1. Атомын нарийн нийлмэл бүтэц 19 -р зууны эцэс. Физикийн шинжлэх ухааны нээлтүүд Атомын бүтцийн загварууд Атомын бүтцийн онолууд

Transcript

1 CHEM101: Органик биш хими I Ëåêö ¹4 1. Атомын нарийн нийлмэл бүтэц 19 -р зууны эцэс. Физикийн шинжлэх ухааны нээлтүүд Атомын бүтцийн загварууд Атомын бүтцийн онолууд. Атомын электрон давхраат бүтэц, түүнийг тайлбарлах квант механикийн онол Атомын электрон давхраат бүтэц ба квант механик Устөрөгчийн атомд бичсэн Шредингерийн тэгшитгэл, түүний шийдийн хариу Квантын тоо (n, l, m l ) нууд, тэдгээрийн авах утга Атомын орбиталь төлөв байдлууд 1

2 1. Атомын нарийн нийлмэл бүтэц Atomos: өчүүхэн бага хуваагдашгүй гэсэн грек үг 19-р зууны эцэс хүртэл атом нь цааш үл хуваагдах, бодисыг бүрдүүлэгч жижиг хэсэг гэж үзэж байсан XIX зууны нээлтүүд: Катодын туяа буюу электрон (e - ): 1897 онд Английн физикч Joseph Tomson / / нээж, хасах цэнэгт жижиг хэсгийн урсгал болохыг тогтоосон Анодын туяа = сувгийн туяа буюу протон (protos, р): 1886 онд Германы физикч Goldstein нээсэн. В.Вin, J.J.Thomson нар судалж нэмэх цэнэгт жижиг хэсгийн урсгал болохыг тогтоосон Саармаг жижиг хэсэг нейтрон (neutrons, n ) : 193 онд Английн физикч James Chadwich нээж, түүний масс нь протоны масстай ойролцоо болохыг ажигласан.

3 Тэмдэглээ Цэнэг Харьцангуй атом масс /relative масс/ e - электрон 1-1/1840 (протоны масс) Үнэмлэхүй масс, г /actual масс/ р + протон n 0 нейтрон Германы эрдэмтэн А.Беккерели цөмийн цацраг идэвхт шинж чанарыг1896 онд илрүүлсэн Францын эрдэмтэн Мари ба Пepu Кюри нар цацраг идвэхт чанар атомын цөмийн задралын бүтээгдхүүн болохыг тогтоосон (альфа, бетта, гамма туяа) Элементийн атомын тэмдэглээ зохиогдсон A ZЭ r z n, CI 1 3

4 4

5 Атомын бүтцийн загварууд: Томсоны туршлага Томсоны загвар 1. Бөмбөрцөг загвар :1904 он. Английн физикч Томсон 1А о диаметртэй эзэлхooнээр протон жигд тархан бfмбfрцfг гадарга үүсгэнэ. Тooний мандал дээгooр электрон хөвнө. Электроны хэлбэлзлээр орон зайд цахилгаан соронзон долгион цацарна.. Санчир гариган загвар: 1904 он. Японы физикч Х.Нагаока электрон тойрон үүсгэнэ. цөмийг бүслүүр Х.Нагаокагийн загвар 5

6 Резерфордын туршлага: 3. Гариган загвар: 1907 онд Английн физикч Резорфорд альфа туяаны сариналын судлах туршилт хийсэн, 1911 онд атомын бүтцийн гариган загвар боловсрогдсон 3 мянган атом агуулах см зузаантай цагаан алтан (Pt) ялтсыг бөөмөөр бөмбөгдсөн 0000 хазайлтаас зөвхөн нэг назайлт 90 о ын хазайлт (эргэн ойсон) үзүүлж байсан. Резорфордын загвар 6

7 Атомын бүтцийн квант механикийн загвар: 4. Атомын электрон давхраат загвар: 190 он. Данийн эрдэмтэн Н.Бор атомын бүтцийн хагас квантын онолыг боловсруулж, Резорфордын гариган загварын дутагдлыг зассан. 5. Квант механикийн загвар: 190 иод онд боловсрогдсон. Энэ загвар ёсоор цөмийн үйлчлэлийн орон зайд электрон орших магадлал 90% -ыг агуулсан эзэлхүүнд электрон тодорхойлогдоно гэж үзсэн. Н.Боорын загвар Орбиталын энегийн ихсэлт Квант механикийн загвар 7

8 Рентген спектр. Мозлийн хууль Рентген туяа: Гаднаас өдөөх энергийн нөлөөгөөр атомын дотоод давхраанаас сугаран гарах электроны байрыг хамгийн ойр давхрааны электрууд эзэмших үед үүсэх ц.с.д. Рентген спектр бүрийн бүлэг шугамыг (K.L.M...) гэж тэмдэглэнэ. Нэг бүлэг дотроо α, β, γ, δ гэх мэт салаална. Химийн элемент бүр нь өөрийн тодорхойлогч гол спектр шугамыг гаргадаг. Рентген спетрийн шугамаар нь тэр элементийг танина. 8

9 Мозлийн хууль: (191 он): Рентген спектрийн долгионы урт, долгионы тоо (ν) нь элементийн дэс дугаартай шугаман хамааралтай. 1 N a( N b) R Хуулийн ач холбогдол: Үелэх системд шинэ тодорхойлолт өгсөн N- дэс дугаар а- бүлэг шугамын шугам бүрт тохирох тогтмол тоо. b- бүлэг шугам бүрт тохирох тогтмол тоо. R- Ридбергийн тогтмол / гц/ N Z цөм гэж баталсан. Үелэх систем дэх элементийн байрыг тогтоох боломж олгосон М массын тоо = M P + M n Изотоп /ижил байрт/ - цөмийн цэнэг ижил, атом масс өөр Ca, 0Ca, 0Ca Изобар /ижил масст/ - цөмийн цэнэг өөр, атом масс ижил Ar, K, 40 0 Ca Изотон /ижил дараалал/ - цөмийн цэнэг өөр, нейтроны тоо ижил Ba, La, Ce 9

10 Н. Борын хагас квантын онол Онол дэвшигдэх үндэслэл: Атомын электронт бүтцийн гариган загвар сонгодог цахилгаан динамикийн сургаалтай хоёр газар зөрчилддөг. Тасралтгүй хөдлөгч e - тасралтгүй энерги алдаж аажим устана! атом тогтвортой оршдог Тасралтгүй их хурдтай хөдлөгч биетийн спектр нил буюу үргэлжилсэн байх ёстой! атомын спектр тасралттай 1913 онд Данийн эрдэмтэн Н.Борын Хагас квантын онол : атомын үзүүлж буй дээрх шинж чанарыг тайлбарласан устөрөгчийн атомын бүтцийн гариган загварт үндэслэсэн постулат байдлаар дэвшигдсэн 10

11 Борын постулат: Электрон тодорхой энергит төлөв бүхий зөвшөөрөгдсөн тойрог орбитоор эргэнэ. Энэ үед атом энерги цацруулахгүй, шингээхгүй. Цөмд хамгийн ойр орбит энергийн хамгийн тогтвортой төлөвт оршино. Үүнийг энергийн үндсэн төлөв гэнэ Нэг орбитоос нөгөөд электрон шилжих үед л энергийн цацаргалт эсвэл шингээлт болно Үндсэн төлөв 11

12 Электроны төвөөс зугатах хүч, төвд тэмүүлэх хүч -тэй тэнцэх үед тойрог орбитын хөдөлгөөн тогтвортой Электроны хөдөлгөөнт тооны момент нь m e v e r ямагт тасралттай, бүхэл = квант утгаар ялгагдана. h e m n h e v n ийн утгыг m v д орлуулбал m r r 4 m r r e..... e e.., e r 4 nh me e n ao r a n o Борын радиус: n = 1 үед r o = 0.53 A o r = r o n =.1A o n - гол квантын тоо. Электроны энергит төлөв байдлыг тодорхойлно. Түүний тоон утга үелэх системийн үеийн дугаартай тэнцүү байна. n = 1 - энергийн үндсэн төлөв n =, 3, 4... энергийн өдөөгдсөн төлөв = сэрсэн төлөв 1

13 гэсэн шугаман хурдтай лектроны төвөөс зугатах хүч төвд тэмүүлэх хүчтэй тэнцэх үед тойрог орбитын хөдөлгөөн тогтвортой тул, Электроны нийт энерги нь түүний потенциал ба кинетик энергийн нийлбэртэй тэнцүү 1 1 En E i n hv R R f n n f i cm -1 13

14 Борын онолын тайлбар: Үзэгдэх гэрэл А. Атомын спектр шугам үүсэх шалтгаан, мөн чанарыг тайлсан. 5-0 эв энерги өгөхөд: Лайман - ультра ягаан, Байлмар - үзэгдэх гэрэл, Пайшин - инфра улаан туяа Ультра ягаан туяа Инфра улаан туяа Атомын нэг бүлэг шугамын доторх спектр шугамын зайн ихсэлт. Е» Е 3 > Е 4 ~ Е 5 Е 6 Е 7 14

15 Б. Рентген спектрийн мөн чанарыг тайлбарласан. Атомын дотоод давхраанаас электрон сугалан түүний байрыг хамгийн ойр давхрны электрон эзэмших үед рентген туяа цацарна Нэг үеийн элементийн рентген спектрийн бүлэг шугам өөр үеийнхээс эрс ялгаатай байна. Электрон давхрааны тоо өөрчлөгдөхөд спектрийн бүлэг шугам өөрчлөгдөнө n = K L M N O P Q Спектр шугам: 15

16 Спектр анализын багаж улам боловсронгуй болохын хирээр 1 спектр шугам салаалсан хэсэг шугамаас тогтдог болохыг тогтоосон онд Германы физикч Зоммерфельд атом цөмөө тойрон эргэхэдээ бөмбөрцөг замаар тойрохоос гадна эллипс замаар эргэж болно гэж үзэн тайлбар хийсэн. a Борын онолыг хөгжүүлсэн нь: R o b r o R0 a n a R0 n r nr r0 bn b Орбитал квантын тоо : Спектр шугамын төрх заасан англи нэрний эхний үсгээр s, p, d, f - тэмдэглэнэ. Уг тэмдэглээ орбиталын хэлбэр дүрстэй холбоогүй l = (n-1) гэсэн n ээс хамааралтай бүхэл тоон утга авна орбиталын энергийн дэд түвшинг заана орбиталын орон зайн бүтэц, хэлбэрийг тодорхойлно r R Энергийн квант тоо (n)-ны утга ижил электрон өөр хөдөлгөөнт тооны моментийн утга авна n = 1 3 l = s s p s p d 1 16

17 Электроны долгиолог төрх, квант механик Атомын электронт бүтцийн квант механикийн загвар Квант механик (долгионы механик): атом, электрон, молекул зэрэг жижиг биетийн хөдөлгөөн, түүний мөн чанарыг тайлбарлах шинжлэх ухааны арга. 190 иод онд үүссэн. Францын Луй Де Бройл, Германы Гейзенберг, Австрийн Э. Шредингер, Данийн Н.Бор, Английн Дирак П.А., Фок.В.А. нарын эрдэмтэд үндэслэсэн Сонгодог механик: Биетийн төрхийг, хөдөлгөөний траектор = ул мөрөөр илэрхийлдэг Квант механик: долгиолог болон бөөмлөг хоёрмол шинж чанартай бичил биетийн төрхийг, оршихуйн магадлалаар тодорхойлно тодорхойгүйн харьцаа, харилцан нөхөхүйн зарчим, магадлал, электрон үүл, долгионы функц... г.м квант механикийн үндсэн зарчим, ухагдахуунууд дээр үндэслэн тайлбарлана 17

18 Гейзенбергийн тодорхойгүйн зарчим: 195 онд аар электроны долгиолог болон бөөмлөг шинж чанарын харьцааг тайлбарласан. Бодохуйн сорил хийсэн. хөдөлгөөнгүй биетийн хурдыг тодорхойлох боломжгүй, хурд ихтэй биетийн байрлалыг тодорхойлох боломжгүй Тодорхойгүй нэгэн завсарт электрон хөдөлнө. X P 4 h Фотоны энерги их (v» 0) үед түүний байрлалыг тодорхойлох боломжгүй. Электрон хурд (υ) ихтэй фотонтой мөргөлдөх эгшинд (v = 0) фотоны явж өнгөрсөн зам илэрнэ Н.Борын харилцан нөхөхүйн зарчим: Бодисын хоёрдмол шинж чанар бие биеэ үгүйсгэдэг ч шинж чанарыг илрүүлэхэд бие биеэ нөхөж өгдөг. 18

19 Электроны шинж төрх: Долгиолог болон бөмлөг хоёрдмол шинжтэй Цөмийн үйлчлэл илрэх магадлалын мужид оршино Магадлалын мужид электроны долгиолог төрх илэрнэ Электроны долгиолог төрхийг долгионы функцээр илэрхийлнэ Ψ пси буюу долгионы функц. Электроны төрхийг тодорхойлогч хэмжигдэхүүн, цөмийн үйлчлэлийн орон зайн янз бүрийн цэгт тодорхой утга авна. (, y, z) E x долгионы функцийн математик бичиглэл H хамельтоны оператор, Ψ - функцийн үйлдлийн дарааллыг тодорхойлно 19

20 Цөм электронтой харилцан үйлчлэхэд долгиолог төрх илрэхгүй гэж үзэн зөвхөн электрон долгиолог төрхийг тайлбарласан 197 онд Шредингер устөрөгчийн атомын электронд долгионы тэгшитгэл бичсэн 8 ò h e ( E нийлбэр E n ) 0 x y z - набла, Ψ - функцийн х, у, z тэнхлэгээс авсан -р эрэмбийн уламжжлал 0

21 Ψ - атомын орон Ψ функцийн зайн тухайн физик цэгт илрэх утга: электроны магадлал Ψ dv элементар эзэлхүүнд тодорхойлогдох электроны магадлал Электрон үүл: электрон орших магадлалын дүрслэл Орбитал: электрон орших 90% -ийн магадлал бүхий орон зайг дайруулан татахад үүсэх эзэлхүүн. Атомын орбитал Электрон үүл Тодорхой цэг дэх электроны магадлал Тодорхой эзэлхүүн дэх электроны магадлал 1

22 Шредингерийн тэгшитгэлийг бодоход олон тооны хариу гардаг. Түүний шийд атомд орших электроны магадлал, түүний төрхийг илэрхийлж байх үүднээс хэд хэдэн болзлыг тогтооно /Борын постулатын адил/ тасралтгүй байх = квант тогтолцоо тасралтгүй өөрчлөгдөнө төгсгөлөг байх = электрон (e - ) үл илрэх нөхцөлд Ψ = 0 нэг утгатай байх = 1 цэгт нэг л утга авах ёстой нормчлогдсон байх = орон зайн аль нэг цэгт илрэх электроны магадлал нэг л байна Ψ dv 1 магадлал r зай

23 Хэрэв электроны магадлалыг 3 хэмжээст бөмбөрцөг гадаргууд тодорхойлж байвал,,, r гэсэн 3 координатын функц байдлаар бичнэ Ψ Ψ (r, r,, R( r) R(r) - долгионы функцийн радиаль хэсэг. Электроны цөмөөс алслагдах зайгаас хамаарна ( ), ( ) - долгионы функцийн өнцгөн хэсэг, ( ) ) ( ) Хөдөлж буй электроны магадлал: Ψ R Ψ [R(r)] - цөмөөс r - зайд алслагдсан электроны магадлал ( ) ( ) r радиустай гадаргуу дээрх электроны магадлал 3

24 Радиал болон өнцгөн функцүүдийн дифференциал тэгшитгэлийг бодоход бүхэл тоон утгаар илэрхийлэгдэх шийдийн хариу гарна. x y z r r r sin sin cos cos sin R r f f 1 f 3 n, l Долгионы l, m m e e тэгшитгэлийн бүтэн шийд R r n = 1,, 3, 4. l = 0, 1,, 3.n-1 ml = -l, -l+1.+l Мандал координатадбодсон долгионы функцийн хувийн шийд. 4

25 n ба l Долгионы функцийн радиаль хэсгээс хамаарах квантын тоо. Электроны цөмөөс алслагдах хэмжээ = электроны энергийг тодорхойлно. Е электрон = (n + l) l - Орбитал (туслах) квагтын тоо. Орбиталийн хэлбэр дүрсийг тодорхойлно m l Соронзон квантын тоо. Орбиталийн орон зайн чигийг тодорхойлно Орбиталь төлөв буюу орбиталь - квантын 3 тооны нэг багцаар тодорхойлогдож буй электроны төлөв байдал 5

26 АТОМЫН ОРБИТАЛ ТӨЛӨВ БАЙДАЛ Энергийн түвшин K L M Үндсэн түвш. Гол кв. тоо Дэд түвшин Орбитал кв. т Соронзон кв. тоо n 1 3 l m l Орбитал төлөвүүд 1s s p x p y p z 3s 3p x 3p y 3p z 3d z 3d xy 3d xz 3d yz 3d x y 1s s p 3s 3p 3d Орбиталын тоо N s 4p x 4p y 4p z 4d z 4d xy 4d xz 4d yz 4d x y 4f 1 4f 4f 3 4f 4 4f 5 4f 6 4f 7 4s 4p 4d 4f 16 6

27 АТОМЫН ОРБИТАЛЫН ЭНЕРГИТ ТӨЛӨВ БАЙДАЛ AO n l Энерги Е = n + l 1s = 1 s = p = 3 3s = 3 3p = 4 3d = 5 4s = 4 4p = 5 7

28 АТОМЫН ОРБИТАЛЫН ХЭЛБЭРҮҮД, ОРБИТАЛЫГ ОРОН ЗАЙН ДҮРСЛЭЛ s - орбитал p - орбитал d - орбитал 8

29 АТОМЫН ОРБИТАЛЫН ХЭЛБЭРҮҮД, ОРБИТАЛЫГ ОРОН ЗАЙН ДҮРСЛЭЛ f - орбитал f z 3 zr 5 3 f x 3 xr 5 3 f y 3 yr 5 3 f x y z f y ( x z ) f x ( y z ) f z ( y x ) 9

30 Спин квантын тоо 195 он: Уйленбек, Гаудсмидт нар шүлтийн металлын атомын спектрийн шугамын маш нарийн салаалах үзэгдлиг судлан, электроны хувийн тэнхлэгийн эргэлттэй холбоотой гэж үзсэн. Электроны хувийн тэнхлэгийн эргэлтээс үүсэх соронзон моментийг спин гэж нэрлэсэн Спин квантын тоо s * h m s m s - электроны хувийн соронзон момент 30

31 Олон электронт атом, онцлог o Oлон электронт атом: Нэгээс дээш электронтой атом o Электроны орших магадлал буюу орбитал төлөв байдлууд: Hэг электроноос тогтсон H ийн атомын тогтолцоонд тодорхойлогдох орбитал төлөв байдлууд хадгалагдана o Олон электронт атом дахь электрон: цөмтэйгээ кулоны таталцлын хүчээр, бие биетэйгээ кулоны түлхэлцэx хүчээр харилцан үйлчлэнэ. Электроны долгионы функцүүд мөн бие биедээ нөлөөлнө. o Oйролцоолон тооцоолох арга: Oлон электронт атом дахь электроны төлөв байдлыг тооцоолох хялбаршуулсан арга. 31

32 Ойролцоолон тооцолох аргыг хэрэглэн үелэх системийн ихэнх элементийн статик загварыг гаран электрон үүлний өнцгөн тархалтыг ойролцоогоор тооцоолсон. Ойролцоолон тооцоолох аргааас гарсан дүгнэлт: Олон электронт атомын электроны харилцан үйлчлэл долгионы функцийн радиусын хэсэгт нөлөөлнө Өнцгөн хэсэгт буюу орбиталийн хэлбэрт нөлөөлөхгүй Электроны энерги гол ба орбитал квантын тооны нийлбэр (n+l) -ээр тодорхойлогдоно. Олон электронт атомын электроны төлөв байдал квантын 4 тоогоор (n, l, m l, m s ) тодорхойлогдоно. Орбиталийн энерги элементийн дэс дугаараас хамааран өөрчлөгдөнө. 3

33 Атомын орбитал электроноор бөглөгдөх зүй тогтол: 1. Энергийн өсөх дараалал. Паулийн хоригийн зарчим 3. Хундийн дүрэм 1. Энергийн өсөх дараалал 1951 онд В.М.Клечковский олон электронт атомын орбиталууд электроноор бөглөгдөх дүрэм боловсруулсан. Клечковскийн I дүрэм: (n 1 +l 1 ) < (n +l ) үед бага энергитэй орбитал эхлэн электроноор бөглөгдөнө. 1s s p 3s 3p 3d Клечковскийн II дүрэм: (n 1 +l 1 ) = (n +l ) үед n ийн утга бага нь (n 1 < n ) эхлэн бөглөгдөнө 3p = 4s 3d = 4p 3p 4s 3d 4p 33

34 Атомын электронт бүтэц. Паулийн хоригийн зарчим Нэг атомд квантын дөрвөн тоо нь дөрвүүлээ ижил хоёр электрон байдаггүй. Мөрдлөгөө: Нэг орбиталд эсрэг спинтэй электрон хоёроос илүү байрлахгүй 3. Хундийн дүрэм Мөхөөгдсөн буюу ижил энергитэй орбитальд электрон бөглөгдөхдөө спин квантын тооны нийлбэр аль их байхаар бөглөгдөнө. Мөрдлөгөө: Ижил энергитэй орбитальд электронууд ганц ганцаар, спины чиглэл ижил байхаар бөглөгдөнө. 34

35 Атомын орбитал электроноор бөгдөгдөх дүрэм зөрчигдөх онцгой тохиолдол Жишээ нь: Cr, Cu d - орбиталийн хувьд: Орбиталуд ижил спинтэй дан электрон болон сөрөг спинтэй хос электроноор бүрэн дүүргэгдсэн тохиолдолд орбиталын энерги хамгийн тогтвортой төлөвд оршино s d s d p s p s s Cu s d s d p s p s s Cr 35

36 Асуулт даалгавар: Лекцийн бие даалт 4 Цөмийн цэнэг 19 өөс хойших элементүүдээс нэг элементийг сонгон, түүний атомын орбитал төлөв байдлыг үелэх системд эзлэх байр, квантын тоо тус бүрийн авах утгыг үндэслэн бичиж, шийдэл бүрээ тодорхой тайлбарлана уу? Тухайн атомын орбиталуудад электрон ямар дүрмийн дагуу хэрхэн дүүргэгдсэнийг тайлбарлан уу? Сонгосон атомын орбталын үндсэн болон дэд түвшингүүдийн энергийг олж энергийн өсөх дарааллаар байрлуулна уу? Холбогдох материал: [1] ийн 4 р бүлэг [5-6] - ийн Атомын бүтэц гэсэн дэд сэдэв Уншиж бататгасан байх шаардлагатай мэдээлэл: Гэрлийн шинж чанар. Квантын болон фотоны онол [1] : 77-8 Бодис болон энергийн долгиолог бөөмлөг хоёрдмол төрх [1] :