Строение атома водорода. Реакции окисления алканов. Электронное строение атома водорода

l = 0, s - подуровень (от англ. sharp - резкий);

l = 1, p - подуровень (от англ. principal - главный);

l = 2, d - подуровень (от англ. diffuse - размытый);

l = 3, f - подуровень (от англ. fundamental - основной);

Обычно состояние электрона в атоме обозначают так:

1s - состояние, n = 1, l = 0. 2s - состояние, n = 2, l = 0.

2p - состояние, n = 2, l = 1. 3d - состояние, n = 3, l = 2, и т.д.

2. Атом водорода в основном состоянии. Главное квантовое число n = 1. Квантовые числа l и m могут принимать единственные значения l = 0 и m = 0. Кратность вырождения n 2 = 1 2 = 1. Основное состояние (невозбуждённое) атома водорода единственно возможное.

Функция y имеет вид : (5.1)

Здесь r 1 - боровский радиус, Z = 1 - номер элемента. Так как |y | 2 зависит лишь от радиуса r , то электрон с равной вероятностью может быть обнаружен в любой точке сферы определённого радиуса. - Электронное облако имеет центрально-симметричную форму .

На рис.19 показана зависимость функции y , а на рис.20 - зависимость функции |y | 2 от расстояния r до ядра. Обе функции убывают монотонно с ростом r , постепенно стремясь к нулю. Поэтому формально не равна нулю вероятность пребывания электрона на сколь угодно больших расстояниях от ядра.

Если в качестве объёма атома брать объём, вероятность пребывания в котором электрона равна единице, то объём атома будет равен бесконечности. Поэтому договорились принимать в качестве объёма атома такой объём, вероятность пребывания в котором электрона составляет 0,9 (90%). (5.2)

Выражение представляет собой элементарный сферический объём, V a и R a - объём и радиус шара, вероятность пребывания в котором электрона равна 0,9 (рис.21).

Подинтегральная функция 4p r 2 |y | 2 представляет собой радиальную плотность вероятности - вероятность обнаружить электрон на расстоянии r от ядра в сферическом слое единичной толщины. (Посмотрите аналогичную процедуру при выводе распределения скоростей молекул по Максвеллу) Хотя функция |y | 2 монотонно убывает, за счёт быстро возрастающего множителя r 2 выражение 4p r 2 |y | 2 вначале растёт и на некотором расстоянии r 1 от ядра обнаруживает максимум (рис.22).

Оказалось, что это расстояние r 1 равно боровскому радиусу атома водорода, нм. Но в теории Бора r 1 - это радиус круговой орбиты, на которой электрон находится постоянно , а в квантовой теории r 1 - это радиус сферы, вероятность пребывания в окрестности которой у электрона максимальна.

Механический и магнитный моменты электронного облака в 1s -состоянии равны нулю. Из формул (4.22) и (2.18) Þ (5.3), (5.4)

[Для сравнения: в атоме Бора моменты не равны нулю
, но энергия электрона получается такой же, как и в атоме Бора (2.13)].

3. Возбуждённый атом водорода на энергетическом уровне n = 2. Кратность вырождения 2 2 = 4.

l = 0. Первое (2s ) состояние отчасти повторяет предыдущее состояние 1s . Электронное облако центрально-симметричное. Функции y и 4p r 2 |y | 2 имеют более сложный характер (рис.23 и 24). На расстоянии 2r 1 от ядра функция y имеет узел, то есть обращается в нуль. Сферическая поверхность, соответствующая y = 0, называется узловой . (Функция y в стационарном атоме толкуется как стоячая волна де Бройля . Этим объясняется использование слова «узел»).

Функция 4p r 2 |y | 2 имеет два максимума. Слабый максимум на расстоянии r 1 накладывается на максимум 1s -состояния. Сильный максимум находится на расстоянии 4r 1 . Графический образ электронного облака в 2s -состоянии показан на рис.25. Механический и магнитный моменты электрона в 2s -состоянии равны нулю.

l = 1. На p -подуровне электрон может находиться в трёх состояниях, соответствующих m = 0, = ±1. Если OZ - ось, относительно которой отсчитывается полярный угол θ , а OX - ось, от которой отсчитывается азимутальный угол φ , то электронные облака в 2p -состоянии располагаются, как показано на рис.26.

В состоянии m = 0 облако напоминает гантель, расположенную вдоль оси OZ . Состояния m = +1 и m = -1 отличаются тем, что функция y имеет в противоположных областях разные знаки. Но квадрат модуля |y | 2 одинаков, |y | 2 ½ m =+1 =|y | 2 ½ m = -1 Электронное облако в обоих состояниях m = ±1 напоминает тор, образованный вращением знака ∞ (бесконечность) вокруг оси OZ . Оба облака вложены один в другой. На рис.26 штриховкой показаны сечения изображающих электронные облака тел вращения плоскостью XOZ .

Механический момент электрона в 2p -состоянии не равен нулю. . (5.5)

Проекция момента импульса электрона на ось Z может принимать значения:

Проекции магнитного момента электрона на ось Z :

(5.6)

4. Возбуждённый атом водорода на энергетическом уровне n = 3. Кратность вырождения 3 2 = 9.

l = 0. Электронное облако в 3s -состоянии центрально-симметричное, механический и магнитный моменты равны нулю. График радиальной плотности вероятности для 3s -электрона показан на рис.27. Максимумы кривой приходятся примерно на радиусы боровских орбит r 1 , 4r 1 , 9r 1 . Две сферические узловые поверхности имеют приблизительно радиусы 2r 1 и 7r 1 .

l = 1. Форма облаков в 3p -состоянии примерно такая же, как и в 2p -состоянии (рис.26). Но радиальная плотность вероятности меняется. Появляется одна узловая поверхность - сфера с радиусом 6r 1 (рис.28). Поэтому при m = 0 «гантель» распадается на две области: малую область внутри этой сферы и «гантель» вне этой сферы.

При m = ±1 тор также распадается на две области. Маленький тор находится внутри сферы радиуса r = 6r 1 , большой - снаружи. Механический L и магнитный М моменты электрона в 3p -состоянии такие же, как и в 2p -состоянии (формулы 5.5 и 5.6).

l = 2. Форма облаков в 3d -состоянии сложнее. Их конфигурации и сечения показаны на рис.29.

Облака в 3d -состоянии не имеют узловых поверхностей.

С дальнейшим ростом главного квантового числа n s -состояние всегда остаётся центрально-симметричным. Общая конфигурация электронных облаков в p , d , f состояниях в основном исчерпывается фигурами рис.29.

5. Опыты Штерна и Герлаха . Улучшение разрешающей способности спектральных аппаратов привело в начале 20-х годов ХХ века к появлению проблемы, не находившей объяснения. Спектроскописты открыли тонкую структуру спектральных линий. Многие линии, которые считались одиночными (синглеты ), при сильном разрешении оказались двойными (дублеты ), тройными (триплеты ) и даже с бóльшим числом линий (мультиплеты ).

К этому времени (1921 г.) была основательно разработана теория Бора. Естественно, что с её помощью пытались объяснить в первую очередь спектры щелочных металлов, атомы которых были наиболее «водородоподобны». В центре атома щелочного металла находится остов - ион с зарядом +e , а вокруг этого иона движется слабо связанный с ним электрон.

Объяснить спектральные дублеты щелочных металлов можно было тем, что орбитальный магнитный момент электрона взаимодействует с магнитным моментом остова. Поэтому возник вопрос: действительно ли водородоподобные атомы имеют магнитный момент и если да, то квантован ли он?

В 1921 г. немцы Отто Штерн и Вальтер Герлах в прямых опытах доказали, что атомы имеют магнитный момент и что магнитный момент атомов квантован.

В сосуде с высоким вакуумом с помощью диафрагм В создавался узкий атомный пучок элемента, испарявшегося в печи К (рис.30). Пучок проходит через сильно неоднородное магнитное поле между полюсами N и S магнита. Один из наконечников (N ) имел вид призмы с острым ребром, а вдоль другого (S ) была выточена канавка. После прохождения магнитного поля пучок оставлял след на фотопластинке P .

Идея опыта была в том, что если атомы в пучке имеют магнитный момент, то в магнитном поле они должны вести себя как маленькие магнитики. В однородном магнитном поле на магнит действует вращающий момент, поэтому магнитный атом может изменять свою ориентацию. В неоднородном поле на магнит действует ещё сила, при одной ориентации втягивающая его к ребру (в область большей магнитной индукции), при другой - к канавке (в область меньшей индукции). (См. Электр-во, §14).

Если магнитного поля нет, то на пластинке Р должна получаться узкая полоска осаждённых атомов. Если поле есть, а атом ведёт себя как классический маленький магнит со случайной ориентацией магнитного момента, то полоска на пластинке Р должна уширяться, оставаясь сплошной. Если же магнитный момент атома квантован, то полоска должна расщепляться на несколько полос в зависимости от числа квантовых состояний.

