D.s.p.

D.S.P

d.s.p.

Программное обеспечение, предназначенное для цифровой обработки аудиосигналов в режиме реального времени.

Основное назначение программы D.S.P. – захват сигналов, поступающих на вход аудиокарты компьютера, обработка их с помощью специальных алгоритмов и математических моделей и вывод.

Приложение основано на интуитивно-понятном визуальном программировании, что позволяет без знания каких-либо языков путем взаимодействия с визуальными компонентами создавать схемы различной степени сложности.

Графическое ядро данного софта выполнено на OpenGL.

Интерфейс программного обеспечения также прост и удобен. Благодаря наличию структуры проекта, представленной в отдельном окне в виде иерархического дерева, имеется возможность осуществлять быстрые переходы по уровням.

Каждый компонент-обработчик имеет свою собственную панель с редактируемыми параметрами.

На главном окне представлены ключевые индикаторы: размера аудиобуфера, частоты дискретизации, каналов звуковой карты, величины нагрузки на систему в ходе обработке сигналов.

Необходимо отметить, что приложение D.S.P. не является законченным продуктом. Функционал расширяется с каждой новой версией, создаются новые компоненты-обработчики, оптимизируются алгоритмы, исправляются ошибки. На момент написания статьи программа позволяла успешно решать задачи:

  • по визуализации сигналов путем отображения их графиков как функций амплитуды от времени с помощью компонента-осциллографа;
  • по генерации сигналов сложных форм путем использования различных сочетаний обработчиков с возможностями изменения частоты, амплитуды и фазы, настройки воспроизведения на левый или правый каналы звуковой карты;
  • по спектральному анализу сигналов, представленному в виде диаграммы спектральной плотности;
  • по определению частоты основной гармоники;
  • по частотной фильтрации сигналов с помощью воздействия на него фильтрами низких и высоких частот, полосовыми и режекторными.

Кроме того с помощью программы D.S.P. можно выполнять усиление сигналов, амплитудную модуляцию, разделение спектра на низкие и высокие компоненты, задержку по времени, расчет коэффициента корреляции двух сигналов и многое другое.

Среди прочих полезных возможностей – хранение информации о последних сохраненных/открытых проектах, поддержка файлов, созданных в ранних версиях программы, калибровка сигнала, чтение wave-файлов, изменение количества каналов в компонентах-обработчиках.

Перед началом работы необходимо настроить параметры сигналов (размер буфера, частоту дискретизации и т.д.) и устройства ввода/вывода с количеством и разрядностью каналов. Несмотря на то, что эти параметры могут уменьшить задержки и улучшить качество сигналов, изменять их нужно с крайней осторожностью.

Разработчик программного обеспечения D.S.P. известен как “Ivan Kulibin” из города Холмск (Россия, Сахалинская область). Первый релиз программы вышел в мае 2013 года.

Приложение бесплатно и распространяется по принципу “как есть”. Автор предупреждает, что не несет ответственности за ущерб, причиненный в ходе использования данного софта.

Язык интерфейса программного обеспечения – русский. Руководства пользователя нет.

В настоящее время программа D.S.P. предназначена для работы на платформе Microsoft Windows. В будущем планируется появлений отдельной версии под Linux – Debian и Ubuntu.

Данное ПО имеет ряд ограничений – частота исследуемого сигнала не должна превышать 22050 Гц, а при обработке сигналов присутствует задержка, зависящая от драйвера звуковой платы, величины буфера данных и некоторых других параметров.

Кроме того максимальное количество используемых в схеме обработчиков, при котором процесс остается стабильным, зависит от мощности компьютера и может быть найдено только опытным путем.

Распространение программы: бесплатная.

Официальный сайт D.S.P.: http://vk.com/dsp_project_community

Скачать D.S.P.

Обсуждение программы на форуме

Источник: http://cxem.net/software/DSP.php

Программа цифровой обработки сигнала “DSP”

Автор: “Кулибин”
Город: Холмск, Сахалинская область

Хорошая, и постоянно развивающаяся программа для цифровой обработки сигналов на компьютере

С уверенностью можно сказать, что в настоящее время цифровая обработка сигнала (ЦОС) занимает не последнее место в развитии цифровых технологий. Практически все современные аудиоустройства и средства связи используют алгоритмы ЦОС.

Существует множество программ, адаптированных под определенные задачи, например: проигрыватели, аудио-редакторы, программы-осциллографы, спектрографы – все они используют похожие алгоритмы обработки сигнала.

Рассматриваемая в данном обзоре программа, в общих чертах, предназначена для захвата аудио сигнала, обработки его в реальном времени с помощью алгоритмов ЦОС и воспроизведения.

Основная особенность программы в том, что пользователь может создавать произвольные схемы обработки сигнала, сложность схем ограничивается фантазией пользователя и производительностью компьютера, на котором будет использоваться программа.
Выделим некоторые задачи, которые позволяет решить программа:
1.

Отображение графика сигнала с помощью сциллографа;
2. Генерация сигнала;
3. Анализ спектра сигнала;
4. Определение частоты сигнала;
5. Частотная фильтрация сигнала.

Итак, приступим к рассмотрению программы.

Основные элементы главного окна.
Так выглядит главное окно программы при первом запуске:

Сверху находится главное меню, содержащее все команды, доступные пользователю, и панели инструментов, содержащие наиболее часто используемые команды. Справа находятся панели: “Обработчики сигнала”, “Структура проекта” и “Свойства объекта”.

Панель “Обработчики сигнала” содержит список всех компонентов-обработчиков, которые пользователь может использовать для создания схем цифровой обработки.

Панель “Структура проекта” отображает в виде дерева иерархическую вложенность текущего проекта, также позволяет выполнять переход по уровням вложенности.
Панель “Свойства объекта” используется для редактирования параметров обработчиков.

В нижней части главного окна находятся индикаторы частоты дискретизации, размера аудио- буфера, используемых каналов звуковой карты и загрузки (условный индикатор, показывающий степень нагрузки на систему при обработке сигнала).

Настройка устройств ввода/вывода.
Перед началом создания схем обработки следует настроить параметры сигнала и устройства ввода/вывода. Для этого в главном меню выбираем пункт “Параметры”, после чего на экране появится форма настройки параметров.

