Квантово-механічний опис будови електронних оболонок атомів

У 20-х роках ХХ століття завдяки роботам вчених де Бройля, Шредінгера, Гейзенберга та інших вчених були розроблені основи хвильової теорії про двоїсту корпускулярно-хвильову природу світлового випромінювання. Як зазначалось, А. Ейнштейн довів, що випромінювання є потоком неподільних матеріальних "частинок" (фотонів), енергія яких визначається рівнянням Планка.

З рівняння Планка (Е = h×n) і Ейнштейна (Е = m×c²) випливає, що h×n = m×c², враховуючи, що і швидкість руху фотона v дорівнює швидкості світла с, дістанемо основне рівняння хвильової механіки – рівняння де Бройля:

З цього рівняння випливає, що частинці з масою m, яка рухається із швидкістю v, відповідає хвиля з довжиною l. Це рівняння можна використати для характеристики руху не лише фотона, а й інших матеріальних мікрочастинок: електрона, нейтрона, протона.

Таким чином, у законах руху електрона виявляється єдність двох якісно відмінних форм існування матерії: речовини і поля (дуалізм руху електрона).

Отже, с точки зору хвильової теорії електрон одночасно є і частинкою, і хвилею. У 1925 р. В. Гейзенберг запропонував принцип невизначеності, згідно з яким не можна одночасно встановити точне місце перебування електрона у просторі і його швидкість, або імпульс. Нове уявлення про електрон примусило відмовитись від прийнятої раніше моделі атома, в якій електрон рухається по певних колових орбіталях. Електрон може перебувати у будь-якій частині простору, який оточує ядро атома, однак ймовірність його перебування в тій чи іншій його частині неоднакова.

Як модель стану електрона в атомі у квантовій (хвильової) механіці прийнято уявлення про електронну хмару, густина відповідних ділянок якої пропорційна ймовірності перебування там електрона. Електрон ніби "розмазаний" навколо ядра по сфері, віддаленій від ядра на певну відстань.

Простір навколо ядра, в якому найімовірніше перебування електрона, називається орбіталлю.

Отже, замість борівських орбіталей, ядро атома оточене електронними хмарами. Основні характеристики, які визначають рух електрона навколо ядра, - це його енергія і просторові особливості відповідної йому орбіталі.

Стан електронів в атомі описується за допомогою чотирьох квантових чисел: головного (визначає енергетичний рівень, на якому знаходиться електрон), орбітальне (визначає форму електронної орбіталі), магнітне (визначає орієнтацію електронної орбіталі у просторі), спінове (характеризує власний рух електрона навколо своєї осі).

Молекулярний рівень будови речовини

Молекула – це найменша частинка складної речовини, яка зберігає її властивості. Утворення молекул з атомів відбувається за рахунок виникнення хімічних зв’язків між атомами.

За допомогою атомних моделей стало можливим пояснити й передбачити утворення хімічних зв’язків. Саме причиною утворення хімічного зв’язку є взаємодія електронів зовнішніх електронних орбіталей. Ці електрони дістали назву валентних електронів, а орбіталі, на яких перебувають електрони, - валентних орбіталей. Хоча внутрішні електрони не беруть безпосередньої участі в утворенні хімічних зв’язків, вони впливають на міцність і характер хімічного зв’язку. Зв'язок між атомами виникає тому, що енергія двох атомів, зв’язаних між собою хімічним зв’язком, менша, ніж енергія кожного з цих атомів окремо. Отже, при утворенні зв’язку відбувається зниження електронної енергії, порівняно з сумою потенціальної і кінетичної енергій взаємодіючих атомів.

Тепер встановлено існування таких типів хімічного зв’язку: ковалентний, іонний, водневий та металевий, коротка характеристика яких представлена нижче:

Хімічний зв’язок визначає будову молекул, кристалів, а отже і комплекс фізичних і хімічних властивостей речовин і тіл. За природою частинок, що утворюють кристал і за типом зв’язку між ними відрізняють чотири основних типи кристалічних решіток: атомну, іонну, металічну і молекулярну. Взаємозв’язок між типом хімічного зв’язку, типом кристалічної гратки та властивостями сполук представлений нижче у формі таблиці: