Часть И. ОБЩАЯ ХИМИЯ

Раздел 2. ПЕРИОДИЧЕСКИЙ ЗАКОН Д. И. МЕНДЕЛЕЕВА И СТРОЕНИЕ АТОМОВ

§ 2.5. Современная модель состояния электрона в атоме

Во время химических реакций ядро атома не изменяется. Изменениям подвергаются электронные оболочки атомов, строением которых объясняется много свойств химических элементов. Поэтому состояния электронов в атоме и структуре электронных оболочек всегда уделяется большое внимание во время изучение химии.

Состояние электрона в атоме описывается квантовой механикой, которая изучает движение и взаимодействие микрочастиц, т.е. элементарных частиц, атомов, молекул и атомных ядер. Согласно представлениям квантовой механики микрочастицы имеют волновую природу, а волны проявляют свойства частиц. Относительно электрона можно сказать, что он ведет себя и как частица, и как волна, т.е. выявляет, как и другие микрочастицы, корпускулярно-волновой дуализм (двойственность). С одной стороны, электроны как частицы оказывают давление, с другой, - поток электронов, движущихся сопровождается волновыми явлениями, например дифракцией электронов.

Электрон в атоме не имеет траектории движения. Квантовая механика рассматривает вероятность пребывания электрона в пространстве вокруг ядра. Электрон, который быстро движется, может находиться в любой части пространства, окружающего ядро, и разные положения его рассматриваются как электронное облако с определенной плотностью отрицательного заряда. Нагляднее это можно представить так. Если бы удалось через очень малые промежутки времени получать снимок положение электрона в атоме (он отразится на нем в виде точки), то при наложении большого количества таких снимков можно было бы получить картину электронной облака. И там, где точек больше, облако имеет

Рис. 2.2. Электронная облако водорода с неравномерной плотностью

наибольшую густоту. Максимальная плотность соответствует вероятности пребывания электрона в данной части атомного пространства. На рис. 2.2 изображена модель поперечного сечения атома водорода с точки зрения квантовой механики. Видно, что вблизи ядра электронная плотность практически равна нулю, т.е. электрон здесь почти не бывает. По мере удаления от ядра электронная плотность возрастает и достигает максимального значения на расстоянии 0,053 нм, а затем постепенно спадает. Значит, наиболее вероятно пребывание электрона, движущегося на расстоянии 0,053 нм от ядра (на рисунке - более темные места). Чем крепче связанный электрон с ядром, тем большую плотность распределения заряда и тем меньшие размеры должна иметь электронное облако.

Пространство вокруг ядра, в котором пребывания электрона вероятнее всего, называется орбіталлю¹.

¹ Срок принято в 1962 г. вместо термина "орбита".

В нем содержится = 90 % электронной облака. Это означает, что около 90 % времени электрон находится в этой части пространства. Орбитали атома имеют разные размеры. Очевидно, что электроны, которые движущиеся в орбиталях меньшего размера, сильнее притягиваются ядром, чем электроны, движущиеся в орбиталях большего размера. Электроны, которые движутся в орбиталях близких размеров, образуют электронные слои. Электронные слои называют также энергетическими уровнями. Энергетические уровни нумеруют, начиная от ядра: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7. Иногда их обозначают буквами соответственно К, L, М, N, О, Р, О. Целое число n, обозначающее номер уровня, называется главным квантовым числом. Оно характеризует энергию электронов, занимающих данный энергетический уровень. Наименьшую энергию имеют электроны первого энергетического уровня, наиболее близкого к ядру. По сравнению с электронами первого уровня электроны следующих уровней характеризуются большим запасом энергии. Очевидно, слабее связаны с ядром электроны внешнего уровня.

Число энергетических уровней в атоме, заполненных электронами, численно равно номеру периода, в котором находится элемент: у атомов элементов И периода - один энергетический уровень, II периода - два, III периода - три и т.д. Наибольшее число электронов на энергетическом уровне равно удвоенному квадрату номера уровня, т.е.

                    N = 2n², (2.2)

где N - число электронов; л - номер уровня (считая от ядра), или главное квантовое число.

Согласно уравнению (2.2) на первом, ближайшем к ядру энергетическом уровне может разместиться не более 2 электронов, на втором - не более 8, на третьем - не больше 18, на четвертом - не более 32.