Хімія. Повторне видання. 8 клас. Попель

§ 5. Сучасна модель атома

Матеріал параграфа допоможе вам:

  • зрозуміти, що таке орбіталь, енергетичний рівень і підрівень;
  • з’ясувати форми і розміщення орбіталей у просторі;
  • визначати максимальну кількість електронів на енергетичному рівні та підрівні.

Електронні орбіталі. Результати досліджень електронів, здійснених у 20-ті роки ХХ ст., свідчили про те, що ці частинки відрізняються від звичайних фізичних тіл. Точно визначити траєкторію руху електрона або його координати в будь-який момент у просторі неможливо; він може перебувати будь-де в атомі (мал. 11).

Мал. 11. «Місця перебування» електрона в атомі Гідрогену

Частину простору в атомі, де перебування електрона найбільш імовірне, називають орбіталлю.

Орбіталь із електроном схожа на мікроскопічну хмару (існує термін «електронна хмара»). У ній розподілені маса і заряд електрона.

Орбіталі різняться за формою1. Найпростіша серед них — сферична (мал. 12), тобто форма кулі (в її центрі розміщене ядро атома). Таку орбіталь позначають літерою s, а електрон у ній називають s-електроном. Другий різновид форми — гантелеподібна (мал. 13).

1 Форми орбіталей визначено за допомогою розрахунків.

Мал. 12. Сферична орбіталь (s-орбіталь)

Мал. 13. Гантелеподібні орбіталі (р-орбіталі): а, б, в — р-орбіталі з різною орієнтацією в просторі; г — три р-орбіталі в одному атомі

Її має р-орбіталь. Такі орбіталі розміщені в просторі вздовж осей х, у, z; тому їх ще називають px-, py-, pz-орбіталями. У них перебувають р-електрони. Існують ще d - і f-орбіталі, які мають складніші форми.

У кожній орбіталі може перебувати один або два електрони. Ці два електрони різняться між собою за ознакою, яку називають спіном1 і спрощено інтерпретують як обертання електрона навколо власної осі. Один з електронів обертається навколо осі за годинниковою стрілкою, другий — проти неї, тобто має протилежний спін (мал. 14). Електрони із різними спінами позначають в орбіталі протилежно спрямованими стрілками: ⇅.

1 Термін походить від англійського слова spin — обертатися.

Мал. 14. Електрони з різними спінами

Орбіталь, у якій містяться два електрони, є заповненою. Якщо в орбіталі перебуває один електрон, його називають неспареним, а якщо їх два — спареними.

Енергетичні рівні. Найважливішою характеристикою електрона, яку можна визначити досить точно, є його енергія. Електрони, що займають в атомі одну чи кілька орбіталей однакової форми і розміру, мають однакову енергію.

Чим компактніша орбіталь і чим ближче до ядра перебуває електрон, тим його енергія менша.

Сучасна модель атома враховує енергію електронів. У цій моделі електрони розподіляють за так званими енергетичними рівнями (схема 2). Кожний енергетичний рівень заповнюють електрони з однаковою чи дуже близькою енергією. Електрони першого рівня мають найменшу енергію; вони перебувають найближче до ядра атома. Другий рівень займають електрони з вищою енергією, третій — зі ще вищою і т. д.

Схема 2

Енергетичні рівні

Замість терміна «енергетичний рівень» нерідко використовують інший — «електронна оболонка».

Енергетичні рівні складаються з підрівнів, причому номер рівня вказує на кількість підрівнів. Так, перший рівень має один підрівень, другий — два, третій — три, четвертий — чотири і т. д. (схема 2).

Розподіл електронів за енергетичними рівнями. Кожний енергетичний рівень містить обмежену кількість електронів. Їхню максимальну кількість визначають за формулою

Nmax(e-) = 2n2,

де n — номер рівня.

На першому енергетичному рівні може перебувати не більше 2 • 12 = 2 електронів. Вони розміщуються в одній орбіталі (сферичній), є s-електронами, мають однакову енергію, але різняться своїми спінами.

Заповнення електронами першого енергетичного рівня проілюструємо так званими електронними формулами (мал. 15) та їхніми графічними варіантами:

Мал. 15. Електронна формула

Другий енергетичний рівень може вмістити максимум 2 • 22 = 8 електронів. Два з них займають одну s-орбіталь, але більшого об’єму, ніж та, що належить першому рівню. Вони також мають протилежні спіни. Решта (шість) електронів другого рівня є р-електронами. Оскільки в кожній орбіталі може перебувати не більше двох електронів, то р-орбіталей повинно бути 6 : 2 = 3. Це орбіталі одного енергетичного рівня; вони мають однаковий об’єм і розміщені вздовж осей координат (мал. 13).

Електронна формула заповненого другого енергетичного рівня —

2s22p6.

Сферична орбіталь для електрона вигідніша за гантелеподібну. Тому s-електрони другого енергетичного рівня мають трохи нижчу енергію, ніж р-електрони. Це можна показати у графічному варіанті електронної формули, розмістивши р-орбіталі вище за s-орбіталь:

Отже, другий енергетичний рівень складається з двох підрівнів. Їх позначають так само, як і відповідні електрони: 2s-підрівень, 2р-підрівень (схема 2).

Третій енергетичний рівень вміщує не більше 2 • 32 = 18 електронів. На ньому є три підрівні — 3s, 3р і 3d. Якщо на s-підрівні може бути не більше двох електронів, на р-підрівні — не більше шести, то максимальна кількість електронів на d-підрівні становить десять (18 - 2 - 6 = 10). Це — d-електрони; вони займають п’ять орбіталей.

Цікаво знати

Електрони починають надходити у 3d-орбіталі після заповнення 4s-орбіталі.

• Запишіть електронну формулу та її графічний варіант для третього енергетичного рівня, повністю заповненого електронами.

Сучасна модель атома дає змогу відтворити його електронну будову, оцінити здатність атома втрачати чи приєднувати електрони, можливості атома сполучатися з іншими атомами. Усе це зумовлює хімічні властивості простих і складних речовин.

ВИСНОВКИ

Частину простору в атомі, де перебування електрона найімовірніше, називають орбіталлю. Орбіталі мають кілька форм. У сферичній орбіталі містяться s-електрони, а в гантелеподібній — р-електрони. Орбіталь може містити один або два електрони.

Властивість електрона, яка нагадує обертання навколо власної осі, називають спіном.

У сучасній моделі атома електрони розподіляють за енергетичними рівнями та підрівнями. Кожний рівень і підрівень вміщує обмежену кількість електронів.

29. Що таке орбіталь? Які форми мають s- і р-орбіталі? Порівняйте за змістом термін «орбіталь» і слово «орбіта».

30. Як розміщені у просторі р-орбіталі одного атома? Чому в позначенні s-орбіталі немає індексу (наприклад, sx)?

31. Установіть відповідність:

  • а) заповнена орбіталь;
  • б) спарені електрони;
  • в) електрони з протилежними спінами;
  • г) неспарений електрон;
  • д) порожня (вакантна) орбіталь.

32. Назвіть характеристики, за якими один електрон може відрізнятися від іншого чи бути подібним до нього.

33. Енергія якої частинки менша: s-електрона на 1-му енергетичному рівні чи р-електрона на 2-му енергетичному рівні? Відповідь поясніть.

34. Чи завжди енергія електрона 3-го енергетичного рівня більша, ніж електрона 2-го рівня? Чи зміниться відповідь, якщо порівнювати енергію електрона 4-го рівня і електрона 3-го рівня? Використайте схему 2.

35. Який запис, на вашу думку, дає більше інформації про електрони, що містяться в атомі — електронна формула чи її графічний варіант? Чому?

36. Серед указаних підрівнів назвіть ті, які в атомі неможливі: 6p, 2d, 1p, 5s.

ГДЗ до підручника можна знайти тут.