Электронные конфигурации атомов: теория и практика

Строение атома и понятие электронной оболочки

В основе всего материального мира лежит атом. Понимание его структуры — это фундамент, без которого невозможно освоить химию, а тем более научиться составлять электронные конфигурации. В этой статье мы разберем, из чего состоит атом, как устроено его ядро и, самое главное для нашего курса, что представляет собой электронная оболочка.

Атом как система

Долгое время человечество считало атом неделимым. Само слово «атом» в переводе с древнегреческого означает «неделимый». Однако наука доказала, что это сложная система, состоящая из более мелких (элементарных) частиц.

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

Ключевое слово здесь — электронейтральная. Это означает, что суммарный заряд атома равен нулю. Количество положительных зарядов в ядре всегда равно количеству отрицательных зарядов вокруг него.

Строение ядра

Ядро — это центральная, массивная часть атома. Несмотря на то, что ядро занимает ничтожно малый объем по сравнению с размером всего атома, в нем сосредоточено более 99,9% всей массы.

Ядро состоит из двух типов частиц, которые вместе называют нуклонами:

Протоны () — частицы с положительным зарядом (+1) и относительной массой, равной 1.

Нейтроны () — частицы без заряда (0) и с относительной массой, также равной 1.

Число протонов в ядре — это важнейшая характеристика атома. Именно оно определяет, к какому химическому элементу относится атом. Число протонов совпадает с порядковым номером элемента в Таблице Менделеева.

> Атом состоит из ядра и электронной оболочки; Ядра атомов заряжены положительно, они состоят из протонов p+ и нейтронов n0 (вместе носят название нуклоны). > > maximumtest.ru

Поскольку атом нейтрален, число электронов в нем всегда равно числу протонов. Например, у углерода (C) порядковый номер 6. Это значит, что у него: * 6 протонов в ядре; * 6 электронов вокруг ядра.

Электронная оболочка: от орбит к облакам

Электронная оболочка — это совокупность всех электронов, движущихся вокруг ядра атома. Именно строение этой оболочки определяет химические свойства элемента: как он будет реагировать с другими веществами, какие связи образовывать и какую валентность проявлять.

Электрон ()

Электрон — это легчайшая частица с отрицательным зарядом (-1). Его масса примерно в 1836 раз меньше массы протона, поэтому при расчете массы атома массой электронов обычно пренебрегают.

Эволюция представлений: Планетарная модель vs Квантовая механика

В начале XX века Эрнест Резерфорд предложил планетарную модель атома, которую позже доработал Нильс Бор. Согласно этой модели, электроны вращаются вокруг ядра по четким орбитам, подобно тому как планеты вращаются вокруг Солнца.

> Можно представить атом как Солнечную систему, где вокруг ядра (Солнца) по орбитам вращаются электроны (планеты). Это так называемая планетарная модель атома. > > umschool.net

Эта модель удобна для начального понимания, но она не совсем верна. В реальности микромир живет по законам квантовой механики. Электрон движется настолько быстро и хаотично, что у него нет четкой траектории. Нельзя сказать, что в данный момент электрон находится в точке А, а через секунду будет в точке Б.

Вместо понятия «орбита» (линия движения) в современной химии используется понятие орбиталь.

Что такое атомная орбиталь?

Орбиталь — это область пространства вокруг ядра, где вероятность нахождения электрона максимальна (обычно более 90%).

Представьте, что вы фотографируете вращающийся пропеллер вентилятора. На фото вы увидите не отдельные лопасти, а размытый круг. Так и электрон образует вокруг ядра своеобразное «электронное облако». Там, где облако гуще, вероятность встретить электрон выше.

> С позиций квантовой механики нельзя говорить о какой-либо определённой траектории движения электрона - можно лишь судить о той или иной степени вероятности его нахождения в данной точке пространства. > > zftsh.online

Структура электронной оболочки

Электронная оболочка имеет сложную структуру. Электроны не сваливаются в кучу, а распределяются по строго определенным уровням и подуровням в зависимости от их энергии.

1. Энергетические уровни (слои)

Электроны с близкими значениями энергии образуют энергетический уровень. Уровни нумеруются целыми числами: 1, 2, 3, 4 и так далее (обозначается буквой — главное квантовое число).

* Чем меньше номер уровня (), тем ближе он к ядру и тем меньше энергии имеет электрон. * Чем больше , тем дальше электроны от ядра и тем слабее они с ним связаны.

Максимальное число электронов (), которое может поместиться на одном энергетическом уровне, рассчитывается по формуле:

где — максимальное число электронов на уровне, — номер энергетического уровня.

Рассчитаем емкость первых трех уровней: * 1-й уровень (): электрона. * 2-й уровень (): электронов. * 3-й уровень (): электронов.

2. Энергетические подуровни и формы орбиталей

Каждый энергетический уровень расщепляется на подуровни. Подуровни состоят из орбиталей определенной формы. Они обозначаются латинскими буквами: s, p, d, f.

* s-орбиталь: Имеет форму сферы (шара). Есть на каждом уровне, начиная с первого. На одном s-подуровне всего одна орбиталь. * p-орбиталь: Имеет форму объемной восьмерки (или гантели). Появляется со второго уровня. На p-подуровне всегда три орбитали, ориентированные перпендикулярно друг другу. * d-орбиталь: Имеет более сложную форму (часто как скрещенные гантели). Появляется с третьего уровня. На d-подуровне пять орбиталей. * f-орбиталь: Еще более сложная форма. Появляется с четвертого уровня. На f-подуровне семь орбиталей.

> При этом s-орбиталь имеет форму шара, p-орбиталь имеет форму гантели или объемной восьмерки, формы d- и f-орбиталей значительно сложнее. > > maximumtest.ru

Принцип емкости орбитали

Существует фундаментальное правило (принцип Паули), согласно которому на одной орбитали может находиться не более двух электронов.

Исходя из этого, мы можем посчитать вместимость подуровней: * s-подуровень (1 орбиталь) макс. 2 электрона. * p-подуровень (3 орбитали) макс. 6 электронов. * d-подуровень (5 орбиталей) макс. 10 электронов. * f-подуровень (7 орбиталей) макс. 14 электронов.

«Адрес» электрона

Чтобы понять электронную конфигурацию, можно провести аналогию с адресом. Чтобы найти человека, нам нужно знать:

Город (Энергетический уровень, ).

Улицу (Подуровень: s, p, d или f).

Дом (Конкретная орбиталь).

Запись электронной конфигурации, которую мы будем учиться делать в следующих статьях (например, ), — это и есть краткая запись таких «адресов» для всех электронов атома.

Итоги

* Атом состоит из положительно заряженного ядра (протоны + нейтроны) и отрицательно заряженной электронной оболочки. * В нейтральном атоме число электронов строго равно числу протонов (порядковому номеру элемента). * Электроны движутся не по линиям-орбитам, а находятся в облаках-орбиталях — областях пространства с высокой вероятностью нахождения электрона. * Электронная оболочка делится на уровни () и подуровни (). * Максимальное число электронов на уровне определяется формулой .

Квантовые числа и формы атомных орбиталей (s, p, d, f)

В предыдущей статье мы сравнили строение атома с многоквартирным домом, где электроны «живут» на определенных этажах (уровнях) и в определенных квартирах (орбиталях). Но как точно записать этот адрес? В химии для этого используется система координат, называемая квантовыми числами.

Квантовые числа — это параметры, которые полностью описывают состояние электрона в атоме: его энергию, форму облака, ориентацию в пространстве и собственное вращение.

Всего существует четыре квантовых числа. Разберем каждое из них, двигаясь от общего к частному.

1. Главное квантовое число (): Энергетический уровень

Это число описывает номер энергетического уровня (слоя), на котором находится электрон. Оно обозначает размер электронного облака и запас энергии электрона.

* Обозначение: * Допустимые значения: целые числа от 1 до бесконечности ().

Чем больше значение , тем дальше электрон находится от ядра и тем больше его энергия. Электроны с одинаковым значением образуют один энергетический уровень.

> Главное квантовое число n характеризует энергию электрона в атоме и размер электронной орбитали. Оно соответствует также номеру электронного слоя, на котором находится электрон. > > CHEMEGE.RU

Исторически уровни также обозначают заглавными латинскими буквами: * * * *

2. Орбитальное квантовое число (): Форма облака

Внутри каждого уровня () есть подуровни. Орбитальное (или побочное) квантовое число определяет форму атомной орбитали и то, на каком подуровне находится электрон.

* Обозначение: * Допустимые значения: целые числа от до .

Это значит, что число подуровней на уровне равно номеру этого уровня. Рассмотрим на примерах:

* Если , то может быть только (один подуровень). * Если , то может быть и (два подуровня). * Если , то может быть и (три подуровня).

