Skip to main content
LibreTexts - Ukrayinska

2.6: Електронна структура атомів

  1. Last updated
  2. Save as PDF
  • Page ID
    21995

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

    Цілі навчання
    • Опишіть, як електрони групуються всередині атомів у оболонки, підоболонки та орбіталі за допомогою квантових чисел.

    Тепер ви знаєте, що періодична таблиця розташована в групах і періодах (стовпці та рядки) на основі хімічних і фізичних властивостей різних елементів. Перший елемент, водень (Z =1) має один протон і один електрон, і коли ви рухаєтеся прямо по рядах, кожен наступний елемент має один додатковий протон і електрон. Можливо, ви запитали себе, чому періодичні тенденції спостерігаються по рядах і вниз по групах? Або, чому рядки мають різну кількість елементів, надаючи таблиці унікальну форму?

    На ці питання можна відповісти, дізнавшись більше про електрони в атомах. Хоча ми обговорювали загальне розташування субатомних частинок в атомах, ми мало говорили про те, як електрони займають простір навколо ядра. Чи рухаються вони навколо ядра навмання, або вони існують в якомусь впорядкованому розташуванні?

    У 1913 році данський вчений Нільс Бор припустив, що електрон в атомі водню не міг мати ніякої випадкової енергії, маючи лише певні фіксовані значення енергії, які індексувалися числом n (тепер називається квантовим числом). Бор припустив, що енергія електрона у водні була квантована, оскільки вона перебувала на певній орбіті; подібно до того, як сходи на сходах не мають половини або чверті сходів або клавіші на піаніно не мають нот між ними, між кожною орбітою немає рівнів енергії. \(\PageIndex{1}\)На малюнку показана модель атома водню, заснована на ідеях Бора.

    У цій моделі він показує ядро в центрі і 3 орбіти, що оточують його.
    Ілюстрація\(\PageIndex{1}\): Модель Бора атома водню. Опис Бора атома водню мав специфічні орбіти для електрона, який мав квантовані енергії.

    Ідеї Бора були корисні, але були застосовні лише до атома водню. Однак пізніше дослідники узагальнили ідеї Бора в нову теорію під назвою квантова механіка, яка пояснює поведінку електронів так, ніби вони діють як хвиля, а не як частинки. Квантова механіка передбачає дві основні речі: квантовані енергії для електронів всіх атомів (не тільки водню) і організацію електронів всередині атомів. Електрони більше не вважаються випадковим чином розподіленими навколо ядра або обмеженими певними орбітами (у зв'язку з цим Бор помилявся). Натомість електрони збираються в групи (оболонки) та підгрупи (підоболонки), які багато пояснюють хімічну поведінку атома.

    У квантово-механічній моделі атома, яка є сучасною і прийнятою в даний час моделлю, розташування електронів в атомі описується чотирма квантовими числами, а не тільки передбаченими Бором. Подібно до вашої домашньої адреси можна використовувати для знаходження вас у певному штаті, місті, вулиці та номері будинку, перші три квантові числа приблизно визначають, де електрони знаходяться в атомі. Четверте квантове число описує електрон і спина він вгору або вниз (за годинниковою стрілкою або проти годинникової стрілки). Теорія та математика, що стоять за цими чотирма квантовими числами, виходять далеко за рамки цього підручника, однак корисно вивчити деякі основи, щоб зрозуміти, як атоми поводяться і взаємодіють з (реагують) з іншими атомами.

    Електронні домовленості: оболонки, підоболонки та орбіталі

    Електрони організовані відповідно до своїх енергій на множини, звані оболонками (позначені принципом квантового числа, n). Як правило, чим вище енергія оболонки, тим далі вона знаходиться (в середньому) від ядра. Оболонки не мають специфічних, фіксованих відстаней від ядра, але електрон в оболонці з більш високою енергією буде проводити більше часу далі від ядра, ніж електрон в оболонці з нижчою енергією.

    Оболонки додатково поділяються на підмножини електронів, які називаються підоболонками, позначені за типом як s, p, d або f. Перша оболонка має тільки одну підоболонку, с. Друга оболонка має дві підоболонки, s і p; третя оболонка має три підоболонки, s, p і d, а четверта оболонка має чотири підоболонки, s, p, d, і ф. Усередині кожної підоболонки електрони розташовані в різну кількість орбіталів, а s підоболонка складається з однієї s орбіталі, p підоболонки має дві p орбіталі, a d підоболонки, п'ять d орбіталів і an f підоболонки, сім орбіталів. Кожна орбіта має різну форму та орієнтацію навколо ядра (Рисунок\(\PageIndex{1}\), однак, замість того, щоб представляти орбіту, як випливає з назви, орбіталі визначають межу для області простору, де найімовірніше буде знайдений даний електрон. Нарешті, одна орбітальна може вмістити до двох електронів кожен з різним спіном.

    Малюнок\(\PageIndex{1}\): Електронні орбіталі. (а) Орбітальна лінія s в підоболонці s сферична за розподілом. (б) Три орбіталі p мають дві частки, подібні до гантелей, кожна орієнтована навколо ядра уздовж іншої осі. (c) П'ять орбіталів d мають чотири частки, за винятком\(d_{z^2}\)орбітальна, що представляє собою комбінацію «гантель + тор». Всі вони орієнтовані в різні боки.

    Важливо відзначити, що відповідно до квантової теорії існують специфічні дозволені комбінації квантових чисел і інші, які не допускаються. Наприклад, оболонка два може мати тільки дві підоболонки, s з однією орбіталлю і p з 3 орбіталями, отже, ця оболонка може утримувати максимум вісім електронів (чотири орбіталі на два електрони кожна). Потрібна практика, щоб вивчити дозволені комбінації, як показано в таблиці\ (\ pageIndex {1}\, але корисно візуалізувати атом як сферу з ядром в центрі. Близько до ядра є менша кількість простору для електронів — менша оболонка. Зі збільшенням кількості електронів оболонки, які утримують електрони, стають більшими і, таким чином, віддаляються від ядра.

    Таблиця\(\PageIndex{1}\): Оболонки і підоболонки
    Оболонка Кількість підоболонок Назви підоболонок Кількість орбіталей (на підоболонку) Кількість електронів (на підоболонку) Загальна кількість електронів (на оболонку)
    1 1 1s 1 2 2
    2 2 2с і 2р 1, 3 2, 6 8
    3 3 3s, 3p та 3d 1, 3, 5 2, 6, 10 18
    4 4 4с, 4р, 4д, і 4ф 1, 3, 5, 7 2, 6, 10, 14 32

    Вся ця інформація про оболонку, підоболонку та орбіталі зібрана разом, щоб скласти «адресу» для електрона, і всі адреси для всіх електронів в атомі складають електронну конфігурацію, яка описана пізніше.