Лекция 8. Электроны в кристаллах
Квантовая теория электропроводности металлов. Уровень Ферми. Элементы зонной теории кристаллов. Явление сверхпроводимости с точки зрения теории Ферми-Дирака. Электропроводность полупроводников. Понятие о дырочной проводимости. Собственные и примесные полупроводники. Понятие о p-n- переходе. Собственная проводимость полупроводников. Примесные полупроводники. Электромагнитные явления на границе раздела сред. p-n- переход. Фотопроводимость полупроводников. Люминесценция вещества. Термоэлектрические явления. Явление Зеебека. Эффект Пельтье. Явление Томсона.
8.1. Квантовая теория электропроводности металлов. Уровень Ферми. Элементы зонной теории кристаллов
Классическая электронная теория проводимости металлов даёт удовлетворительное качественное согласие с экспериментом. Однако она приводит к значительному расхождению с опытом при объяснении ряда важнейших законов и явлений, таких, как:
а) закон зависимости удельного электрического сопротивления от температуры;
б) закон Дюлонга и Пти;
в) закон зависимости теплоемкости металлов и сплавов от температуры;
г) явления сверхпроводимости.
Так, например, согласно классической электронной теории проводимости металлов свободные электроны проводимости обмениваются энергией с кристаллической решеткой только при соударениях, поэтому атомная теплоемкость металла C m должна складываться из теплоемкостей кристаллической решетки C mк и теплоемкости электронного газа C mэ, т.е.
Теплоемкость кристаллической решетки
. (8.2)
Для теплоемкости электронного газа имеем
. (8.3)
Таким образом, согласно классической электронной теории проводимости металлов для атомной теплоемкости металлов и сплавов имеем
. (8.4)
Согласно же закону Дюлонга и Пти атомная теплоемкость металлов и диэлектриков, у которых нет свободных электронов проводимости, существенно не отличается и равна
. (8.5)
Закон Дюлонга и Пти подтверждается экспериментально.
Ограниченность классической теории проводимости металлов является следствием того, что она рассматривает совокупность свободных электронов как идеальный классический электронный газ, подчиняющейся некоторой функции (распределению Больцмана), характеризующей вероятность их нахождения в единице объема с определенной энергией и при данной температуре:
, (8.6)
где W – энергия электрона;
T – абсолютная температура;
k – постоянная Больцмана;
A – коэффициент, характеризующий состояние электронов в целом.
Из
формулы (8.6) видно, что при T0
и W0
функция
.
Это означает, что полная энергия
электронов проводимости может принимать
любые значения. Каждый электрон
отличается от других. Он индивидуален.
При этом все электроны должны находится
на нулевом уровне, и в каждом состоянии
с данной энергией может находиться их
неограниченное количество. Это
противоречит экспериментальным данным.
Следовательно, функция распределения
(8.6) не пригодна для описания состояния
электронов в твердых телах.
Для устранения противоречий немецкий физик Зоммерфельд и советский физик-теоретик Я. И. Френкель для описания состояния электронов в металлах предложили применять принцип Паули, сформулированный ранее для электронов в атомах. В металле, как и в любой квантовой системе, на каждом энергетическом уровне могут находиться не более двух электронов, имеющих противоположные спины – механические и магнитные моменты.
Описание движения свободных электронов проводимости в квантовой теории осуществляется статистикой Ферми-Дирака, которая учитывает их квантовые свойства и корпускулярно - волновые свойства.
Согласно этой теории импульс (количество движения) и энергия электронов проводимости в металлах могут принимать только дискретный ряд значений. Иначе говоря, существуют определенные дискретные значения скорости электронов и энергетические уровни.
Эти
дискретные значения образуют так
называемые разрешенные зоны, они
разделены друг с другом запрещенными
зонами (рис. 8.1). На рисунке прямые
горизонтальные линии – энергетические
уровни;
– ширина запрещенной зоны; А, В, С –
разрешенные зоны.
Принцип Паули в данном случае реализуется так: на каждом энергетическом уровне может быть не более 2-х электронов с противоположными спинами.
Заполнение
энергетических уровней электронами
носит не случайный характер, а подчиняется
распределению Ферми-Дирака. Распределение
определяется плотностью вероятности
заселения уровней
:
(8.7),
где
– функция Ферми-Дирака;
W F – уровень Ферми.
Уровень Ферми – это наиболее высокий заселенный уровень при Т=0.
Графически функцию Ферми-Дирака можно представить так, как показано на рис. 8.2.
Значение
уровня Ферми зависит от типа кристаллической
решетки и химического состава. Если
,
то уровни, соответствующие данной
энергии, заселены. Если
,
то уровни свободны. Если
,
то такие уровни могут быть как свободными,
так и заселенными.
При
функция Ферми-Дирака становится
разрывной функцией, а кривая
– ступенькой. Чем больше,
тем более пологий спад кривой
.
Однако при
реальных температурах область размытости
функции Ферми-Дирака составляет
несколько kТ.
При
температуре
,
если
,
то
,
что означает - все уровни с такими
энергиями заняты. Если
,
то
,
т.е. все более высокие уровни не заселены
(рис.8.3).
Уровень Ферми значительно превосходит энергию теплового движения, т.е. W F >>kT. Большое значение энергии электронного газа в металлах обусловлено принципом Паули, т.е. имеет нетепловое происхождение. Ее нельзя отнять за счет понижения температуры.
При
функция Ферми-Дирака становится
непрерывной. Если
на
несколько kТ, единицей в знаменателе
можно пренебречь и тогда
Таким образом, распределение Ферми-Дирака переходит в распределение Больцмана.
В металлах при T0 K функция f(W) в первом приближении практически не изменяет своего значения.
Степень заполнения электронами энергетических уровней в зоне определяется заполнением соответствующего атомного уровня. Например, если какой-то уровень атома полностью заполнен электронами в соответствии с принципом Паули, то образующаяся из него зона также полностью заполнена. В этом случае можно говорить о валентной зоне, которая полностью заполнена электронами и образована из энергетических уровней внутренних электронов свободных атомов, и о зоне проводимости (свободной зоне), которая либо частично заполнена электронами, либо свободна и образована из энергетических уровней внешних коллективизированных электронов изолированных атомов (рис. 8.4).
Взависимости от степени заполнения зон электронами и ширины запрещенной зоны возможны следующие случаи. На рисунке 8.5 самая верхняя зона, содержащая электроны, заполнена лишь частично, т.е. в ней имеются вакантные уровни. В данном случае электрон, получив сколь угодно малую энергию (например, за счет теплового воздействия или воздействия электрического поля), сможет перейти на более высокий энергетический уровень той же зоны, т.е. стать свободным и участвовать в проводимости. Внутризонный переход вполне возможен в том случае, когда энергия теплового движения гораздо больше разности энергий между соседними уровнями зоны. Таким образом, если в твердом теле имеется частично заполненная электронами зона, то это тело всегда будет проводником электрического тока. Это характерно для металлов и их сплавов.
Проводником электрического тока твердое тело может быть и в том случае, когда валентная зона перекрывается свободной зоной. Появляется не полностью заполненная зона (рис. 8.6), которую иногда называютгибридной. Гибридная зона заполняется валентными электронами лишь частично. Перекрытие зон наблюдается в щелочно-земельных элементах.
С точки зрения теории Ферми-Дирака, заполнение электронами зон происходит следующим образом. Если энергия электронов W>W F , то тогда при T=0 функция распределения f(W)=0, а это означает, что электронов на уровнях, расположенных за уровнем Ферми, нет.
