2.5: Атоми, ізотопи, іони та молекули - електронні оболонки та модель Бора

Last updated
Save as PDF

Page ID: 5065

Boundless
Boundless

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Цілі навчання

Побудувати атом за моделлю Бора

Електронні оболонки та модель Бора

зображення — Малюнок\(\PageIndex{1}\): Орбіталі в моделі Бора: Модель Бора була розроблена Нільсом Бором в 1913 році. У цій моделі електрони існують всередині головних оболонок. Електрон зазвичай існує в найнижчій енергетичній оболонці, яка є найближчою до ядра. Енергія від фотона світла може підштовхнути його до більш високої енергетичної оболонки, але ця ситуація нестабільна і електрон швидко розпадається назад до основного стану. В процесі виділяється фотон світла.

Як обговорювалося раніше, існує зв'язок між кількістю протонів в елементі, атомним номером, який відрізняє один елемент від іншого, і кількістю електронів, які він має. У всіх електрично-нейтральних атомах кількість електронів таке ж, як і кількість протонів. Кожен елемент, будучи електрично нейтральним, має кількість електронів, рівне його атомному номеру.

Рання модель атома була розроблена в 1913 році датським вченим Нільсом Бором (1885—1962). Модель Бора показує атом як центральне ядро, що містить протони та нейтрони з електронами на кругових орбіталах на певних відстанях від ядра. Ці орбіти утворюють електронні оболонки або енергетичні рівні, які є способом візуалізації кількості електронів у різних оболонках. Ці енергетичні рівні позначаються числом і символом «n». Наприклад, 1n являє собою перший енергетичний рівень, розташований найближче до ядра.

Електрони заповнюють оболонки орбіти в послідовному порядку. У стандартних умовах атоми спочатку заповнюють внутрішні оболонки (ближче до ядра), часто в результаті чого в зовнішній оболонці утворюється змінна кількість електронів. Найпотаємніша оболонка має максимум два електрони, але наступні дві електронні оболонки можуть мати максимум вісім електронів. Це відоме як правило октету, яке стверджує, що, за винятком самої внутрішньої оболонки, атоми більш стабільні енергетично, коли вони мають вісім електронів у своїй валентній оболонці, зовнішній електронній оболонці. Приклади деяких нейтральних атомів та їх електронних конфігурацій наведено в. Як показано, гелій має повну зовнішню електронну оболонку, причому два електрони заповнюють її першу і єдину оболонку. Аналогічно неон має повну зовнішню 2n оболонку, що містить вісім електронів. На відміну від цього, хлор і натрій мають сім і один електрони в своїх зовнішніх оболонках відповідно. Теоретично вони були б більш енергетично стабільними, якби дотримувалися правила октета і мали вісім.

Атом може отримати або втратити електрони для досягнення повної валентної оболонки, найбільш стабільної електронної конфігурації. Періодична таблиця розташована в стовпцях і рядках на основі кількості електронів і місця розташування цих електронів, надаючи інструмент для розуміння того, як електрони розподіляються у зовнішній оболонці атома. Як показано в, група 18 атомів гелію (He), неону (Ne) та аргону (Ar) заповнені зовнішні електронні оболонки, що робить непотрібним для них отримання або втрати електронів для досягнення стабільності; вони дуже стабільні як одиночні атоми. Їх нереакційна здатність призвела до того, що їх називають інертними газами (або благородними газами). Для порівняння, елементи групи 1, включаючи водень (H), літій (Li) та натрій (Na), всі мають один електрон у своїх крайніх оболонках. Це означає, що вони можуть досягти стабільної конфігурації і заповненої зовнішньої оболонки шляхом пожертвування або втрати електрона. В результаті втрати негативно зарядженого електрона вони стають позитивно зарядженими іонами. Коли атом втрачає електрон, щоб стати позитивно зарядженим іоном, це позначається знаком плюс після символу елемента; наприклад, Na ⁺. Елементи групи 17, включаючи фтор і хлор, мають сім електронів у своїх крайніх оболонках; вони, як правило, заповнюють цю оболонку, отримуючи електрон з інших атомів, роблячи їх негативно зарядженими іонами. Коли атом отримує електрон, щоб стати негативно зарядженим іоном, це позначається знаком мінус після символу елемента; наприклад, F-. Таким чином, стовпці періодичної таблиці представляють потенційно розділений стан зовнішніх електронних оболонок цих елементів, що відповідає за їх подібні хімічні характеристики.

Ключові моменти

У моделі Бора атома ядро містить більшу частину маси атома в своїх протони і нейтрони.
На орбіті позитивно зарядженого ядра знаходяться негативно заряджені електрони, які мало сприяють за масою, але електрично еквівалентні протонам в ядрі.
У більшості випадків електрони спочатку заповнюють орбіталі нижчої енергії, а потім наступну орбітальну вищу енергію, поки вона не заповниться, і так далі, поки не будуть розміщені всі електрони.
Атоми, як правило, найбільш стабільні з повною зовнішньою оболонкою (та, яка після першої містить 8 електронів), що призводить до того, що прийнято називати «правилом октета».
Властивості елемента визначаються його крайніми електронами, або тими, що знаходяться в орбіталі найвищої енергії.
Атоми, які не мають повних зовнішніх оболонок, мають тенденцію набирати або втрачати електрони, що призводить до повної зовнішньої оболонки і, отже, стабільності.

Ключові умови

правило октету: Правило, що стверджує, що атоми втрачають, отримують або ділять електрони, щоб мати повну валентну оболонку 8 електронів. (Водень виключається, оскільки він може утримувати максимум 2 електрони у своїй валентній оболонці.)
електронна оболонка: Колективні стани всіх електронів в атомі, що мають однакове основне квантове число (візуалізується як орбіта, по якій рухаються електрони).