Print bookPrint book

§ 9. Состояние электрона в атоме

Site: Профильное обучение
Course: Химия. 11 класс
Book: § 9. Состояние электрона в атоме
Printed by: Guest user
Date: Saturday, 25 May 2024, 1:27 PM
Рис. 15. Плёнка, состоящая из наночастиц Au и SnO<sub>2</sub>:<br /><i>а</i> — изображение, <i>б</i> — дифракционная картина.<br />Фотографии получены методами, основанными<br />на использовании волновых свойств электронов
Рис. 15. Плёнка, состоящая из наночастиц Au и SnO2:
а — изображение, б — дифракционная картина.
Фотографии получены методами, основанными
на использовании волновых свойств электронов

Развитие квантовой механики в 20-х годах ХХ века привело к коренному пересмотру фундаментальных понятий теории строения атома. Исследование свойств электрона показало, что ему присущи свойства как частицы, так и волны. Электрон как частица характеризуется массой и электрическим зарядом, как волна — длиной волны, которая зависит от скорости движения электрона. Эту двойственность свойств электрона назвали корпускулярно-волновым дуализмом.

В настоящее время волновые свойства электрона используются в электронной и атомно-силовой микроскопии, позволяющей рассматривать различные объекты (размером порядка 10–9 м) с увеличением в сотни тысяч раз (рис. 15). Без этих методов было бы невозможным появление нанотехнологий.

Рис. 16. Электронное облако атома водорода
Рис. 16.
Электронное
облако атома
водорода

С точки зрения квантовой механики для электрона нельзя одновременно точно определить его координату и скорость, а следовательно, невозможно проследить траекторию движения электрона в атоме, поэтому говорят о вероятности нахождения электрона в определённой области пространства около ядра. Её ограничивают условной поверхностью, охватывающей примерно 90 % объёма, в котором наиболее велика вероятность нахождения данного электрона (рис. 16). Такую область околоядерного пространства называют атомной электронной орбиталью, или просто атомной орбиталью.

Каждому электрону в атоме соответствует своя атомная орбиталь, которая характеризуется определёнными значениями энергии, формой и размером электронного облака.

За условный размер атомной s-орбитали принимают диаметр облака, в котором вероятность нахождения данного электрона составляет примерно 90 % (см. пунктирную линию на рис. 16).

По форме электронного облака различают s-, p-, d- и f-орбитали. s-Орбитали имеют форму сферы, р — форму гантели, d и f — более сложную форму (рис. 17).

Рис. 17. Форма электронных облаков <i>s</i>-, <i>p</i>-орбиталей (верхняя строка) и <i>d</i>-орбиталей (нижняя строка)
Рис. 17. Форма электронных облаков s-, p-орбиталей (верхняя строка)
и d-орбиталей (нижняя строка)
Рис. 18. Схема распределения атомных орбиталей по энергии (энергетическая диаграмма)
Рис. 18. Схема распределения
атомных орбиталей по энергии
(энергетическая диаграмма)

Согласно основному принципу квантовой механики, электрон в атоме может принимать только определённые значения энергии, а другие значения запрещены. В этом случае говорят, что энергия электрона квантована, то есть имеет дискретный набор значений. Для наглядного представления состояний электронов в атоме используют энергетическую диаграмму (рис. 18). Проанализируем этот рисунок. Из рисунка следует, что электроны в атоме распределены по энергетическим уровням и подуровням.

Энергетические уровни (или электронные слои, с которыми вы ознакомились, изучая химию в 9-м классе) обозначают числом n. Это число имеет только целочисленные значения: 1, 2, 3, … Каждому значению n соответствует определённое значение энергии электрона. Энергия может изменяться только скачкообразно. Самый низкий энергетический уровень (n = 1) соответствует минимально возможной энергии электрона. Находящиеся на этом уровне электроны наиболее сильно связаны с ядром. Чем больше n, слабее его связь с ядром, больше размер электронного облака, тем больше энергия электрона. При n = ∞ электрон теряет связь с ядром и считается свободным.

Вам уже известно, что число электронов на энергетических уровнях различно. Так, на первом энергетическом уровне может быть не более 2, на втором — не более 8, на третьем — не более 18 электронов.

Число электронов, которое может вместить определённый уровень, можно вычислить по формуле:

N(e) = 2n2.

Электроны, находящиеся на одном энергетическом уровне, образуют электронную оболочку, или слой. Высшую по энергии электронную оболочку называют внешней. На ней расположены электроны, которые слабее всего связаны с ядром и поэтому способны участвовать в образовании химических связей. Их называют валентными.

В многоэлектронных атомах энергетические уровни расщепляются на энергетические подуровни (табл. 5). На первом уровне (n = 1) есть только один подуровень — 1s, на втором (n = 2) — два подуровня (2s и 2p), на третьем — их три (3s, 3p и 3d).

Таблица 5. Распределение электронов в атоме по уровням, подуровням, орбиталям

Энергетический уровень, n Подуровень Число атомных орбиталей Максимальное число электронов на подуровне Максимальное число электронов на энергетическом уровне
(N(e) = 2n2)
1 1s 1 2 2
2

2s

2p

1

3

2

6

8
3

3s

3p

3d

1

3

5

2

6

10

18

*f-Электронные облака

img

Существует 7 f-атомных орбиталей, на которых может разместиться 14 электронов. Им соответствует 7 электронных облаков, форма которых представлена на рисунке 17.1.

img
Рис. 17.1. Форма электронных облаков f-орбиталей

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 img

Рис. 19. Схема перехода электрона из основного в возбуждённое состояние
Рис. 19. Схема перехода электрона
из основного в возбуждённое
состояние

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 возбужденияE) (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.

img
#

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.

Электрону присущи свойства как частицы, так и волны.

Атомная орбиталь — это характеристика состояния электрона в атоме, которая включает определённое значение энергии, форму и размер электронного облака.

Электронное строение атома характеризуют с помощью электронной схемы, формулы электронной конфигурации и электронно-графической схемы.

Вопросы, задания, задачи

1. Назовите характеристики электрона:

  • а) как частицы;
  • б) как волны.

2. Назовите способы изображения распределения электронов в атоме азота:

  • а) 7N 2е, 5е;
  • б) 7N 1s22s22p3;
  • в) 7N img

3. Как изменится энергия электрона, если его перевести из состояния с n = 2 в состояние с n = 3? Что произойдёт с энергией электрона, если он вернётся в прежнее состояние?

4. Используя рис. 18, расположите следующие атомные орбитали в порядке увеличения их энергии: 3p, 2p, 3d, 1s.

5. В каком состоянии энергия электрона выше: 2s или 2p; 3p или 2p?

6. Чем отличаются атомные орбитали 1s и 3s?

7. Сколько всего электронов может находиться на третьем энергетическом уровне, на 1s-подуровне, на 2р-подуровне, на 3d-подуровне?

8. При возбуждении электрон перешёл с 2s- на 2р-орбиталь. Что при этом изменилось: энергия электрона, форма электронного облака, заряд атома, энергия атома?

9. Рассчитайте число электронов в порции фосфора массой 1,24 г.

10. Порция нитрата двухвалентного металла количеством 0,2 моль содержит 16,4 моль электронов. Определите элемент.

*Самоконтроль

1. Корпускулярно-волновой дуализм рассматривает электрон только как:

  • а) волну;
  • б) частицу;
  • в) корпускулу;
  • г) и волну, и частицу одновременно.

2. Укажите изображения р-орбитали:

а) Вариант <i>а</i>
б) Вариант <i>б</i>
в) Вариант <i>в</i>
г) Вариант <i>г</i>

3. Электронно-графической схемой атома углерода в основном состоянии является:

а) Вариант <i>а</i>
б) Вариант <i>б</i>
в) Вариант <i>в</i>
г) Вариант <i>г</i>

4. Правильными являются утверждения:

  • а) состояние атома с наименьшей возможной для него энергией называют невозбуждённым;
  • б) наиболее прочно с ядром связаны электроны первого уровня;
  • в) число электронов на энергетическом уровне n определяется по формуле N = 2n2;
  • г) спин условно характеризует вращение электрона вокруг собственной оси.

5. В порядке увеличения энергии атомные орбитали указаны в рядах:

  • а) 2р, 2s, 3d;
  • б) 1s, 3s, 3d;
  • в) 1s, 3s, 2p;
  • г) 3p, 4s, 3d.