Если
энергия электронов W При
T0
электронам передаётся тепловая энергия
kT,
а следовательно, электроны с низших
уровней могут перейти на уровень выше
уровня Ферми. Происходит тепловое
возбуждение электронов проводимости. Все
уровни валентной зоны заполнены. Однако
все электроны не способны получить
дополнительную энергию для энергетического
скачка. Только небольшая часть электронов,
заселяющих область "размытости"
функции Ферми-Дирака порядка нескольких
kТ, может оставить свои уровни и перейти
на более высокие (рис. 8.7). Следовательно,
только небольшая часть свободных
электронов, находящаяся в зоне
проводимости, участвует в создании
тока и может вносить вклад в теплоемкость
металла. Вклад электронного газа в
теплоемкость незначителен, что
согласуется с законом Дюлонга и Пти. Повышение
энергии электронов проводимости может
произойти не только за счет теплового
воздействия, но и за счет действия
электрического поля (разности
потенциалов), в результате чего они
приобретут упорядоченное движение. Если
ширина запрещенной зоны кристалла
порядка нескольких электрон-вольт, то
тепловое движение не может перевести
электроны из валентной зоны в зону
проводимости и кристалл является
диэлектриком, оставаясь им при всех
реальных температурах. Если
ширина запрещенной зоны кристалла
порядка 1 эВ, т.е. достаточно узкая, то
переход электронов из валентной зоны
в зону проводимости возможен. Он может
быть осуществлен либо за счет теплового
возбуждения, либо за счет возникновения
электрического поля. В этом случае
твердое тело является полупроводником. Различие
между металлами и диэлектриками, с
точки зрения зонной теории, состоит в
том, что при 0 К в зоне проводимости
металлов имеются электроны, а в зоне
проводимости диэлектриков их нет.
Различие между диэлектриками и
полупроводниками определяется шириной
запрещенных зон: для диэлектриков она
довольно широкая (для NaCl, например, W
= 6 эВ), для полупроводников - достаточно
узкая (для германия W
= 0,72 эВ). При температурах, близких к 0
К, полупроводники ведут себя как
диэлектрики, так как перехода электронов
в зону проводимости не происходит. С
повышением температуры у полупроводников
растет число электронов, которые за
счет теплового возбуждения переходят
в зону проводимости, т.е. электрическая
проводимость полупроводников в этом
случае увеличивается. В
квантовой теории электроны проводимости
рассматриваются как частицы, обладающие
волновыми свойствами, а их движение в
металлах – как процесс распространения
электронных волн, длина которых
определяется соотношением де Бройля: ,
(8.9) где h – постоянная
Планка; p – импульс
электрона. В
совершенном кристалле, в узлах
кристаллической решетки которого
находятся неподвижные частицы (ионы),
электроны проводимости (электронные
волны) не испытывают взаимодействий
(рассеяния), и такой кристалл, а
следовательно, и металл, не оказывает
сопротивления прохождению электрического
тока. Проводимость такого кристалла
стремится к бесконечности, а электрическое
сопротивление – к нулю. В
реальных кристаллах (металлах и сплавах)
имеются различные центры рассеяния
электронов неоднородности (искажения),
по размеру превосходящие длину
электронных волн. Такими центрами
являются флуктуации плотности искажения
решетки, возникающие вследствие
теплового движения (теплового колебания)
ее узлов; различные дефекты структуры,
атомы внедрения и замещения, примесные
атомы и другие. При
беспорядочном движении электронов,
среди узлов кристаллической решетки,
имеются такие, которые в данный момент
движутся навстречу друг другу. Расстояние
между ними в этот момент времени
оказывается меньше их расстояния в
неподвижной решетке. Это приводит к
увеличению плотности вещества в
микрообъеме, охватывающем эти атомы
(выше средней плотности вещества). В
соседних областях возникают микрообъемы,
в которых плотность вещества меньше
её среднего значения. Эти отступления
плотности вещества от среднего значения
и представляют флуктуации плотности.
В результате, в любой момент времени,
металл (твердое тело) является
микроскопически неоднородным. Эта
неоднородность тем значительнее, чем
меньше микрообъёмы (чем меньше атомов
узлов охватывают микрообъёмы). Как
правило, размер таких микрообъёмов
больше длины электронных волн, вследствие
чего они являются эффективными центрами
рассеяния этих волн. Поток свободных
электронов в металле испытывает на них
такое же рассеяние, какое испытывают
световые волны на взвешенных частицах
мутной среды. Это и является причиной
электрического сопротивления абсолютно
чистых металлов. Рассеивающая
способность металлов, обусловленная
флуктуациями плотности, характеризуется
коэффициентом рассеяния T . Для свободных
электронов коэффициент рассеяния ,
(8.10) где
<>
– средняя длина свободного пробега
электрона. Значение
коэффициента рассеяния через
характеристики теплового движения
узлов кристаллической решетки и её
упругие константы оказывается равным: , (8.11) где
n – число атомов (узлов) в единице объёма
(в 1 м 3); E – модуль упругости; d – параметр
решетки; T – абсолютная
температура; k – постоянная
Больцмана. Следовательно, .
(8.12) С
учетом уравнения (8.12) удельная
электропроводность металла .
(8.13) Из
выражения (8.13) видно, что удельная
электропроводность металлов обратно
пропорциональна абсолютной температуре.
Следовательно, удельное сопротивление
металлов должно быть прямо пропорциональным
абсолютной температуре, что хорошо
согласуется с экспериментом. Выражение
(8.17) было получено Зоммерфельдом на
основании квантовой теории Ферми-Дирака. Отличие
выражения (8.13) от формулы
Тепловые
колебания узлов кристаллической решетки
являются не единственными источниками
искажения, приводящими к рассеянию
электронных волн. Такими же источниками
являются структурные всевозможные
искажения (дефекты): примеси, деформация
и т.д. Поэтому коэффициент рассеяния
складывается из двух частей: ,
(8.14) где
T
– тепловой коэффициент рассеяния; ст
= пр
+ д
– коэффициент рассеяния за счет
структурных искажений; пр
– коэффициент рассеяния за счет
примесей; д
– коэффициент
рассеяния за счет деформации. Для
слишком низких температур T
T (при низких температурах T
T 5),
в отсутствии деформации
ст
пропорционален концентрации примесей
и не зависит от температуры, следовательно, .
(8.15) Тогда удельное
электросопротивление можно определить
так: При
T0,
T 0
и ст
к так называемому остаточному
сопротивлению, которое не исчезает при
температуре, равной абсолютному нулю.
Так как число электронов проводимости
в металле не зависит от температуры,
то вольтамперная характеристика
металлического проводника имеет вид
прямой линии. Самостоятельная работа по химии Строение электронных оболочек атомов для учащихся 8 класса с ответами. Самостоятельная работа состоит из 4 вариантов в каждом по 3 задания. 1.
2.
Напишите электронные формулы элементов кислорода и натрия. Укажите для каждого элемента: 3.
а) максимальное число электронов на внешнем энергетическом уровне атомов любого элемента равно номеру группы, 1.
Заполните таблицу. Определите элемент и его электронную формулу. Атомы каких элементов будут обладать сходными свойствами? Почему? 2.
Напишите электронные формулы элементов углерода и аргона. Укажите для каждого элемента: а) общее число энергетических уровней в атоме, 3.
Выберите правильные утверждения: а) число энергетических уровней в атомах элементов равно номеру периода, 1.
Заполните таблицу. Определите элемент и его электронную формулу. Атомы каких элементов будут обладать сходными свойствами? Почему? 2.
Напишите электронные формулы элементов хлора и бора. Укажите для каждого элемента: а) общее число энергетических уровней в атоме, 3.
Выберите правильные утверждения: а) атомы элементов одного периода содержат одинаковое число энергетических уровней, 1.
Заполните таблицу. Определите элемент и его электронную формулу. Атомы каких элементов будут обладать сходными свойствами? Почему? 2.
Напишите электронные формулы элементов алюминия и неона. Укажите для каждого элемента: а) общее число энергетических уровней в атоме, 3.
