Електронна будова атома. Поняття про квантові числа

Урок 12. Електронна будова атома. Поняття про квантові числа

---

Мета уроку: сформувати поняття про енергетичні рівні та атомні орбіталі, квантові числа, порядок заповнення енергетичних підрівнів.

Очікувані результати для вчителя:

Очікувані результати для учнівства:

Ключові слова:

• атомна орбіталь
• енергетичний рівень
• підрівень
• квантові числа
• спін електрона

План уроку

1. Розбір і презентація виконання домашнього завдання (7 хв.)
2. Мотивація (6 хв.).
3. Вивчення нового матеріалу (18 хв.).
4. Практикуємось (10 хв.).
5. Рефлексія (4 хв.).

---

Дружня порада для вчителя

Тривалість: 7 хв. 

Обговорюємо виконання учнями домашнього завдання. 

Можна обговорити якими джерелами інформації користувалися учні, наскільки їм сподобалося домашнє завдання, відрефлексувати на цьому етапі.

Учні презентують виконання попереднього домашнього завдання – “Детективна історія з міченими атомами” (письмовий звіт, презентація, коротка історія тощо). 

---

Дружня порада для вчителя

Тривалість: 6 хв. 

Наводимо цікавий приклад на початку вивчення теми про експеримент австрійського фізика Е.Шредінгера з умовними котом. Це приверне увагу учнів до вивчення нового матеріалу і трохи спростить розуміння  поняття «квантової суперпозиції» (радіоактивний атом розпався/не розпався, кіт живий/мертвий). Важливо зазначити, що кіт Шредінгера – це уявний експеримент, а не реальний. Він призначений для ілюстрації теоретичних концепцій, а не для проведення на практиці.

Чи чули ви колись вислів «Кіт Шредінгера»?

У першій половині XX століття один із засновників квантової механіки, австрійський фізик Ервін Шредінгер запропонував уявний експеримент, який пояснює квантову суперпозицію. Суть експерименту ось у чому: в коробці з умовним котом міститься атом радіоактивного елемента  і колба з отрутою (кислотою, ціанідом, отруйним газом), яка розіб’ється після того як радіоактивний елемент розпадеться (ймовірність розпаду 50%). Якщо атом розпадається, детектор фіксує це, і молоток розбиває колбу з отрутою. Якщо колба розіб’ється – кіт помре, але ми не знаємо напевно, чи розпадеться атом радіоактивного елемента, і ніхто, включно з котом, не може на це вплинути. Отже, кіт і живий, і мертвий одночасно, що й називається квантовою суперпозицією.

Квантова суперпозиція означає, що квантова частинка може одночасно перебувати в декількох можливих станах. Наприклад, електрон може одночасно мати кілька різних значень енергії або обертатися в різних напрямках.

Джерело: Зображення та інформація взяті із сайту https://techno.nv.ua/ukr/popscience/zaglyanut-v-neizvestnost-fiziki-nashli-reshenie-glavnoy-zagadki-kvantovoy-mehaniki-50053972.html

Науковці різних країн світу намагаються і зараз навчитися керувати долею кота Шредінгера. Експерименти з умовним котом Шредінгера становлять величезну цінність для розвитку квантових комп’ютерів, адже створення стабільної системи дозволило б підтримувати квантовий стан кубітів (мінімальна одиниця інформації у квантових комп’ютерах) для виконання складних обчислень. Перевагою таких обчислень має стати швидкість їх виконання. 

---

Дружня порада для вчителя

Тривалість: 18 хв. 

Розкриваємо нові поняття для учнів. Ведемо записи у зошиті. 

Атомна орбіталь (АО) – це простір навколо ядра атома, ймовірність знаходження електрона в якому максимальна; АО характеризується чотирма квантовими числами.

Позначення АО – квантова комірка: 

Квантові числа – це енергетичні параметри, що визначають стан електрона та тип АО, на якій він знаходиться. Найважливішою характеристикою електрона в хімії розглядають його енергію. Електрони, які мають однакову чи близьку за рівнем енергію і рухаються по близьких за розмірами орбіталях, утворюють енергетичні рівні (електронні шари/оболонки).

Енергетичний рівень – сукупність атомних орбіталей, які характеризуються однаковим значенням головного квантового числа n (номеру періоду), характеризує: енергію, об’єм, номер рівня та число підрівнів. Енергетичні рівні позначають: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 або K, L, M, N, O, P, Q.

Ціле число n , яке означає номер рівня, називають головним квантовим числом. Воно визначає енергію електрона (залежить від відстані електрона до ядра), тобто це розміщення електрона на тому чи іншому енергетичному рівні. 

n = 1…..ꝏ

n = 1 означає перший енергетичний рівень, мінімальна енергія

Порівняно з електронами першого рівня електрони наступних рівнів характеризуються більшим запасом енергії. Відповідно електрони саме зовнішнього рівня найслабше зв’язані з ядром. Максимальна кількість електронів на енергетичному рівні обчислюється за формулою:

N (e) = 2n²,

N (e) – кількість електронів, n – номер енергетичного рівня.

Отже, на першому енергетичному рівні може розміститися не більше 2 електронів, на другому – не більше 8, на третьому – не більше 18, на четвертому – не більше 32. Підтвердіть це розрахунками за вище наведеною формулою. 

Енергетичні рівні складаються з підрівнів. Кожен підрівень також вміщує обмежену кількість електронів. Кількість підрівнів визначається номером енергетичного рівня. Кількість підрівнів дорівнює головному квантовому числу: перший рівень має один підрівень, другий – два, третій – три, четвертий – чотири підрівні і т.д. Підрівні позначають латинськими літерами: s, p, d, f. 

Кожен електрон в атомі займає певну орбіталь і утворює електронну хмару.

Електронна хмара – це сукупність різних положень електрона. Згідно із принципом мінімальної енергії електрони займають у першу чергу орбіталі, що мають найменшу енергію. Енергія підрівнів зростає у ряду: 

1s < 2s < 2p < 3s < 3p< 4s < 3d< 4p < 5s < 4d < 5p < 6s < 4f ≈ 5d < 6p < 7s < 5f ≈ 6d < 7p

Орбітальне (побічне) квантове число l – характеризує форму електронної хмари. 

l = 0……(n-1)

l =0, 1, 2, 3, 4

        s, p, d, f, g

Магнітне квантове число m – характеризує просторову орієнтацію електронної хмари. 

m =  – l …. + l                        (2 l + 1)

     (напрям, вектор)

Спінове квантове число s – показує орієнтацію електрона у магнітному полі.

s = – ½  , + ½

антипаралельні спіни

---

Дружня порада для вчителя

Тривалість: 10 хв. 

Розпочинаємо заповнювати таблицю від 1 енергетичного рівня, учні мають самостійно визначити головне та побічне квантові числа, позначити енергетичні підрівні, обчислити кількість електронів та спрогнозувати як вони будуть розподілені за підрівнями, наприклад:

на 2 енергетичному рівні заповнюються вже 2s- та 2p-підрівні, на яких розміщуються 2 та 6 електронів відповідно. 

Проводимо аналогію із кількістю хімічних елементів, які розміщені у 1, 2, 3 та 4 періодах ПСХЕ. Можна на цьому етапі сформувати проблемне запитання щодо кількості хімічних елементів у 3 періоді та заповненні 3d підрівня (можна це зробити й на наступному уроці). 

Завдання 3 можна виконати на наступному уроці, якщо учні погано пам’ятають матеріал з попередніх класів (електронно-графічна формула, валентні електрони тощо).

1. Заповнюємо таблицю (можна організувати діяльність у групах):

n1……∞	l0….(n-1)	Позначення енергетичного підрівня	Загальна кількість електронівN (e) = 2n2
K            1	0	1s	2
L            2	0; 1	2s, 2p	8
M           3	0; 1; 2	3s, 3p, 3d	18

2. Записати квантові числа, які визначають зовнішній (валентний) електрон в основному стані атома Натрію. 

Відповідь: ¹¹Na: 1s² 2s²2p⁶3s¹. Валентний електрон: n = 3, l = 0, m=0, s= ± ½)

3. За електронно-графічною формулою зовнішнього енергетичного рівня атома Алюмінію охарактеризувати квантові числа усіх його валентних електронів

                  Al ….3s²3p¹ 

---

Дружня порада для вчителя

Тривалість: до 4 хв. 

Прийом має на меті визначити, які терміни та поняття учні запам’ятали на уроці, що їм зрозуміло, а що варто розібрати ще на наступному уроці.

Рефлексія «Одна хвилина» – впродовж 1 хвилини на листочку запишіть всі терміни, які були новими для вас на сьогоднішньому уроці. Підкресліть 1 рискою ті терміни, які вам зрозумілі, та двома рисками – те, що потребує додаткового пояснення. 

---

Дружня порада для вчителя

Відео про квантові числа для кращого розуміння теми.

Переглянути відео: 

• Україномовне https://youtu.be/jSuOO8jR-LA

• Англомовне https://youtu.be/Aoi4j8es4gQ

Урок 12. Електронна будова атома. Поняття про квантові числа

Робочий аркуш учнівства

---

Мета уроку: сформувати поняття про енергетичні рівні та атомні орбіталі, квантові числа, порядок заповнення енергетичних підрівнів.

Очікувані результати для учнівства:

Ключові слова:

• атомна орбіталь
• енергетичний рівень
• підрівень
• квантові числа
• спін електрона

План уроку

1. Розбір і презентація виконання домашнього завдання (7 хв.)
2. Мотивація (6 хв.).
3. Вивчення нового матеріалу (18 хв.).
4. Практикуємось (10 хв.).
5. Рефлексія (4 хв.).

---

Учні презентують виконання попереднього домашнього завдання – “Детективна історія з міченими атомами” (письмовий звіт, презентація, коротка історія тощо). 

---

Чи чули ви колись вислів «Кіт Шредінгера»?

У першій половині XX століття один із засновників квантової механіки, австрійський фізик Ервін Шредінгер запропонував уявний експеримент, який пояснює квантову суперпозицію. Суть експерименту ось у чому: в коробці з умовним котом міститься атом радіоактивного елемента  і колба з отрутою (кислотою, ціанідом, отруйним газом), яка розіб’ється після того як радіоактивний елемент розпадеться (ймовірність розпаду 50%). Якщо атом розпадається, детектор фіксує це, і молоток розбиває колбу з отрутою. Якщо колба розіб’ється – кіт помре, але ми не знаємо напевно, чи розпадеться атом радіоактивного елемента, і ніхто, включно з котом, не може на це вплинути. Отже, кіт і живий, і мертвий одночасно, що й називається квантовою суперпозицією.

Квантова суперпозиція означає, що квантова частинка може одночасно перебувати в декількох можливих станах. Наприклад, електрон може одночасно мати кілька різних значень енергії або обертатися в різних напрямках.

Джерело: Зображення та інформація взяті із сайту https://techno.nv.ua/ukr/popscience/zaglyanut-v-neizvestnost-fiziki-nashli-reshenie-glavnoy-zagadki-kvantovoy-mehaniki-50053972.html

Науковці різних країн світу намагаються і зараз навчитися керувати долею кота Шредінгера. Експерименти з умовним котом Шредінгера становлять величезну цінність для розвитку квантових комп’ютерів, адже створення стабільної системи дозволило б підтримувати квантовий стан кубітів (мінімальна одиниця інформації у квантових комп’ютерах) для виконання складних обчислень. Перевагою таких обчислень має стати швидкість їх виконання. 

---

Атомна орбіталь (АО) – це простір навколо ядра атома, ймовірність знаходження електрона в якому максимальна; АО характеризується чотирма квантовими числами.

Позначення АО – квантова комірка: 

Квантові числа – це енергетичні параметри, що визначають стан електрона та тип АО, на якій він знаходиться. Найважливішою характеристикою електрона в хімії розглядають його енергію. Електрони, які мають однакову чи близьку за рівнем енергію і рухаються по близьких за розмірами орбіталях, утворюють енергетичні рівні (електронні шари/оболонки).

Енергетичний рівень – сукупність атомних орбіталей, які характеризуються однаковим значенням головного квантового числа n (номеру періоду), характеризує: енергію, об’єм, номер рівня та число підрівнів. Енергетичні рівні позначають: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 або K, L, M, N, O, P, Q.

Ціле число n , яке означає номер рівня, називають головним квантовим числом. Воно визначає енергію електрона (залежить від відстані електрона до ядра), тобто це розміщення електрона на тому чи іншому енергетичному рівні. 

n = 1…..ꝏ

n = 1 означає перший енергетичний рівень, мінімальна енергія

Порівняно з електронами першого рівня електрони наступних рівнів характеризуються більшим запасом енергії. Відповідно електрони саме зовнішнього рівня найслабше зв’язані з ядром. Максимальна кількість електронів на енергетичному рівні обчислюється за формулою:

N (e) = 2n²,

N (e) – кількість електронів, n – номер енергетичного рівня.

Отже, на першому енергетичному рівні може розміститися не більше 2 електронів, на другому – не більше 8, на третьому – не більше 18, на четвертому – не більше 32. Підтвердіть це розрахунками за вище наведеною формулою. 

Енергетичні рівні складаються з підрівнів. Кожен підрівень також вміщує обмежену кількість електронів. Кількість підрівнів визначається номером енергетичного рівня. Кількість підрівнів дорівнює головному квантовому числу: перший рівень має один підрівень, другий – два, третій – три, четвертий – чотири підрівні і т.д. Підрівні позначають латинськими літерами: s, p, d, f. 

Кожен електрон в атомі займає певну орбіталь і утворює електронну хмару.

Електронна хмара – це сукупність різних положень електрона. Згідно із принципом мінімальної енергії електрони займають у першу чергу орбіталі, що мають найменшу енергію. Енергія підрівнів зростає у ряду: 

1s < 2s < 2p < 3s < 3p< 4s < 3d< 4p < 5s < 4d < 5p < 6s < 4f ≈ 5d < 6p < 7s < 5f ≈ 6d < 7p

Орбітальне (побічне) квантове число l – характеризує форму електронної хмари. 

l = 0……(n-1)

l =0, 1, 2, 3, 4

        s, p, d, f, g

Магнітне квантове число m – характеризує просторову орієнтацію електронної хмари. 

m =  – l …. + l                        (2 l + 1)

     (напрям, вектор)

Спінове квантове число s – показує орієнтацію електрона у магнітному полі.

s = – ½  , + ½

антипаралельні спіни

---

1. Заповнюємо таблицю (можна організувати діяльність у групах):

n1……∞	l0….(n-1)	Позначення енергетичного підрівня	Загальна кількість електронівN (e) = 2n2
K            1	0	1s	2
L            2	0; 1	2s, 2p	8
M           3	0; 1; 2	3s, 3p, 3d	18

2. Записати квантові числа, які визначають зовнішній (валентний) електрон в основному стані атома Натрію. 

3. За електронно-графічною формулою зовнішнього енергетичного рівня атома Алюмінію охарактеризувати квантові числа усіх його валентних електронів

                  Al ….3s²3p¹ 

---

Рефлексія «Одна хвилина» – впродовж 1 хвилини на листочку запишіть всі терміни, які були новими для вас на сьогоднішньому уроці. Підкресліть 1 рискою ті терміни, які вам зрозумілі, та двома рисками – те, що потребує додаткового пояснення. 

---

Переглянути відео: 

• Україномовне https://youtu.be/jSuOO8jR-LA

• Англомовне https://youtu.be/Aoi4j8es4gQ