Скільки електронів може бути на рівні

0 Comments

§ 11. Стан електронів в атомі. Електронні орбіталі. Енергетичні рівні

Завдяки подальшим експериментальним дослідженням учені з’ясовували нові факти про будову атома, яких не можна було пояснити на основі планетарної моделі атома. Чергова загадка атома? Так, і цього разу вона стосується електронів.

НЕДОСКОНАЛІСТЬ ПЛАНЕТАРНОЇ МОДЕЛІ БУДОВИ АТОМА. Ви вже знаєте, що після встановлення складної будови атома Е. Резерфорд запропонував планетарну модель атома (мал. 22).

Мал. 22. Планетарна модель атома Нітрогену

Планетарна модель відіграла важливу роль у розвитку природознавства, була корисна для розв’язання тогочасних нагальних наукових питань, проте виявилася неточною. Вона не пояснювала стан електронів у атомному просторі, що дістав назву електронної оболонки атома. За цією моделлю електрони, що весь час обертаються навколо ядра, мали би втрачати енергію і врешті-решт упасти на ядро, чого в дійсності не спостерігається. Це спонукало учених до подальшої роботи над моделлю атома, виходячи з нових результатів досліджень електрона. А вони свідчили про те, що електрон наділений властивостями не лише мікрочастинки, а й хвилі, тобто електрон має двоїсту природу. Відтак закони фізики, що стосуються великих тіл, не поширюються на електрони.

СУЧАСНА МОДЕЛЬ АТОМА (її ще називають орбітальною, або квантово-механічною). Ця модель зберігає уявлення про те, що в центрі атома перебуває позитивно заряджене ядро, математично описує рух електрона в атомі, дає наочне уявлення про будову електронної оболонки атома.

Модель ґрунтується на тому, що з урахуванням двоїстої природи електрона (як мікрочастинки і як хвилі) неможливо одночасно й абсолютно точно вказати місце його перебування в електронній оболонці. Іншими словами, рух електрона в атомі не можна описати певною траєкторією, а лише розглядати деякий об’єм простору, в якому найчастіше перебуває електрон. Імовірність перебування електрона в ядрі дорівнює нулю. У міру віддалення від ядра вона швидко зростає й на певній відстані від ядра досягає максимуму, після чого поступово зменшується.

ПОНЯТТЯ АТОМНОЇ ОРБІТАЛІ. Точно обмежити ділянку атомного простору й зазначити перебування електрона в ньому неможливо, тому, характеризуючи рух електрона в атомі, мають на увазі ділянку з найбільшою ймовірністю його знаходження в атомі. Для зазначення цієї ділянки введено поняття атомної орбіталі.

Атомна орбіталь — це геометричний образ, який відповідає об’єму простору навколо ядра, ймовірність перебування електрона в якому є досить високою (дорівнює 90-95 %).

Ознайомлення з атомними орбіталями розпочнемо з атома Гідрогену, що має найпростішу будову. Порядковий номер елемента вказує на те, що в електронній оболонці атома міститься лише один електрон. Атомна орбіталь єдиного його електрона має форму сфери з радіусом 0,14 нм. Більш наочне уявлення про цю орбіталь можна отримати на підставі такого уявного експерименту. Припустимо, що в якийсь проміжок часу вдалося сфотографувати положення електрона в атомі й одержати його зображення у вигляді крапки. Продовжуючи багаторазове фотографування без пауз між зніманням, отримаємо нові зображення (крапки) в різних частинах атомного простору. Після перенесення всіх одержаних зображень на одну фотографію складається картина, що нагадує кулю (мал. 23).

Мал. 23. Модель атома Гідрогену

Як зображено на малюнку, в одних місцях крапки розміщені густіше, що свідчить про більшу ймовірність перебування там електрона. В інших місцях крапок менше, отже, і ймовірність перебування електрона там менша. Одержане наочне зображення ймовірності перебування електрона в атомному просторі назвали електронною хмарою.

Електронна хмара — це наочне зображення атомної орбіталі.

Щойно ми розглянули електронну хмару сферичної форми. Електрони з такою формою електронної хмари називають s-електронами (вимовляється в однині ес-електрон). (Наявність у назві літери s — це запозичення першої літери з англійської назви сфери.)

Результати експериментальних досліджень та математичних обчислень доводять, що на s-орбіталі може перебувати щонайбільше два електрони.

Мал. 24. Схематичне зображення s- і р-електронних хмар

Є атомні орбіталі з іншими формами електронних хмар, зокрема, подібні до гантелі чи об’ємної вісімки (мал. 24). Електрони з такою формою електронної хмари дістали назву р-електронів (вимовляється в однині пе-електрон). Вони більшу частину часу перебувають по обидва боки від ядра (зверніть увагу, що в місці звуження «гантелі» є позначення ядра у вигляді крапки). Просторове розташування р-орбіталей показано на малюнку 25.

Мал. 25. Можлива орієнтація р-орбіталей у просторі

Як видно з малюнка, три р-електронні орбіталі розташовані у взаємно перпендикулярних площинах. (Назва р-орбіталь походить від англійського слова «перпендикуляр».) На одній р-орбіталі може бути не більше двох електронів.

Є також d-електронні хмари та f-електронні хмари зі складнішою конфігурацією, ніж розглянуті.

Енергетичні рівні. Електрони, будучи зарядженими частинками, наділені певним запасом енергії. Описуючи будову електронної оболонки атома, електрони з однаковим чи приблизно однаковим запасом енергії об’єднують в один енергетичний рівень, або електронний шар. Виділяють 7 енергетичних рівнів. Їх позначають арабськими цифрами від 1 до 7 або великими літерами латинського алфавіту K, L, M, N, O, P, Q. Зверніть увагу на те, що періодів у періодичній системі хімічних елементів також сім. Цей збіг невипадковий.

Кількість енергетичних рівнів в електронній оболонці атома кожного елемента дорівнює номеру періоду, в якому розміщений хімічний елемент.

Найближчий до ядра енергетичний рівень називають внутрішнім, а найбільш віддалений — зовнішнім.

Попрацюйте групами

Застосуйте одержані знання для відповіді на запитання:

1. Скільки енергетичних рівнів в електронній оболонці атомів: а) Сульфуру, б) Натрію?

2. Однакова чи різна кількість енергетичних рівнів в атомах елементів із протонними числами 7 і 15?

Розгляньте модель електронної оболонки атома Натрію (мал. 26) та з’ясуйте:

  • а) який енергетичний рівень містить найбільше електронів;
  • б) скільки електронів міститься на внутрішньому, а скільки — на зовнішньому енергетичному рівнях електронної оболонки його атома.

На підставі одержаних результатів зробіть висновок, однакову чи різну кількість енергетичних рівнів мають елементи одного періоду.

Мал. 26. Схематична модель атома Натрію

Що ближче до ядра розміщений енергетичний рівень, то меншим запасом енергії наділені його електрони. Тобто електрони другого рівня характеризуються меншим запасом енергії, ніж третього. Запас енергії електрона із четвертого енергетичного рівня більший, ніж в електрона, що перебуває на третьому рівні.

Отримавши додатковий запас енергії, електрони здатні перейти на вищий рівень. Про такі електрони говорять, що вони набули збудженого стану. Рухаючись у межах свого стійкого енергетичного рівня, електрон не виділяє й не поглинає енергії.

Відтепер ви знаєте, як були одержані відповіді на питання: чому не існує траєкторії руху електрона; чому електрон не падає на ядро, а атом є стійкою найменшою хімічно неподільною частинкою речовини? Вони й покладені в основу сучасної теорії будови атома.

Стисло про основне

• Електрон має двоїсту природу — мікрочастинки і хвилі. Тому його рух в атомі не підлягає закономірностям руху звичайних тіл.

• Орбіталь — це об’єм атомного простору, в якому ймовірність перебування електрона становить 90 і більше відсотків. На одній орбіталі може перебувати не більше двох електронів.

• Наочним зображенням атомних орбіталей є електронні хмари. За формою електронних хмар розрізняють s-, р-, d-, f-орбіталі; s-орбіталь має сферичну форму, p-орбіталь — гантелеподібну.

• Електрони з однаковим чи приблизно однаковим запасом енергії утворюють один енергетичний рівень, або електронний шар. Їх кількість в електронній оболонці атома дорівнює номеру періоду, в якому розміщено елемент.

• Назва орбіталі визначає назву електрона. Розрізняють s-електрони, р-електрони, d-електрони та f-електрони.

• Найвіддаленіший від ядра енергетичний рівень називається зовнішнім, його електрони наділені найбільшим запасом енергії.

Знаємо, розуміємо

1. У чому виявилась недосконалість планетарної моделі атома порівняно із сучасною квантово-механічною?

2. Поясніть, якими є сучасні погляди на стан електрона в атомі.

3. Дайте визначення: а) атомної орбіталі; б) електронної хмари; в) енергетичного рівня.

4. Яку форму електронної хмари мають s- і р-електрони?

5. Однаковим чи різним запасом енергії наділені електрони: а) одного енергетичного рівня; б) різних енергетичних рівнів?

6. Що означає збуджений стан атома? Як його досягають?

Застосовуємо

36. Розташуйте елементи за збільшенням кількості енергетичних рівнів в електронній оболонці атома.

37. Установіть відповідність між хімічними елементами та кількістю енергетичних рівнів в електронних оболонках їх атомів.

Елемент

Кількість енергетичних рівнів

§ 15. Енергетичні рівні й підрівні. Стан електронів в атомі

Енергетичні рівні. Електрони, які рухаються по орбіталях з приблизно однаковою енергією електростатичної взаємодії з ядром, утворюють енергетичні рівні. Останні позначають буквою n і нумерують у порядку віддалення від ядра: n = 1, n = 2, n = 3, n = 4, n = 5, n = 6, n = 7 (рис. 11) або іменують відповідно великими буквами латинського алфавіту К, L, Μ, Ν, О, Р, Q. Значень від 1 до 7 число n набуває, коли атом перебуває в так званому основному (нормальному) стані.

Рис. 11. Схема розташування енергетичних рівнів в атомі відповідно до запасу їхньої енергії

Число n, яке може набувати тільки цілочислових значень, позначає номер енергетичного рівня. Його називають головним, квантовим числом.

Електрони першого рівня найміцніше, порівняно з іншими, притягуються до ядра. Через це в них менший запас тієї енергії, яка дала б їм можливість відірватися від ядра, наприклад, у результаті дії на атом високих температур, випромінювання тощо, завдяки чому атом переходить у збуджений стан. У такому разі число n набуває значень від 1 до нескінченності.

Електрони наступних енергетичних рівнів слабкіше зв’язані з ядром. Вони мають більший запас енергії, тому що менше витрачають її на електростатичну взаємодію з ядром. Таким чином, можна зробити висновок: якщо в даному атомі електрони розподіляються по кількох енергетичних рівнях, то найслабкіший зв’язок з ядром мають електрони зовнішнього енергетичного рівня.

Сила притягання електрона до ядра зменшується, а запас його енергії збільшується

Число енергетичних рівнів в атомі, що заповнюються електронами, збігається з номером періоду, у якому розташований елемент. Так, в елементів першого періоду електронами заповнюється тільки один енергетичний рівень, другого періоду — два, третього періоду — три й т. д.

Максимальне число електронів Ν, що можуть перебувати на будь-якому енергетичному рівні атома, обчислюють за формулою

де n — номер рівня (починаючи від ядра), або головне квантове число.

Енергетичні підрівні й орбіталі. Крім першого енергетичного рівня, усі наступні рівні поділяють на підрівні, які відрізняються один від одного енергією зв’язку електронів з ядром (рис. 12).

Рис. 12. Схема послідовного заповнення електронами енергетичних рівнів

Число підрівнів дорівнює значенню головного квантового числа: перший рівень має один підрівень, другий — два, третій — три, четвертий — чотири й так далі. Їхню форму визначає орбітальне квантове число l. Для кожного n це число може набувати тільки цілочислових значень від 0 до (n – 1).

Підрівням, у свою чергу, відповідають орбіталі. Їх прийнято позначати малими літерами латинського алфавіту. Якщо l = 0, то орбіталь, незалежно від значення головного квантового числа n, має сферичну форму, її називають s-орбіталлю. Значенню l = 1 відповідає орбіталь, що має форму гантелі, — р-орбіталь. Зі збільшенням значення l форма орбіталі ускладнюється. Залежно від значення орбітального квантового числа орбіталі позначають так:

Орбіталі, які характеризуються однаковим значенням n і різним значенням l, мають різну енергію. Тому поряд з поняттям «енергетичний рівень» існує поняття «енергетичний підрівень» як сукупність орбіталей із певними значеннями головного та побічного квантових чисел.