Основные параметры сигнала и устройств ввода/вывода находятся на вкладке “Сигнал”.
Увеличивая частоту дискретизации и уменьшая размер буфера можно улучшить качество сигнала и уменьшить задержки, но изменять эти параметры нужно с осторожностью. На данном этапе частоту дискретизации и размер буфера можно оставить без изменения .
В поле “интерфейс ввода/вывода” выбираем: “WDM” (т.

е. для захвата и воспроизведения сигнала программа будет использовать драйвер, поддерживаемый большинством звуковых карт).
В поле “Устройство записи” необходимо указать устройство, со входа которого программа будет захватывать сигнал. В поле “Количество каналов” выбираем “2” (т.е. стерео). В поле “Разрядность” выбираем “16”. Аналогично заполняются параметры устройства воспроизведения.

Нажимаем кнопку “Подтвердить”, настройка устройств выполнена.

Отображение графика сигнала с помощью цифрового осциллографа.
Прежде всего, для решения этой задачи, создадим новый проект. Для этого в главном меню выбираем пункт “Файл Создать новый” (Ctrl+N). В главной форме появляется вкладка проекта с заголовком “Новый проект”. Проект создан, но пока он пустой.

В центре вкладки проекта находится редактор схемы, который используется для просмотра и редактирования схемы обработки сигнала.
Для создания осциллографа понадобятся обработчики: канал записи и осциллограф. Добавим их в редактор схемы. Для этого необходимо найти их на панели “Обработчики сигнала” и, удерживая левую кнопку мыши, переместить в редактор схемы.

В итоге должно получиться, как показано на рисунке.

В нашем случае канал записи будет выполнять захват сигнала со входа звуковой карты и передавать сигнал в схему обработки, а осциллограф будет отображать форму сигнала.

Пиктограммы с изображением треугольной стрелки, находящиеся слева или справа от обработчика – это порты, с помощью портов происходит передача сигнала в схеме от одного обработчика к другому.

Пиктограмма со стрелкой, направленной в сторону обработчика – это принимающий порт, если стрелка направлена в противоположную сторону, то такой порт – отправляющий.

Чтобы канал записи передавал сигнал осциллографу необходимо соединить отправляющий порт канала записи с принимающим портом осциллографа. Для этого кликнем левой кнопкой мыши сначала по одному порту, затем по другому (порядок не важен). Должно получиться, как показано на рисунке.

Далее каналу записи необходимо назначить канал звуковой карты, с которого будет захватываться сигнал.

Для этого необходимо кликнуть левой кнопкой мыши по каналу записи, после чего в панели “свойства объекта” появятся его параметры.

В параметрах в поле “Канал” выбираем канал звуковой карты (1 – левый канал, 2 – правый канал).
Выбираем пункт меню “Обработка / Запустить” (F4) и наблюдаем, как осциллограф отображает форму сигнала.

Для остановки обработки выбираем пункт меню “Обработка / Остановить” (F4).
Следует отметить что показания осциллографа условные и не дают информацию о точном напряжении на входе звуковой карты.

В данном случае когда показание на графике достигает значения 100, то на вход звуковой карты подано максимальное напряжение, если -100, то минимальное.

Для реализации двухканального осциллографа нужно добавить на схему еще один канал записи, установить в настройках осциллографа параметр “Количество каналов” равным 2 и соединить соответствующие порты, как показано на следующем рисунке.

Для завершения работы с проектом останавливаем обработку и закрываем вкладку проекта. Чтобы не выполнять настройку проекта в следующий раз, проект можно сохранить в файл, выбрав пункт меню “Файл / Сохранить” (Ctrl+S).

Генерация сигнала.
Создадим схему генератора сигнала и выведем сигнал на динамики. Для этого, по аналогии с предыдущим примером, создаем новый проект и добавляем на схему обработчики: канал воспроизведения и генератор тона, соединим порты, как показано на рисунке.

Генератор готов. После запуска обработки на выходе будет формироваться синусоидальный сигнал. Также, как и канал записи, канал воспроизведения можно настроить на левый либо правый канал звуковой карты.

В параметрах генератора тона можно изменить частоту сигнала, амплитуду и фазу.

Используя различные сочетания обработчиков, можно создать генератор более сложных форм сигнала, как, например, на рисунке ниже.

Следует отметить, что канал воспроизведения (как и канал записи) рассчитан на сигнал со значением амплитуды от -100 до 100, если амплитуда сигнала выходит за указанный диапазон, на выходе будет сигнал с урезанной амплитудой, и это вызовет значительные искажения в звучании.

Анализ спектра сигнала.
Для создания анализатора спектра сигнала добавим на схему обработчики: канал записи и анализатор спектра, назначим канал звуковой карты каналу записи и соединяем порты, как показано на рисунке. Описанные действия можно производить во время обработки сигнала.

Для создания анализатора спектра сразу 2-х каналов звуковой карты добавим дополнительные обработчики на схему: канал записи и сумматор, соединяем порты, как показано на рисунке.

В этой схеме сигал с обоих каналов звуковой карты суммируется в обработчике “сумматор” и передается анализатору спектра, а анализатор спектра показывает спектр суммарного сигнала.

Определение частоты сигнала.
Для оценки частоты входящего сигнала, создадим несложную схему, состоящую их 3-х обработчиков: канал записи, частота сигнала и осциллограф. Добавим обработчики на схему и соединим порты, как на рисунке.

В этой схеме сигнал поступает в обработчик “Частота сигнала”, который определяет частоту и передает значение частоты в осциллограф, осциллограф, в свою очередь, отображает динамику изменения частоты сигнала по времени. Если анализируется сложный сигнал, то определяется частота гармоники с максимальной амплитудой.

Частотная фильтрация сигнала.
Немаловажной особенностью программы является возможность обрабатывать сигнал с помощью частотных фильтров.

Для этой цели есть следующие разработчики: фильтр НЧ (пропускает частоты ниже частоты среза), фильтр ВЧ (подавляет частоты ниже частоты среза), полосовой фильтр (пропускает частоты в полосе пропускания) и режекторный фильтр (подавляет частоты в некоторой полосе).

На рисунке ниже показан простейший способ фильтрации сигнала. Для обработки использованы: канал записи, канал воспроизведения и фильтр НЧ.

Читайте также:  Bluetooth манометр

На этой схеме сигнал со входа звуковой карты поступает в фильтр НЧ, который пропускает спектр, ниже установленной частоты, и отправляет на выход звуковой карты.
Другой пример использования фильтров: разделение спектра сигнала на низкие и высокие составляющие.

Здесь сигнал, поступает со входа на разветвитель, который перенаправляет его на фильтр НЧ и фильтр ВЧ, далее сигнал поступает на выходы звуковой карты. Таким образом в левый канал поступает низкие составляющие спектра входящего сигнала, а в правый – высокие.

Заключение.
Функционал программы “D.S.P.

(Цифровая обработка сигнала)” намного шире рассмотренных примеров, он включает ряд полезных функций, таких, как: усиление сигнала, амплитудная модуляция, задержка по времени, определение коэффициента корреляции 2-х сигналов и т.д., но эти возможности остаются за рамок данного обзора.
Актуальную версию программы можно найти по адресу: http://vk.com/dsp_project_community

Здесь вы можете скачать программу “DSP (цифровая обработка сигнала)”:

  “DSP – программа цифровой обработки сигнала (56.6 MiB, 2,261 hits)

Источник: http://radio-stv.ru/ot-chitateley/tsifrovaiy-obrabotka-signala

Ответы@Mail.Ru: По каким признакам различают; S- p- d- F- элементы???

Электронные орбитали бывают разных размеров, располагаются на различных расстояниях от ядра и притягиваются к ядру с различными силами. Электроны с орбиталями, близкими по размеру и энергии, образуют электронные слои. Электронные слои называют также энергетическими или электронными уровнями.

Начиная от ядра электронные уровни нумеруются следующим образом: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 или K, L, M, N, O, P, Q. Целое число n, обозначающее номер уровня, называется главным квантовым числом и характеризует энергию электронов, занимающих данный энергетический уровень.

Число заполненных электронами энергетических уровней в атоме численно равно номеру периода периодической системы, в котором данный атом находится. Наибольшее число электронов на данном энергетическом уровне равно N= 2n2, где N- число электронов, n- номер уровня или главное квантовое число.

Согласно этой формуле максимальное число электронов на первом энергетическим уровне равно 2, на втором- 8, на третьем- 18, на четвертом- 32. Во внешнем, последнем электронном слое атома не бывает больше 8 электронов. Строение электронных уровней. Квантовые числа. Принцип Паули. Электронные уровни, начиная с n³2, разделяются на подуровни (подслои) .

Подуровни отличаются друг от друга энергией связи с ядром. Количество подуровней равно значению главного квантового числа, но не превышает четырех, т. е. первый уровень имеет один подуровень, второй имеет два подуровня, третий- три, четвертый и все остальные- четыре подуровня.

Каждый подуровень состоит из орбиталей определенного вида, которым соответсвуют определенные значения орбитального квантового числа l. Подуровни со значениями l равными 0, 1, 2, 3 называются соответственно s-, p-, d-, f- подуровнями.

Число орбиталей на каждом подуровне равно 2l+1, столько значений может принимать магнитное квантовое число m, определяющее пространственную ориентацию орбиталей. В каждом энергетическом уровне наиболее близко к ядру располагается s- подуровень, состоящий из одной s- орбитали. Далее следует р- подуровень, состоящий из трех р- орбиталей.

Следующим подуровнем является d- подуровень, вмещающий пять d- орбиталей. Четвертым является f- подуровень, образованный семью f- орбиталями. Каждому квантовому числу n соответствует общее число орбиталей, равное n2, то есть каждый электронный уровень состоит из n2 орбиталей. Согласно принципу Паули, на каждой орбитали может находиться не более двух электронов.

Это связано с тем, что двигаясь около ядра электрон одновременно вращается вокруг своей оси. Это движение называется спиновым движением или спином и характеризуется спиновым квантовым числом ms. Если два электрона имеют одинаковые направления спинового вращения, то говорят, что это электроны с параллельными спинами.

В случае же, когда спины электронов противоположны, то это электроны с антипараллельными спинами. Электроны с антипараллельными спинами создают вокруг себя магнитное поле с противоположно направленными силовыми линиями, что способствует их взаимному притяжению. Поэтому на одной орбитали могут находиться два электрона, но только в том случае, если у них противоположные спины.

Такие электроны называются спаренными. Таким образом, у спаренных электронов одинаковый набор чисел n, m и l, но различные значения ms. Согласно этому, принцип Паули может быть сформулирован следующим образом: в атоме не может быть двух электронов, характеризующихся одинаковым набором квантовых чисел. Из этого следует, что каждая атомная орбиталь может быть занята не более чем двумя электронами, причем их спиновые квантовые числа должны быть различны, что символически обозначается ¯ Как видно, для характеристики электрона в атоме необходимо знать значения его квантовых чисел, то есть номер энергетического уровня (главное квантовое число n), тип орбитали (орбитальное квантовое число l), пространственное расположение орбиталей (магнитное квантовое число m) и проекцию его спина (спиновое квантовое число ms)

Каждому уровню соответствует 2*n^2 электронов, где n=1,2,3,4

Семейства s-, p-, d- и f-элементов выделяют в соответствии с тем, какой энергетический подуровень атома заполняется у этих элементов: у s-элементов – заполняется s-подуровень внешнего уровня. Все s-элементы, кроме водорода и гелия, – металлы главных подгрупп 1 и 2 групп периодической системы элементов.

У элементов первого периода есть только один s-подуровень, образованный одной s-орбиталью, на которой может находиться не более 2 электронов. Поэтому в 1 периоде только 2 элемента – водород Н и гелий Не. У p-элементов заполняется p-подуровень внешнего энергетического уровня. Это элементы главных подгрупп 3-8 групп ПСЭ, большинство из них – неметаллы.

На p-подуровне 3 орбитали, т. е. максимальное число р-электронов – 6. Всего на внешнем уровне могут заполняться электронами 1 s- и 3 р-орбитали, т. е. максимально – 8 электронов. На втором энергетическом уровне есть только 1 s- и 3 р-орбитали, поэтому во 2 периоде – 8 элементов. Т. к.

на внешнем электронном слое заполняются только s- и р-подуровни, то и в 3 периоде – тоже 8 элементов, хотя на 3 энергетическом уровне и появляется d-подуровень. У d-элементов заполняется d-подуровень предвнешнего (второго снаружи) энергетического уровня (= электронного слоя) . Это все металлы побочных подгрупп (кроме лантаноидов и актиноидов) .

На d-подуровне 5 орбиталей, максимальное число электронов – 10. Начиная с 4 периода, сначала у элементов заполняется s-подуровень внешнего уровня (до 2 электронов) , затем – d-подуровень предвнешнего уровня (до 10 электронов) , затем – р-подуровень внешнего уровня (до 6 электронов) . Поэтому в 4 и 5 периодах по 18 элементов.

У f-элементов заполняется 3-й снаружи электронный слой, это лантаноиды и актиноиды (все они – металлы) . Всего на f-подуровне 7 орбиталей, т. е. возможно 14 электронов. Поэтому в 6 периоде, у элементов которых заполняется 5f-подуровень, всего 32 элемента; 7 период – незавершенный.

Семейства s-, p-, d- и f-элементов выделяют в соответствии с тем, какой энергетический подуровень атома заполняется у этих элементов: у s-элементов – заполняется s-подуровень внешнего уровня. Все s-элементы, кроме водорода и гелия, – металлы главных подгрупп 1 и 2 групп периодической системы элементов.

У элементов первого периода есть только один s-подуровень, образованный одной s-орбиталью, на которой может находиться не более 2 электронов. Поэтому в 1 периоде только 2 элемента – водород Н и гелий Не. У p-элементов заполняется p-подуровень внешнего энергетического уровня. Это элементы главных подгрупп 3-8 групп ПСЭ, большинство из них – неметаллы.

На p-подуровне 3 орбитали, т. е. максимальное число р-электронов – 6. Всего на внешнем уровне могут заполняться электронами 1 s- и 3 р-орбитали, т. е. максимально – 8 электронов. На втором энергетическом уровне есть только 1 s- и 3 р-орбитали, поэтому во 2 периоде – 8 элементов. Т. к.

на внешнем электронном слое заполняются только s- и р-подуровни, то и в 3 периоде – тоже 8 элементов, хотя на 3 энергетическом уровне и появляется d-подуровень. У d-элементов заполняется d-подуровень предвнешнего (второго снаружи) энергетического уровня (= электронного слоя) . Это все металлы побочных подгрупп (кроме лантаноидов и актиноидов) .

На d-подуровне 5 орбиталей, максимальное число электронов – 10. Начиная с 4 периода, сначала у элементов заполняется s-подуровень внешнего уровня (до 2 электронов) , затем – d-подуровень предвнешнего уровня (до 10 электронов) , затем – р-подуровень внешнего уровня (до 6 электронов) . Поэтому в 4 и 5 периодах по 18 элементов.

У f-элементов заполняется 3-й снаружи электронный слой, это лантаноиды и актиноиды (все они – металлы) . Всего на f-подуровне 7 орбиталей, т. е. возможно 14 электронов. Поэтому в 6 периоде, у элементов которых заполняется 5f-подуровень, всего 32 элемента; 7 период – незавершенный.

Блок периоди́ческой табли́цы — это совокупность химических элементов со сходным расположением валентных электронов в атоме. Сходство заключается в том, что валентные электроны с наивысшей энергией у них занимают орбиталь одного типа. Термин впервые появился в работах французского физика Шарля Жане. В один и тот же блок периодической таблицы входят её смежные группы. Названия блоков совпадает с названием характеристической орбитали, на которой располагаются валентные электроны. Эти названия блоков следующие: • s-блок • p-блок • d-блок • f-блок • g-блок (гипотетический) Источник: ВИКИПЕДИЯ<\p>

Источник: https://touch.otvet.mail.ru/question/20347712

Орбитали с s, p , d – и f -электронами (атомные s, p , d – и f -орбитали)

Атомную орбиталь, имеющую шаровую симметрию (рис.3), принято обозначать как s-орбиталь (s-АО), а находящиеся в ней электроны – как s-электроны.

Радиус атомной s-орбитали возрастает при увеличении номера энергетического уровня; 1s-АО расположена внутри 2s-АО, последняя – внутри 3s-АО и т.д. с центром, отвечающим атомному ядру. В целом строение электронной оболочки атома в орбитальной модели представляется слоистым. Каждый энергетический уровень, содержащий электроны, геометрически рассматривается как электронный слой.

Для сокращенного обозначения электрона, занимающего атомную s-орбиталь, используется обозначение самой s-АО с верхним цифровым индексом, указывающим число электронов. Например, 1s− обозначение единственного электрона атома водорода.

Номер энергетического уровня отвечает главному квантовому числу, а вид орбитали − орбитальному квантовому числу.

2sLi=1s2s,Be=1s2s

1s H=1s, He

Электронная формула в сочетании с энергетической диаграммой электронной оболочки атома (рис.3) отражают его электронную конфигурацию.

Атомную орбиталь, имеющую вращательную (осевую) симметрию принято обозначать как p-орбиталь (p-АО) (рис.3); находящиеся в ней электроны – это p-электроны.

Каждая атомная p-орбиталь может принять (при максимальном заполнении) два электрона, подобно любой другой АО. Эти электроны сообща занимают обе половины p-орбитали. На каждом атомном энергетическом уровне (кроме первого) имеется три атомных орбитали, которым отвечает максимальное заселение шестью электронами.

Рис. 4.Диаграмма электронных энергетических состояний атома

Все три p-АО одного энергетического уровня отличаются друг от друга пространственным расположением; их собственные оси, проходящие через обе половины орбитали и перпендикулярные ее узловой плоскости, образуют систему декартовых координат (обозначения собственных осей x, y, z). Поэтому на каждом энергетическом уровне имеется набор трех атомных p-орбиталей: px-, py- и pz-АО. Буквы x, y, z соответствуют магнитному квантовому числу, позволяющему судить о влиянии внешнего магнитного поля на электронную оболочку атома.

Атомные s-орбитали имеются на всех энергетических уровнях, атомные p-орбитали − на всех уровнях, кроме первого.

На третьем и последующих энергетических уровнях к одной s-АО и трем p-АО присоединяется пять атомных орбиталей, получивших название d-орбиталей(рис.

Читайте также:  Регулятор мощности

4), а на четвертом и последующих уровнях − еще семь атомных орбиталей, называемых f-орбиталями.

Энергетические подуровни

многоэлектронного атома. принципы

построения электронной оболочки

Квантово-механические расчеты показывают, что в многоэлектронных атомах энергия электронов одного уровня не одинакова; электроны заполняют атомные орбитали разных видов и имеют разную энергию.

Энергетический уровень характеризуется главным квантовым числом n. Для всех известных элементов значения n изменяются от 1 до 7. Электроны в многоэлектронном атоме, находящемся в основном (невозбужденном) состоянии, занимают энергетические уровни от первого до седьмого.

Энергетический подуровень характеризуется орбитальным квантовым числом l.

Для каждого уровня (n = const) квантовое число l принимает все целочисленные значения от 0 до (n-1), например, при n=3 значениями l будут 0, 1 и 2.

Орбитальное квантовое число определяет геометрическую форму (симметрию) орбиталей s-, p-, d-, f-подуровня. Очевидно, что во всех случаях n>l; при n=3 максимальное значение l равно 2.

Существующие подуровни для первых четырех энергетических уровней, числа атомных орбиталей и электронов в них приведены в таблице 1.

Закономерность заполнения электронных оболочек атомов определяется принципом запрета, установленным в 1925 г. швейцарским физиком Паули.

Принцип Паули: в атоме не могут находится два электрона в тождественных состояниях.

Различие электронов, занимающих разные атомные орбитали одного подуровня (n, l = const), кроме s-подуровня, характеризуется магнитным квантовым числом m.

Это число называется магнитным, поскольку оно характеризует поведение электронов во внешнем магнитном поле.

Если значение l определяет геометрическую форму атомных орбиталей подуровня, то значение квантового числа mустанавливает взаимное пространственное расположение этих орбиталей.

Таблица 1

Энергетические уровни, подуровни и орбитали

многоэлектронного атома

Энерге-тический уровень n Энергетический подуровень Обозначение орбитали Число орби- талей n Число электронов 2n
l вид орбитали
s 1s
2 s p 2s 2p 3 4 2 8
3 s p d 3s 3p 3d 3 9 6 18
4 s p d f 4s 4p 4d 4f 3 16 6 32

Магнитное квантовое число ml в пределах данного подуровня (n, l = const) принимает все целочисленные значения от +l до –l, включая нуль. Для s-подуровня (n = const, l = 0) возможно только одно значение ml = 0, откуда следует, что на s-подуровне любого (от первого до седьмого) энергетического уровня содержится одна s-АО.

Для p-подуровня (n>1, l = 1) ml может принимать три значения +1, 0, -1, следовательно, на p-подуровне любого (от второго до седьмого) энергетического уровня содержится три p-АО.

Для d-подуровня (n>2, l = 2) ml имеет пять значений +2, +1, 0, -1, -2 и, как следствие, d-подуровень любого (от третьего до седьмого) энергетического уровня обязательно содержит пять d-АО.

Аналогично, для каждого f-подуровня (n>3, l = 3) mимеет семь значений +3, +2, +1, 0, -1, -2, -3 и поэтому любой f-подуровень содержит семь f-АО.

Таким образом, каждая атомная орбиталь однозначно определяется тремя квантовыми числами – главным n, орбитальным l и магнитным ml.

При n = const строго определены все относящиеся к данному энергетическому уровню значения l, а при l = const – все относящиеся к данному энергетическому подуровню значения ml.

Ввиду того, что каждая орбиталь может максимально заполняться двумя электронами, число электронов, которое может разместиться на каждом энергетическом уровне и подуровне, вдвое больше числа орбиталей на данном уровне или подуровне.

Поскольку электроны, находящиеся в одной атомной орбитали, имеют одинаковые значения квантовых чисел n, l и ml, то для двух электронов на одной орбитали используется четвертое, спиновое квантовое число s, которое определяется спином электрона.

В соответствии с принципом Паули можно утверждать, что каждый электрон в атоме однозначно характеризуется своим набором четырех квантовых чисел – главного n, орбитального l, магнитного m и спинового s.

Заселение электронами энергетических уровней, подуровней и атомных орбиталей подчиняется следующему правилу (принцип минимума энергии): в невозбужденном состоянии все электроны обладают наименьшей энергией.

Это означает, что каждый из электронов, заполняющих оболочку атома, занимает такую орбиталь, чтобы атом в целом имел минимальную энергию. Последовательное квантовое возрастание энергии подуровней происходит в следующем порядке:

1s – 2s – 2p – 3s – 3p – 4s – 3d – 4p – 5s – …..

Заполнение атомных орбиталей внутри одного энергетического подуровня происходит в соответствии с правилом, сформулированным немецким физиком Ф.Хундом (1927 г. ).

Правило Хунда: атомные орбитали, принадлежащие к одному подуровню, заполняются каждая вначале одним электроном, а затем происходит их заполнение вторыми электронами.

Правило Хунда также называют принципом максимальной мультиплетности, т.е. максимально возможного параллельного направления спинов электронов одного энергетического подуровня.

На высшем энергетическом уровне свободного атома может находиться не более восьми электронов.

Электроны, находящиеся на высшем энергетическом уровне атома (во внешнем электронном слое), называются внешними; число внешних электронов у атома любого элемента никогда не бывает больше восьми. Для многих элементов именно число внешних электронов (при заполненных внутренних подуровнях) в значительной степени определяет их химические свойства.

Для других электронов, у атомов которых есть незаполненный внутренний подуровень, например 3d-подуровень у атомов таких элементов, как Sc, Ti, Cr, Mn и др., химические свойства зависят от числа как внутренних, так и внешних электронов. Все эти электроны называются валентными; в сокращенных электронных формулах атомов они записываются после условного обозначения атомного остова, т.

е. после выражения в квадратных скобках.

Источник: https://cyberpedia.su/2x35f0.html

Селекция Привлекательных Состояний

Этот пост — снова про устройство атома.

