Основной электрон
Электроны ядра — это электроны в атоме , которые не являются валентными электронами и не участвуют в химической связи . [1] Ядро . и основные электроны атома образуют атомное ядро Электроны ядра прочно связаны с ядром. Следовательно, в отличие от валентных электронов, остовные электроны играют второстепенную роль в химической связи и реакциях, экранируя положительный заряд атомного ядра от валентных электронов. [2]
Число валентных электронов элемента можно определить по группе таблицы Менделеева элемента (см. валентный электрон ):
- Для элементов основной группы число валентных электронов колеблется от 1 до 8 ( ns- и n- p-орбитали).
- У переходных металлов число валентных электронов колеблется от 3 до 12 ( ns- и ( n -1)d-орбитали).
- У лантаноидов и актинидов число валентных электронов колеблется от 3 до 16 ( n s, ( n −2)f и ( n −1)d орбитали).
Все остальные невалентные электроны атома этого элемента считаются остовными электронами.
Орбитальная теория
[ редактировать ]Более сложное объяснение разницы между остовными и валентными электронами можно описать с помощью теории атомных орбиталей.
В атомах с одним электроном энергия орбитали определяется исключительно главным квантовым числом n . Орбиталь n = 1 имеет наименьшую возможную энергию в атоме. При больших n энергия возрастает настолько, что электрон может легко вырваться из атома. В одноэлектронных атомах все энергетические уровни с одним и тем же основным квантовым числом вырождены и имеют одинаковую энергию.
В атомах с более чем одним электроном энергия электрона зависит не только от свойств орбитали, на которой он находится, но и от его взаимодействия с другими электронами на других орбиталях. Для этого необходимо учитывать ℓ квантовое число. Более высокие значения ℓ связаны с более высокими значениями энергии; например, состояние 2p выше, чем состояние 2s. Когда ℓ = 2, увеличение энергии орбитали становится достаточно большим, чтобы поднять энергию орбитали выше энергии s-орбитали в следующей более высокой оболочке; когда ℓ = 3, энергия попадает в оболочку на две ступени выше. Заполнение 3d-орбиталей не происходит до тех пор, пока не будут заполнены 4s-орбитали.
Увеличение энергии подоболочек с увеличивающимся угловым моментом в более крупных атомах обусловлено эффектами электрон-электронного взаимодействия и, в частности, связано со способностью электронов с низким угловым моментом более эффективно проникать к ядру, где они подвергаются меньшему экранированию. от заряда промежуточных электронов. Таким образом, в атомах с более высоким атомным номером ℓ n электронов становится все более и более определяющим фактором их энергии, а главные квантовые числа электронов становятся все менее и менее важными в их энергетическом размещении. Энергетическая последовательность первых 35 подоболочек (например, 1s, 2s, 2p, 3s и т. д.) приведена в следующей таблице [не показано?]. Каждая ячейка представляет собой подоболочку с n и ℓ, заданными индексами строки и столбца соответственно. Число в ячейке — это позиция подоболочки в последовательности. См. Таблицу Менделеева ниже, организованную по подоболочкам.
Атомное ядро
[ редактировать ]Атомное ядро относится к центральной части атома, исключая валентные электроны . [3] Ядро атома имеет положительный электрический заряд, называемый зарядом ядра , и представляет собой эффективный заряд ядра, испытываемый электроном внешней оболочки . Другими словами, заряд остова — это выражение силы притяжения, испытываемой валентными электронами к ядру атома , которая учитывает экранирующий эффект остовных электронов. Заряд ядра можно рассчитать, взяв количество протонов в ядре минус количество электронов ядра, также называемых электронами внутренней оболочки, и в нейтральных атомах он всегда является положительным значением.
Масса ядра почти равна массе атома. Атомное ядро с достаточной точностью можно считать сферически-симметричным. Радиус ядра как минимум в три раза меньше радиуса соответствующего атома (если рассчитывать радиусы теми же методами). Для тяжелых атомов радиус ядра немного увеличивается с увеличением числа электронов. Радиус ядра самого тяжелого элемента природы — урана — сравним с радиусом атома лития, хотя последний имеет всего три электрона.
Химические методы не могут отделить электроны ядра от атома. При ионизации пламенем или ультрафиолетовым излучением ядра атомов, как правило, также остаются неповрежденными.
