Состояние электронов в атоме

Электронное строение атома и энергия электронов

Электронное строение атома определяется энергией электронов, а также вероятностью их нахождения в каждой точке пространства вблизи ядра. Поведение электронов в атоме описывается с помощью квантовой механики, главный постулат которой – все микрочастицы имеют волновую природу, а волны – свойства частиц (корпускулярно – волновой дуализм).

Масса (m) любой частицы и ее скорость (v) связаны с длиной волны (λ) уравнением де Бройля:

λ=h / m × v,

где h – постоянная Планка (6,62 × 10^-34 Дж × с).

Второй постулат квантовой механики говорит о том, что невозможно одновременно точно определить положение и импульс электрона (принцип неопределенности Гейзенберга). Погрешности в определении координаты (Δx) и импульса (Δm_v) связаны соотношением:

Δx × Δm_v ≥ = 1,05 × 10^-34 Дж × с

В-третьих, энергия электронов меняется квантами (порциями).

Поскольку квантовая механика рассматривает вероятность нахождения электрона в пространстве вокруг ядра, а быстродвижущийся электрон может находиться в любой области пространства, то если бы удалось сфотографировать через малые промежутки времени положение электрона в атоме и наложить полученные снимки друг на друга, то получилась бы картина электронного облака.

Электронное облако — квантовомеханическая модель, описывающая состояние электрона в атоме. Плотность электронного облака неравномерна (рис. 1). Пространство, вокруг ядра, в котором наиболее вероятно нахождение электрона, называется орбиталью. В нем заключено 90% электронного облака.

Рис. 1. Электронное облако атома водорода с неравномерной плоностью.

Располагаясь на азличных расстояниях от ядра электроны образуют энергетические слои (энергетические уровни). Их нумеруют, начиная от ядра: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 или обозначают буквами: K, L, M, N, O, P, Q.

Квантовые числа

Состояние электрона в атоме можно описать с помощью четырех квантовых чисел (табл. 1). Целое число n, обозначающее номер уровня, называют главным квантовым числом. Оно характеризует энергию электронов, которые занимают конкретный энергетический уровень. Наименьшая энергия характерна для электронов, максимально близко расположенных к ядру. Число энергетических уровней в атоме определяется номером периода, в котором находится элемент. Наибольшее число электронов на энергетическом уровне можно определить по формуле:

N = 2n²,

где N – число электронов, n – главное квантовое число.

Таблица 1. Квантовые числа, характеризующие состояние электрона в атоме

Состояние электронов в атомах определяется принципом Паули: в атоме не может быть двух электронов с одинаковым набором всех квантовых чисел. Последовательность заполнения орбиталей электронами определяется правилами Клечковского: орбитали заполняются электронами в порядке возрастания суммы (n+l) для этих орбиталей, если сумма (n+l) одинакова, то первой заполняется орбиталь с меньшим значением n.

Электронная формула

Строение электронной оболочки изображается электронной формулой, которая показывает распределение электронов по энергетическим уровням и подуровням. Число электронов на подуровне обозначается цифрой, которая записывается справа вверху от буквы, показывающей подуровень. Например, атом водорода имеет один электрон, который расположен на s-подуровне 1-го энергетического уровня: 1s¹. Электронная формула гелия, содержащего два электрона записывается так: 1s².

У элементов второго периода электроны заполняют 2-й энергетический уровень, на котором могут находиться не более 8-ми электронов. Вначале электроны заполняют s-подуровень, потом – p-подуровень. Например:

₃Li 1s²2s¹

₅B 1s²2s²2p¹

У атомов некоторых элементов, наблюдается явление «проскока» электрона с внешнего энергетического уровня на предпоследний. Проскок электрона происходит у атомов меди, хрома, палладия и некоторых других элементов. Например:

₂₄Cr 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d⁵4s¹

Задания:

1. Написать электронные формулы атомов элементов с порядковыми номерами: 23, 27, 29.

2. Атомы элементов имеют следующие электронные формулы: 1s²2s²2p⁴ и 1s²2s²2p⁶3s ²3p⁶3d⁵4s¹. Определить порядковый номер элемента, а также семейство и группу, к которым они относятся.

Ответы :

1. ₂₃Ti 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d³4s²

₂₇Co 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d⁷4s²

₂₉Cu 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰4s¹

2. Суммарное число электронов на всех подуровнях равно порядковому номеру элемента. В первом случае число электронов равно 8, следовательно, это кислород, он находится в VI группе, главной подгруппе и относится к семейству p-элементов. Во втором случае сумма электронов равна 24, значит это хром, он находится в в VI группе, побочной подгруппе и относится к семейству d-элементов.