1.7: Атомна структура та електронна конфігурація

Last updated
Save as PDF

Page ID: 18039

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

Як ми дізналися в розділі 1.1, сучасна атомна теорія поміщає протони та нейтрони в ядрі атома, а електрони поміщаються в дифузну хмару, що оточує це ядро. Однак, коли хіміки і фізики почали вивчати будову атомів, стало очевидним, що всі електрони в атомах не є рівнозначними. Електрони не були випадковим чином розміщені в одному масивному «хмарі», скоріше вони, здавалося, розташовані в різних енергетичних рівнях, і енергія потрібна була для переміщення електронів від нижчого до більш високого енергетичного рівня. На початку дев'ятнадцятого століття була розроблена математична модель атомної структури, яка визначала ці енергетичні рівні як квантові рівні, і сьогодні цей опис прийнято називати квантовою механікою.

Згідно квантової моделі атома, електрон для відомих елементів може перебувати в семи різних квантових рівнях, що позначаються головним квантовим числом n, де n має значення від одного до семи. Зі збільшенням квантового числа середня енергія електронів, що мають це квантове число, також збільшується. Кожному з семи рядків у таблиці Менделєєва відповідає різне квантове число. Перший ряд (n = 1) може вмістити тільки два електрони. При цьому елемент в першому рядку таблиці Менделєєва може мати не більше двох електронів (у водню один, а гелій - два). Другий ряд (n = 2) може вмістити вісім електронів і елемент у другому ряду таблиці Менделєєва матиме два електрони на першому рівні (він повний) і до восьми електронів на другому рівні.

Квантова теорія також говорить нам, що електрони в заданому енергетичному рівні не всі еквівалентні. Всередині енергетичного рівня електрони перебувають у підрівнях (або підоболонках). Підрівні для будь-якого заданого рівня ідентифікуються буквами, s, p, d і f, а загальна кількість підрівнів також задається квантовим числом, n. S підрівень може вмістити два електрони, р тримає шість, d тримає 10 і f може утримувати 14. Елементи першого ряду в таблиці Менделєєва (n = 1) мають електрони тільки в 1s підрівні (n = 1, тому підрівень може бути тільки один). Єдиний електрон у водні буде ідентифікований як 1s1, а два електрони в гелії будуть ідентифіковані як 1s ². Фтор, у другому рядку таблиці Менделєєва (n = 2), має атомний номер дев'ять і тому має дев'ять електронів. Електрони у фторі розташовані, два на першому рівні (1с ²), два в суборбіталі 2s (2s ²) і п'ять 2p суборбітальних (2p ⁵). Якби ми писали електронну конфігурацію для фтору, ми б написали її як 1s ² 2s ² 2p ⁵. Кожен з підрівнів в атомі також пов'язаний з орбіталлю, де орбіталь - це просто область простору, де електрон, ймовірно, буде знайдений.