Выберите правильные утверждения: Ответы самостоятельную работу по химии Строение электронных оболочек атомов
Выдающийся датский физик Нильс Бор (Рис. 1) предположил, что электроны в атоме могут двигаться не по любым, а по строго определенным орбитам. При этом электроны в атоме различаются своей энергией. Как показывают опыты, одни из них притягиваются к ядру сильнее, другие - слабее. Главная причина этого заключается в разном удалении электронов от ядра атома. Чем ближе электроны к ядру, тем они прочнее связаны с ним и их труднее вырвать из электронной оболочки. Таким образом, по мере удаления от ядра атома запас энергии электрона увеличивается. Электроны, движущиеся вблизи ядра, как бы загораживают (экранируют) ядро от других электронов, которые притягиваются к ядру слабее и движутся на большем удалении от него. Так образуются электронные слои. Каждый электронный слой состоит из электронов с близкими значениями энергии; поэтому электронные слои называют еще энергетическими уровнями.
Ядро находится в центре атома каждого элемента, а электроны, образующие электронную оболочку, размещаются вокруг ядра слоями. Число электронных слоев в атоме элемента равно номеру периода, в котором находится данный элемент. Например, натрий Na - элемент 3-го периода, значит, его электронная оболочка включает 3 энергетических уровня. В атоме брома Br - 4 энергетических уровня, т. к. бром расположен в 4-м периоде (Рис. 2). Модель атома натрия: Модель атома брома: Максимальное число электронов на энергетическом уровне рассчитывается по формуле: 2n 2 , где n - номер энергетического уровня. Таким образом, максимальное число электронов на: 3 слое - 18 и т. д. У элементов главных подгрупп номер группы, к которой относится элемент, равен числу внешних электронов атома. Внешними называют электроны последнего электронного слоя. Например, в атоме натрия - 1 внешний электрон (т. к. это элемент IА подгруппы). В атоме брома - 7 электронов на последнем электронном слое (это элемент VIIА подгруппы). Строение электронных оболочек элементов 1-3 периодов
В атоме водорода заряд ядра равен +1, и этот заряд нейтрализуется единственным электроном (Рис. 3). Следующий за водородом элемент - гелий, тоже элемент 1-го периода. Следовательно, в атоме гелия 1 энергетический уровень, на котором размещаются два электрона (Рис. 4). Это максимально возможное число электронов для первого энергетического уровня. Элемент № 3 - это литий. В атоме лития 2 электронных слоя, т. к. это элемент 2-го периода. На 1 слое в атоме лития находится 2 электрона (этот слой завершен), а на 2 слое -1 электрон. В атоме бериллия на 1 электрон больше, чем в атоме лития (Рис. 5). Аналогично можно изобразить схемы строения атомов остальных элементов второго периода (Рис. 6). В атоме последнего элемента второго периода - неона - последний энергетический уровень является завершенным (на нем 8 электронов, что соответствует максимальному значению для 2-го слоя). Неон - инертный газ, который не вступает в химические реакции, следовательно, его электронная оболочка очень устойчива. Американский химик Гилберт Льюис
дал объяснение этому и выдвинул правило октета, в соответствии с которым устойчивым является восьмиэлектронный слой
(за исключением 1 слоя: т. к. на нем может находиться не более 2 электронов, устойчивым для него будет двухэлектронное состояние). После неона следует элемент 3-го периода - натрий. В атоме натрия - 3 электронных слоя, на которых расположены 11 электронов (Рис. 7). Рис. 7. Схема строения атома натрия
Натрий находится в 1 группе, его валентность в соединениях равна I, как и у лития. Это связано с тем, что на внешнем электронном слое атомов натрия и лития находится 1 электрон. Свойства элементов периодически повторяются потому, что у атомов элементов периодически повторяется число электронов на внешнем электронном слое. Строение атомов остальных элементов третьего периода можно представить по аналогии со строением атомов элементов 2-го периода. Строение электронных оболочек элементов 4 периода
Четвертый период включает в себя 18 элементов, среди них есть элементы как главной (А), так и побочной (В) подгрупп. Особенностью строения атомов элементов побочных подгрупп является то, что у них последовательно заполняются предвнешние (внутренние), а не внешние электронные слои. Четвертый период начинается с калия. Калий - щелочной металл, проявляющий в соединениях валентность I. Это вполне согласуется со следующим строением его атома. Как элемент 4-го периода, атом калия имеет 4 электронных слоя. На последнем (четвертом) электронном слое калия находится 1 электрон, общее количество электронов в атоме калия равно 19 (порядковому номеру этого элемента) (Рис. 8). Рис. 8. Схема строения атома калия
За калием следует кальций. У атома кальция на внешнем электронном слое будут располагаться 2 электрона, как и у бериллия с магнием (они тоже являются элементами II А подгруппы). Следующий за кальцием элемент - скандий. Это элемент побочной (В) подгруппы. Все элементы побочных подгрупп - это металлы. Особенностью строения их атомов является наличие не более 2-х электронов на последнем электронном слое, т. е. последовательно заполняться электронами будет предпоследний электронный слой.