На кожній орбіталі, відповідно до принципу Паулі (принципу заборони), можуть розміщуватися не більш як два електрони, що мають однакову енергію, але обов’язково відрізняються особливою властивістю — протилежним напрямком обертання навколо власної осі. Ця властивість отримала назву спін (від англійського spin, що означає «веретено»). Спінове обертання електрона може бути за годинниковою стрілкою та проти неї.

У таблиці 7 показано, як число підрівнів, тип і число орбіталей та максимально можливе число електронів на енергетичному підрівні та рівні залежить від головного квантового числа.

Залежність будови електронних оболонок атома від головного квантового числа

Отже, для характеристики електронів в атомі необхідно знати номер енергетичного рівня n і типи орбіталей, а також форму різних орбіталей (електронних хмар).

На другому енергетичному рівні (n = 2), як видно з таблиці 7, число орбіталей уже дорівнює чотирьом. Одна з них має сферичну форму. Її називають 2s-орбіталлю. 2s-Електрон, що перебуває на цій орбіталі, має більшу енергію, ніж 1s-електрон, розміщений на s-орбіталі першого рівня, бо він розміщується на більшій відстані від ядра.

Інші три орбіталі — це 2р-орбіталі. Усі вони мають однакову геометричну форму, що нагадує форму гантелі або об’ємної вісімки (рис. 10). Але вони по-різному орієнтовані в атомному просторі — уздовж координатних осей x, у, z. Через це р-орбіталі позначають рx, рy і рz. Якщо електрон розміщується на рx-орбіталі, то це означає, що з найбільшою ймовірністю рx-електрон рухатиметься вздовж осі х. Відповідно, електрон на ру-орбіталі рухається вздовж осі у, а електрон на рz-орбіталі — уздовж осі z. Зі зростанням числа n електрони займають р-орбіталі, які розташовані на більшій відстані від ядра, але напрямленість їхнього руху вздовж осей х, у, z завжди зберігається.

Форми d-орбіталей (їх п’ять) і f-орбіталей (їх сім) значно складніші (рис. 13). Електронні орбіталі таких складних форм в атомах з великим зарядом ядра менш енергетично вигідні для перебування електронів, тому заповнюються ними лише тоді, коли s-, а потім р-орбіталі енергетичного рівня вже зайняті.

Рис. 13. Форма d-орбіталей та їхня можлива орієнтація в просторі

Графічно орбіталь прийнято зображати у вигляді квадрата, який ще називають квантовою коміркою, а електрони — у вигляді стрілок, спрямованих угору чи вниз.

Стрілки, спрямовані в протилежних напрямках, позначають електрони з протилежними (антипаралельними) спінами:

Запитання та завдання

°1. Що розуміють під енергетичними рівнями? Як їх позначають?

°2. На що вказує головне квантове число? Яких значень воно набуває?

3. Електрони якого енергетичного рівня найслабкіше притягуються до ядра? Який у них запас енергії — найменший чи найбільший?

4. Скільки енергетичних рівнів заповнюється електронами в елементів: а) першого періоду; б) другого періоду; в) третього періоду? Наведіть приклади.

5. Яким є максимальне число електронів, що можуть перебувати на другому та третьому енергетичних рівнях? За якою формулою обчислюють максимальне число електронів?

6. Починаючи з якого енергетичного рівня, електрони розподіляються по підрівнях? Скільки підрівнів має: а) другий енергетичний рівень; б) третій енергетичний рівень; в) четвертий енергетичний рівень?

7. Як заведено позначати орбіталі кожного підрівня? Наведіть приклади.

8. Чи різняться за енергією електрони, що перебувають на одній і тій самій орбіталі? Скільки електронів можуть розміститися на одній орбіталі? Чим вони мають обов’язково відрізнятися один від одного?

9. Як графічно зображають: а) орбіталі; б) електрони з різними спінами?

10. На рис. 14 зображено орбіталі атома Оксигену. Знайдіть 1s-, 2s-, 2р-орбіталі. Зробіть рисунок у зошиті та підпишіть кожну орбіталь.

Рис. 14. Орбіталі атома Оксигену