§ 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.

Кількість енергетичних рівнів

§ 10. Енергетичні рівні та підрівні

Електрони в атомі розміщені не хаотично, а у певному порядку, який визначається енергією електронів.

В орбіталях, що мають однакову форму і розміри, містяться електрони з однаковою енергією.

Електрони, що мають однакову (або дуже близьку за значенням) енергію, утворюють енергетичний рівень (його ще інакше називають електронним шаром).

Кількість енергетичних рівнів в атомі дорівнює номеру періоду, у якому розміщений хімічний елемент. Наприклад, Гідроген міститься у першому періоді, тому в атомі Гідрогену є один енергетичний рівень (один електронний шар); Сульфур міститься у третьому періоді, тому в атомі Сульфуру електрони розміщені на трьох енергетичних рівнях (утворюють три електронні шари).

• Скільки енергетичних рівнів є в атомах Оксигену і Брому?

Максимальну кількість електронів N на енергетичному рівні визначають за формулою:

де n — номер енергетичного рівня.

Таким чином, на першому енергетичному рівні (n = 1) максимально може бути 2 електрони, на другому (n = 2) — 8 електронів.

• Скільки електронів може вміщувати третій енергетичний рівень?

Електрони першого енергетичного рівня мають найменшу енергію. Електрони другого енергетичного рівня мають енергію більшу, ніж електрони першого рівня, але меншу, ніж третього (і, звичайно, четвертого) і т. д.

Сукупність електронів в атомі називають електронною оболонкою атома. Схематично будову електронної оболонки атома показано на мал. 6.

• Атом якого періоду зображено на мал. 6? Які з електронних шарів у ньому заповнені повністю, а які — ні?

Мал. 6. Будова електронної оболонки атома

Розглянемо, як заповнюються електронами енергетичні рівні в атомах елементів, розміщених на початку періодичної системи.

Число електронів в атомі хімічного елемента, як ви пригадуєте, дорівнює заряду його ядра, а отже, порядковому номеру елемента в періодичній системі. Наприклад, в атомі Гідрогену всього один електрон, а в атомі Оксигену вісім. Електронна оболонка атома кожного наступного елемента періодичної системи відрізняється від електронної оболонки попереднього на один електрон.

Перший енергетичний рівень вміщає максимально 2 електрони, тому перший період складається лише з двох елементів — Гідрогену і Гелію. В атомі Гелію перший енергетичний рівень завершений.

В атомах усіх елементів другого періоду перший енергетичний рівень також завершений і поступово заповнюється другий енергетичний рівень. Він може містити не більше ніж вісім електронів. Тому другий період має вісім хімічних елементів. В атомі Неону (елемента, який завершує другий період) і перший, і другий енергетичний рівні є завершеними.

В атомах хімічних елементів третього періоду відбувається заповнення електронами третього енергетичного рівня, який може максимально містити 18 електронів. Проте в третьому періоді всього вісім елементів. Пояснюється це тим, що на зовнішньому (останньому) рівні не може міститися більше, ніж 8 електронів. Заповнення третього енергетичного рівня до 18 електронів відбувається в атомах елементів 4 періоду, де цей рівень вже не буде зовнішнім.

2. Енергетичні підрівні

Кожний енергетичний рівень складається із підрівнів. Кількість підрівнів дорівнює номеру енергетичного рівня: перший рівень має один підрівень, другий — два, третій — три тощо. Підрівні позначають так само, як і електрони, які в них розміщені: s-підрівень, p-підрівень, d-підрівень. Електрони одного підрівня мають однакову енергію, електрони одного рівня, але різних підрівнів — близькі за значенням енергії. Електрони s-підрівня мають найменшу енергію, p-підрівня — більшу, ніж s-підрівня, але меншу, ніж d-підрівня.

Електрони s-підрівня розміщуються в s-орбіталях, p-підрівня — в p-орбіталях, d-підрівня — в d-орбіталях.

ЗАДАЧА. Охарактеризуйте електронну будову атома Сульфуру.

Порядковий номер Сульфуру в періодичній системі 16, тому атом Сульфуру містить 16 електронів. Сульфур — елемент третього періоду, отже електрони атому Сульфуру розміщені на трьох енергетичних рівнях. В атомах усіх елементів третього періоду перший і другий енергетичні рівні завершені. число електронів на них дорівнює 2 (на першому) і 8 (на другому). Скільки електронів на третьому (зовнішньому) рівні? Від загальної кількості електронів (16) треба відняти кількість електронів на першому і другому рівні: 16 – (2 + 8) = 6.

Будову атома Сульфуру можна зобразити у вигляді схеми (мал. 7).

Мал. 7. Будова атома Сульфуру

• Електрони в атомі розміщуються на енергетичних рівнях. Кількість енергетичних рівнів, на яких є електрони, дорівнює номеру періоду, в якому розташований елемент.

• Енергетичні рівні складаються із підрівнів. Число підрівнів дорівнює номеру рівня. Енергія електронів одного підрівня однакова.

Початковий рівень

1. Що називають енергетичним рівнем?

2. Що таке електронна оболонка атома?

Середній рівень

3. Скільки електронів може максимально міститися на другому і третьому енергетичних рівнях?

Достатній рівень

4. чому перший період містить усього 2 хімічних елементи, а другий 8?

Високий рівень

5. Скільки електронів на зовнішньому енергетичному рівні атомів таких елементів: а) Літію, Карбону, Флуору; б) Натрію, Силіцію, Хлору?

6. На скількох енергетичних рівнях містяться електрони в атомах: а) Літію, Натрію, Калію; б) Берилію, Магнію, Кальцію; в) Флуору, Хлору, Брому?