Так, для скандия можно представить следующую модель строения атома (Рис. 9): Рис. 9. Схема строения атома скандия
Такое распределение электронов возможно, т. к. на третьем слое максимально допустимое количество электронов - 18, т. е. восемь электронов на 3-м слое - это устойчивое, но не завершенное состояние слоя. У десяти элементов побочных подгрупп 4-го периода от скандия до цинка последовательно заполняется третий электронный слой. Схему строения атома цинка можно представить так: на внешнем электронном слое - два электрона, на предвнешнем - 18 (Рис. 10). Рис. 10. Схема строения атома цинка
Следующие за цинком элементы относятся к элементам главной подгруппы: галлий, германий и т. д. до криптона. В атомах этих элементов последовательно заполняется 4-й (т. е. внешний) электронный слой. В атоме инертного газа криптона будет октет на внешней оболочке, т. е. устойчивое состояние. Подведение итога урока
На этом уроке вы узнали, как устроена электронная оболочка атома и как объяснить явление периодичности. Познакомились с моделями строения электронных оболочек атомов, с помощью которых можно предсказать и объяснить свойства химических элементов и их соединений. Список литературы
Домашнее задание
Атомы, первоначально считавшиеся неделимыми, представляют собой сложные системы. Атом состоит из ядра и электронной оболочки Электронная оболочка – совокупность движущихся вокруг ядра электронов Ядра атомов заряжены положительно, они состоят из протонов (положительно заряженных частиц) p+ и нейтронов (не имеющих заряда) no Атом в целом электронейтрален, число электронов е– равно числу протонов p+, равно порядковому номеру элемента в таблице Менделеева. На рисунке изображена планетарная модель атома, согласно которой электроны движутся по стационарным круговым орбитам. Она очень наглядна, но не отражает сути, т.к в действительности законы микромира подчиняются на классической механике, а квантовой, которая учитывает волновые свойства электрона. Согласно квантовой механике электрон в атоме не движется по определенным траекториям, а может находиться в любой
части околоядерного пространства, однако вероятность
его нахождения в разных частях этого пространства неодинакова. Пространство вокруг ядра, в котором вероятность нахождения электрона достаточно велика, называют орбиталью
(не путать с орбитой!) или электронным облаком. Т.е у электрона отсутствует понятие «траектория», электроны не движутся ни по круговым орбитам, ни по каким-либо другим. Самая большая сложность квантовой механики заключается в том, что это невозможно представить, мы все привыкли к явлениям макромира, подчиняющегося классической механике, где любая движущаяся частица имеет свою траекторию. Итак, электрон имеет сложное движение, может находится в любом месте пространства около ядра, но с разной вероятностью. Давайте теперь рассмотрим те части пространства, где вероятность нахождения электрона достаточно высока — орбитали — их формы и последовательность заполнения орбиталей электронами. Представим себе трехмерную систему координат, в центре которой находится ядро атома. Вначале идет заполнение 1s орбитали, она располагается ближе всего к ядру и имеет форму сферы. Обозначение любой орбитали складывается из цифры и латинской буквы. Цифра показывает уровень энергии, а буква — форму орбитали. 1s орбиталь имеет наименьшую энергию и электроны находящиеся на этой орбитали имеют наименьшую энергию. На этой орбитали могут находиться не более двух электронов
. Электроны атомов водорода и гелия (первых двух элементов) находятся именно на этой орбитали. Электронная конфигурация водорода: 1s 1 Электронная конфигурация гелия: 1s 2 Верхний индекс показывает количество электронов на этой орбитали. Следующий элемент — литий, у него 3 электрона, два из которых располагаются на 1s орбитали, а где же располагается третий электрон? Он занимает следующую по энергии орбиталь — 2s орбиталь. Она также имеет форму сферы, но большего радиуса (1s орбиталь находится внутри 2s орбитали). Электроны, находящиеся на этой орбитали имеют большую энергию, по сравнению с 1s орбиталью, т.к они расположены дальше от ядра. Максимум на этой орбитали может находится также 2 электрона. У следующего элемента — бора — уже 5 электронов, и пятый электрон будет заполнять орбиталь, обладающую ещё большей энергией- 2р орбиталь. Р-орбитали имеют форму гантели или восьмерки и располагаются вдоль координатных осей перпендикулярно друг другу. На каждой р-орбитали может находится не более двух электронов, таким образом на трех р-орбиталях — не более шести. Валентные электроны следующих шести элементов заполняют р-орбитали, поэтому их относят к р-элементам. Электронная конфигурация атома бора: 1s 2 2s 2 2р 1 Графически электронные формулы этих атомов изображены ниже: Существует ещё одно правило (правило Гунда
), по которому электроны расселяются на одинаковых по энергии орбиталях сначала по одиночке, и лишь когда в каждой такой орбитали уже находится по одному электрону, начинается заполнение этих орбиталей вторыми электронами. Когда орбиталь заселяется двумя электронами, такие электроны называют спаренными
. Атом неона имеет завершенный внешний уровень из восьми электронов (2 s-электрона+6 p-электронов =8 электронов на втором энергетическом уровне), такая конфигурация является энергетически выгодной, и её стремятся приобрести все другие атомы. Именно поэтому элементы 8 А группы — благородные газы — столь инертны в химическом отношении. Следующий элемент — натрий, порядковый номер 11, первый элемент третьего периода, у него появляется ещё один энергетический уровень — третий. Одиннадцатый электрон будет заселять следующую по энергии орбиталь -3s орбиталь. Электронная конфигурация атома натрия: 1s 2 2s 2 2р 6 3s 1 Далее происходит заполнение орбиталей элементов третьего периода, сначала заполняется 3s подуровень с двумя электронами, а потом 3р подуровень с шестью электронами (аналогично второму периоду) до благородного газа аргона, имеющего, подобно неону, завершенный восьмиэлектронный внешний уровень. Электронная конфигурация атома аргона (18 электронов): 1s 2 2s 2 2р 6 3s 2 3р 6 Четвертый период начинается с элемента калия (порядковый номер 19), последний внешний электрон которого располагается на 4s орбитали. Двадцатый электрон кальция также заполняет 4s орбиталь. За кальцием идет ряд из 10 d-элементов, начиная со скандия (порядковый номер 21) и заканчивая цинком (порядковый номер 30). Электроны этих атомов заполняют 3d орбитали, внешний вид которых представлен на рисунке ниже. Итак, подведем итоги:
состоит в том, что<
m
>
в формуле Зоммерфельда – средняя длина
свободного пробега электрона, обладающего
энергией Ферми;
1 вариант
Элемент
Электронная формула
б) максимальное число электронов во втором энергетическом уровне равно восьми,
в) общее число электронов в атомах любого элемента равно порядковому номеру элемента.2 вариант
Распределение электронов по энергетическим уровням
Элемент
Электронная формула
б) число заполненных энергетических уровней в атоме,
в) число электронов на внешнем энергетическом уровне.
