Сучасна модель стану електрона в атомі - ПЕРІОДИЧНИЙ ЗАКОН Д
Розділ 2. ПЕРІОДИЧНИЙ ЗАКОН Д. І. МЕНДЕЛЄЄВА І БУДОВА АТОМІВ
§ 2.5. Сучасна модель стану електрона в атомі
Під час хімічних реакцій ядро атома змінюється. Змін піддаються електронні оболонки атомів, будовою яких пояснюється багато властивостей хімічних елементів. Тому стану електронів в атомі та структурі електронних оболонок завжди приділяється велика увага під час вивчення хімії.
Стан електрона атомі описується квантової механікою, яка вивчає рух і взаємодія мікрочастинок, тобто. елементарних частинок, атомів, молекул та атомних ядер. Відповідно до уявлень квантової механіки мікрочастинки мають хвильову природу, а хвилі виявляють властивості частинок. Щодо електрона можна сказати, що він веде себе як частка, і як хвиля, тобто. виявляє, як і інші мікрочастинки, корпускулярно-хвильовий дуалізм (двоїстість). З одного боку, електрони як частинки чинять тиск, з іншого, - потік електронів, що рухаються супроводжується хвильовими явищами, наприклад дифракцією електронів.
Електрон в атомі немає траєкторії руху. Квантова механіка розглядає можливість перебування електрона у просторі навколо ядра. Електрон, який швидко рухається, може знаходитися в будь-якій частині простору, що оточує ядро, і різні положення його розглядаються як електронна хмара з певною щільністю негативного заряду. Наочніше це можна так. Якби вдалося через дуже малі проміжки часу отримувати знімок положення електрона в атомі (він позначиться на ньому у вигляді точки), то при накладенні великої кількості таких знімків можна було б отримати картину хмари. І там, де точок більше, хмара має
Мал. 2.2.Електронна хмара водню з нерівномірною щільністю
найбільшу густоту. Максимальна щільність відповідає ймовірності перебування електрона у цій частині атомного простору. На рис. 2.2 зображено модель поперечного перерізу атома водню з погляду квантової механіки. Видно, що поблизу ядра електронна щільність майже дорівнює нулю, тобто. електрон тут майже буває. У міру віддалення від ядра електронна щільність зростає та досягає максимального значення на відстані 0,053 нм, а потім поступово спадає. Значить, найімовірніше перебування електрона, що рухається з відривом 0,053 нм від ядра (на малюнку - темніші місця). Чим міцніше пов'язаний електрон з ядром, тим більшу щільність розподілу заряду і менше розміри повинна мати електронну хмару.
Простір навколо ядра, в якому перебування електрона найімовірніше, називається орбіталлю 1 .
1 Термін прийнято 1962 р. замість терміна "орбіта".
У ньому міститься = 90% електронної хмари. Це означає, що близько 90% часу електрон знаходиться у цій частині простору. Орбіталі атома мають різні розміри. Очевидно, що електрони, які рухаються в орбіталях меншого розміру, сильніше притягуються ядром, ніж електрони, що рухаються в більших орбіталях розміру. Електрони, що рухаються в орбіталях близьких розмірів утворюють електронні шари. Електронні шари називають також енергетичними рівнями. Енергетичні рівні нумерують, починаючи від ядра: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7. Іноді їх позначають буквами відповідно До, L, М, N, О, Р, О. Ціле число n, що позначає номер рівня, називається основним квантовим числом. Воно характеризує енергію електронів, які займають цей енергетичний рівень. Найменшу енергію мають електрони першого енергетичного.рівня, найближчого до ядра. Порівняно з електронами першого рівня електрони наступних рівнів характеризуються великим запасом енергії. Очевидно, слабше пов'язані з ядром електрони зовнішнього рівня.
Число енергетичних рівнів в атомі, заповнених електронами, чисельно дорівнює номеру періоду, в якому знаходиться елемент: у атомів елементів І періоду – один енергетичний рівень, ІІ періоду – два, ІІІ періоду – три і т.д. Найбільше електронів на енергетичному рівні дорівнює подвоєному квадрату номери рівня, тобто.
де N – число електронів; л - номер рівня (вважаючи від ядра), чи головне квантове число.
Відповідно до рівняння (2.2) на першому, найближчому до ядра енергетичному рівні може розміститися не більше 2 електронів, на другому – не більше 8, на третьому – не більше 18, на четвертому – не більше 32.