Опыты проводились с атомами серебра Ag, водорода Н, лития Li и других щелочных металлов. Оказалось, что в случае атомов 1-й группы (Li, H, Ag) полоска расщеплялась на две симметрично расположенные полоски. Это говорит о том, что атомы 1-й группы имеют магнитный момент и способны принимать две ориентации - по полю и против поля.

В теории Бора это можно было объяснить наличием орбитального магнитного момента внешних электронов. Тем более вычисления показали, что магнитный момент атома водорода в опытах Штерна равен магнетону Бора. Но буквально через 3-4 года, когда на смену теории Бора пришла квантовая механика, стало ясно, что никакого расщепления атомы водорода и щелочных металлов давать не должны. По анализу Паули, сделанному в 1923 г., следовало, что магнитные моменты остовов атомов щелочных металлов равны нулю. А из решения уравнения Шрёдингера, полученного через три года, получалось, что внешний электрон в атомах водорода и щелочных металлов находится в s -состоянии, и его магнитный момент так же равен нулю. Откуда же взялся магнитный момент атомов в опытах Штерна?

6. Спин. В 1925 г. ответили на этот вопрос американцы Сэмюэль Гаудсмит и Джордж Юленбек . Они показали, что дублеты в спектрах и опыты Штерна и Герлаха можно объяснить, если предположить существование у электронов собственного механического и магнитного моментов. Идея спина оказалась очень плодотворной и быстро нашла признание.

Вначале полагали, что спин электрона обусловлен его вращением вокруг собственной оси. (Отсюда название от английского to spin - вращаться). Но расчёты показали, что линейная скорость движения поверхности шарика-электрона в несколько раз должна превышать скорость света. Поэтому пришлось отказаться от столь наглядного толкования.

В настоящее время словом «спин » обозначают собственный механический момент элементарных частиц, имеющий квантовую природу. Для определения состояния микрочастицы к трём квантовым числам n , l , m нужно добавить ещё одно - спиновое квантовое число s . Оказалось, что у электрона (фермион) спиновое число полуцелое, s = 1/ 2.

Собственный (спиновый) механический момент электрона в соответствии с формулой (4.22) составляет. (5.7)

Проекция механического момента электрона на ось z (на магнитное поле в опытах Штерна) может принимать два значения, оличающиеся друг от друга на ? : L SZ = s·? ,(5.8)

где s = ±1ç 2 - спиновое квантовое число. Отсюда L sz =±ћ/ 2.

Отношение орбитального магнитного момента М электрона к механическому L равно согласно (2.18): Орбитальное гиромагнитное отношение (5.9)

Опыт показывает, что спиновое гиромагнитное отношение в 2 раза больше орбитального: Спиновое гиромагнитное отношение (5.10)

Отсюда спиновый магнитный момент электрона . (5.11)

Появление 4-го квантового числа s (спинового) увеличивает число состояний электрона на n -ном энергетическом уровне. Поскольку квантовое число s может принимать только два значения, то и число максимально возможных состояний электрона увеличивается в 2 раза и равно 2n 2 . Так, в 1s -состоянии, например, могут находиться в одном и том же центрально-симметричном облаке два электрона с противоположными ориентациями спина.

7. Излучение и поглощение света атомом водорода. Как и в теории Бора, излучение и поглощение света атомом квантовая механика связывает с переходами электрона с одного энергетического уровня на другой. Из дискретности энергетических уровней вытекает линейчатая структура спектров.

Опыт и теория показывают, что могут реализовываться не любые переходы электрона в атоме. Возможность перехода определяется правилами отбора .

Переходы, сопровождающиеся излучением или поглощением света (фотонов с целым спином, т.е. несущих момент импульса, равный ? ), в соответствии с законом сохранения момента импульса возможны только при изменении орбитального квантового числа Dl = ±1. (5.12)

Для магнитного квантового числа Dm = 0, ±1. (5.13)

Что касается вероятности переходов электрона с одного уровня на другой, то решение уравнения Шрёдингера для электрона в центральном поле ядра не даёт ответа на этот вопрос. Все уровни представляются в смысле устойчивости равноценными. Поэтому разные интенсивности спектральных линий не объясняются.

Для объяснения самопроизвольных переходов электрона нужно кроме электрона в поле ядра учитывать одновременно и поле излучения. То есть решать задачу для системы, состоящей из атома и поля излучения. Такая квантовая теория излучения была построена в первой трети ХХ века. Она смогла объяснить не только интенсивность спектральных линий, но и поляризованность излучения.

