Глава 3. Ключевые термины и уравнения

Ключевые термины

актиноид (actinide)

внутренний переходный металл из нижней из двух нижних строк периодической таблицы.

щелочной металл (alkali metal)

элемент 1-й группы.

щёлочноземельный металл (alkaline earth metal)

элемент 2-й группы.

амплитуда (amplitude)

величина смещения, вызванного волной.

атомная орбиталь (atomic orbital)

математическая функция, описывающая поведение электрона в атоме (синоним — волновая функция).

принцип заполнения (правило Клечковского) (Aufbau principle)

процедура, в которой электронная конфигурация элементов определяется их «построением» в порядке возрастания атомных номеров: к ядру добавляется по одному протону, а к соответствующей подоболочке — по одному электрону.

абсолютно чёрное тело (blackbody)

идеализированный совершенный поглотитель всего падающего электромагнитного излучения; такие тела испускают электромагнитное излучение в характерных непрерывных спектрах, называемых излучением чёрного тела.

модель атома водорода Бора (Bohr's model of the hydrogen atom)

структурная модель, в которой электрон движется вокруг ядра только по круговым орбитам, каждая из которых имеет определённый разрешённый радиус.

халькоген (chalcogen)

элемент 16-й группы.

непрерывный спектр (continuous spectrum)

электромагнитное излучение, испускаемое в виде непрерывного ряда длин волн (например, белый солнечный свет).

остовный электрон (core electron)

электрон в атоме, занимающий орбитали внутренних оболочек.

ковалентная связь (covalent bond)

сила притяжения между ядрами атомов молекулы и парами электронов, расположенными между этими атомами.

ковалентное соединение (covalent compound)

(синоним — молекулярное соединение) соединение, состоящее из молекул, образованных атомами двух и более различных элементов.

ковалентный радиус (covalent radius)

половина расстояния между ядрами двух одинаковых атомов, соединённых ковалентной связью.

$d$-орбиталь (d orbital)

область пространства с высокой электронной плотностью, имеющая либо четырёхлепестковую форму, либо форму гантели с тором; описывает орбитали с \(\ell = 2\).

вырожденные орбитали (degenerate orbitals)

орбитали, имеющие одинаковую энергию.

эффективный заряд ядра (effective nuclear charge)

заряд, обусловливающий кулоновскую силу, действующую со стороны ядра на электрон; рассчитывается как заряд ядра за вычетом экранирования.

электромагнитное излучение (electromagnetic radiation)

энергия, передаваемая волнами, имеющими электрическую и магнитную составляющие поля.

электромагнитный спектр (electromagnetic spectrum)

диапазон энергий, который может содержать электромагнитное излучение, включая радио-, микро-, инфракрасное, видимое, ультрафиолетовое, рентгеновское и гамма-излучение.

сродство к электрону (electron affinity)

изменение энергии при добавлении электрона к атому или иону в газовой фазе.

электронная конфигурация (electron configuration)

запись, указывающая заполнение электронами оболочек и подоболочек атома.

электронная плотность (electron density)

мера вероятности обнаружения электрона в определённой области пространства; равна квадрату модуля волновой функции \(\psi\).

эндотермический (endothermic)

процессы, которые увеличивают энергию атома и связаны с поглощением света.

возбуждённое состояние (excited state)

состояние с энергией, большей, чем энергия основного состояния.

экзотермический (exothermic)

процессы, которые уменьшают энергию атома и связаны с испусканием света.

$f$-орбиталь (f orbital)

многолепестковая область пространства с высокой электронной плотностью; описывает орбитали с \(\ell = 3\).

частота (frequency, \(\nu\))

число циклов волны (гребней или впадин), проходящих через заданную точку пространства за единицу времени.

основное состояние (ground state)

состояние, в котором электроны атома, иона или молекулы обладают наименьшей возможной энергией.

группа (group)

вертикальный столбец периодической таблицы.

галоген (halogen)

элемент 17-й группы.

принцип неопределённости Гейзенберга (Heisenberg uncertainty principle)

правило, согласно которому невозможно одновременно точно определить определённые сопряжённые динамические величины — например, импульс и координату частицы. Принцип неопределённости является следствием корпускулярно-волнового дуализма квантовых частиц.

герц (Гц) (hertz, Hz)

единица частоты, равная числу циклов в секунду, \(\text{с}^{-1}\).

правило Хунда (Hund's rule)

каждая орбиталь подоболочки сначала заполняется одним электроном, и только после этого начинается образование пар; при этом все электроны на одиночно занятых орбиталях имеют одинаковый спин.

инертный газ (inert gas)

(синоним — благородный газ) элемент 18-й группы.

внутренний переходный металл (inner transition metal)

(также лантаноид или актиноид) элемент из двух нижних строк периодической таблицы; в верхней из них — лантаноид, в нижней — актиноид.

интенсивность (intensity)

свойство энергии, переносимой волной, связанное с её амплитудой, — например, яркость света или громкость звука.

интерференционная картина (interference pattern)

картина, обычно состоящая из чередующихся светлых и тёмных полос; возникает в результате конструктивной и деструктивной интерференции волн.

ионная связь (ionic bond)

электростатические силы притяжения между противоположно заряженными ионами ионного соединения.

ионное соединение (ionic compound)

соединение, состоящее из катионов и анионов, объединённых в определённых соотношениях, дающее электрически нейтральное вещество.

энергия ионизации (ionization energy)

энергия, необходимая для удаления электрона из газообразного атома или иона.

изоэлектронные (isoelectronic)

группа ионов или атомов, имеющих одинаковые электронные конфигурации.

лантаноид (lanthanide)

внутренний переходный металл из верхней из двух нижних строк периодической таблицы.

линейчатый спектр (line spectrum)

электромагнитное излучение, испускаемое отдельным атомом (или атомами) в возбуждённом состоянии на дискретных длинах волн.

магнитное квантовое число (magnetic quantum number, \(m_\ell\))

квантовое число, указывающее ориентацию атомной орбитали в пространстве вокруг ядра.

элемент главной группы (main-group element)

(синоним — представительный элемент) элемент в группах 1, 2 и 13–18.

металл (metal)

элемент, обладающий блеском, ковкостью, хорошей теплопроводностью и электропроводностью.

металлоид (metalloid)

элемент, умеренно проводящий теплоту и электрический ток и обладающий некоторыми свойствами металлов и некоторыми — неметаллов.

молекулярное соединение (molecular compound)

(синоним — ковалентное соединение) соединение, состоящее из молекул, образованных атомами двух и более различных элементов.

одноатомный ион (monatomic ion)

ион, состоящий из одного атома.

благородный газ (noble gas)

(синоним — инертный газ) элемент 18-й группы.

узел (node)

точка стоячей волны с нулевой амплитудой.

неметалл (nonmetal)

элемент, имеющий тусклый вид, плохой проводник теплоты и электрического тока.

диаграмма орбиталей (orbital diagram)

графическое представление электронной конфигурации, в котором каждая орбиталь изображается ячейкой, а каждый электрон — стрелкой.

оксоанион (oxyanion)

многоатомный анион, состоящий из центрального атома, связанного с атомами кислорода.

$p$-орбиталь (p orbital)

область пространства с высокой электронной плотностью в форме гантели; описывает орбитали с \(\ell = 1\).

принцип запрета Паули (Pauli exclusion principle)

утверждение, согласно которому никакие два электрона в атоме не могут иметь одинаковые значения всех четырёх квантовых чисел.

период (period)

(синоним — ряд) горизонтальная строка периодической таблицы.

периодический закон (periodic law)

свойства элементов являются периодической функцией их атомных номеров.

периодическая таблица (periodic table)

таблица элементов, в которой элементы со сходными химическими свойствами расположены рядом друг с другом.

фотон (photon)

наименьший возможный пакет электромагнитного излучения, частица света.

пниктоген (pnictogen)

элемент 15-й группы.

многоатомный ион (polyatomic ion)

ион, состоящий более чем из одного атома.

главное квантовое число (principal quantum number, \(n\))

квантовое число, указывающее, какую оболочку занимает электрон в атоме.

квантование (quantization)

ограничение некоторого свойства определёнными дискретными значениями, а не непрерывным набором.

квантовая механика (quantum mechanics)

область исследований, охватывающая квантование энергии, корпускулярно-волновой дуализм и принцип неопределённости Гейзенберга для описания вещества.

квантовое число (quantum number)

число, принимающее только определённые разрешённые значения и используемое для характеристики расположения электронов в атоме.

представительный элемент (representative element)

(синоним — элемент главной группы) элемент в столбцах 1, 2 и 12–18.

$s$-орбиталь (s orbital)

сферическая область пространства с высокой электронной плотностью; описывает орбитали с \(\ell = 0\).

орбитальное (азимутальное) квантовое число (angular momentum quantum number, \(\ell\))

квантовое число, различающее разные формы орбиталей; также является мерой орбитального момента импульса.

ряд (series)

(синоним — период) горизонтальная строка периодической таблицы.

оболочка (shell)

атомные орбитали с одинаковым главным квантовым числом \(n\).

спиновое квантовое число (spin quantum number, \(m_s\))

число, задающее направление спина электрона: \(+\tfrac{1}{2}\) или \(-\tfrac{1}{2}\).

стоячая волна (standing wave)

(синоним — стационарная волна) локализованное волновое явление, характеризуемое дискретными длинами волн, определяемыми граничными условиями, в которых волны генерируются; стоячие волны изначально квантованы.

подоболочка (subshell)

атомные орбитали с одинаковыми значениями \(n\) и \(\ell\).

переходный металл (transition metal)

элемент в группах 3–12 (в более строгом определении 3–11; см. главу о переходных металлах и координационной химии).

валентные электроны (valence electrons)

электроны на высокоэнергетических внешних оболочках атома.

валентная оболочка (valence shell)

высокоэнергетические внешние оболочки атома.

волна (wave)

колебание некоторой величины во времени или в пространстве; может переносить энергию из одной точки в другую.

корпускулярно-волновой дуализм (wave-particle duality)

наблюдение, согласно которому элементарные частицы могут проявлять свойства как волн, так и частиц.

волновая функция (wavefunction, \(\psi\))

математическое описание атомной орбитали, задающее её форму; используется для вычисления вероятности обнаружения электрона в любой точке орбитали, а также таких динамических переменных, как энергия и момент импульса.

длина волны (wavelength, \(\lambda\))

расстояние между двумя соседними гребнями или впадинами волны.

Ключевые уравнения

\[ c = \lambda \nu \]

\[ E = h\nu = \dfrac{hc}{\lambda},\quad \text{где } h = 6{,}626 \times 10^{-34}\ \text{Дж}\cdot\text{с} \]

\[ \dfrac{1}{\lambda} = R_{\infty}\left(\dfrac{1}{n_1^{2}} - \dfrac{1}{n_2^{2}}\right) \]

\[ E_n = -\dfrac{kZ^{2}}{n^{2}},\quad n = 1, 2, 3, \ldots \]

\[ \Delta E = kZ^{2}\left(\dfrac{1}{n_1^{2}} - \dfrac{1}{n_2^{2}}\right) \]

\[ r = \dfrac{n^{2}}{Z}\,a_{0} \]