ЧАСТЬ И

ОБЩАЯ ХИМИЯ

СТРОЕНИЕ АТОМА

Движение электронов в атоме. Орбитали

Двойственность поведения электрона

Частицы с такими малыми размерами, как у электрона, имеют уникальные свойства, что отличают их от обычных тел, с которыми мы имеем дело в повседневной жизни. Электрон одновременно проявляет свойства и частицы, и волны - говоря научным языком, имеет двойственную природу. Подобно другим частиц электрон имеет определенную массу и заряд; в то же время электрон во время движения проявляет волновые свойства. Волна отличается от частицы тем, что ее положения в пространстве нельзя точно определить в определенный момент времени.

Благодаря такой природе одновременно определить скорость и направление движения электрона невозможно. Если мы знаем, в каком направлении движется электрон, то не можем определить скорость движения, и наоборот. Этот принцип называют принципом неопределенности Гейзенберга. Вследствие этого мы не имеем возможности определить, по какой траектории движется электрон в атоме. Для электрона понятие «траектория» применять не можно. О электрон можно говорить, что в данной точке пространства есть определенная вероятность его существования.

В атоме электрон находится не в одной конкретной точке, а двигаясь, образует электронное облако, плотность которого (электронная плотность) показывает, в каких местах электрон бывает чаще, а в каких - реже. Ту часть электронного облака, в котором электрон проводит наибольшее время и в какой электронная плотность достаточно велика, называют атомной орбіталлю.

Орбиталь - это область пространства, в которой вероятность пребывания электрона составляет более 90%.

Электронные облака, образованные отдельными электронами в атоме, в сумме образуют общую электронную облако атома - электронную оболочку.

Типы орбиталей

Каждая орбиталь имеет определенную форму. Орбитали разной формы обозначают разными буквами: s, p, d и f. s-Орбитали имеют форму шара, иначе говоря, электрон, находится на такой орбитали (его называют s-электроном), большую часть времени проводит внутри сферы. р-Орбитали имеют форму объемной восьмерки. Формы d- и f-орбиталей более сложные:

Структура орбиталей в атоме

Орбитали характеризуются не только формой, но и энергией. Несколько орбиталей, имеющих одинаковую или примерно одинаковую энергию, образуют энергетический уровень, или энергетический слой.

Каждый энергетический уровень обозначают числом n (n = 1, 2, 3,...) или большой латинской буквой (К, L, М и далее по алфавиту). Для первого (ближайшего к ядру) уровня n = 1, его обозначают буквой К, для второго n = 2 (уровень L), для третьего n = 3 (уровень М) и т.д. Слоистое строение электронной оболочки атомов можно показать так: окружностью обозначено ядро, имеет определенный заряд, а дугами - энергетические уровни:

Уровень с номером n включает n² орбиталей. Таким образом, первый энергетический уровень включает одну орбиталь, второй - четыре, третий - девять и т.д.

Каждый энергетический уровень состоит из энергетических подуровней, которые образованы орбіталями, одинаковыми по форме и энергией. Число энергетических подуровней равен номеру энергетического уровня, т.е. первый энергетический уровень состоит из одного подуровня, второй - из двух, третий - из трех и т.д. Эти подуровни обозначают так же, как и орбитали, из которых они образованы. Следовательно, s-орбитали образуют s-подуровень, p-орбитали - р-подуровень т.д.

Энергетический подуровень может содержать только определенное число орбиталей. Каждый s-подуровень представлен одной s-орбіталлю, р-подуровень - тремя г-орбіталями, d-подуровень - пятью d-орбіталями, f-подуровень - семью f-орбіталями. В атоме эти орбитали располагаются таким образом, что ядро атома совпадает с центром орбитали.

Графически орбиталь принято обозначать квадратом. Следовательно, орбитали первых четырех энергетических уровней будут иметь такой вид:

Как видно из этой диаграммы, первый энергетический уровень состоит из одного s-подуровня, образованного одной s-орбіталлю. Второй уровень состоит из двух подуровней (s и г), образованных одной s-и орбіталлю тремя г-орбіталями. Третий уровень состоит из трех подуровней (s, р, d), образованных одной s-орбіталлю, тремя г-орбіталями и пятью d-орбіталями. На четвертом уровне преодолевается еще семь f-орбиталей. Обратите внимание на то, что нумерация энергетических уровней при графическом изображении идет снизу вверх.