§ 1. Строение атома. Состояние электрона в атоме. Атомная орбиталь

Из курса химии 7–9-го классов вы уже знаете, что вещества состоят из атомов. Например, молекулы воды состоят из атомов кислорода и водорода (рис. 1.1).

В центре атома находится положительно заряженное ядро. Заряд ядра равен атомному номеру элемента в периодической системе. Вокруг ядра движутся отрицательно заряженные электроны, образуя электронную оболочку. Положительный заряд ядра компенсируется отрицательным зарядом электронов, поэтому атом электронейтрален.

Например, атом водорода состоит из ядра, заряд которого равен 1+, и одного электрона. Заряд ядра атома гелия равен 2+, поэтому в атоме гелия два электрона (рис.1.2).

Атом – электронейтральная частица, состоящая из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов.

Если атом отдаёт электрон, то образуется положительно заряженный ион – катион. Если атом присоединяет электрон, то образуется отрицательно заряженный ион – анион (рис.1.3).

 

Глядя на рисунки 1.2 и 1.3, можно ошибочно предположить, что электроны вращаются вокруг атомного ядра подобно тому, как планеты вращаются вокруг солнца. В действительности траекторию движения электрона в атоме определить невозможно. Каждый электрон образует вокруг ядра облако отрицательного заряда определённой формы и размера – электронное облако. Например, единственный электрон в атоме водорода образует облако сферической формы (рис. 1.4).

Глядя на рисунки 1.2 и 1.3, можно ошибочно предположить, что электроны вращаются вокруг атомного ядра подобно тому, как планеты вращаются вокруг солнца. В действительности траекторию движения электрона в атоме определить невозможно. Каждый электрон образует вокруг ядра облако отрицательного заряда определённой формы и размера – электронное облако. Например, единственный электрон в атоме водорода образует облако сферической формы (рис. 1.4).

Чтобы лучше представить электронное облако, проведём мысленный эксперимент. Допустим, у нас есть возможность фотографировать атом водорода в различные моменты времени, тогда на фотографиях мы будем видеть электрон в различных положениях относительно ядра (рис. 1.5).

Если сделать много таких снимков и наложить фотографии друг на друга, по густоте точек мы увидим, насколько часто электрон оказывается в данной области пространства.

Из рисунка 1.5 видно, что электрон в атоме водорода чаще всего находится в непосредственной близости от ядра, по мере удаления от ядра вероятность обнаружить электрон резко снижается.

У электрона есть ещё одна особенность. В атоме водорода электрон может иметь не любые, а только определённые значения энергии. Эти значения энергии электрона в атоме водорода называются энергетическими уровнями. Энергетические уровни обозначаются номерами.

На рисунке 1.6 показаны энергетические уровни атома водорода. 

Электрону наиболее выгодно занимать первый уровень с наименьшей энергией, при этом он находится ближе к ядру.

Электрон может переходить с одного энергетического уровня на другой. При переходе с первого уровня на второй он поглощает порцию энергии, равную Е₂ – Е₁, при обратном переходе он излучает такую же порцию энергии.

Теперь мы можем уточнить понятие орбиталь, которое было введено в курсе химии 8-го класса. Мы уже знаем, что электрон в атоме может находиться только в определённых состояниях. Каждому состоянию соответствует определённое значение энергии и определённая форма электронного облака. Электронное состояние называется орбиталью.

Атомная орбиталь – состояние электрона в атоме, характеризующееся определёнными значением энергии, формой и пространственной ориентацией электронного облака.

Электронное облако не имеет чётких границ, поэтому при изображении формы орбитали приводят не всё электронное облако, а лишь ту область пространства, внутри которой вероятность обнаружить электрон достаточно большая.

Орбитали могут иметь различную форму. Орбитали сферической формы называются s-орбиталями:

Орбитали в форме объёмной восьмерки называются р-орбиталями:

Атом состоит из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов. Каждый электрон в атоме находится в состоянии с  определённой энергией (занимает определённую атомную орбиталь). Орбиталь характеризуется энергией и формой электронного облака.