Хімія. Поглиблений рівень. Повторне видання. 8 клас. Бутенко

§ 15. Енергетичні рівні й підрівні. Стан електронів в атомі

У цьому параграфі ви дізнаєтеся:

  • що таке енергетичний рівень;
  • яке максимальне число електронів може міститися на них;
  • у якому стані може перебувати атом.

Енергетичні рівні. Електрони, які рухаються по орбіталях з приблизно однаковою енергією електростатичної взаємодії з ядром, утворюють енергетичні рівні. Останні позначають буквою n і нумерують у порядку віддалення від ядра: n = 1, n = 2, n = 3, n = 4, n = 5, n = 6, n = 7 (рис. 11) або іменують відповідно великими буквами латинського алфавіту К, L, Μ, Ν, О, Р, Q. Значень від 1 до 7 число n набуває, коли атом перебуває в так званому основному (нормальному) стані.

Рис. 11. Схема розташування енергетичних рівнів в атомі відповідно до запасу їхньої енергії

Число n, яке може набувати тільки цілочислових значень, позначає номер енергетичного рівня. Його називають головним, квантовим числом.

Електрони першого рівня найміцніше, порівняно з іншими, притягуються до ядра. Через це в них менший запас тієї енергії, яка дала б їм можливість відірватися від ядра, наприклад, у результаті дії на атом високих температур, випромінювання тощо, завдяки чому атом переходить у збуджений стан. У такому разі число n набуває значень від 1 до нескінченності.

Електрони наступних енергетичних рівнів слабкіше зв’язані з ядром. Вони мають більший запас енергії, тому що менше витрачають її на електростатичну взаємодію з ядром. Таким чином, можна зробити висновок: якщо в даному атомі електрони розподіляються по кількох енергетичних рівнях, то найслабкіший зв’язок з ядром мають електрони зовнішнього енергетичного рівня.

Сила притягання електрона до ядра зменшується, а запас його енергії збільшується

Число енергетичних рівнів в атомі, що заповнюються електронами, збігається з номером періоду, у якому розташований елемент. Так, в елементів першого періоду електронами заповнюється тільки один енергетичний рівень, другого періоду — два, третього періоду — три й т. д.

Максимальне число електронів Ν, що можуть перебувати на будь-якому енергетичному рівні атома, обчислюють за формулою

N = 2n2,

де n — номер рівня (починаючи від ядра), або головне квантове число.

Енергетичні підрівні й орбіталі. Крім першого енергетичного рівня, усі наступні рівні поділяють на підрівні, які відрізняються один від одного енергією зв’язку електронів з ядром (рис. 12).

Рис. 12. Схема послідовного заповнення електронами енергетичних рівнів

Число підрівнів дорівнює значенню головного квантового числа: перший рівень має один підрівень, другий — два, третій — три, четвертий — чотири й так далі. Їхню форму визначає орбітальне квантове число l. Для кожного n це число може набувати тільки цілочислових значень від 0 до (n - 1).

Підрівням, у свою чергу, відповідають орбіталі. Їх прийнято позначати малими літерами латинського алфавіту. Якщо l = 0, то орбіталь, незалежно від значення головного квантового числа n, має сферичну форму, її називають s-орбіталлю. Значенню l = 1 відповідає орбіталь, що має форму гантелі, — р-орбіталь. Зі збільшенням значення l форма орбіталі ускладнюється. Залежно від значення орбітального квантового числа орбіталі позначають так:

Значення l

0

1

2

3

Позначення орбіталі

s

p

d

f

Орбіталі, які характеризуються однаковим значенням n і різним значенням l, мають різну енергію. Тому поряд з поняттям «енергетичний рівень» існує поняття «енергетичний підрівень» як сукупність орбіталей із певними значеннями головного та побічного квантових чисел.

На кожній орбіталі, відповідно до принципу Паулі (принципу заборони), можуть розміщуватися не більш як два електрони, що мають однакову енергію, але обов’язково відрізняються особливою властивістю — протилежним напрямком обертання навколо власної осі. Ця властивість отримала назву спін (від англійського spin, що означає «веретено»). Спінове обертання електрона може бути за годинниковою стрілкою та проти неї.

У таблиці 7 показано, як число підрівнів, тип і число орбіталей та максимально можливе число електронів на енергетичному підрівні та рівні залежить від головного квантового числа.

Таблиця 7

Залежність будови електронних оболонок атома від головного квантового числа

Отже, для характеристики електронів в атомі необхідно знати номер енергетичного рівня n і типи орбіталей, а також форму різних орбіталей (електронних хмар).

На другому енергетичному рівні (n = 2), як видно з таблиці 7, число орбіталей уже дорівнює чотирьом. Одна з них має сферичну форму. Її називають 2s-орбіталлю. 2s-Електрон, що перебуває на цій орбіталі, має більшу енергію, ніж 1s-електрон, розміщений на s-орбіталі першого рівня, бо він розміщується на більшій відстані від ядра.

Інші три орбіталі — це 2р-орбіталі. Усі вони мають однакову геометричну форму, що нагадує форму гантелі або об’ємної вісімки (рис. 10). Але вони по-різному орієнтовані в атомному просторі — уздовж координатних осей x, у, z. Через це р-орбіталі позначають рx, рy і рz. Якщо електрон розміщується на рx-орбіталі, то це означає, що з найбільшою ймовірністю рx-електрон рухатиметься вздовж осі х. Відповідно, електрон на ру-орбіталі рухається вздовж осі у, а електрон на рz-орбіталі — уздовж осі z. Зі зростанням числа n електрони займають р-орбіталі, які розташовані на більшій відстані від ядра, але напрямленість їхнього руху вздовж осей х, у, z завжди зберігається.

Форми d-орбіталей (їх п’ять) і f-орбіталей (їх сім) значно складніші (рис. 13). Електронні орбіталі таких складних форм в атомах з великим зарядом ядра менш енергетично вигідні для перебування електронів, тому заповнюються ними лише тоді, коли s-, а потім р-орбіталі енергетичного рівня вже зайняті.

Рис. 13. Форма d-орбіталей та їхня можлива орієнтація в просторі

Графічно орбіталь прийнято зображати у вигляді квадрата, який ще називають квантовою коміркою, а електрони — у вигляді стрілок, спрямованих угору чи вниз.

Стрілки, спрямовані в протилежних напрямках, позначають електрони з протилежними (антипаралельними) спінами:

Запитання та завдання

°1. Що розуміють під енергетичними рівнями? Як їх позначають?

°2. На що вказує головне квантове число? Яких значень воно набуває?

3. Електрони якого енергетичного рівня найслабкіше притягуються до ядра? Який у них запас енергії — найменший чи найбільший?

4. Скільки енергетичних рівнів заповнюється електронами в елементів: а) першого періоду; б) другого періоду; в) третього періоду? Наведіть приклади.

5. Яким є максимальне число електронів, що можуть перебувати на другому та третьому енергетичних рівнях? За якою формулою обчислюють максимальне число електронів?

6. Починаючи з якого енергетичного рівня, електрони розподіляються по підрівнях? Скільки підрівнів має: а) другий енергетичний рівень; б) третій енергетичний рівень; в) четвертий енергетичний рівень?

7. Як заведено позначати орбіталі кожного підрівня? Наведіть приклади.

8. Чи різняться за енергією електрони, що перебувають на одній і тій самій орбіталі? Скільки електронів можуть розміститися на одній орбіталі? Чим вони мають обов’язково відрізнятися один від одного?

9. Як графічно зображають: а) орбіталі; б) електрони з різними спінами?

10. На рис. 14 зображено орбіталі атома Оксигену. Знайдіть 1s-, 2s-, 2р-орбіталі. Зробіть рисунок у зошиті та підпишіть кожну орбіталь.

Рис. 14. Орбіталі атома Оксигену