§ 9. Состояние электрона в атоме

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.

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).

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

*f-Электронные облака

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

Атомные орбитали, порядок их заполнения электронами

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

Как вам уже известно, на каждой атомной орбитали может разместиться не более двух электронов: , 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 , его называют неспаренным, а атомную орбиталь — наполовину заполненной. Если на орбитали два электрона , то электроны называют спаренными, а орбиталь — заполненной. Атомную орбиталь без электронов называют вакантной, или свободной .

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.

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

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) 

б) 

в) 

г) 

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

а) 

б) 

в) 

г) 

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.