Электронные оболочки атомов - таинственные сферы, скрывающие загадки строения вещества. Их изучение помогает постичь природу химических связей и предсказывать свойства неоткрытых элементов. Приоткроем завесу над этими сферами и заглянем в их тайны.
Двойственная природа электрона
Электрон обладает одновременно свойствами частицы и волны. Это открытие потрясло ученых в начале XX века и заставило по-новому взглянуть на природу микромира. Электрон может проявлять в одних опытах свойства частицы - иметь определенный заряд и массу, а в других - свойства волны, интерферировать и огибать препятствия. Такую двойственную природу имеют все микрочастицы, и для их описания пришлось разработать особую теорию - квантовую механику.
Согласно ей, нельзя точно определить одновременно координаты частицы и ее импульс. Чем точнее замерена координата, тем большая неопределенность возникает с импульсом и наоборот. Этот принцип неопределенности Гейзенберга лежит в основе понятия электронного облака.
Электронное облако - область пространства вокруг ядра атома, где наиболее вероятно нахождение электрона.
Так как одновременно точно знать координаты и импульс частицы нельзя, приходится оперировать лишь вероятностями ее местонахождения. Электронное облако и задает распределение таких вероятностей вокруг ядра. Сумма всех индивидуальных облаков отдельных электронов и создает электронную оболочку атома в целом.
Электронные орбитали
Для точного описания состояния электрона в атоме используется четыре квантовых числа. Первое из них - главное квантовое число n определяет энергетический уровень электрона. Чем больше n, тем дальше от ядра находится электрон и выше его энергия. Второе - орбитальное квантовое число l задает форму электронного облака. Различают орбитали с l = 0 (s-орбитали), l = 1 (p-орбитали), l = 2 (d-орбитали) и l = 3 (f-орбитали). Несколько орбиталей с близкими значениями энергии объединяются в электронные подуровни.
Третье магнитное квантовое число m определяет ориентацию орбитали в пространстве, а четвертое спиновое квантовое число s отвечает за направление вращения электрона. Согласно принципу Паули, в атоме не может быть двух электронов с одинаковым набором всех четырех квантовых чисел. Поэтому на каждом энергетическом подуровне не более 2, 6, 10 или 14 электронов для s-, p-, d- и f-орбиталей соответственно.
Заполнение орбиталей электронами происходит по правилу наименьшей энергии - сначала заполняются орбитали с наименьшей энергией, ближе всего расположенные к ядру. В пределах одного подуровня действует правило Хунда - сначала электроны занимают орбитали по одному, с параллельными спинами.
Так формируется электронная конфигурация атома - закономерное распределение электронов по орбиталям, соответствующее минимуму энергии основного состояния атома. Зная порядок заполнения орбиталей, можно для каждого химического элемента указать электронную формулу, например для железа:
1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d6
Однако в некоторых случаях возможны отклонения от правил заполнения при переходе атома в возбужденное состояние. Так, атом хрома имеет не характерную для 3d-металлов конфигурацию, а 3d5 4s1. Здесь происходит "прыжок" одного электрона с 4s- на 3d-подуровень, что энергетически более выгодно для атома.
Электронные слои атомов
Несколько энергетических уровней с близкими значениями главного квантового числа n объединяются в электронные слои, которые принято обозначать буквами: K, L, M и т.д. Электронные слои атома можно представить как сферические оболочки разного радиуса вокруг ядра.
Число этих оболочек равно номеру периода химического элемента в Периодической системе. Например, атом лития имеет 3 электронных слоя, а атом ксенона - 5. Число электронов в каждом слое строго ограничено - на первом их может быть не более 2, на втором - 8, на третьем - 18. Это определяется формулой: 2n2, где n - номер слоя.
Самый внешний незаполненный слой называют внешним электронным слоем атома. Именно электроны этого слоя определяют химические свойства элемента и его валентность при образовании соединений. У инертных газов внешний слой завершен, поэтому они наименее активны в реакциях.
Электронные слои в атоме могут изменять свою конфигурацию. При возбуждении или нагреве электроны переходят на более высокие энергетические уровни. Это временное явление, но оно объясняет увеличение валентности некоторых элементов в соединениях.
Периодическая система и электронные слои
Зависимость свойств химических элементов от строения электронных оболочек их атомов была выявлена еще Менделеевым при создании Периодической системы. Элементы в ней располагаются по возрастанию заряда ядра, что эквивалентно увеличению числа электронов в атоме.
Каждый период системы соответствует заполнению очередного электронного слоя. Например, в первом периоде идет последовательное заполнение первого K-слоя от водорода до гелия, во втором периоде заполняется второй L-слой и т.д.
Электронные семейства элементов
В зависимости от того, какой именно подуровень заполняется в атоме последним, все элементы делятся на s-, p-, d- и f-семейства. У s-элементов последний электрон добавляется на s-орбиталь предыдущего уровня и т.д. Такое деление помогает проследить закономерности изменения различных свойств в пределах малых групп Периодической системы.
Валентность и электронные слои
Понятие валентности тесно связано с заполнением электронных слоев атома. Валентность - это число ковалентных связей, которое элемент может образовать при взаимодействии с другими атомами. Как правило, валентность совпадает с числом электронов на внешнем слое.
Так, для элементов главных подгрупп, у которых внешний слой содержит 1-8 электронов, валентность равна номеру группы. Исключением являются атомы с незаполненными d- или f-подуровнями предыдущего уровня, проявляющие переменную валентность.
Предсказание свойств по электронному строению
Зная распределение электронов по орбиталям в атоме, можно предсказать ряд важных свойств химического элемента и его соединений - реакционную способность, окислительно-восстановительные характеристики, цвет и многое другое.
Это стало возможным благодаря квантовой теории и открытию закономерностей заполнения электронных оболочек. Теперь появилась возможность целенаправленно синтезировать вещества с нужными свойствами еще до их получения.
