Электронное строение атома

В этом и в следующем параграфах рассказывается об устройстве модели электронной оболочки атома. Важно понимать, что речь идет именно о модели. Реальные электронные оболочки атомов, конечно, более сложны и мы пока знаем о них далеко не все. Однако современная электронная модель позволяет предсказывать химические и физические свойства атомов, поэтому широко используется в естественных науках.

О том, как создавалась и развивалась эта модель, более подробно рассказывается в параграфе 2.7. Здесь же мы начнем с того, что опишем устройство одной из первых моделей - орбитальной модели Бора (рис. 2-6).

Рис. 2-6. Схематичное изображение строения электронной оболочки атома в модели Бора.

Как уже упоминалось в этой главе, в 1913 году датский физик Н. Бор предложил модель атома, в которой электроны-частицы вращаются вокруг ядра атома примерно так же, как планеты обращаются вокруг Солнца. Бор предположил, что электроны в атоме могут устойчиво существовать только на орбитах, удаленных от ядра на строго определенные расстояния. Эти орбиты он назвал стационарными. Вне стационарных орбит электрон существовать не может. Почему это так, Н. Бор в то время объяснить не мог. Но он выяснил, что такая модель позволяет объяснить многие экспериментальные факты (подробнее об этом рассказывается в параграфе 2.7).

Электронные орбиты в модели Бора обозначаются целыми числами 1, 2, 3, … n, начиная от ближайшей к ядру. В дальнейшем мы будем называть такие орбиты уровнями. Уровни, в свою очередь, могут состоять из близких по энергии подуровней. Например, 2-й уровень состоит из двух подуровней (2s и 2p). Третий уровень состоит из 3-х подуровней (3s, 3p и 3d). Четвертый уровень (он не показан на рис. 2-6) состоит из подуровней 4s, 4p,4d, 4f. В параграфе 2.7 мы расскажем, откуда взялись именно такие названия подуровней и о физических опытах, которые позволили "увидеть" электронные уровни и подуровни в атомах.

В электронной оболочке любого атома ровно столько электронов, сколько протонов в его ядре, поэтому атом в целом электронейтрален. Электроны в атоме заселяют ближайшие к ядру уровни и подуровни, потому что в этом случае их энергия меньше, чем если бы они заселяли более удаленные уровни. На каждом уровне и подуровне может помещаться только определенное количество электронов (об этом чуть ниже).

Подуровни, в свою очередь, состоят из одинаковых по энергии орбиталей (на рис. 2-6 они не показаны). Каждая орбиталь - это как бы "квартира" для электронов в "доме"-подуровне. Например, любой s-подуровень - это "дом" из одной "квартиры" (s-орбиталь), p-подуровень - "трехквартирный дом" (три p-орбитали), d-подуровень - "дом" из 5 "квартир"-орбиталей, а f-подуровень - "дом" из 7 одинаковых по энергии орбиталей. В каждой "квартире"-орбитали могут "жить" не больше двух электронов. Запрещение электронам "селиться" более чем по-двое на одной орбитали называют запретом Паули - по имени ученого, который выяснил эту важную особенность строения атома. "Адрес" каждого электрона в атоме записывается набором квантовых чисел. Здесь мы упомянем лишь о главном квантовом числе n (см. рис. 2-6), которое в "адресе" электрона указывает номер уровня, на котором этот электрон существует.

В 20-е годы прошлого века на смену модели Бора пришла волновая модель электронной оболочки атома, которую предложил австрийский физик Э. Шредингер. К этому времени было экспериментально установлено, что электрон имеет свойства не только частицы, но и волны. Например, видимый нашими глазами свет представляет собой электромагнитные волны. Ряд свойств таких волн есть и у электрона. Шредингер применил к электрону-волне математические уравнения, описывающие движение волны в трехмерном пространстве. Однако с помощью этих уравнений рассчитывается не траектория движения электрона внутри атома, а вероятность найти электрон-волну в той или иной точке пространства вокруг ядра.

Общее у волновой модели Шредингера и планетарной модели Бора в том, что электроны в атоме существуют на определенных уровнях, подуровнях и орбиталях. В остальном эти модели не похожи друг на друга. В волновой модели орбиталь - это пространство около ядра, в котором можно обнаружить заселивший ее электрон с вероятностью 95%. За пределами этого пространства вероятность встретить такой электрон меньше 5%. Полученные с помощью математического расчета такие "области вероятности" нахождения в электронном облаке s-, p- и d-электронов показаны на рис. 2-7.

Рис. 2-7. Примерно такую форму в волновой модели атома имеют "области вероятности" существования электронов: s-, p-, и d-орбитали. Ядро атома находится в точке пересечения координат.

** Почему вообще пришлось вводить такое понятие, как вероятность нахождения электрона в той или иной точке пространства около ядра? Немецкий физик Гейзенберг в 1927 году сформулировал принцип неопределенности, являющийся одним из важнейших физических принципов для описания движения микрочастиц. Этот принцип вытекает из фундаментального отличия микрочастиц от обычных физических тел. В чем же это отличие?

В классической механике предполагается, что человек может наблюдать явление, не нарушая его естественного хода. Например, можно наблюдать движение небесных тел в телескоп, и это никак не отразится на их движении. Астроном может произвести измерения и составить точное математическое описание движения объекта. Используя полученные формулы, можно предсказать, куда движется данный объект и где он будет находиться в любой момент времени.

В микромире дело обстоит иначе. Например, исследуя движение электрона с помощью микроскопа (если бы такое было возможно), мы бы наблюдали отраженные от электрона волны света, энергия которых по величине сопоставима с энергией самих исследуемых частиц. Поэтому при выполнении измерений нами неизбежно вносились бы изменения в состояние электрона (местоположение, скорость, направление движения и т.д.). Значит, на основании наших измерений бессмысленно говорить о точном местоположении электрона в каждый момент времени.

Принцип неопределенности говорит о том, что не следует пытаться вычислить точную траекторию электрона вокруг ядра. Можно лишь указать вероятность нахождения электрона в том или ином участке пространства около ядра в любой момент времени. Эта вероятность поддается вычислению с помощью математических методов.

Итак, в волновой модели тоже существуют орбитали разных видов: s-орбитали (сферической формы), p-орбитали (похожие на веретено или на объемные восьмерки), а также d-орбитали (рис. 2-7) и f-орбитали еще более сложной формы. Все эти фигуры очерчивают область 95%-ной вероятности найти s-, p-, d- или f-электроны именно в том месте электронного облака, которое ограничено этими сложными фигурами. Области вероятности нахождения s, p, d, f-электронов в атоме могут пересекаться - объяснение этому вы найдете в §2.7. Впрочем, к необычным свойствам волновой модели следует относиться спокойно, поскольку она является не столько физической, сколько абстрактной математической моделью электронной оболочки. Однако, как мы увидим в дальнейшем, такая модель обладает хорошей предсказательной силой в отношении химических свойств атомов и молекул.

Во всех моделях атома электроны называют s-, p-, d- и f-электронами в зависимости от подуровня, на котором они находятся. Элементы, у которых внешние (то есть наиболее удаленные от ядра) электроны занимают только s-подуровень, принято называть s-элементами. Точно так же существуют p-элементы, d-элементы и f-элементы.

**Чем выше (то есть чем дальше от ядра) находится электронный уровень, тем больше на нем может разместиться электронов за счет того, что число подуровней и орбиталей на удаленных уровнях постоянно увеличивается (это удалось выяснить экспериментально - см. параграф 2.7). Можно посчитать, что на n-м уровне помещается в сумме n² различных орбиталей, а электронов - вдвое больше: 2n², потому что любая орбиталь способна вмещать не более двух электронов.

Таблица 2-4. Наибольшее возможное число электронов на первых 4-х электронных уровнях.

Эти сведения нам нужны для того, чтобы научиться “расселять” электроны по уровням в атоме любого элемента. А химические свойства элемента, как мы увидим чуть позже, определяются электронами самого последнего (наиболее удаленного от ядра) заселенного уровня.

Поиск по сайту: