Хімія. Повторне видання. 8 клас. Григорович

§ 9. Структура електронної оболонки атома

Енергетичні, або електронні, рівні

В електронних оболонках атомів орбіталі існують не хаотично. Вони утворюють чіткі структури, що різняться кількістю і типом орбіталей.

Структуру орбіталей в атомі можна порівняти з багатоповерховим будинком, у якому окремі кімнати — це орбіталі. Кожний поверх — це енергетичний рівень, або енергетичний шар.

Енергетичний рівень об’єднує певну кількість орбіталей, що мають приблизно однакову енергію (мал. 9.1).

Мал. 9.1. Орбіталі з близькою енергією утворюють певний енергетичний рівень. Чим далі від ядра розміщений енергетичний рівень, тим більшу енергію мають електрони, що на ньому перебувають

Кожний енергетичний рівень позначають числом n (n = 1, 2, 3, ...) або великою латинською літерою (К, L, М і далі за алфавітом).

Для першого (найближчого до ядра) рівня n = 1 (рівень К), для другого n = 2 (рівень L), для третього n = 3 (рівень М) тощо. Шарувату будову електронної оболонки атомів можна зобразити так: окружністю позначене ядро, що має певний заряд, а дугами — енергетичні рівні:

Кожний рівень із номером n містить n² орбіталей

Енергетичні підрівні

Отже, перший енергетичний рівень складається з однієї орбіталі, другий — із чотирьох, третій — із дев’яти тощо.

У багатоповерховому будинку кожний поверх розділяють на різні квартири. Але наш будинок незвичайний. Кількість квартир на кожному поверсі дорівнює номеру поверху, тобто на першому поверсі одна квартира, на другому — дві тощо. Так само і в електронній оболонці кожний енергетичний рівень складається з енергетичних підрівнів.

Кількість енергетичних підрівнів на енергетичному рівні дорівнює номеру цього рівня

Енергетичні підрівні позначають так само, як і орбіталі.

Номер енергетичного рівня	Кількість підрівнів та їхній тип
n = 1	Один підрівень: s
n = 2	Два підрівні: s та р
n = 3	Три підрівні: s, р та d
n = 4	Чотири підрівні: s, р, d тa f

Зазвичай квартири в будинках розділяють на кімнати. У нашому випадку кімнати — це орбіталі.

Кожний енергетичний підрівень може містити лише певну кількість орбіталей, що відповідає його типу:

Тип підрівня	Кількість орбіталей на підрівні
s	1
p	3
d	5
f	7

Тож можна перелічити орбіталі, з яких складають енергетичні рівні та підрівні, у такий спосіб (для перших трьох рівнів):

Графічно орбіталь прийнято позначати квадратом. Отже, орбіталі перших чотирьох енергетичних рівнів будуть виглядати так:

Як ми бачимо, перший енергетичний рівень складається з одного s-підрівня, утвореного однією s-орбіталлю. Другий рівень складається з двох підрівнів (s та р), утворених однією s-орбіталлю і трьома p-орбіталями (усього чотири). Третій рівень складається з трьох підрівнів (s, р та d), утворених однією s-орбіталлю, трьома p-орбіталями і п’ятьма d-орбіталями (усього дев’ять). На четвертому рівні додається ще сім f-орбіталей, і загалом четвертий рівень складається з 16 орбіталей. Отже, загальна кількість орбіталей на рівні n дорівнює n².

Зверніть увагу, що нумерація енергетичних рівнів на графічному зображенні відбувається знизу вгору. У такий спосіб підкреслюють, що знизу вгору збільшується енергія енергетичних рівнів. Це означає, що перший енергетичний рівень є найближчим до ядра й найнижчим за енергією. Електрони, що на ньому перебувають, мають найменшу енергію. Чим вище розміщений енергетичний рівень, тим далі від ядра він перебуває й тим більшу енергію матимуть електрони.

Отже, електронні оболонки атомів мають досить складну, але чітку структуру з енергетичних рівнів, підрівнів та орбіталей. Як вони заповнюються електронами, ви дізнаєтеся в наступному параграфі.

• В атомі орбіталі розташовуються таким чином, що ядро атома збігається із центром кожної орбіталі. Якщо підрівень складається з декількох орбіталей, то вони розташовуються так, щоб бути максимально віддаленими одна від одної. Наприклад, три р-орбіталі будуть розміщені вздовж взаємно перпендикулярних осей із центром у ядрі атома.

• На графічному зображенні орбіталей електронної оболонки атомів на п'ятому енергетичному рівні необхідно додавати g-орбіталі, але в жодному хімічному елементі вони не заповнюються електронами, тому структуру енергетичних рівнів, починаючи із четвертого, зображують однаково такими, що складаються із чотирьох підрівнів.

Англійський фізик Чарльз Баркла, пропонуючи позначати енергетичні рівні буквами, спочатку використовував букви А, В, С і далі. Але потім припустив, що можуть існувати ще нижчі (глибші) енергетичні рівні, тому, щоб залишити букви алфавіту для нижчих рівнів, він почав позначення з букви К (потім L, М і далі). Згодом виявилося, що він відкрив найнижчі рівні, але інші букви присвоювати їм так і не стали. Позначення енергетичних підрівнів (s, р, d, f) жодним чином не пов'язано з формою орбіталей. Назви підрівням давали науковці, які вивчали випромінювання атомів із цих орбіталей. Вони назвали їх за формою смуг випромінювання: sharp — виразна, principal — головна, diffuse — розмита, дифузна, fundamental — основна. А коли відкрили наступний підрівень, його просто позначили наступною буквою після f, тобто g.

Висновки

Орбіталі утворюють енергетичні рівні. Кожний енергетичний рівень складається з енергетичних підрівнів, що, своєю чергою, складаються з певної кількості орбіталей.

Контрольні запитання

• 1. Що називають: а) енергетичним рівнем; б) енергетичним підрівнем?
• 2. Які енергетичні підрівні є на першому, другому та третьому енергетичних рівнях?
• 3. Зі скількох орбіталей складається кожен із відомих вам енергетичних підрівнів?

Завдання для засвоєння матеріалу

1. Зобразіть графічно структуру орбіталей в атомі для перших трьох енергетичних рівнів.

2. Як ви уявляєте просторове розташування однієї s-орбіталі та трьох р-орбіталей в атомі? Зобразіть це на малюнку, за початок координат прийміть центр атомного ядра.