Хімія. Повторне видання. 8 клас. Ярошенко

§ 7. Стан електронів в атомі. Електронні орбіталі. Енергетичні рівні

Опрацювавши матеріал параграфа, ви зможете:

• пояснити, в чому полягала недосконалість моделі атома Резерфорда;
• схарактеризувати стан електрона в атомі з погляду сучасної теорії будови атома;
• оперувати поняттями «атомна орбіталь» й «електронна хмара»;
• визначати кількість енергетичних рівнів в електронній оболонці атома.

Завдяки подальшим експериментальним дослідженням учені з’ясовували нові факти про будову атома, яких не можна було пояснити на основі планетарної моделі атома. Чергова загадка атома? Так, і цього разу вона стосується електронів.

НЕДОСКОНАЛІСТЬ ПЛАНЕТАРНОЇ МОДЕЛІ БУДОВИ АТОМА. Ви вже знаєте, що після встановлення складної будови атома Ернест Резерфорд запропонував планетарну модель атома (мал. 17, с. 39). Змоделюємо атом Нітрогену (мал. 19).

Мал. 19. Планетарна модель атома Нітрогену

Планетарна модель відіграла важливу роль у розвитку природознавства, була корисною для розв’язання тогочасних нагальних наукових питань, проте виявилася неточною. Вона не пояснювала стан електронів у атомному просторі, що дістав назву електронна оболонка атома. За цією моделлю електрони весь час обертаються навколо ядра, і тому мали би втрачати енергію та врешті-решт упасти на ядро, чого в дійсності не спостерігається. Це спонукало вчених до подальшої роботи над моделлю атома, зважаючи на нові результати досліджень електрона. А вони свідчили про те, що електрон має властивості не лише мікрочастинки, а й хвилі, тобто електрон має двоїсту природу. Отже, закони фізики, що стосуються великих тіл, не поширюються на електрони.

СУЧАСНА МОДЕЛЬ АТОМА (її ще називають орбітальною, або квантово-механічною). Ця модель зберігає уявлення про те, що в центрі атома перебуває позитивно заряджене ядро, математично описує рух електрона в атомі, дає наочне уявлення про будову електронної оболонки атома.

Модель ґрунтується на тому, що з урахуванням двоїстої природи електрона (як мікрочастинки і як хвилі) неможливо одночасно й абсолютно точно вказати місце його перебування в електронній оболонці. Іншими словами, рух електрона в атомі не можна описати певною траєкторією, а лише розглядати деякий об’єм простору, в якому найчастіше перебуває електрон. Імовірність перебування електрона в ядрі дорівнює нулю. У міру віддалення від ядра вона швидко зростає й на певній відстані від ядра досягає максимуму, після чого поступово зменшується.

ПОНЯТТЯ АТОМНОЇ ОРБІТАЛІ. Точно обмежити ділянку атомного простору й зазначити перебування електрона в ньому неможливо, тому, характеризуючи рух електрона в атомі, мають на увазі ділянку з найбільшою ймовірністю його розміщення в атомі. Для зазначення цієї ділянки введено поняття атомної орбіталі.

Атомна орбіталь — це геометричний образ, який відповідає об’єму простору навколо ядра, ймовірність перебування електрона в якому є досить високою (дорівнює 90-95 %).

Ознайомлення з атомними орбіталями розпочнемо з атома Гідрогену, що має найпростішу будову. Протонне число елемента вказує на те, що в електронній оболонці атома міститься лише один електрон. Атомна орбіталь єдиного його електрона має форму сфери з радіусом 0,053 нм. Більш наочне уявлення про цю орбіталь можна отримати на підставі такого уявного експерименту. Припустимо, що в якийсь проміжок часу вдалося сфотографувати положення електрона в атомі й одержати його зображення у вигляді крапки. Продовжуючи багаторазове фотографування без пауз між зніманням, отримаємо нові зображення (крапки) в різних частинах атомного простору. Після перенесення всіх одержаних зображень на одну фотографію складається картина, що нагадує кулю (мал. 20).

Мал. 20. Модель електронної хмари атома Гідрогену

Як зображено на малюнку, в одних місцях крапки розміщені густіше, що свідчить про більшу ймовірність перебування там електрона. В інших місцях крапок менше, отже, і ймовірність перебування електрона там менша. Одержане наочне зображення ймовірності перебування електрона в атомному просторі назвали електронною хмарою.

Електронна хмара — це наочне зображення атомної орбіталі.

Щойно ми розглянули електронну хмару сферичної форми. Електрони з такою формою електронної хмари називають s-електронами (вимовляється в однині ес-електрон). Наявність у назві літери s — це запозичення першої літери з англійської назви сфери.

Мал. 21. Схематичне зображення s- і р-електронних хмар

Є атомні орбіталі з іншими формами електронних хмар, зокрема, подібні до гантелі чи об’ємної вісімки (мал. 21). Електрони з такою формою електронної хмари дістали назву р-електронів (вимовляється в однині пе-електрон). Вони більшу частину часу перебувають по обидва боки від ядра (зверніть увагу, що в місці звуження «гантелі» є позначення ядра у вигляді крапки). Просторове розташування р-орбіталей показано на малюнку 22.

Мал. 22. Можлива орієнтація р-орбіталей у просторі

Як видно з малюнка, три р-електронні орбіталі розташовані у взаємно перпендикулярних площинах. Назва р-орбіталь походить від англійського слова «перпендикуляр».

Є також d-електронні хмари та f-електронні хмари зі складнішою конфігурацією, ніж розглянуті.

На одній атомній орбіталі будь-якої конфігурації може перебувати не більше двох електронів.

ЕНЕРГЕТИЧНІ РІВНІ. Електрони, будучи зарядженими частинками, наділені певним запасом енергії. Описуючи будову електронної оболонки атома, електрони з однаковим чи приблизно однаковим запасом енергії об’єднують в один енергетичний рівень, або електронний шар. Існує 7 енергетичних рівнів. Їх позначають арабськими цифрами від 1 до 7 або великими літерами латинського алфавіту: К, L, Μ, N, О, Р, Q. Зверніть увагу на те, що періодів у періодичній системі хімічних елементів також сім. Цей збіг невипадковий.

Кількість енергетичних рівнів в електронній оболонці атома кожного елемента дорівнює номеру періоду, в якому розміщений хімічний елемент.

Найближчий до ядра енергетичний рівень називають внутрішнім, а найбільш віддалений — зовнішнім.

Попрацюйте групами

Застосуйте здобуті знання для відповіді на запитання:

1. Скільки енергетичних рівнів в електронній оболонці атомів:

• а) Сульфуру;
• б) Натрію?

2. Однакова чи різна кількість енергетичних рівнів в атомах елементів із протонними числами 7 і 15?

Розгляньте модель електронної оболонки атома Натрію (мал. 23) та з’ясуйте:

• а) який енергетичний рівень містить найбільше електронів;
• б) скільки електронів міститься на внутрішньому, а скільки — на зовнішньому енергетичному рівнях електронної оболонки його атома.

На підставі одержаних результатів зробіть висновок, однакову чи різну кількість енергетичних рівнів мають елементи одного періоду.

Мал. 23. Схематична модель атома Натрію

Що ближче до ядра розміщений енергетичний рівень, то меншим запасом енергії наділені його електрони. Тобто електрони другого рівня характеризуються меншим запасом енергії, ніж третього. Запас енергії в електрона із четвертого енергетичного рівня більший, ніж в електрона, що перебуває на третьому рівні.

Отримавши додатковий запас енергії, електрони здатні перейти на вищий енергетичний рівень. Про атом, у якому це відбулося, говорять, що він набув збудженого стану. Рухаючись у межах свого стійкого енергетичного рівня, електрон не виділяє і не поглинає енергії.

Відтепер ви знаєте відповіді на питання: чому не існує траєкторії руху електрона; чому електрон не падає на ядро, а атом є стійкою найменшою хімічно неподільною частинкою речовини? Ці знання покладено в основу сучасної теорії будови атома.

Стисло про основне

• Електрон має двоїсту природу — мікрочастинки та хвилі. Тому його рух в атомі не підлягає закономірностям руху звичайних тіл.

• Орбіталь — це об’єм атомного простору, в якому ймовірність перебування електрона становить 90 і більше відсотків. На одній орбіталі може перебувати не більше двох електронів.

• Наочним зображенням атомних орбіталей є електронні хмари. За формою електронних хмар розрізняють s-, р-, d-, f-орбіталі; s-орбіталь має сферичну форму, р-орбіталь — гантелеподібну.

• Електрони з однаковим чи приблизно однаковим запасом енергії утворюють один енергетичний рівень, або електронний шар. Їхня кількість в електронній оболонці атома дорівнює номеру періоду, в якому розміщено елемент.

• Назва орбіталі визначає назву електрона. Розрізняють s-електрони, р-електрони, d-електрони та f-електрони.

• Найвіддаленіший від ядра енергетичний рівень називають зовнішнім, його електрони мають найбільший запас енергії.

Знаємо, розуміємо

1. У чому виявилась недосконалість планетарної моделі атома порівняно із сучасною квантово-механічною?

2. Поясніть, якими є сучасні погляди на стан електрона в атомі.

3. Дайте визначення:

• а) атомної орбіталі;
• б) електронної хмари;
• в) енергетичного рівня.

4. Яку форму електронної хмари мають s- і р-електрони?

5. Однаковим чи різним запасом енергії наділені електрони:

• а) одного енергетичного рівня;
• б) різних енергетичних рівнів?

6. Що означає збуджений стан атома? Як його досягають?

7. Як ви розумієте вислів: «Електрон так само невичерпний, як і атом»?

Застосовуємо

23. Розмістіть елементи за ЗБІЛЬШЕННЯМ кількості енергетичних рівнів в електронній оболонці атома.

А Літій

Б Калій

В Гелій

Г Магній

24. Увідповідніть назви хімічних елементів і кількість енергетичних рівнів в електронних оболонках їхніх атомів.

Назва хімічного елемента		Кількість енергетичних рівнів
1	Ферум	А	1
2	Алюміній	Б	2
3	Карбон	В	3
4	Гідроген	Г	4
		Д	5