Будова електронної оболонки атома

Під час хімічних реакцій змінюється будова лише зовнішніх електронних шарів атома. Тому хімічні властивості елементів обумовлені особливістю будови електронної оболонки. Поняття орбіта руху електрона замінили на орбіталь руху.

Орбіталь – це об’єм простору, в якому зосереджено біля 95 % ймовірності перебування електрона в атомі.

Вирішення основного рівняння квантової механіки (Е. Шредінгер) для атома Гідрогену дало можливість визначити безрозмірні параметри, за допомогою яких була розрахована енергія електрона в атомі та характер його руху. Знайдені параметри називаються квантовими числами. Для кожного електрона атома існує чотири квантових числа.

Отже з позицій сучасної науки структура електронної оболонки спрощено може бути зображена так:

1. Електронна оболонка атома складається з електронних шарів (електрони в шарі мають майже однакове значення енергії, однакове значення головного квантового числа – n).

2. Електронні шари складаються з підшарів (вони мають однакове значення орбітального квантового числа – l).

3. Підшари складаються з певної кількості орбіталей (їх кількість співпадає із кількістю значень магнітного квантового числа – m).

4. В кожній орбіталі може рухатись один або два електрони (їм відповідає значення спінового квантового числа – m_s).

Фізичний зміст квантових чисел

1. Головне квантове число позначається – n, має значення 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7…

У реально існуючих атомів у незбудженому стані n може мати значення від 1 до 7. При дії на атом сильного йонізуючого поля електрон відривається від атома, значення n прагне до нескінченності.

Значення n визначає більшу частину енергії електрона – чим більше n, тим більше власна енергія електрона та більш слабко він взаємодіє з ядром.

Загальне значення (Е_заг.) енергії всех електронів в одному атомі однакове. Але в той же час всі електрони по різному взаємодіють з ядром і по різному розташовані в електронній оболонці. Загальну енергію електрона можна уявити як суму енергії взаємодії з ядром (Е_вз.) та власної енергії електрону (Е_власн.):

Е_заг. = Е_вз. + Е_власн.

Чим ближче до ядра електрон, тим більше Е_вз. і менше Е_власн..

Значення n визначає собою розміри орбіталі – чим більше n, тим більше радіус орбіталей.

Електрони з однаковим значенням n мають майже однакову енергію і утворюють електронний шар. Якщо n = 1, це перший від ядра електронний шар, при n = 3, третій та ін.

За цифровим значенням n можна обрахувати максимально можливу кількість електронів у певному електронному шарі за формулою: N = 2n².

В періодичній системі головне квантове число означає собою номер періоду, у елементів якого починає заповнюватись відповідний електронний шар. Тобто у елементів першого періоду починає формуватись перший електронний шар, у елементів третього періоду – третій та ін. Лише у елементів першого та другого періодів закінчується добудова першого та другого електронних шарів на протязі періоду.

2. Орбітальне квантове число (його ще називають побічним або азимутальним) характеризує кількість та природу електронних підшарів, з яких складаються електронні шари. Це число позначається l, кількість його значень l =1, 2, 3…(n – 1). Кожному цифровому позначенню l відповідає літерне. Отже, можна сказати, що маємо електрон на підрівні, у якого l =1, або електрон s-підрівня:

0 1 2 3

l

s р d f

Кількість значень побічного квантового числа завжди дорівнює номеру електронного шару (рівня). Це означає, що перший електронний шар складається з одного підшару (s), другий шар має два підшари, третій – три підшари тощо.

3. Магнітне квантове число визначає орієнтацію орбіталей у просторі, позначається m. Кількість значень магнітного числа дорівнює m = -l…0…+l

Кожному значенню магнітного квантового числа відповідає одна орбіталь.

4.Спінове квантове число m_s – характеризує особливості руху електрону в орбіталі. Воно має лише два значення +1/2 та -1/2.

Таким чином, стан електрону в атомі будь-якого хімічного елемента може бути описаний за допомогою чотирьох квантових чисел (табл. 1.1).

Таблиця 1.1 – Головне квантове число, типи та число орбіталей, а також максимальне число електронів на підрівнях та рівнях

Енерге-тичний рівень n	Число підрівней, що дорівнює n	Орбіталі	Число орбіталей		Максимальна кількість електронів
			на під- рівні	на рівні, що дорівнює n2	на під- рівні	на рівні
K (n = 1)	1	1s	1	1	2	2
L (n = 2)	2	2s 2p	1 3	4	2 6	8
M (n = 3)	3	3s 3p 3d	1 3 5	9	2 6 10	18
N (n = 4)	4	4s 4p 4d 4f	1 3 5 7	16	2 6 10 14	32

У реально існуючих атомів повністю заповненими можуть бути лише чотири електронних шари. Всі останні є недобудованими.

Електронні формули – це запис структури електронної оболонки за допомогою квантових чисел. Наприклад, для електронна формула 1s²2s²2p⁶3s¹.

З електронних формул видно, що всі елементи можна поділити на певні групи, їх назвають електронними родинами, Отже за ознакою розміщення останнього електрона на певному підшарі всі елементи розділяють на s-, р-, d-, f-електронні родини. Елементи певних родин мають подібну структуру

електронних оболонок, а також повну аналогію будови валентних електронних шарів.

У s- та р-електронних родин валентним є зовнішній електронний шар, а у d- та f-родин валентними є електрони зовнішнього та частково другого ззовні електронних шарів.