Рух електронів в атомі - хімія - майстер-клас - для школяра

Рух електронів в атомі

Уявлення про будову атома пройшли складний шлях розвитку. Дуже важливу роль у розвитку теорії будови атома зіграла планетарна модель атома Резерфорда. Однак ця модель не змогла пояснити рух електронів в атомі. Сучасна модель атома базується на уявленнях про мікросвіт - світ мікроскопічних часток розмірів, які не піддаються законам макросвіту. Електрон, як мікрочастинка, має певну масу і заряд. У той же час електрон, рухаючись з величезною швидкістю, проявляє хвильові властивості. Кажуть, що електрон має двоїсту природу - одночасно проявляє властивості і частки і хвилі. Завдяки цьому для електрона неможливо одночасно визначити швидкість руху і напрям. З'ясувалося, що неможливо визначити траєкторію руху електрона в атомі. Можна лише говорити про ймовірність знаходження електрона в тому чи іншому місці від ядра. Подібна модель руху електрона дозволяє скласти уявлення про електронну хмару. Простір поблизу ядра, в якому ймовірність знаходження електрона досить велика (приблизно дев'яносто відсотків), називається орбіталлю. Це простір обмежується поверхнею, тобто є об'ємною геометричною фігурою.

Орбіталі (електронні хмари) відрізняються як розмірами, так і формою. Теоретичні розрахунки довели, що вони можуть мати форму сфери, гантелі та інші форми більш складної будови. Орбіталі, що мають сферичну форму, позначають буквою s. орбіталі, мають форму гантелі, - буквою p. орбіталі більш складних форм позначають буквами d. f і т.д. Центри орбіталей збігається з центром ядра.

Крім обертання навколо ядра, для електрона ще характерний рух навколо власної осі - спін. Якщо два електрона мають однакові напрямки обертання, то такі електрони називають електронами з паралельними спинами. Якщо, навпаки, напрямку обертання двох електронів протилежні, то це електрони з антіпаралельнімі спинами. Відповідно до принципу Паулі на одній орбіталі може знаходитися тільки два електрони, що мають антіпаралельні спіні.

Електронні хмари окремих електронів в атомі утворюють загальне електронне хмара атома - електронну оболонку. При графічному зображенні електронної оболонки орбіталі часто зображують квадратом (кліткою). Електрон зображують стрілкою. Два електрона зі спинами антіпаралельнімі схематично зображують двома стрілками в одній клітці, що мають протилежні напрямки.

Електрони електронної оболонки атома розрізняються енергією. Чим далі електрон від ядра, тим менше у нього енергія. Електронні хмари з близької енергією складають в атомі електронний шар (енергетичний рівень). Електрони першого, найближчого до ядра шару притягуються до ядра сильніше, ніж електрони другого шару. Відповідно електрони третього шару притягуються до ядра слабше, ніж електрони другого шару.

Кожен електронний шар складається з певного числа орбіталей певної форми (електронних підшарів або енергетичних підрівнів). Число енергетичних підрівнів дорівнює номеру енергетичного рівня. Тобто перший енергетичний рівень складається з одного підрівня, другий - з двох, третій - з трьох і т.д. Ці підрівні позначаються так само, як і орбіталі, яким вони утворені. Енергетичний підрівень може містити всього кілька орбіталей. s -подуровень представлений однією s -орбіталью, р -подуровень - трьома г -орбіталямі, d -подуровень - п'ятьма d- орбіталямі, f -подуровень - сім'ю f -орбіталямі. Таким чином

· Перший шар складається з однієї s - орбіталі, її позначають 1s;

· Другий шар складається з чотирьох орбіталей: однієї s і трьох p - орбіталей, їх позначають 2s і 2p;

· Третій шар складається з дев'яти орбіталей: однієї s і трьох p і п'яти d - орбіталей, їх позначають 3s. 3p і 3d.

Оскільки на одній орбіталі може знаходитися тільки два електрони, можна визначити загальне число електронів, що знаходяться на певному енергетичному рівні. Для цього треба скористатися формулою: N = 2 · n 2. де N - загальне число електронів на енергетичному рівні, n - номер рівня. Отже, на першому енергетичному рівні може перебувати два електрони, на другому - вісім електронів, на третьому - вісімнадцять електронів, на четвертому - тридцять два електрона.