Opisywanie stanu elektronu w atomie za pomoca liczb kwantowych, Notatki z Chemia

Pobierz Opisywanie stanu elektronu w atomie za pomoca liczb kwantowych i więcej Notatki w PDF z Chemia tylko na Docsity!

Jak opisać stan elektronu w atomie za pomocą liczb

kwantowych?

Wprowadzenie Przeczytaj Film samouczek Sprawdź się Dla nauczyciela

Wiadomo, że atom składa się z centralnego, małego i dodatnio naładowanego jądra oraz otaczających go elektronów. Ale czy wiesz, jak rozmieszczone są te elektrony? Wiadomości z tego zakresu pozwalają na zrozumienie chemicznych właściwości pierwiastków i ich położenia w układzie okresowym. Od struktury elektronowej atomów pierwiastka – głównie od struktury najbardziej zewnętrznych elektronów, tzw. elektronów walencyjnych

• zależna jest m.in. barwa i sposób wiązania się z innymi pierwiastkami. Czy wiesz, w jaki sposób opisać stan elektronu w atomie? Znasz liczby kwantowe? Twoje cele

Zinterpretujesz wartości liczb kwantowych. Przedstawisz stan elektronu w atomie za pomocą liczb kwantowych. Określisz, ile elektronów może się znajdować w podpowłokach elektronowych.

Liczba elektronów walencyjnych (elektronów rozmieszczonych na najbardziej zewnętrznych powłokach), ich sposób rozmieszczenia w powłokach elektronowych oraz energia decydują w dużym stopniu o właściwościach atomów, a tym samym o pierwiastkach chemicznych. Źródło: dostępny w internecie: www.pixabay.com, domena publiczna.

Jak opisać stan elektronu w atomie za pomocą liczb

kwantowych?

Polecenie 1

Zakaz Pauliego

W roku Wolfgang Pauli zaproponował zasadę, zgodnie z którą w jednym atomie lub jonie nie mogą istnieć dwa elektrony o takich samych stanach kwantowych, czyli o takich samych wartościach czterech liczb kwantowych, ponieważ każdy elektron różni się od

Połącz pojęcia z ich definicjami.

Poboczna liczba kwantowa

może przyjmować wartości lub ; określa kierunek spinu (wewnętrznego momentu pędu) elektronu.

ms (^12)

Magnetyczna liczba kwantowa

może przyjmować wartości , , , , , , i jest równa co do wartości liczbowej numerowi powłoki, w której znajduje się dany elektron; im wyższa wartość głównej liczby kwantowej, tym większa energia elektronu oraz większy rozmiar orbitalu.

n 1 2 3 4

Magnetyczna spinowa liczba kwantowa

może przyjmować wartości od do (włącznie z zerem); określa, na którym poziomie orbitalnym znajduje się elektron oraz kształt i orientację przestrzenną orbitalu.

m (−l)

l

Spinowa liczba kwantowa

może przyjmować wartości ; określa, w której z podpowłok elektronowych znajduje się elektron: podpowłoce odpowiada bowiem wartość , podpowłoce wartość , a podpowłoce wartość.

l

0 ⩽ l ⩽ (n − 1)

s

l = 0 p

l = 1 d

l = 2

Główna liczba kwantowa

określa wewnętrzny moment pędu elektronu; wartość tej liczby kwantowej dla każdego elektronu jest równa 12.

innych energią całkowitą. Zasada została nazwana zakazem Pauliego. Poszczególne powłoki i podpowłoki mieszczą ograniczoną liczbę elektronów.

Skoro z zakazu Pauliego wynika, że elektrony muszą się różnić wartością przynajmniej jednej liczby kwantowej ( , , lub ), to tworząc odpowiednie kombinacje wszystkich czterech liczb kwantowych, można określić położenie elektronów na poziomach kwantowych oraz określić maksymalną liczbę elektronów na powłokach i podpowłokach.

Układ Okresowy Pierwiastków Chemicznych z zaznaczeniem bloków energetycznych Źródło: dostępny w internecie: wikimedia.org., licencja: CC BY-SA 3.0.

Obliczanie stanów kwantowych

Maksymalną liczbę elektronów, które mogą zajmować daną powłokę elektronową, czyli liczbę stanów kwantowych, można wyznaczyć ze wzoru:

gdzie:

• główna liczba kwantowa.

Ze wzoru wynika, że np. powłokę mogą zajmować maksymalnie , czyli dwa elektrony. Jest to już dla nas zrozumiałe, ponieważ dowiedzieliśmy się wcześniej, że

n l m ms

Maksymalna liczba elektron ó w = 2n^2

n

K(n = 1) 2 ⋅ 1^2 = 2

Polecenie 2

Opisz stan kwantowy elektronów walencyjnych atomu wanadu (symbol ). Wanad to pierwiastek należący do bloku układu okresowego (czwarty okres, piąta grupa). Posiada pięć elektronów walencyjnych.

Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Zapamiętaj

Stan elektronu w atomie można opisać za pomocą czterech liczb kwantowych. Każdy orbital atomowy może opisywać dwa elektrony o takiej samej energii, ale o przeciwnym spinie (przeciwnej wartości liczby kwantowej ). W zależności od rodzaju powłoki elektronowej, może ona zawierać maksymalnie po jednym orbitalu typu , trzy orbitale typu , pięć orbitali typu oraz siedem orbitali typu.

Słownik

powłoka elektronowa

zbiór elektronów o zbliżonych energiach i jednakowej wartości głównej liczby kwantowej podpowłoka elektronowa

V d

Liczba kwantowa Elektron^^1 Elektron^^2 Elektron^^3 Elektron^^4 Elektron^5

n

l

m

ms

s p d f

zbiór elektronów o jednakowych energiach, czyli opisanych tymi samymi liczbami i poziom orbitalny

stan kwantowy o takiej samej wartości liczb kwantowych , , orbital atomowy

funkcja falowa Ψ opisująca stan energetyczny elektronu w atomie spin

wielkość fizyczna, która określa właściwości magnetyczne elektronu, wynikające z jego ruchu wewnętrznego liczby kwantowe

parametry, które określają stan elektronu w atomie

Bibliografia

Atkins P., Jones L., Chemical Principles: The Quest for Insight, 5th Edition, New York 2009.

Penkala T., Podstawy Chemii Ogólnej, Warszawa 1982.

Trzebiatowski W., Chemia Nieorganiczna, Warszawa 1978.

n l

n l m

Ćwiczenie 1

Ćwiczenie 2

Opisz stan kwantowo-mechaniczny elektronu atomu wodoru w stanie podstawowym, wstawiając odpowiednie wartości w wyznaczone pola.

n

l

m

ms

0 0 12 lub− 12 1

Połącz definicje z właściwymi pojęciami.

Reguła Hunda

w celu uzyskania najbardziej korzystnego energetycznie zapełnienia orbitali atomowych, w obrębie jednej podpowłoki powinno być jak najwięcej elektronów niesparowanych.

Powłoka elektronowa zbiór stanów kwantowych o tej samej wartości głównej liczby kwantowej.

Liczby kwantowe

opisują dyskretne wielkości fizyczne, np. poziomy energetyczne cząstek, a także inne wielkości, jak pęd, moment pędu, spin.

Zakaz Pauliego

w atomie nie mogą istnieć dwa elektrony, które mają takie same wartości wszystkich liczb kwantowych.

Ćwiczenie 3

Ćwiczenie 4

Opisz stan kwantowo–mechaniczny dwóch elektronów walencyjnych atomu wapnia w stanie podstawowym, wpisując odpowiednie wartości w wyznaczone pola.

Jakie wartości może przyjmować magnetyczna liczba kwantowa dla elektronu znajdującego się na podpowłoce nd?

−3 2 0 4 3 −1 1 12 − 12 −

1 e−^2 e−

n n

l l

m m

ms = 12 ms = − (^12)

Ćwiczenie 3

Znajdź błąd w poniższym opisie elektronu, za pomocą liczb kwantowych , , oraz.

n = 2 l = 2 m = 1 ms = (^12)

Ćwiczenie 4

Podaj liczbę elektronów, które mogą być opisane podanym zestawem liczb kwantowych: , ,.

Liczba elektronów:. . . . .

n = 3 n = −2 ms = − (^12)

n = l = m = ms =

3 −2 − 12 2 1

醙

醙

Ćwiczenie 5

Poniżej zapisano symbole dziewięciu pierwiastków chemicznych. Wybierz i zaznacz symbole tych, dla który prawdziwe jest stwierdzenie: "Atomy tego pierwiastka posiadają przynajmniej elektron, który w stanie podstawowym opisany jest wartością pobocznej liczby kwantowej równej.

Fe

Co

S

F

Na

Mg

Cr

Al

Si

醙

Ćwiczenie 8 Pierwiastek " " leży w drugiej grupie głównej i trzecim okresie układu okresowego. Podaj symbol, liczbę atomową tego pierwiastka oraz opisz stan obu elektronów walencyjnych pierwiastka " " za pomocą czterech liczb kwantowych.

Liczba kwantowa Elektron Elektron

Z

Z

n

l

m

ms

Symbol:. Liczba atomowa:.

Na Mg 4 Be 12 11

難

Dla nauczyciela

Scenariusz zajęć

Autor: Patrycja Męcik, Krzysztof Błaszczak

Przedmiot: chemia

Temat: Jak opisać stan elektronu w atomie za pomocą liczb kwantowych?

Grupa docelowa: III etap edukacyjny, liceum, technikum, zakres rozszerzony; uczniowie III etapu edukacyjnego – kształcenie w zakresie rozszerzonym

Podstawa programowa:

Zakres rozszerzony

II. Budowa atomu. Uczeń:

2. interpretuje wartości liczb kwantowych; opisuje stan elektronu w atomie za pomocą liczb kwantowych; stosuje pojęcia: powłoka, podpowłoka, stan orbitalny, spin elektronu.

Kształtowane kompetencje kluczowe:

kompetencje w zakresie rozumienia i tworzenia informacji; kompetencje matematyczne oraz kompetencje w zakresie nauk przyrodniczych, technologii i inżynierii; kompetencje cyfrowe; kompetencje osobiste, społeczne i w zakresie umiejętności uczenia się.

Cele operacyjne:

Uczeń:

interpretuje wartości liczb kwantowych; opisuje stanu elektronu w atomie za pomocą liczb kwantowych; określa liczbę elektronów, jaka może znajdować się w podpowłokach elektronowych.

Strategie nauczania:

asosjacyjna.

Metody i techniki nauczania:

dyskusja dydaktyczna; burza mózgów;

2. Nauczyciel dzieli losowo uczniów na trzy grupy zadaniowe. Zadaniem uczniów będzie ustalenie liczby stanów kwantowych:

grupa I – dla n=1 i dla n=2; grupa II – dla n=3; grupa III – dla n=4. Po zakończonej pracy liderzy przedstawiają rezultaty pracy grupy na forum klasy z wykorzystaniem techniki gadająca ściana. Uczniowie nawzajem mogą zadawać sobie pytania. Nauczyciel czuwa nad poprawnością rozwiązywanych zadań.

3. Uczniowie samodzielnie analizują medium bazowe – film samouczek i sprawdzają swoją wiedzę, wykonując ćwiczenia załączone do medium.
4. Uczniowie samodzielnie sprawdzają swoją wiedzę wykonując ćwiczenia w e‐materiale
   • „Sprawdź się”.

Faza podsumowująca

1. Na zakończenie zajęć nauczyciel zadaje przykładowe pytania: Jak opisać stan elektronu w atomie? Jakie znasz liczby kwantowe? Czym charakteryzuje się główna liczba kwantowa? Czego dotyczy zakaz Pauliego?
2. Jako podsumowanie lekcji nauczyciel może wykorzystać zdania do uzupełnienia, które uczniowie również zamieszczają w swoim portfolio:

Przypomniałem/łam sobie, że... Co było dla mnie łatwe... Czego się nauczyłam/łem... Co sprawiało mi trudność...

Praca domowa:

Nauczyciel prosi uczniów o dokończenie ćwiczeń w e‐materiale.

Wskazówki metodyczne opisujące różne zastosowania multimedium:

Film samouczek może zostać wykorzystany przez uczniów podczas przygotowywania się do zajęć lub sprawdzianu wiedzy.

Materiały pomocnicze:

1. Arkusze papieru, mazaki, glutaki.
2. Polecenia podsumowujące (nauczyciel przed lekcją zapisuje je na niewielkich kartkach):

Jak opisać stan elektronu w atomie? Jakie znasz liczby kwantowe? Czym charakteryzuje się główna liczba kwantowa?

Czego dotyczy zakaz Pauliego?