Заряд ядра — удобный способ объяснить тенденции в таблице Менделеева. [4] Поскольку заряд ядра увеличивается по мере продвижения по ряду таблицы Менделеева , электроны внешней оболочки все сильнее притягиваются к ядру, и радиус атома уменьшается. Это можно использовать для объяснения ряда периодических тенденций, таких как атомный радиус, первая энергия ионизации (IE), электроотрицательность и окисление .
Заряд ядра также можно рассчитать как «атомный номер» минус «все электроны, кроме тех, что находятся во внешней оболочке». Например, хлор (элемент 17) с электронной конфигурацией 1s. 2 2 с 2 2р 6 3 с 2 3р 5 , имеет 17 протонов и 10 электронов внутренней оболочки (2 в первой оболочке и 8 во второй), поэтому:
- Заряд ядра = 17 − 10 = +7
Заряд ядра — это чистый заряд ядра, учитывая, что завершенные оболочки электронов действуют как «щит». По мере увеличения заряда ядра валентные электроны сильнее притягиваются к ядру, и атомный радиус уменьшается в течение периода.
Релятивистские эффекты
[ редактировать ]Для элементов с высоким атомным номером Z релятивистские эффекты могут наблюдаться для остовных электронов. Скорости s-электронов остова достигают релятивистского момента, что приводит к сжатию 6s-орбиталей относительно 5d-орбиталей. Физические свойства, на которые влияют эти релятивистские эффекты, включают пониженную температуру плавления ртути и наблюдаемый золотистый цвет золота и цезия из-за сужения энергетической щели. [5] Золото кажется желтым, потому что оно поглощает синий свет больше, чем другие видимые длины волн света, и поэтому отражает обратно свет желтого оттенка.
Электронный переход
[ редактировать ]Основной электрон может быть удален со своего основного уровня при поглощении электромагнитного излучения. Это либо переведет электрон в пустую валентную оболочку, либо заставит его испуститься в виде фотоэлектрона из-за фотоэлектрического эффекта . В результате атом будет иметь пустое пространство в основной электронной оболочке, часто называемое ядром-дыркой . Он находится в метастабильном состоянии и распадется в течение 10 −15 с, высвобождая избыточную энергию посредством рентгеновской флуоресценции (как характеристическое рентгеновское излучение ) или за счет эффекта Оже . [6] Обнаружение энергии, излучаемой валентным электроном, попадающим на орбиталь с более низкой энергией, дает полезную информацию об электронной и локальной решетчатой структуре материала. Хотя большую часть времени эта энергия выделяется в виде фотона , она также может передаваться другому электрону, вылетевшему из атома. Этот второй выброшенный электрон называется оже-электроном, и этот процесс электронного перехода с непрямым излучением известен как эффект Оже . [7]
Каждый атом, кроме водорода, имеет электроны основного уровня с четко определенной энергией связи. Поэтому можно выбрать элемент для зондирования, настроив энергию рентгеновских лучей на соответствующий край поглощения. Спектры испускаемого излучения можно использовать для определения элементного состава материала.
См. также
[ редактировать ]- Атомная орбиталь
- Оже-эффект
- Лантанидное сокращение
- Релятивистская квантовая химия
- Экранирующий эффект
- Сдвиг уровня ядра поверхности
- Валентный электрон
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Рассолов Виталий А.; Попл, Джон А.; Редферн, Пол С.; Кертисс, Ларри А. (28 декабря 2001 г.). «Определение остовных электронов». Письма по химической физике . 350 (5–6): 573–576. Бибкод : 2001CPL...350..573R . дои : 10.1016/S0009-2614(01)01345-8 .
- ^ Мисслер, Г.Л. (1999). Неорганическая химия . Прентис Холл .
- ^ Харальд Ибах, Ганс Лют. Физика твердого тела: введение в принципы материаловедения. Springer Science & Business Media, 2009. Стр.135.
- ^ Спенсер, Джеймс; Боднер, Джордж М.; Рикард, Лайман Х. (2012). Химия: структура и динамика (5-е изд.). Хобокен, Нью-Джерси: John Wiley & Sons. стр. 85–87. ISBN 978-0-470-58711-9 .
- ^ «Квантовый букварь» . www.chem1.com . Проверено 11 декабря 2015 г.
- ^ ИЮПАК , Сборник химической терминологии , 2-е изд. («Золотая книга») (1997). Исправленная онлайн-версия: (2006–) « Эффект шнека ». дои : 10.1351/goldbook.A00520
- ^ «Эффект Оже и другие безызлучательные переходы» . Издательство Кембриджского университета . Проверено 11 декабря 2015 г.