Квант сандары. Паули принципі. Химия, 10 сынып, қосымша материал 1.

 Квант сандарын анықтау және олардың физикалық мағынасы

 Атом электронның қозғалысын Шредингер теңдеуі сипаттайды. Бұл теңдеуде электронның күйі үш өлшемді кеңістікте сипатталады, олай болса, атомдағы электронның күйін толық көрсету үшін үш бірдей бүтін сан керек екені даусыз. Олардың бәрі квант сандары деп аталып n, l, m деп белгіленді. Бұл квант сандары электрон қозғалысын физикалық тұрғыдан сипаттайды, әрі электрон бұлтының геометриялық ерекшеліктерін бейнелеп береді.

 Атомдағы әрбір электронның күйін бес квант санымен сипаттайды:

 n – бас квант саны;

 l – орбиталь квант саны;

 m_l – магнит квант саны;

 s – спин квант саны;

 m_s – спиннің проэкциясы.

 Кванттық теория бойынша – атомдағы электронның нақты траекториясы мен оның қозғалу жылдамдығын анықтау мүмкін емес, тек ядроның маңайындағы электрондардың ең көп кездесетін аймағын болжауға болады. Ол төрт квант санына (бас квант саны (n), орбиталь квант саны (l), магнит квант саны (m) және спин квант саны (s)) тәуелді. Сондықтан мектеп бағдарламасында негізінен төрт квант санын қарастырады: n, l, m_l және s.

 Бас квант саны, n. Белгілі бір орбитальдағы электрондардың жалпы энергиясын анықтайды. Ол бүтін оң сандарға тең. Әрбір элементтің бас кван саны оның период нөміріне тең. Мысалы, сутегі үшін -1, оттегіде – 2, ал натрийда – 3 және т.с.с

 Орбиталь квант саны, l. белгілі бір энергетикалық деңгейдегі электронның энергиясын, электрон бұлтарының пішінін, электронның ядроны айнала қозғалу кезіндегі импульсін сипаттайды. Орбиталь квант саны 0-ден n-1 дейінгі аралықтағы бүтін сандардың мәніне ие бола алады: l = 0, 1, 2, 3, .... n-1.

 Мысалы,

 Бас квант саны да араб цифрларымен белгіленгендіктен, орбиталь квант сандарының мәнін кіші латын әріптерімен жазады:

 *орбиталь квант сандарының мәні s және р деп белгіленуі, ол оның пішінімен байланысты. s орбитальінің кеңістіктегі пішіні – шар тәріздес, ол ағылшын тілінде spherical, ал р орбитальінің кеңістіктегі пішіні – гантель тәріздес, ол ағылшын тілінде perpendicular деген сөздердің бастапқы әріптері алынған.

 Алынған мәндердің химиялық мағынасы

 Магнит квант саны, m_l. Магнит квант саны орбиталь квант санына тәуелді, өйткені ол орбитальдардың кеңістікте орналасуын сипаттайды, анығырақ айтсақ, бір пішіндес орбитальдардың жалпы санын және олардың кеңістіктегі орналасу ретін көрсетеді. Квант-механика принциптері юойынша магнит квант саны –l…0…+l аралығындағы бүтін сандардың мәніне ие болады. Осыған орай орбиталь кван санының мәнін келесі формуламен анықтауға болады: 2l + 1.

 Мысалы,

 Магнит квант саны – бір пішіндес орбитальдардың жалпы санын белгілеп беретіндіктен квант қабатында пішіні ұқсас 1s, 3p, 5d және 7f –орбитальдардың болатын көреміз. Шынында да s-орбиталь сфера тәрізді болса, р-орбитальдан әр осьтің бойымен бір-біріне перпендикуляр болып келетін үш – р_х, p_y, p_z орбитальдардың түзілетінін суреттекн айқын көруге болады.

 Алынған мәндердің химиялық мағынасы

 Магнит квант сандарының мәні ұяшықтар санын анықтайды.

 Шредингер теңдеуі атомдағы электронның күйін толық сипаттауға жеткіліксіз болды. Сондықтан 1925 жылы атомның барлық қасиеттерін түсіндіру үшін электронның спині болады деген гипотеза ұсынылды.

 Спин квант саны, s. Бұл электронның кеңістіктегі қозғалысына қатыссыз, меншікті импульс моменті. Электронның бұл қасиетін, біз көріп жүрген макроденелер дүниесіне тән емес, әрі оған салыстырып ұқсатып айтуға да келмейді, көрнекі етіп сипаттауда қиын. Электрон үшін спин кван санының мәні тұрақты, ол және тең. Спин квант санының мәнін көбіне бағыттағыш ретінде береді.

 Атомның электрондық конфигурациясы

 Химиялық реакция кезінде атомның ядросы өзгеріссіз қалады, олай болса элементтің химиялық қасиетін оның электрондық құрылысы анықтайды. Жоғарыда атомның электрондық құрылысын төрт квант саны арқылы сипаттауға болатыны айтылды, бірақ атомның электрондық құрылысын толық түсіндіру үшін үш ережені білу қажет.

•  Паули принципі;
•  Хунд ережесі;
•  Клечковский ережелері

 Паули принципі. Күрделі атомдардың орбитальдарын электрондармен толтыру үшін орбитальдардың әрқайсысында бола алатын электрондар санын анықтап алу қажет. Ол үшін төрт квант санын өзара комбинациялаудың жолын білу қажет.

 Швед физигі В. Паули 1925 жылы элементтердің периодтық жүйесіндегі орнына қарап және спектрлерін талдай отырып, квант сандарын электронның реалды күйін сипаттай алатындай етіп, комбинациялаудың жалпы принципін ұсынған. Паулидің бұл тиым салу деп аталатын приципі бойынша бір атомның ішінде барлыұ жағынан ұқсас екі электрон болуы мүмкін емес, яғни атомдағы 2 электронның төрт квант санының төртеуі де бірдей бола алмайды. Атомдағы әрбір электронның басқалардан гөрі ең кемінде бір квант саны өзгеше болуы керек.

 Мысалы ретінде гелий атомындағы екі электронның квант санын анықтап көрейік.

 Қолданылған әдебиеттер

 1. Кузьменко Н.Е., Еремин В.В., Попков В.А., Начало химии. Современный курс для поступающих в вузы. Т.1

 2. Бірімжанов, Б. Жалпы химия: оқулық