Каждому числовому значению соответствует буквенное обозначение формы орбитали. Это те самые буквы s, p, d, f, которые мы встречаем в электронных формулах.

Формы орбиталей

#### s-орбиталь () Самая простая форма. Электронное облако имеет форму сферы (шара). s-орбитали есть на всех энергетических уровнях (начиная с первого).

> Так, s-орбиталь шарообразная, а p-орбиталь напоминает объёмную восьмёрку или гантель. > > ЯКласс

#### p-орбиталь () Имеет форму объемной восьмерки или гантели. В центре, где лепестки восьмерки соединяются (в ядре), вероятность нахождения электрона равна нулю. p-орбитали появляются начиная со второго уровня ().

#### d-орбиталь () Имеет более сложную форму, чаще всего напоминающую четырехлепестковый клевер (или две скрещенные гантели). Появляется начиная с третьего уровня ().

#### f-орбиталь () Имеет еще более сложную пространственную структуру. Появляется начиная с четвертого уровня ().

3. Магнитное квантовое число (): Ориентация в пространстве

Орбитали одной формы могут по-разному располагаться в пространстве относительно ядра. Магнитное квантовое число определяет количество орбиталей на данном подуровне и их пространственную ориентацию.

* Обозначение: (или просто ) * Допустимые значения: целые числа от до , включая ноль.

Давайте посчитаем количество орбиталей («квартир») для каждого типа подуровня:

Для s-подуровня (): может быть только . Значит, существует только одна s-орбиталь. Сфера симметрична, ее как ни крути — она одинакова.

Для p-подуровня (): принимает значения: . Всего три значения. Значит, существует три p-орбитали. Они располагаются перпендикулярно друг другу вдоль осей координат: .

Для d-подуровня (): принимает значения: . Всего пять значений. Значит, существует пять d-орбиталей.

Для f-подуровня (): принимает значения от до . Всего семь значений. Значит, существует семь f-орбиталей.

> Магнитное квантовое число ml характеризует ориентацию орбитали в пространстве... Общее число значений ml равно числу орбиталей в данной электронной оболочке. > > CHEMEGE.RU

4. Спиновое квантовое число (): Вращение электрона

Даже находясь на одной орбитали, электроны могут отличаться. Четвертое число описывает свойство самого электрона, которое упрощенно можно представить как вращение вокруг собственной оси.

* Обозначение: (или ) * Допустимые значения: и .

Графически это изображается стрелками: одна вверх (), другая вниз ().

Принцип Паули

Это фундаментальный закон природы, который гласит: в атоме не может быть двух электронов с одинаковым набором всех четырех квантовых чисел.

Что это значит на практике? Представьте орбиталь как двухместную комнату. У электронов в этой комнате уже одинаковые:

Уровень ()

Подуровень ()

Орбиталь ()

Чтобы не нарушить закон, они обязаны отличаться четвертым числом — спином (). Поэтому на одной орбитали может находиться максимум два электрона, и они должны иметь противоположные спины (антипараллельные).

> Две стрелки в одном квадрате указывают, что на орбитали присутствуют два электрона с противоположными спинами, одна стрелка - один неспаренный электрон. > > ЗФТШ, МФТИ

Сводная таблица емкости подуровней

Зная количество орбиталей (определяется через ) и помня, что на каждой орбитали максимум 2 электрона (принцип Паули), мы можем рассчитать максимальную вместимость каждого подуровня.

| Подуровень | Значение | Кол-во орбиталей () | Макс. число электронов | Форма | | :--- | :--- | :--- | :--- | :--- | | s | 0 | 1 | 2 | Шар | | p | 1 | 3 | 6 | Гантель | | d | 2 | 5 | 10 | Сложная | | f | 3 | 7 | 14 | Сложная |

Пример полного «адреса» электрона

Допустим, мы описываем внешний электрон атома натрия. Его «адрес» может выглядеть так: * (3-й энергетический уровень) * (s-подуровень, сферическая форма) * (единственная ориентация) * (спин «вверх»)

Этот набор чисел () уникален для данного конкретного электрона в этом атоме.

Итоги

Главное квантовое число () определяет размер облака и номер энергетического уровня ().

Орбитальное квантовое число () определяет форму облака () и подуровень.

Магнитное квантовое число () задает количество орбиталей на подуровне () и их ориентацию.

Спиновое квантовое число () показывает направление собственного вращения электрона ( или ).

Согласно принципу Паули, на одной орбитали не может быть больше двух электронов, и они должны иметь разные спины.