§ 9. Состояние электрона в атоме

Атомные орбитали, порядок их заполнения электронами

На энергетической диаграмме атомные орбитали изображены в виде клеток (ячеек): $box enclose space space space space end enclose$ (рис. 18). На каждом энергетическом подуровне может находиться только определённое число одинаковых по энергии атомных орбиталей: на любом s-подуровне — одна $box enclose space space space space end enclose$ , на p — три $box enclose space space space space end enclose box enclose space space space space end enclose box enclose space space space space end enclose$ , на d — пять $box enclose space space space space end enclose box enclose space space space space end enclose box enclose space space space space end enclose box enclose space space space space end enclose box enclose space space space space end enclose$ .

Как вам уже известно, на каждой атомной орбитали может разместиться не более двух электронов: $box enclose upwards arrow leftwards of downwards arrow$ , причём электроны должны отличаться своими спинами. Спин условно характеризует вращение электрона вокруг собственной оси по часовой стрелке или против неё. Эти различия у электронов на схеме изображают стрелками, направленными в противоположные стороны. Если на орбитали находится один электрон $box enclose upwards arrow$ , его называют неспаренным, а атомную орбиталь — наполовину заполненной. Если на орбитали два электрона $box enclose upwards arrow leftwards of downwards arrow$ , то электроны называют спаренными, а орбиталь — заполненной. Атомную орбиталь без электронов называют вакантной, или свободной $box enclose space space space space end enclose$ .

Вместимость энергетических уровней показана в таблице 5.

Вам известны три способа изображения распределения электронов в атоме:

1) в виде электронных схем (показывают распределение электронов только по энергетическим уровням), например для углерода ₆С 2е^–, 4е^–;

2) в виде формулы электронной конфигурации (показывают распределение электронов по орбиталям), например ₆С 1s²2s²2p², где цифры перед буквами s и p указывают номер энергетического уровня, буквы s и p — форму электронного облака, а верхний индекс над буквами — число электронов, размещённых на подуровне;

3) с помощью электронно-графических схем (показывают распределение электронов по орбиталям с учётом спина электрона), например:

₆C

Электронно-графическая схема — это та же энергетическая диаграмма, но с изображением заполнения электронами атомных орбиталей.

Состояние атома с наименьшей возможной для него энергией электронов называют основным, или невозбуждённым, состоянием. Все другие энергетические состояния этого атома, которым соответствует бо́льшая энергия электронов, чем в основном состоянии, называются возбуждёнными.

Для того чтобы перевести атом в возбуждённое состояние, ему надо сообщить энергию — энергию возбуждения (ΔE) (рис. 19). Она передаётся при воздействии на атом электромагнитного излучения (например, солнечного света), при нагревании или воздействии на атом быстрых электронов. В основном состоянии атом может находиться неограниченно долго, а в возбуждённом — около 10^–15 с, после чего возбуждённые электроны возвращаются в основное состояние. Переход атома из возбуждённого состояния в основное сопровождается электромагнитным излучением.

Свойство атомов после их энергетического возбуждения излучать свет с определёнными длинами волн лежит в основе метода спектрального анализа — одного из основных методов качественного и количественного анализа веществ. Спектр состоит из отдельных линий, каждая из которых появляется в результате перехода атома из возбуждённого в основное состояние. Линейчатый спектр испускания — свидетельство разных конкретных значений энергии электронов в атоме.