§2.4. Будова електронних оболонок атомов

Електронна хмара, що оточує ядро має складну будову. Електрони можуть знаходитися всередині електронної хмари тільки в певних областях, які називають ЕНЕРГЕТИЧНИМИ (або електронними) РІВНЯМИ, ПІДРІВНЯМИ і ОРБІТАЛЯМИ.

Якщо електронну хмару атома порівняти з містом, де “живуть” всі електрони даного атома, то рівень можна порівняти з вулицею, підрівень – з будинком, а орбіталь – з квартирою для електронів. Кожний електрон в атомі має свою “адресу”, яка записується набором чотирьох квантових чисел, про які буде детально розказано в параграфі §2.5.

Отже, електронна хмара будь-якого атома складається з багатьох електронних рівнів. Електрон має подвійну (корпускулярно-хвильову) природу. Завдяки хвильовим властивостям електрони в атомі можуть мати тільки чітко визначені значення енергії, які залежать від відстані до ядра. Електрони, що мають близькі значення енергії утворюють енергетичний рівень. Він містить певне число електронів – максимально 2n² (n – номер енергетичного рівня). Енергетичні рівні підрозділяються на s-, p-, d- і f- підрівні; їх число дорівнює номеру рівня.

В хімічних реакціях ядра атомів залишаються без змін, змінюється лише будова електронних рівнів внаслідок перерозподілу електронів між атомами. Здатність атома віддавати або приєднувати електрони визначає його хімічні властивості.

Електрони “поселяються” ближче до ядра (в цьому випадку їх енергія менша), тому з багатьох енергетичних рівнів атома не всі заселені електронами. Рівні нумерують числами 1, 2, 3 ... n, починаючи з найнижчого, тобто найближчого до ядра рівня, як показано на рис. 2.3.

Рис. 2.3. Схематичне зображення електронних рівнів, підрівнів і орбіталей.

Чим далі від ядра знаходиться рівень, тим складнішу будову він має. Найближчий до ядра рівень № 1 (n = 1) – найпростіший, він має тільки один 1s-підрівень. Рівень № 2 (n = 2) складається вже з двох підрівнів. Вони відрізняються за енергією електронів, що знаходяться на них, і називаються: 2s-підрівень та 2p-підрівень. Третій рівень (n = 3), має вже три підрівні: 3s-, 3p- і 3d. На четвертому рівні (n = 4) до них додається ще і 4f-підрівень (рис. 2.3).

Підрівні, у свою чергу, складаються з орбіталей. На рис. 2.3 орбіталі позначені квадратиками. Кожна орбіталь – це ніби “квартира” (в “будинку”- підрівні) для одного або двох електронів. Так, наприклад, s-підрівень – це “будинок” з однієї “квартири” (містить тільки одну s-орбіталь). На p-підрівні містяться три p-орбіталі, на d-підрівні – п′ять d-орбіталей, на f-підрівні – сім f-орбіталей.

АТОМНА ОРБІТАЛЬ це простір навколо ядра атома в якому знаходження електрона є найбільш ймовірним.

Внаслідок дуже швидкого руху усередині орбіталі електрон займає її повністю і виглядає як хмара певної форми (куляста або витягнута, схожа на гантель) – залежно від виду орбіталі (рис. 2.4).

Рис. 2.4. Форма s-, p-, і d-орбіталей атома.

Існують орбіталі принаймні 4-х різних видів: s-орбіталі (сферичної форми), p-орбіталі (схожі на об'ємні вісімки), а також d-орбіталі (рис. 2.4) і f-орбіталі, форма яких також нагадує об'ємні вісімки в різних комбінаціях. Електрони, що знаходяться на s-, p-, d- і f-орбіталях дещо відрізняються один від одного по енергії.

Орбіталь, на якій знаходиться електрон позначають за допомогою цифри та букви. Цифра позначає енергетичний рівень, а буква – підрівень, тобто вид орбіталі на якому знаходиться електрон. Наприклад, позначення 1s – це s-підрівень, що знаходиться на першому (найближчому до ядра) енергетичному рівні. Цей підрівень складається з єдиної 1s-орбіталі. 2p - це p- підрівень, що знаходяться на 2-у електронному рівні. Такий 2p- підрівень складається вже з трьох однакових p_x-, p_y- і p_z-орбіталей.

Таким чином, електрони в атомах можуть знаходитися на різних рівнях, підрівнях і орбіталях. Залежно від підрівня їх називають s-, p-, d- і f-електронами. Елементи, у яких зовнішні (тобто найбільш віддалені від ядра) електрони знаходяться на s-підрівні, називають s-елементами. Так само визначають p-елементи, d-елементи і f-елементи.