Для того, чтобы понимать в общих чертах разные генетические штуки, слишком детально представлять себе устройство атома, конечно, не обязательно, но если ты хочешь более глубоко разобраться в межмолекулярных взаимодействиях, на которых и строится собственно вся биохимия, то без хотя бы поверхностного понимания того, как устроен атом, уже совершенно точно не обойтись.

Поэтому я предлагаю тебе сначала пролистать/прочесть наши предыдущие три статьи про устройство атома, а потом пойти дальше. На самом деле это совсем несложно.

Итак, мы знаем, что первый электронный уровень любого атома выглядит очень просто. Конфигурация его может быть представлена сферой, в центре которой находится ядро, а находиться на первом уровне может максимум 2 электрона.

Картинка со сферой — первая. Нет ничего проще:) По этой сфере вокруг ядра «размазан» либо один электрон, либо два, но никак не больше.

Что значит «размазан»? Значит электрон можно обнаружить в любой точке этой сферы с одинаковой вероятностью.

А теперь рассмотрим второй уровень. Главное, что тут нужно понять, это то, что второй уровень состоит из двух под-уровней. Первый подуровень — это такая же сфера, но побольше диаметром. А второй подуровень имеет форму трех гантелей — см. вторую картинку. При этом на каждой такой гантеле может находиться максимум 2 электрона.

Подуровень, являющийся сферой, обозначается латинской буквой «s», а подуровень, являющийся тройной гантелей, обозначается как «p». Соответственно сферический подуровень первого уровня обозначается 1s, а сферический подуровень второго уровня — 2s. Гантельный подуровень 2-го уровня обозначается как 2p.

Теперь, если мы одновременно представим себе оба уровня, то понятно, что там будет три подуровня: два S-подуровня и один P-подуровень — см. третью картинку. Если мы увидим обозначение «2s», то поймем, что речь идет о сферическом подуровне второго уровня.

Рассматривая картинки с гантелями можно подумать, что есть вероятность найти электрон также и в ядре атома, но это не так — это просто недостаток таких картинок.

Как видишь, все просто. Теперь давай немного посчитаем электроны. На первом уровне — максимум два. На 2s-подуровне — тоже максимум 2. На 2p-подуровне — максимум 6 электронов, так как на каждой гантельной орбите может находиться одновременно максимум два электрона.
Итак, сколько максимум электронов будет находиться на первых двух уровнях? 2+2+6=10. Десять.

Отсюда и получается, что тот атом, в ядре которого 10 протонов (и соответственно на первых двух уровнях у него будет максимум 10 электронов), будет последним из тех, кто обходится двумя уровнями.

Атому с порядковым номером 11 уже не хватит двух уровней, и один из его электронов будет вынужден поместиться на третий уровень.

Так что натрий (Na) с его 11 протонами в ядре — это первый химический элемент, которому двух уровней уже не хватает для размещения на них всех своих электронов.

Третий электронный уровень устроен еще сложнее, чем второй, но мы легко разберемся и в нем, потому что тут очень простая логика: если первый уровень имеет только один подуровень (1s), а второй — два подуровня (2s, 2p), то третий уровень содержит уже три подуровня: 3s, 3p и 3d.

Есть и еще одна простая закономерность: на s-подуровне размещается максимум 2 электрона, потому что s-подуровень — это лишь одна сфера.

На p-подуровне размещается максимум 6 электронов, потому что p-подуровень — это уже три гантели, на каждой из которых максимально может быть 2 электрона.

Соответственно на d-подуровне есть целых 5 усложненных гантелей, на каждой из которых опять-таки может поместиться максимум по 2 электрона.

Давай потренируемся и попробуем подсчитать — сколько всего может быть электронов на третьем уровне? На сфере 3s — максимум 2 электрона. На трех гантелях 3p — максимум 6. На пяти сложных траекториях 3d — максимум 10. Итого: на третьем уровне максимум может быть 2+6+10=18 электронов.

Давай еще ответим на один простой вопрос: сколько максимум может быть электронов на всех первых трех уровнях? На первом (сфера): 2. На втором (сфера + 3 гантели): 8. На третьем: 18. Итого: 2+8+18=28
Всё просто.

Удобно ввести термин «ОРБИТАЛЬ», которым мы будем обозначать любую электронную конфигурацию некоторого подуровня, будь то сфера, или гантель, или что-то еще более сложное более высоких подуровней.

Термином ЭЛЕКТРОННОЕ ОБЛАКО называется общая совокупность всех орбиталей всех уровней данного атома.

Вернувшись к уровням и подуровням, мы можем заметить простую закономерность. Каждый новый уровень имеет на один подуровень больше, чем предыдущий.

Можно это объяснить так, что чем дальше от ядра, тем более свободно, тем больше там пространства, и уже можно не толпиться и образовывать больше и больше разных подуровней.

Так что четвертый уровень уже имеет 4 подуровня, и этот новый четвертый подуровень обозначается буквой «f». Он уже имеет 7 орбиталей.

Давай подытожим и перечислим все подуровни первых 4-х уровней:

1: s 2: s, p 3: s, p, d

4: s, p, d, f

Теперь в скобках еще укажем количество орбиталей, каждое из которых вмещает в себя максимум 2 электрона:

1: s (1) 2: s (1), p (3) 3: s (1), p (3), d (5)

4: s (1), p (3), d (5), f (7)

Поскольку каждая орбиталь вмещает в себя максимум 2 электрона, мы теперь можем переписать эту таблицу еще раз, в скобках уже указывая максимальное количество электронов, находящихся на данном подуровне:

1: s (2) 2: s (2), p (6) 3: s (2), p (6), d (10)

4:s (2), p (6), d (10), f (14)

Просуммировав эти электроны, мы теперь можем очень легко написать таблицу с указанием того — сколько максимум электронов помещается на каждом уровне в атоме:

1 уровень: 2 электрона 2 уровень: 8 электронов 3 уровень: 18 электронов

4 уровень: 32 электрона

Читайте также:  Электрика в доме своими руками

Если мы знаем, что в каком-то атоме заполнены первые два уровня, а на более высоких уровнях электронов нет, то это значит, что в нем находится (2+8) 10 электронов, и значит в его ядре 10 протонов, а значит в периодической таблице он находится под номером 10 — это неон (Ne).

Больше всего неона во Вселенной мы сможем найти там же, где находится больше всего водорода и гелия — внутри звезд, в газовых туманностях, в атмосфере газовых гигантов типа Юпитера и Сатурна. Как и гелий, неон не вступает в химические реакции, и поэтому совершенно неинтересен ни биохимии, ни генетике.

Все электроны в атоме идентичны, если их оттуда вытащить и рассмотреть по-отдельности. Между ними нет никакой разницы, но при этом каждый электрон ведет себя несколько по-своему в зависимости от того, на каком подуровне и на какой орбитали он находится.

Для того, чтобы было легче говорить про электроны в атоме, ввели добавочные простые термины: «s-электрон» — это электрон, находящийся на орбитали типа «s», «p-электрон» — это электрон, находящийся на орбитали типа «p», и так далее — это вполне логично.

Да, это большой пост, но его проще понять целиком, чем частями. В следующих постах про атомное устройство мы еще более приблизимся к пониманию того — что такое «химическая связь».

Источник: http://bodhi.name/ru/zh/zh-l-2/154-2/

Свойства соединений s, p, d – элементов

Для ответов на контрольные вопросы рекомендуем воспользоваться литературой 6, 9, 12 и таблицами 8 – 11.

Все s- и р-элементы расположены в главных подгруппах периодической системы Д.И. Менделеева (главная подгруппа). Каждый период начинается двумя s – элементами, а шесть последних (кроме первого периода) – это р- элементы. У s- и р – элементов валентными являются электроны и орбитали внешнего слоя атома.

Число внешних электронов равно номеру группы (кроме Н и Не). При участии в образовании связей всех валентных электронов элемент проявляет высшую степень окисления, которая численно равна номеру группы.

Энергетически более стабильны соединения, в которых элементы нечетных групп проявляют нечетные степени окисления, а элементы четных групп – четные степени окисления (табл. 8).

s-Элементы. Атомы s 1- элементов имеют на последнем уровне единственный электрон и проявляют степень окисления только +1, являются сильными восстановителями, самыми активными металлами. В соединениях преобладает ионная связь. С кислородом образуют оксиды Э2О.

Оксиды образуются при недостатке кислорода или косвенно, через пероксиды Э2О2 и супероксиды ЭО2 (исключение Li2O). Пероксиды и супероксиды – сильные окислители. Оксидам соответствуют сильные растворимые основания – щелочи ЭОН, поэтому s 1- элементы называют щелочными металлами.

Щелочные металлы активно реагируют с водой по схеме:. Соли s 1 металлов, как правило, хорошо растворимы в воде.

s-Элементы II группы проявляют степень окисления +2. Это тоже довольно активные металлы. На воздухе окисляются до оксидов ЭО, которым соответствуют основания Э(ОН)2.

Растворимость и основной характер оснований возрастают от Ве(ОН)2 к Rа(ОН)2. Ве(ОН)2 – амфотерное соединение (табл. 9, 10). Бериллий с водой не реагирует.

Магний взаимодействует с водой при нагревании, остальные металлы реагируют по схеме:, образуя щелочи и называются щелочноземельными.

Щелочные и щелочноземельные металлы из-за высокой активности не могут находиться в атмосфере и хранятся в специальных условиях.

При взаимодействии с водородом s- элементы образуют ионные гидриды, которые в присутствии воды подвергаются гидролизу:

р-Элементы содержат на последнем уровне от 3 до 8 электронов. Большинство р- элементов – неметаллы. У типичных неметаллов электронная оболочка близка к завершению, т.е.

они способны принимать электроны на последний уровень (окислительные свойства). Окислительная способность элементов увеличивается в периоде слева направо, а в группе – снизу вверх. Наиболее сильными окислителями являются фтор, кислород, хлор, бром.

Неметаллы могут проявлять и восстановительные свойства (кроме F2), например:

;

Преимущественно восстановительные свойства проявляют водород, бор, углерод, кремний, германий, фосфор, астат, теллур. Примеры соединений с отрицательной степенью окисления неметалла: бориды, карбиды, нитриды, сульфиды и др. (табл. 9).

В определенных условиях неметаллы реагируют между собой, при этом получаются соединения с ковалентной связью, например НCl, H2O, SF6, CH4. С водородом неметаллы образуют летучие соединения (искл. Н2О). Гидриды VI и VII группы в водных растворах проявляют кислотные свойства. При растворении в воде аммиака NH3, образуется основание NH4OH.

р – Элементы, расположенные левее диагонали бор – астат, относятся к металлам. Их металлические свойства выражены гораздо слабее, чем у s – элементов.

С кислородом р – элементы образуют оксиды. Оксиды неметаллов имеют кислотный характер (искл. N2O, NO, CO – несолеобразующие). Для р – металлов характерны амфотерные соединения.

Кислотно – основные свойства изменяются периодически, например, в III периоде:

оксиды Al2O3 SiO2 P2O5 SO3 Cl2O7
гидроксиды Al(OH)3 H2SiO3 H3PO4 H2SO4 HClO4
характер соединений амфотерный слабая кислота кислота средней силы сильная кислота очень сильная кислота

Многие р – элементы могут проявлять переменную степень окисления, образуя оксиды и кислоты разного состава, например:

оксид SO2 SO3
кислота H2SO3 H2SO4

Кислотные свойства усиливаются с увеличением степени окисления. Например, кислота НNО3 сильнее НNО2, H2SO4 сильнее H2SO3, PbО – амфотерный, PbО2 – кислотный оксид.

Кислоты, образованные элементами в высшей степени окисления являются сильными окислителями.

d-Элементы называются так же переходными. Они расположены в больших периодах, между s- и р- элементами. У d-элементов валентными являются энергетически близкие девять орбиталей.

На внешнем слое находятся 1-2 электрона (ns), остальные расположены в предвнешнем (n-1)d слое.

Примеры электронных формул:Mn 4d55s2, Cr 3d54s1, W 5d46s2.

Подобное строение элементов определяет общие свойства. Простые вещества, образованные переходными элементами, являются металлами. Это объясняется наличием одного или двух электронов на внешнем уровне.

Наличие в атомах d-элементов частично заполненных d-орбиталей обусловливает у них разнообразие степеней окисления. Почти для всех из них возможна степень окисления +2 – по числу внешних электронов.

Высшая степень окисления отвечает номеру группы (исключение составляют железо, элементы подгруппы кобальта, никеля, меди).

Соединения с высшей степенью окисления более устойчивы, по форме и свойствам сходны с аналогичными соединениями главных подгрупп:

SO3 CrO3 Cl2O7 Mn2O7
H2SO4 H2CrO4 HClO4 HMnO4

Оксиды и гидроксиды данного d-элемента в разных степенях окисления имеют различные кислотно – основные свойства. Наблюдается закономерность: с ростом степени окисления характер соединений изменяется от основного через амфотерный к кислотному. Например:

ст. окисления Cr+2 Cr+3 Cr+6
оксиды CrO Cr2O3 CrO3
гидроксиды Cr(OH)2 Cr(OH)3 H2CrO4 H2Cr2O7
свойства основный амфотерный киислотные

Вследствие разнообразия степеней окисления для химии d-элементов характерны окислительно – восстановительные реакции. В высших степенях окисления элементы проявляют окислительные свойства, а в степени окисления +2 – восстановительные. В промежуточной степени соединения могут быть и окислителями, и восстановителями.

d-Элементы имеют большое количество вакантных орбиталей и поэтому являются хорошими комплексообразователями, соответственно входят в состав комплексных соединений. Например:

K3[Fe(CN)6] – гексацианоферрат (III) калия;

Na2[Zn(OH)4] – тетрагидроксоцинкат (II) натрия;

[Ag(NН3)2]Cl – хлорид диамминсеребра(I).

[Co(NH3)3 Cl3] – трихлоротриамминкобальт;

Контрольные вопросы

261. Опишите лабораторные и промышленные способы получения водорода. Какую степень окисления может проявлять водород в своих соединениях? Почему? Приведите примеры реакций, в которых газообразный водород играет роль а) окислителя; б) восстановителя.

262. Какие соединения магния и кальция применяются в качестве вяжущих строительных материалов? Чем обусловлены их вяжущие свойства?

263. Какие соединения называют негашеной и гашеной известью? Составьте уравнения реакций их получения. Какое соединение образуется при прокаливании негашеной извести с углем? Что является окислителем и восстановителем в последней реакции? Составьте электронные и молекулярные уравнения.

264. Напишите химические формулы следующих веществ: каустическая сода, кристаллическая сода, кальцинированная сода, поташ. Объясните, почему водные растворы всех этих веществ можно применять как обезжиривающие средства.

265. Написать уравнение гидролиза пероксида натрия. Как называют раствор пероксида натрия в технике? Сохранит ли раствор свои свойства, если его прокипятить? Почему? Написать соответствующее уравнение реакции в электронном и молекулярном виде.

266. На каких свойствах алюминия основано его применение а) в качестве конструкционного материала; б) для получения газобетона; в) в составе термитов при холодной сварке. Записать уравнения реакций.

267. В чем проявляется агрессивность природной и технической воды по отношению к алюминию и глиноземистому цементу? Составить соответствующие уравнения реакций.

268. Какие соединения называют карбидами? На какие группы их делят? Напишите уравнения реакций взаимодействия карбидов кальция и алюминия с водой, где они находят применение?

269. Напишите уравнения реакций, с помощью которых можно осуществить следующие превращения:

NaHCO3 → CO2 → CaCO3 → Ca(HCO3)2 → CaCO3 → CaCl2

Что такое агрессивная углекислота?

270. Почему в технике олово растворяют в соляной кислоте, а свинец в азотной? Написать соответствующие уравнения реакций в электронном и в молекулярном виде.

271. Составьте уравнения реакций, которые надо провести для осуществления превращений:

SiO2 → K2SiO3 → H2SiO3 → SiO2

↓ ↓

CaSiO3 K2CO3

Где применяются данные вещества в технике?

272. Составьте молекулярные и электронные уравнения реакций взаимодействия аммиака и гидразина с кислородом, где применяются эти реакции?

273. Какие свойства проявляет в окислительно-восстановительных реакциях серная кислота? Напишите в молекулярном и электронном виде уравнения следующих взаимодействий: а) разбавленной серной кислоты с магнием; б) концентрированной серной кислоты с медью; в) концентрированной серной кислоты с углем.

274.

Для удаления диоксида серы из дымовых газов можно применить следующие методы: а) адсорбцию твердым оксидом магния; б) превращение в сульфат кальция реакцией с карбонатом кальция в присутствии кислорода; в) превращение в свободную серу. Какие химические свойства проявляет диоксид серы в этих реакциях? Напишите соответствующие уравнения. Где можно использовать полученные продукты?

275. Какими особыми свойствами обладает плавиковая кислота? Составьте уравнения реакций, которые надо провести для осуществления превращений:

SiO2 → SiF4 → H2SiF6 → MgSiF6

Дайте название веществам. Где используются данные превращения?

276. При действии хлора на гашеную известь образуется хлорная известь. Напишите уравнение реакции, укажите окислитель, восстановитель. Дайте химическое название полученному продукту, напишите его структурную формулу. Где используется хлорная известь?

277. Рассмотрите особенности d-элементов на примере марганца и его соединений. Ответ подтвердите уравнениями реакций. Для окислительно- восстановительных реакций составьте электронный баланс, укажите окислитель и восстановитель.

278. Какое основание более сильное Fe(OH)2 или Fe(OH)3? Почему? Какие свойства проявляет Fe(OH)3 при сплавлении со щелочными и основными оксидами? Как называются образующиеся при этом продукты? Напишите несколько примеров таких соединений.

279. Какие соли железа находят наибольшее практическое применение, где и для чего они используются? Ответ подтвердите уравнениями реакций.

280. Дайте названия веществам, составьте уравнения реакций, которые надо провести для осуществления превращений:

Na2Cr2O7 → Na2CrO4 → Na2Cr2O7 → CrCl3 → Cr(OH)3

Для окислительно-восстановительных реакций составьте электронные уравнения, укажите окислитель, восстановитель. Какую среду необходимо поддерживать при осаждении гидроксида хрома(III)? Почему?

Источник: https://megalektsii.ru/s39508t6.html

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector