Хімія. Повторне видання (2025). 8 клас. Попель

§ 28. Електрон. Атомні орбіталі. Енергія електронів в атомі

Мікросвіт — це світ атомів та інших найменших частинок, які містяться в речовинах, а також виділяються під час розпаду радіонуклідів. Результати досліджень електронів, здійснених у 20-ті роки XX ст., свідчили про те, що ці частинки відрізняються від фізичних тіл — об’єктів макросвіту. Науковцям/науковицям довелося знову змінювати підходи до вивчення атомів і їхньої будови.

Дізнаєтеся, зрозумієте, використаєте

Чому планетарна модель атома потребувала коригування?
Однакову чи різну енергію мають електрони в атомі?
Який запис називають електронною формулою атома?

Особлива природа електрона. Атомні орбіталі. Електрон має електричний заряд, масу, енергію, а потік електронів, що виділяються з радіоактивної речовини, подібний за своїми характеристиками до світлових променів. Визначити траєкторію руху електрона, його координати у просторі неможливо. Він може перебувати в атомі будь-де з різною ймовірністю (мал. 73).

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

Мал. 73. Місця перебування електрона в атомі Гідрогена

Орбіталь з електроном подібна до мікроскопічної хмари (іноді використовують термін «електронна хмара»), у якій розподілений негативний заряд частинки.

Орбіталі різняться своєю формою¹. Найпростіша серед них — сферична форма (мал. 74); у центрі такої орбіталі розміщене ядро атома. Цю орбіталь позначають літерою s. Другий різновид форми — гантелеподібна (мал. 75). Її має р-орбіталь. Такі орбіталі зорієнтовані в атомі перпендикулярно одна до одної вздовж осей координат х (позначення — р_х-орбіталь), у (p_y-орбіталь) і z (р_z-орбіталь). Є ще d-і f-орбіталі складніших форм.

¹ Форми орбіталей визначено за допомогою обчислень.

Мал. 74. Сферична орбіталь (s-орбіталь)

Мал. 75. Гантелеподібні орбіталі (р-орбіталі): а, б, в — р-орбіталі з різною орієнтацією в просторі; г — три р-орбіталі в одному атомі

Обговорюймо

Чим орбіталь відрізняється від орбіти?

¹Цю властивість електрона пояснюють засобами квантової фізики.

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

Енергія електронів в атомі. Найважливішою характеристикою електрона, яку можна визначити майже точно, є його енергія. Електрони розподіляються в атомі так, щоб їхня енергія була найменшою. Це — принцип «мінімальної енергії»; він визначає електронну будову атомів.

Що компактніша орбіталь і що ближче до ядра атома перебуває електрон, то менша його енергія.

Крім відомих вам моделей атома, є ще й інша модель. У ній електрони розподілені за енергетичними рівнями² (схема 4). На кожному енергетичному рівні перебувають електрони з однаковою чи майже однаковою енергією. Електрони першого рівня мають найменшу енергію, другий рівень займають електрони з більшою енергією, третій — зі ще більшою і т. д. Аналогічною моделлю можна проілюструвати однакові й різні потенціальні енергії таких фізичних тіл, як книжки, що зберігаються на полицях у шафі (мал. 76).

² Замість терміна «енергетичний рівень» іноді використовують інший — «електронна оболонка».

Схема 4

Енергетичні рівні

Мал. 76. Книжкова шафа

Енергетичні рівні складаються з підрівнів; номер рівня вказує на кількість підрівнів. Так, перший рівень має один підрівень, другий — два, третій — три і т. д. (схема 4).

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

N_m_ах(e^-) = 2n²,

де n — номер рівня.

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

Заповнення електронами першого енергетичного рівня проілюструємо електронними формулами (мал. 77) та їхніми графічними варіантами:

Мал. 77. Електронна формула атома

Думаймо

Атом якого хімічного елемента має електронну формулу, наведену на малюнку 77?

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. Ці електрони мають різні спіни. Решта (шість) електронів другого рівня перебуває в р-орбіталях. Оскільки кожна орбіталь може містити не більше двох електронів, то кількість р-орбіталей — 6 : 2 = 3. Це орбіталі одного енергетичного рівня; вони мають однаковий об’єм і розміщені вздовж осей координат (мал. 75).

Електронна формула заповненого другого енергетичного рівня —

2s²2p⁶.

Сферична орбіталь для електрона вигідніша за гантелеподібну. Тому електрони в s-орбіталі другого енергетичного рівня мають трохи меншу енергію, ніж у р-орбіталях. Покажемо це в графічному варіанті електронної формули, розмістивши позначення р-орбіталей вище, ніж s-орбіталі:

Отже, другий енергетичний рівень складається з двох підрівнів. Їх позначають так само, як і відповідні орбіталі: 2s-підрівень, 2р-підрівень (схема 4).

Третій енергетичний рівень вміщує не більше 2 • 3² = 18 електронів і має три підрівні — 3s, 3р і 3d.

Думаймо

1. Яка максимальна кількість електронів може перебувати на 3s-підрівні, 3р-підрівні, 3d-підрівні?

2. Скільки d-орбіталей належить третьому енергетичному рівню?

Виконаймо вправу

Запишіть електронну формулу третього енергетичного рівня, цілком заповненого електронами, а також зобразіть її графічний варіант.

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

ВИОКРЕМЛЮЄМО ОСНОВНЕ

Проаналізувавши матеріал, викладений у параграфі, запишіть у зошиті висновки про електрон, енергію електронів та їх розміщення в атомах.

Думаймо

Сформулюйте цікаве запитання за темою параграфа і поставте його своїм однокласникам/однокласницям. Порівняйте свою і їхні відповіді та оцініть їх. Поясніть, чому ваша оцінка саме така.

ВАШІ ДОСЯГНЕННЯ І ВІДКРИТТЯ

Перевірмо себе

1. Чим електрон відрізняється від фізичного тіла?

2. Яку частину атома називають орбіталлю? Охарактеризуйте форми s- і р-орбіталей та їх розміщення в атомі.

3. Узгодьте кожне позначення з його змістом: