но не только электроны входят в состав атомов. Физик Анри Беккерель обнаружил, что природный минерал, содержащий соль урана, тоже испускает неведомое излучение, засвечивая фотопленки, закрытые от света. Это явление было названо радиоактивностью.
Различают три вида радиоактивных лучей:
Следовательно, атом имеет сложное строение — состоит из положительно заряженного ядра и электронов.
Как же устроен атом?
Расчеты показали, что наблюдаемые явления могли произойти, если бы вся масса атома и весь его положительный заряд были сосредоточены в крохотном центральном ядре. Радиус ядра, как выяснилось, в 100 000 раз меньше радиуса всего атома, той его области, в которой находятся электроны, имеющие отрицательный заряд. Если применить образное сравнение, то весь объем атома можно уподобить стадиону в Лужниках, а ядро — футбольному мячу, расположенному в центре поля.
Атом любого химического элемента сравним с крохотной Солнечной системой. Поэтому такую модель атома, предложенную Резерфордом, называют планетарной.
Протоны и нейтроны
Оказывается, и крошечное атомное ядро, в котором сосредоточена вся масса атома, состоит из частиц двух видов — протонов и нейтронов.
Протоны и нейтроны вместе называют нуклонами (от лат. nucleus — ядро).
Сумма числа протонов и нейтронов в атоме называется массовым числом. Например, массовое число атома алюминия:
Например, число нейтронов в атоме железа равно:
В таблице представлены основные характеристики элементарных частиц.
Основные характеристики элементарных частиц.
Изотопы
Разновидности атомов одного и того же элемента, имеющие одинаковый заряд ядра, но разное массовое число, называются изотопами.
Слово изотоп состоит из двух греческих слов: isos — одинаковый и topos — место, обозначает «занимающий одно место» (клетку) в Периодической системе элементов.
Химические свойства изотопов хлора совершенно одинаковы, как и изотопов большинства химических элементов, например калия, аргона:
Теперь можно дать современное, более строгое и научное определение химическому элементу.
Химический элемент — это совокупность атомов с одинаковым зарядом ядра.
Строение электронных оболочек атомов элементов первых четырех периодов
Рассмотрим отображение электронных конфигураций атомов элементов по периодам системы Д. И. Менделеева.
Элементы первого периода.
Схемы электронного строения атомов показывают распределение электронов по электронным слоям (энергетическим уровням).
Электронные формулы атомов показывают распределение электронов по энергетическим уровням и под уровням.
Графические электронные формулы атомов показывают распределение электронов не только по уровням и под уровням, но и по орбиталям.
Элементы второго периода.
Элементы третьего периода.
У атомов элементов третьего периода первый и второй электронные слои завершены, поэтому заполняется третий электронный слой, в котором электроны могут занимать 3s-, 3р- и 3d-под уровни.
Строение электронных оболочек атомов элементов третьего периода.
| Символ элемента, порядковый номер, название | Схема электронного строения | Электронная формула | Графическая электронная формула |
| $↙<11> |  | $1s^2<2>s^2<2>p^6<3>s^1$ |  |
| $↙<13> |  | $1s^2<2>s^2<2>p^6<3>s^2<3>p^1$ |  |
| $↙<18> |  | $1s^2<2>s^2<2>p^6<3>s^2<3>p^6$ |  |
Элементы четвертого периода.
$4f$-элементы называют лантаноидами.
$5f$-элементы называют актиноидами.
В зависимости от того, какой подуровень атома заполняется электронами последним, все элементы, как вы уже поняли, делят на четыре электронных семейства, или блока:
Электронная конфигурация атома. Основное и возбужденное состояние атомов
Если на орбитали находится один электрон, то он называется неспаренным, если два, то это спаренные электроны, т.е. электроны с противоположными спинами.
На рисунке показана схема деления энергетических уровней на подуровни.
Иногда в схемах, изображающих распределение электронов в атомах, указывают только число электронов на каждом энергетическом уровне, т.е. записывают сокращенные электронные формулы атомов химических элементов, в отличие от приведенных выше полных электронных формул, например:
Очень часто строение электронных оболочек атомов изображают с помощью энергетических, или квантовых ячеек — записывают так называемые графические электронные формулы. Для этой записи используют следующие обозначения: каждая квантовая ячейка обозначается клеткой, которая соответствует одной орбитали; каждый электрон обозначается стрелкой, соответствующей направлению спина. При записи графической электронной формулы следует помнить два правила: принцип Паули, согласно которому в ячейке (орбитали) может быть не более двух электронов, но с антипараллельными спинами, и правило Ф. Хунда, согласно которому электроны занимают свободные ячейки сначала по одному и имеют при этом одинаковое значение спина, и лишь затем спариваются, но спины при этом, по принципу Паули, будут уже противоположно направленными.
Основное и возбужденное состояние атома
Состояние атома, при котором его электроны находятся на таких энергетических уровнях, что их суммарная энергия является минимальной, называется основным или невозбужденным. Состояния с более высокими значениями энергии называются возбужденными.
При сообщении атому дополнительной энергии электроны могут переходить на обладающие большей энергией орбитали. Эти переходы с подуровня на подуровень возможны только в пределах одного внешнего энергетического уровня. Привозбуждении могут распариваться электроны только внешнего электронного уровня, если на нем есть свободные орбитали.
вОПРОС №6Строение электронных оболочек атомов. Принцип наименьшей энергии, правило Гунда, принцип Паули. Электронная структура атомов и периодическая система Д.И. Менделеева. Формулировка периодического закона Д.И. Менделеева.
4.1. Периодический закон Д.И.Менделеева
«Свойства химических элементов, а также свойства и форма образуемых ими соединений, находятся в периодической зависимости от заряда их атомов и определяются периодически повторяющимися однотипными электронными конфигурациями их атомов».
По принципу Паули в атоме не может быть двух электронов с одинаковыми значениями всех четырех квантовых чисел.
Согласно принципу наименьшей энергии электроны заполняют орбитали в порядке повышения их энергии.
Очередность заполнения орбиталей определяется правилом Клечковского: увеличение энергии и, соответственно, заполнение орбиталей происходит в порядке возрастания суммы главного и орбитального квантовых чисел (n + l), а при равной сумме (n + l) – в порядке возрастания главного квантового числа n.
правило Гунда:
в пределах подуровня электроны размещаются таким образом, чтобы сумма их спиновых квантовых чисел имела бы максимальное значение по абсолютной величине.
Электронная конфигурация атома может быть изображена в виде так называемой электронно-графической формулы. Эта схема размещения электронов в квантовых ячейках, которые являются графическим изображением атомной орбитали. В каждой квантовой ячейке может быть не более двух электронов с различными значениями спиновых квантовых чисел.
Чтобы составить электронную или электронно-графическую формулу любого элемента следует знать:
1. Порядковый номер элемента, т.е. заряд его ядра и соответствующее ему число электронов в атоме.
2. Номер периода, определяющий число энергетических уровней атома.
3. Квантовые числа и связь между ними.
число неспаренных (одиночных) электронов определяет валентность элемента, т.е. его способность образовывать химические связи с другими элементами.
Периодическая система, как графическое изображение Периодического закона Д.И. Менделеева, состоит из периодов и групп. Все периоды начинаются с s-элемента и заканчиваются p-элементом первого периода s-элементомПо вертикали в таблице расположено 8 групп, в которых один под другим размещены элементы, имеющие сходные свойства.