б) общее число электронов в атоме химического элемента равно номеру группы,
в) число электронов на внешнем уровне атомов элементов одной группы главной подгруппы одинаково.3 вариант
Распределение электронов по энергетическим уровням
Элемент
Электронная формула
б) число заполненных энергетических уровней в атоме,
в) число электронов на внешнем энергетическом уровне.
б) максимальное число электронов на s
-орбитале равно двум,
в) сходными свойствами обладают атомы химических элементов с одинаковым числом энергетических уровней.4 вариант
Распределение электронов по энергетическим уровням
Элемент
Электронная формула
б) число заполненных энергетических уровней в атоме,
в) число электронов на внешнем энергетическом уровне.
а) во всех энергетических уровнях может содержаться до восьми электронов,
б) изотопы одного химического элемента имеют одинаковые электронные формулы,
в) максимальное число электронов на р
-орбитале равно шести.
1 вариант
1.
1) В — 1s 2 2s 2 2p 1
2) H — 1s 1
3) Al — 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 1
Сходными свойствами обладают В и Al, так как на внешнем энергетическом уровне у атомов этих элементов по три электрона.
2.
О — 1s 2 2s 2 2p 4
а) 2,
б) 1,
в) 6;
Na — 1s 2 2s 2 2p 6 3s 1 ,
а) 3,
б) 2,
в) 1.
3. б, в.
2 вариант
1.
1) F — 1s 2 2s 2 2p 5
2) Na — 1s 2 2s 2 2p 6 3s 1
3) Li — 1s 2 2s 1
Сходными свойствами обладают Nа и Li, так как на внешнем энергетическом уровне у этих элементов по одному электрону.
2. С — 1s 2 2s 2 2p 2
а) 2,
б) 1,
в) 4;
Ar — 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6
а) 3,
б) 2,
в) 8.
3. а, в.
3 вариант
1.
1) Р — 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 3
2) N — 1s 2 2s 2 2p 3
3) Не — 1s 2
Сходными свойствами обладают Р и N, так как на внешнем энергетическом уровне у этих элементов по пять электронов.
2. Cl — 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 5
а) 3,
б) 2,
в) 7;
В — 1s 2 2s 2 2p 1
а) 2,
б) 1,
в) 3.
3. а, б.
4 вариант
1.
1) Mg — 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2
2) С — 1s 2 2s 2 2p 2
3) Ве — 1s 2 2s 2
Сходными свойствами обладают Ве и Mg, так как на внешнем энергетическом уровне у этих элементов по два электрона.
2.
Al — 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 1
а) 3,
б) 2,
в) 3;
Ne — 1s 2 2s 2 2p 6 ,
а) 2,
б) 2,
в) 8.
3. б, в.
Электронная конфигурация лития: 1s 2 2s 1
Электронная конфигурация бериллия: 1s 2 2s 2
Электронная конфигурация атома углерода: 1s 2 2s 2 2р 2
Электронная конфигурация атома азота: 1s 2 2s 2 2р 3
Электронная конфигурация атома кислорода: 1s 2 2s 2 2р 4
Электронная конфигурация атома фтора: 1s 2 2s 2 2р 5
Электронная конфигурация атома неона: 1s 2 2s 2 2р 6
Квадратик — это орбиталь или квантовая ячейка, стрелочкой обозначается электрон, направление стрелочки — это особая характеристика движения электрона — спин (упрощенно можно представить как вращение электрона вокруг своей оси по часовой и против часовой стрелки). Нужно знать то, что на одной орбитали не может быть двух электронов с одинаковыми спинами (в одном квадратике нельзя рисовать две стрелочки в одном направлении!). Это и есть принцип запрета В.Паули: «В атоме не может быть даже двух электронов, у которых все четыре квантовых числа были бы одинаковыми»