Справочники / Врублевский А.И. Химия. Теоретический курс для подготовки к ЕГЭ

Электронное облако

Атомная орбиталь

Рис. 2.2. К определению понятий «электронное облако» и «атомная электронная орбиталь»

на примере атома водорода

Наглядно электронное облако можно представить в виде совокупности большого числа точек, каждая из которых отве­ чает положению электрона в атоме в некоторый момент вре­ мени: чем больше густота точек, тем выше вероятность обна­ ружения электрона (рис. 2.2), т. е. тем больше электронная плотность в данной области околоядерного пространства.

2.5. АТОМНЫЕ ЭЛЕКТРОННЫЕ ОРБИТАЛИ

АО имеют различную форму, размеры, энергию и ориен­ тацию в пространстве, а соответственно, и различное обозна­ чение (рис. 2.3).

Ру

р-АО

Рис. 2.3. Форма атомных электронных s-, р- и d-орбиталей

Графически орбитали изображают в виде клетки (□), круж­ ка (О) или черточки (—), а электроны — стрелкой, направ­

ленной либо вверх Т, либо вниз Ф. Стрелка отображает спин

электрона, т. е., грубо говоря, направление его вращения вокруг собственной оси (по часовой стрелке Т и против нее Ф).

АО, на которой отсутствуют электроны, называется сво­

бодной (вакантной, незанятой).

На одной АО может находиться не более двух электронов. АО, на которой расположен один электрон, называется напо­

ловину занятой, а электрон на ней — неспаренным.

АО, на которой находятся два электрона, называется заня­

той, а электроны на ней — спаренными. Если спаренные электроны являются валентными (с. 83), но не вовлекаются в образование химической связи, то их называют неподеленной парой электронов. Существенно, что для двух электронов на одной и той же АО спины должны быть противоположно направленными (антипараллельными). Различные случаи засе­ ления АО электронами показаны на рис. 2.4.

Рис. 2.4. Случаи заполнения АО электронами:

а— вакантная АО; б — наполовину занятая АО;

в— заполненная АО

Размер орбитали зависит от энергии электрона: чем боль­ ше энергия электрона (т. е. чем дальше от ядра он находится), тем больше размеры АО. Энергия связи электрона с ядром, напротив, тем больше, чем ближе к ядру он находится. Суще­ ственно, что электронная плотность с ростом размеров АО уменьшается, поэтому более прочные химические связи обра­ зуются с участием АО, расположенных ближе к ядру.

2.6. ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ УРОВНИ И ПОДУРОВНИ

Наиболее важной характеристикой состояния электрона в атоме является энергия электрона, которая, согласно законам квантовой механики, изменяется не непрерывно, а скачкообраз­

Таким образом, первый энергетический уровень (рис. 2.5) состоит из одного подуровня (15), второй — из двух (25 и 2р), третий — из трех (35, Ър и 3J), четвертый из четырех (45, 4р, 4J и 4/) и т. д. Каждый подуровень содержит определенное число АО:

Е А

-I———L 2р I л = 2

2s (второй слой)

п = 1 (первый слой)

Рис. 2.5. Схема энергетических уровней и подуровней для первых трех электронных слоев

1.АО 5-типа имеются на всех энергетических уровнях, /2-типа появляются начиная со второго энергети­ ческого уровня, <7-типа — с третьего, /-типа — с четвертого и т. д.

2.На данном энергетическом уровне может быть од­ на 5-, три р-, пять d-, семь /орбиталей.

3.Чем больше главное квантовое число, тем больше размеры АО.

Поскольку на одной АО не может находиться более двух электронов, общее (максимальное) число электронов на данном энергетическом уровне в 2 раза больше числа АО и равно:

Таким образом, на данном энергетическом уровне макси­ мально может быть 2 электрона 5-типа, 6 электронов р-типа и 10 электронов d-типа. Всего же на первом энергетическом уровне максимальное число электронов равно 2, на втором — 8 (2 5-типа и 6 /j-типа), на третьем — 18 (2 5-типа, 6 р-типа и 10 d-типа). Эти выводы обобщены в табл. 2.2.

Таблица 2.2

Связь между главным квантовым числом, числом энергетических подуровней, орбиталей и электронов

2.7. РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ЭЛЕКТРОНОВ В АТОМЕ

Состояние электронов в атоме указывают, используя опре­ деленную форму записи. Например, для атома гелия имеем:

Природа энергетического подуровня

Распределение электронов в атоме указывают с помощью:

а) электронных схем, в которых отмечено только число электронов на каждом слое. Например: Mg 2е, 8е, 2е; С1 2е,

8е, 2е.

Часто употребляют графические электронные схемы, как, например, для атома хлора:

Заряд ядра

Электронные

слои

б) электронных конфигураций', в этом случае показаны номер слоя (уровня), природа подуровней и число электронов на них. Например: Mg 1522522/?6352;

в) электронно-графических схем, на которых орбитали изображают, например, в виде клетки, а электроны — стрел­ ками (рис. 2.6).

Е А

П 35

. ITf-UlnlUl

I ф

Рис. 2.6. Электронно-графическая схема для атома магния

Кроме полных формул электронных конфигураций, широ­ ко используются сокращенные. В этом случае часть электрон­ ной конфигурации, соответствующая благородному газу, ука­ зывается символом благородного газа в квадратных скобках.

Например: 12Mg [Ne]3s2, 19К [Ar]4.s'.

Существуют определенные принципы и правила заполнения электронами энергетических уровней и подуровней:

1. Принцип минимума полной энергии атома, согласно которому заселение электронами АО происходит так, чтобы

Ем

п= 4

4р

4р

п = 2

2s

2s

п = 1

15

Рис. 2.8. Диаграмма энергетических подуровней атомов элементов с Z- 1 - 20 (a), Z > 21 (б)

Отметим, что в формулах электронных конфигураций при­ нято записывать сначала все электроны с меньшим значением п, а затем переходить к указанию электронов с более высоким значением главного квантового числа. Поэтому порядок запол-