§ 9. Состояние электрона в атоме

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)
Повышенный уровень
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