На рис.31 показана схема уровней энергии атома водорода и разрешённые пути перехода. Толщина линий соответствует вероятности перехода. В соответствии с правилом отбора по азимутальному квантовому числу Dl = ±1 запрещены переходы между одноимёнными подуровнями типа 2s → 1s , 3p → 2p , 4d → 3d и так далее. Поэтому на рисунке все линии переходов косые (прямые линии объединяют одноимённые подуровни).

Атом водорода
Hydrogen Atom

Атом водорода – связанная система, состоящая из положительно заряженного ядра – протона и отрицательного заряженного электрона.
Размеры атома определяются размерами его электронной оболочки ≈ 10 -8 см.
Энергии связанных состояний электрона получаются при решении уравнения Шредингера с потенциалом V(r) = -e 2 /r и определяются соотношением

где n – главное квантовое число, определяющее энергии различных состояний электрона в атоме водорода (n = 1, 2, 3…), R - постоянная Ридберга
(R = 1.0974·10 5 см -1).

Каждому уровню с главным квантовым числом n соответствует n состояний, различающихся квантовыми числами l = 0, 1, 2, …, (n-1). Такое вырождение уровней по энергии характерно только для кулоновского поля. Кроме того, каждое из этих вырожденных по l состояний (2l+1)-кратно вырождено по магнитному числу
m = ±l, ±(l-1),...±1, 0. Таким образом, полная кратность вырождения стационарного квантового состояния с главным квантовым числом n дается соотношением .
Такое рассмотрение справедливо при условии, что спин электрона равен нулю. Так как электрон имеет спин s = 1/2, полный момент количества движения электрона будет определяться векторной суммой его орбитального и спинового моментов
= + .
Так как спин электрона s = 1/2, его полный момент количества движения J может быть только полуцелым.
При заданном значении орбитального момента l в атоме водорода возможно два состояния, различающихся значениями полного момента = + = l + 1/2 и
j = l - s = l - 1/2. Эти два значения различаются взаимными ориентациями орбитального и спинового векторов. Энергии электрона в состояниях l + 1/2 и l - 1/2 в кулоновском поле протона несколько отличаются, и вырождение по энергии состояний снимается. Это дополнительное взаимодействие носит название спин-орбитального. С учетом снятия вырождения спектр низколежащих состояний атома водорода обогащается, происходит тонкое расщепление уровней энергий. Вместо двух низших уровней водорода без учета спин-орбитального расщепления (основного 1s и первого возбужденного 2s2p (рис. 1, а)) с учетом спин-орбитального расщепления их становится четыре (рис. 1, б). Квантовые характеристики этих уровней даны в таблице. Уровень с большим значением j = l + 1/2 расположен выше по энергии, чем уровень с j = l - 1/2. Состояния с различными значениями l, но одним и тем же значением nj оказываются по-прежнему вырожденными. Например, 2s 1/2 и 2p 1/2 .

Квантовые характеристики электрона в самых нижних
состояниях атома водорода

n	l	s	j = l ± s	обозначение уровней
1	0	1/2	1/2	1s 1/2
2	0 1	1/2 1/2	1/2 1/2, 3/2	2s 1/2 2p 1/2 , 2p 3/2
3	0 1 2	1/2 1/2 1/2	1/2 1/2, 3/2 3/2, 5/2	3s 1/2 3p 1/2 , 3p 3/2 3d 1/2 , 3d 3/2

Из точного решения релятивистского уравнения Дирака для электрона со спином s = 1/2 следует зависимость энергии уровней атома водорода от квантовых чисел n и j

,

где α = 1/137 - постоянная тонкой структуры. Поправка в E nj не зависит от квантового числа l. Поэтому энергии состояний с одинаковыми j и разными l должны быть равны. Величина тонкого расщепления уровней δE j+1,j при данном n определяется соотношением

Величина расщепления уровня с n = 2 составляет ≈ 4.5·10 -5 эВ.
Ядро атома водорода – протон - также имеет собственный момент – спин s = 1/2. Это тоже слегка изменяет взаимодействие электрона с протоном, так как возникает дополнительное взаимодействие магнитного момента протона, вызванного наличием у него спина, с магнитным полем электрона. Величина этого взаимодействия зависит от взаимной ориентации спинового момента протона и полного момента электрона. Таким образом, возникает еще один тип расщепления уровней атома, называемого сверхтонким, так как его величина существенно меньше тонкого расщепления. Сверхтонкое расщепление будет наблюдаться уже для основного состояния
(n = 1, l = 0). Переход между двумя подуровнями сверхтонкого расщепления основного состояния водорода приводит к излучению с длиной волны λ = 21 см (частота излучения 1420 МГц). С помощью этого излучения обычно регистрируется межзвездный водород во Вселенной.
Состояния от n = 2 до n = ∞ называются возбужденными состояниями. Энергия возбуждения E возб (энергия, которую необходимо сообщить системе, чтобы она перешла из начального состояния n i в конечное состояние n f) определяется из соотношения

Все состояния от n = 1 до n = ∞ являются связанными состояниями, так как имеют отрицательные энергии. При приближении n к бесконечности энергии состояний сближаются, и разница в энергиях соседних состояний становится настолько мала, что расщепленные уровни сливаются, и дискретный спектр уровней трансформируется в непрерывный (сплошной). Когда энергия электрона становится положительной (E > 0), система превращается в несвязанную и электрон становится свободным. Спектр энергий свободного электрона непрерывный.
Переходы из состояний n = 2, 3, … ∞ в состояние n = 1 образуют серию Лаймана. Переходы из состояния n = 3, 4, … ∞ в состояние n = 2 – серию Бальмера. Переходы между состояниями с отрицательной энергией (E < 0) приводят к образованию дискретного спектра переходов, в то время как переходы между состояниями с E > 0 и состояниями с E < 0 дают непрерывный спектр переходов.

Рис. 2. Схема уровней атома водорода.

Согласно точному решению уравнения Дирака, уровни энергии с одинаковым значением квантового числа n = 1, 2, 3,... и одинаковым значением полного момента
j = 1/2, 3/2,... должны совпадать по энергии независимо от значения квантового числа l. В 1947 г. У. Лэмб и Р. Ризерфорд обнаружили сдвиг уровней 2s 1/2 и 2p 1/2 в атоме водорода. Этот сдвиг уровней называется лэмбовским сдвигом . Основная причина лэмбовского сдвига обусловлена радиационными поправками:

1. Испусканием связанным электроном виртуальных фотонов.
2. Поляризацией вакуума - рождением в вакууме электрон-позитронных пар.

Эти две поправки полностью объясняют наблюдаемую величину лэмбовского сдвига уровней 2s 1/2 и 2p 1/2 (ΔE = 4.5·10 -6 эВ).
Вероятность dw нахождения электрона в объеме dV в определенном месте пространства определяется выражением

dw = |ψ(x, y, z)|2 dV = |R nl (r)Y lm (θ,φ)| 2 r 2 sinθdθdφdr =
= |R nl (r)| 2 r 2 |Y lm (θ,φ)| 2 sinθdθdφdr,

распадается на радиальную вероятность ||R nl (r)| 2 r 2 | 2 r 2 dr и угловую - |Y lm (θ,φ)| 2 dΩ. Распределения этих вероятностей даны на рис. 3–5.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Водород - первый элемент Периодической таблицы. Обозначение - H. Расположен в первом периоде, I группе, А подгруппе.

Относится к неметаллам. Заряд ядра равен 1. Атомный вес может варьироваться: 1, 2, 3, что связано с наличием изотопов дейтерия и трития.

Электронное строение атома водорода

В атоме водорода имеется положительно заряженное ядро (+1), 1 протон и один электрон. Поскольку водород имеет самое простейшее строение атома из всех элементов Периодической системы, он хорошо изучен. В 1913 году Нильс Бор предложил схему строения атома водорода, согласно которой положительно заряженное ядро находится в центре, а вокруг него по единственной орбитали движется электрон (рис. 1). В соответствии с этой схемой он вывел спектр излучения этого химического элемента. Который был позже доказан с помощью квантово-механических расчетов уравнения Шредингера (1925-1930 годы).

Рис. 1. Схема строения атома водорода.

Электронная конфигурация атома водорода будет выглядеть следующим образом:

Водород относится к семейству s-элементов. Энергетическая диаграмма атома водорода имеет вид:

Единственный электрон, который имеется у водорода является валентным, т.к. участвует в образовании химических связей. В результате взаимодействия водород может как терять электрон, т.е. являться его донором, так и принимать, т.е. быть акцептором. В этих случаях атом превращается либо в положительно, либо отрицательно заряженный ион (H + /Н —):

H 0 +e →H — .

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

ПРИМЕР 2

Задание	Укажите количество протонов и нейтронов, которые содержатся в ядрах азота (атомный номер 14), кремния (атомный номер 28) и бария (атомный номер 137).
Решение	Количество протонов в ядре атома химического элемента определяется по его порядковому номеру в Периодической таблице, а количество нейтронов - это разница между массовым числом (М) и зарядом ядра (Z). Азот: n(N)= M -Z = 14-7 = 7. Кремний: n(Si)= M -Z = 28-14 = 14. Барий: n (Ba)= M -Z = 137-56 = 81.
Ответ	Количество протонов в ядре азота равно 7, нейтронов - 7; в ядре атоме кремня протонов 14, нейтронов - 14; в ядре атоме бария протонов 56, нейтронов - 81.

Самый простой по своему строению и самый распространенный в природе. По некоторым научным данным, на долю этого элемента приходится свыше девяноста процентов всех атомов. Наиболее важное соединение, в котором присутствует водород, - это вода. Ее химическая формула пишется так: H2O. Атом водорода состоит из одного протона, представляющего ядро, и из одного электрона. Это единственный элемент, который представляет собой горючий газ.

Как расположен атом водорода в периодической таблице?

Данный элемент расположен вверху первой группы. Это сделано по той причине, что атом водорода, теряя свой электрон, образует положительный ион с одним зарядом. Однако при определенных условиях водород может приобретать металлические свойства. В обычных условиях он проявляет только свойства, свойственные неметаллам. Водород имеет значительные отличия от остальных элементов, принадлежащих первой группе.

Как получить водород в условиях лаборатории?

Водород можно получить посредством действия неконцентрирорванных кислот на металлы: Zn (цинк в твердом состоянии) + 2HCl (водный раствор кислоты соляной) = ZnCl2(водный раствор + H2 (газ)

Получение водорода посредством гидролиза: 2H3O- + 2e- = H2 (газ) + 2H2O (вода.)

Получение водорода возможно посредством действия щелочей на алюминий или цинк. Эти металлы могут реагировать с водными растворами или натря. При этом образуется водород:
Zn (цинк) + 2OH- + 2H2O = (Zn(OH)4)2- (тетрагидроксоцинкат-ион)) + H2 (газ)
Al (алюминий) + 2OH- + 6H2O = (Al(OH)4)- (тетрагидроксоалюминат-ион) + H2 (газ).

Также данный химический элемент можно получить при гидролизе водных растворов: CaH2 (гидрид кальция) + 2H2O (вода) = Ca(OH)2 + 2H2 (водород).

Изотопы водорода

Есть три изотопные формы данного химического элемента: протий, дейтерий и тритий. При этом в природном водороде содержится около 99% протия, остальной процент приходится на долю дейтерия. Третий изотоп представляет собой радиоактивный неустойчивый изотоп. По этой причине в природе он встречается только в виде следов. Тритий испускает радиоактивные частицы, а его период полураспада составляет 12,3 года.

Изотопные формы водорода имеют практически одинаковые химические свойства, однако они существенно отличаются по физическим. Для каждого водородного соединения есть дейтериевый аналог. Важнейший из них - это оксид дейтерия (или тяжелая вода). Это вещество используется в ядерных реакторах. Получают его посредством

Химические свойства водорода

Рассматриваемый нами химический элемент может восстанавливать неметаллы 4-7 групп, оксиды и органические ненасыщенные соединения, окислять металлы, образуя в результате гидриды.

Соединения водорода

Это ионные, комплексные и ковалентные гидриды, а также гидриды типа соединений внедрения.

Получение водорода

Процесс Бора;

Из природного газа или нафты (лигроина);

Посредством крекинга и риформинга углеводородов;

При помощи электролиза рассола (то есть водного раствора натрия хлорида).

Атом водорода в квантовой механике

Водородный атом имеет важное значение в квантовой механике, так как для него проблема двух тел имеет аналитическое приближенное или точное значение. Эти решения можно применять для разных изотопов водорода, но с подходящей коррекцией. Атом водорода в квантовой механике описывается волновой двухчастичной функцией. Также он рассматривается как не участвующий в движении электрон в атомного тяжелого ядра.

Атом водорода по Бору

В 1913 году Бор Нильс предложил свою модель атома водорода. Она имеет множество упрощений и предположений. Несмотря на то, что модель была не совсем правильной, Бор вывел из нее спектр излучения и получил верные значения уровней энергии атома.

Атом водорода

Атом водорода - физическая система, состоящая из атомного ядра , несущего элементарный положительный электрический заряд , и электрона , несущего элементарный отрицательный электрический заряд. В состав атомного ядра может входить протон или протон с одним или несколькими нейтронами , образуя изотопы водорода. Электрон преимущественно находится в тонком концентрическом шаровом слое вокруг атомного ядра, образуя электронную оболочку атома. Наиболее вероятный радиус электронной оболочки атома водорода в стабильном состоянии равен боровскому радиусу a 0 = 0,529 Å.

Атом водорода имеет специальное значение в квантовой механике и релятивистской квантовой механике, поскольку для него проблема двух тел имеет точное или приближенное аналитическое решения. Эти решения применимы для разных изотопов водорода, с соответствующей коррекцией.

В квантовой механике атом водорода описывается двухчастичной матрицей плотности или двухчастичной волновой функцией . Также упрощенно рассматривается как электрон в электростатическом поле бесконечно тяжёлого атомного ядра, не участвующего в движении (или просто в кулоновском электростатическом потенциале вида 1/r ). В этом случае атом водорода описывается редуцированной одночастичной матрицей плотности или волновой функцией.

Решение уравнения Шрёдингера

Решение уравнения Шрёдингера для водородного атома использует факт, что кулоновский потенциал является изотропным , то есть не зависит от направления в пространстве, другими словами, обладает сферической симметрией . Хотя конечные волновые функции (орбитали ) не обязательно сферически симметричны, их зависимость от угловой координаты следуют полностью из изотропии основного потенциала: собственные значения оператора Гамильтона можно выбрать в виде собственных состояний оператора углового момента. Это соответствует тому факту, что угловой момент сохраняется при орбитальном движении электрона вокруг ядра. Отсюда следует, что собственные состояния гамильтониана задаются двумя квантовыми числами углового момента l и m (целые числа). Квантовое число углового момента l может принимать значения 0, 1, 2… и определяет величину углового момента. Магнитное квантовое число может принимать m = −l , …, +l ; оно определяет проекцию углового момента на (произвольно выбранную) ось z .

В дополнение к математическим выражениям для волновых функций полного углового момента и проекции углового момента, нужно найти выражение для радиальной зависимости волновой функции. В потенциале 1/r радиальные волновые функции записываются с использованием полиномов Лагерра). Это приводит к третьему квантовому числу, которое называется основным квантовым числом n и может принимать значения 1, 2, 3… Основное квантовое число в атоме водорода связано с полной энергией атома. Заметим, что максимальное значение квантового числа углового момента ограничено основным квантовым числом: оно может изменяться только до n − 1 , то есть l = 0, 1, …, n −1 .

Из-за сохранения углового момента состояния с одинаковыми l , но различными m в отсутствие магнитного поля имеют одну и ту же энергию (это выполняется для всех задач с аксиальной симметрией). Кроме того, для водородного атома состояния с одинаковыми n , но разными l также вырождены (то есть имеют одинаковую энергию). Однако это свойство - особенность лишь атома водорода (и водородоподобных атомов), оно не выполняется для более сложных атомов, которые имеют (эффективный) потенциал, отличающийся от кулоновского (из-за присутствия внутренних электронов, экранирующих потенциал ядра).

Волновые функции

Подставляя это значение в выражение для энергии, получим, что

В нормальном (основном) состоянии (главное квантовое число n = 1 ) атом водорода в изолированном виде может существовать неограниченное время. Согласно квантохимическим расчетам, радиус мест наибольшей вероятности нахождения электрона в атоме водорода в нормальном состоянии (главное квантовое число n = 1 ) равен 0,529 Å . Этот радиус является одной из основных атомных констант, он получил название боровский радиус (см. выше). При возбуждении атома водорода электрон проходит на более высокий квантовый уровень (n = 2, 3, 4 и т. д.), при этом радиус мест наибольшей вероятности нахождения электрона в атоме возрастает пропорционально квадрату главного квантового числа:

r n = a 0 · n 2 .

Возбуждение и ионизация атома водорода

Уровни энергии атома водорода.

Возбуждение атома водорода происходит при нагревании, электроразряде, поглощении света и т. д., причём в любом случае атом водорода поглощает определённые порции - кванты энергии, соответствующие разности энергетических уровней электронов. Обратный переход электрона сопровождается выделением точно такой же порции энергии. Квантовые переходы электрона соответствуют скачкообразному изменению концентрического шарового слоя вокруг ядра атома водорода, в котором преимущественно находится электрон (шаровым слой является только при нулевом значении азимутального квантового числа l ).

Согласно квантовомеханическим расчётам, наиболее вероятное расстояние электрона от ядра в атоме водорода равно боровскому радиусу ~ 0,53 Å при n = 1 ; 2,12 Å - при n = 2 ; 4,77 Å - при n = 3 и так далее. Значения этих радиусов относятся как квадраты натуральных чисел (главного квантового числа) 1 2: 2 2: 3 2 … . В очень разреженных средах (например, в межзвёздной среде) наблюдаются атомы водорода с главными квантовыми числами до 1000 (ридберговские атомы), чьи радиусы достигают сотых долей миллиметра.

Если электрону в основном состоянии придать дополнительную энергию, превышающую энергию связи E 0 ≈ 13,6 эВ , происходит ионизация атома водорода - распад атома на протон и электрон.

Строение атома водорода в основном состоянии

Радиальная зависимость dp (r )/dr плотности вероятности нахождения электрона в атоме водорода, находящемся в основном состоянии, представлена на рисунке. Эта зависимость даёт вероятность того, что электрон будет обнаружен в тонком шаровом слое радиуса r толщиной dr с центром в ядре. Площадь этого слоя равна S = 4πr 2 , его объём dV = 4πr 2 dr . Общая вероятность нахождения электрона в слое равна (4πr 2 dr ) ψ 2 , поскольку в основном состоянии волновая функция электрона сферически симметрична (то есть постоянна в рассматриваемом шаровом слое). Рисунок выражает зависимость dp (r )/dr = 4πr 2 ψ 2 . Кривая радиального распределения плотности вероятности dp (r )/dr нахождения электрона в атоме водорода имеет максимум при a 0 . Этот наиболее вероятный радиус совпадает с боровским радиусом. Размытое облако плотности вероятности, полученное при квантовомеханическом рассмотрении, значительно отличается от результатов теории Бора и согласуется с принципом неопределённости Гейзенберга. Это размытое сферически симметричное распределение плотности вероятности нахождения электрона, называемое электронной оболочкой, экранирует ядро и делает физическую систему протон-электрон электронейтральной и сферически симметричной - у атома водорода в основном состоянии отсутствуют электрический и магнитный дипольные моменты (как и моменты более высоких порядков), если пренебречь спинами электрона и ядра. Следует отметить, что максимум объёмной плотности вероятности ψ 2 достигается не при r = a 0 , как для радиальной зависимости, а при r = 0 .

Атом водорода в электрическом поле

По теории деформационной поляризации, нейтральный атом водорода, попадая во внешнее электрическое поле, подвергается деформации - центр электронной оболочки атома водорода смещается относительно ядра на некоторое расстояние L , что приводит к появлению в атоме водорода наведённого электрического дипольного момента μ . Величина наведённого дипольного момента прямо пропорциональна напряжённости внешнего электрического поля E :

μ = α e E = Lq .

Коэффициент пропорциональности α e носит название электронной поляризуемости . Электронная поляризуемость атома водорода составляет 0,66 3 .

Чем выше напряжённость приложенного электрического поля, тем больше смещение центра электронной оболочки от центра атома водорода и, собственно, длина наведённого диполя

L = α e E/q ,

где q - величина заряда ядра атома водорода.

При высоких значениях напряжённости приложенного электрического поля атом водорода подвергается ионизации полем с образованием свободных протона и электрона.

Взаимодействие атома водорода с протоном

Деформационная поляризация атома водорода в электрическом поле протона

Протон, обладая положительным элементарным электрическим зарядом q = 1,602 10 −19 Кл, как и всякий точечный электрический заряд создаёт вокруг себя электрическое поле с напряжённостью E. E = q/R 2 , Где R - расстояние точки поля до протона.

Нейтральный атом водорода, попадая в электрическое поле протона, подвергается деформационной поляризации (рис.1.). Длина наведённого электрического диполя атома водорода обратно пропорциональна квадрату расстояния между атомом водорода и протоном L = α e E/q = α e /R 2 = 0,66/R 2

Отрицательный полюс наведённого электрического диполя атома водорода ориентируется в сторону протона. В результате чего начинает проявляться электростатическое притяжение между атомом водорода и протоном. Сближение частиц (атома водорода и протона) возможно до тех пор, пока центр плотности вероятности нахождения электрона станет равноудалённым от обоих протонов. В этом предельном случае d=R=2L. Центр области вероятного нахождения электрона совпадает с центром симметрии образовавшейся системы H 2 + - молекулярного иона водорода , при этом d=R=2L=³√2α e = ³√2 0,66 = 1,097 Å.

Найденная величина d = 1,097 Å близка к экспериментальной величине межъядерного расстояния в молекулярном ионе водорода H 2 + - 1,06 Å.

Взаимодействуя с протоном, атом водорода образует молекулярный ион водорода