Химия · Строение атома и периодический закон · 8 класс

Электронные оболочки и орбитали

Почему соль натрия окрашивает пламя в жёлтый цвет, а соль меди — в сине-зелёный?

Ситуация

В праздничную ночь в небе гремит салют: ярко-красные, ярко-зелёные, жёлтые и синие огоньки. Эти цвета дают не краски, а химические элементы: стронций — красный, барий — зелёный, натрий — жёлтый, медь — синий. То же и в химическом кабинете: если внести в пламя горелки проволоку с солью, пламя окрашивается. Почему каждый элемент даёт свой цвет и как это связано с тем, как расположены электроны в атоме?

Тема

Электронные оболочки и орбитали. Праздничный салют и цвет пламени: стронций — красный, натрий — жёлтый, медь — сине-зелёный; как расположены электроны по уровням и орбиталям

Ключевые понятия

Уровень и подуровень
Правило Клечковского
Цвет пламени

Формулы

N_{\max} = 2 n^{2}

Электроны, помещающиеся в $n$ -й оболочке (энергетическом уровне): K — 2, L — 8, M — 18, N — 32.

N_{подуровня} = 2 (2 l + 1)

s — 2, p — 6, d — 10, f — 14 электронов ( $l$ = 0, 1, 2, 3; число орбиталей $2 l + 1$ ).

1 s 2 s 2 p 3 s 3 p 4 s 3 d 4 p 5 s 4 d 5 p 6 s 4 f 5 d 6 p 7 s 5 f 6 d 7 p

Правило Клечковского: сначала заполняется подуровень с меньшей суммой $n + l$ , а при равной сумме — с меньшим $n$ .

E_{фотона} = h ν = \frac{h c}{λ}, λ [нм] = \frac{1239,8}{E [эВ]}

Свет, испускаемый при переходе электрона с верхнего уровня на нижний: натрий 589 нм ↔ 2,10 эВ.

Теория

Электронные оболочки (энергетические уровни)

Электроны в атоме расположены на разном удалении от ядра в оболочках — энергетических уровнях: $n$ = 1, 2, 3 … (K, L, M, N …). В $n$ -й оболочке помещается не более $2 n^{2}$ электронов: 2, 8, 18, 32. Число оболочек равно номеру периода элемента, а у элементов главных (A) подгрупп число электронов во внешней оболочке — номеру группы. В атомах малых периодов (1–3-й период: H … Ar) оболочки заполняются последовательно: Na — 2 · 8 · 1, Cl — 2 · 8 · 7. В больших периодах (с 4-го) во внешней оболочке не бывает больше 8 электронов: у калия, когда в M-оболочке ещё 8 электронов, 19-й электрон переходит в N-оболочку (2 · 8 · 8 · 1). Причина — внутри оболочек есть подуровни.

Подуровни, орбитали и квантовые числа

Состояние электрона задаётся четырьмя квантовыми числами. Главное квантовое число $n$ — оболочка (энергия и размер). Орбитальное квантовое число $l$ = 0 … $n - 1$ — подуровень и форма орбитали: s ( $l$ = 0, сферическая), p (1, «гантель»), d (2, четырёхлепестковая), f (3). Магнитное квантовое число $m_{l}$ = $- l$ … $+ l$ — ориентация орбитали в пространстве: у s 1 орбиталь, у p 3 ( $p_{x}, p_{y}, p_{z}$ ), у d 5, у f 7. Спиновое квантовое число $m_{s}$ = +½ или −½. На каждой орбитали помещается не более 2 электронов, поэтому ёмкость подуровня $2 (2 l + 1)$ , а в $n$ -й оболочке $n^{2}$ орбиталей и $2 n^{2}$ электронов.

Правила заполнения

Принцип Паули: в атоме не может быть двух электронов с одинаковыми четырьмя квантовыми числами — на одной орбитали не более 2 электронов с противоположными спинами (↑↓). Правило Хунда: на орбиталях подуровня электроны сначала размещаются по одному с одинаковым спином, затем спариваются (кислород 2p⁴: ↑↓ ↑ ↑ — 2 неспаренных электрона). Правило Клечковского: подуровни заполняются в порядке возрастания суммы $n + l$ , а при равной сумме — сначала с меньшим $n$ : 4s ( $n + l$ = 4) раньше 3d (5). У некоторых атомов бывает исключение: Cr — [Ar] 3d⁵ 4s¹ (ожидалось 3d⁴ 4s²), Cu — [Ar] 3d¹⁰ 4s¹: наполовину заполненный и полностью заполненный d-подуровень энергетически выгоднее.

Элементы больших периодов

В 4-м периоде у K и Ca заполняется 4s (s-элементы), затем у десяти элементов от Sc до Zn заполняется внутренний подуровень 3d — это d-элементы (переходные металлы): на внешней оболочке у них обычно 2 электрона (у Cr и Cu — 1), поэтому все они металлы. От Ga до Kr заполняется 4p (p-элементы). В 6-м и 7-м периодах заполняются 4f и 5f — лантаноиды и актиноиды (f-элементы). Семейство элемента определяется последним заполняемым подуровнем; Fe: [Ar] 3d⁶ 4s² — d-элемент.

Цвет пламени (лаборатория)

В пламени горелки соль испаряется, атомы нагреваются, и внешний электрон переходит на более высокий уровень; когда он возвращается, разность энергий выделяется в виде одного фотона: $λ = h c / Δ E$ . У натрия переход 3p → 3s: 589 нм (2,10 эВ) — жёлтый; у лития 2p → 2s: 670,8 нм — тёмно-красный; у калия 766,5 нм (глаз почти не видит) и 404,4 нм — бледно-фиолетовый. Цвет кальция, стронция, бария и меди в основном дают молекулы, образующиеся в пламени: CaOH (оранжево-красный), SrCl (красный, 617–646 нм), BaCl (зелёный, 511–533 нм), CuCl (синий, 403–456 нм) — из этих веществ делают и звёздочки салюта. Порядок работы: промойте нихромовую проволоку в HCl и прокаливайте в пламени до чистоты, затем окуните в образец и внесите в край пламени. Сильный жёлтый цвет примеси натрия маскирует калий — кобальтовое (синее) стекло поглощает жёлтый свет, и виден малиново-фиолетовый цвет калия. Этим способом можно различать минеральные удобрения: калийные (KCl — в Узбекистане его получают из сильвинита на Дехканабадском калийном заводе), натриевая и кальциевая селитры дают окраску, а аммиачная селитра пламя не окрашивает (аммоний определяют нагреванием со щёлочью).

Безопасность и модель

Безопасность: наденьте защитные очки, соберите волосы, не оставляйте горелку без присмотра; соли бария и меди ядовиты — не трогайте руками, не пробуйте на вкус; будьте осторожны с соляной кислотой для промывки проволоки. Модель: кольца в модели Бора — схема: электрон не вращается по определённой орбите. Орбитали показаны в форме угловой части $| Y_{l m} |^{2}$ , размер схематичен, радиальные узлы не показаны (они — в эксперименте «Орбитали атома водорода» раздела физики). Уровни энергии и линии — данные NIST; молекулярные полосы и относительная яркость линий приблизительны (зависят от пламени и соли). Цвет пламени — вид по таблицам качественного анализа; через кобальтовое стекло цвета, кроме калия, просто приглушены.

Знаете ли вы?

Цезий и рубидий открыты по спектру пламени: в 1860–1861 годах Р. Бунзен и Г. Кирхгоф увидели в спектроскопе новые линии. Отсюда и названия: латинское caesius — «небесно-голубой», rubidus — «тёмно-красный».
Гелий сначала был найден в спектре Солнца: во время солнечного затмения 1868 года наблюдали жёлтую линию (≈ 587,6 нм); на Земле гелий выделили только в 1895 году.

Что внутри эксперимента

Эксперимент начинается с жизненной ситуации: вы предсказываете результат, меняете параметры, проводите опыт и делаете вывод. Внутри — задания, теория, тест и экскурсия: камера сама движется и объясняет главное.

Другие эксперименты раздела

Строение атома и изотопы — 7 класс
Элементы и периодическая таблица — 7 класс