Электронные оболочки атома. Атомные модели Бора

 Постулаты Н. Бора

Атом­ное ядро со­сто­ит из про­то­нов – по­ло­жи­тель­но за­ря­жен­ных ча­стиц и ней­тро­нов – ча­стиц, не име­ю­щих за­ря­да. На этом уроке мы рас­смот­рим стро­е­ние элек­трон­ной обо­лоч­ки атома.

Рис. 1. Пла­не­тар­ная мо­дель атома

В 1913 году дат­ский физик Нильс Бор пред­по­ло­жил, что атом по стро­е­нию похож на стро­е­ние сол­неч­ной си­сте­мы. Внут­ри атома, также как и внут­ри сол­неч­ной си­сте­мы солн­це на­хо­дит­ся мас­сив­ное ядро, в ко­то­ром со­сре­до­то­че­на вся масса атома. А во­круг этого ядра, как и пла­не­ты во­круг  солн­ца, вра­ща­ют­ся элек­тро­ны. Рис.1. Элек­трон имеет массу в 1832 раза мень­шую, чем про­тон или ней­трон. Мо­дель Ниль­са Бора была ос­но­ва­на на мо­де­ли его учи­те­ля Эр­не­ста Ре­зер­фор­да.

Нильс Бор пред­по­ло­жил, что элек­тро­ны в атоме не ха­о­тич­но дви­жут­ся, а дви­жут­ся по опре­де­лен­ным ор­би­там. Он по­сту­ли­ро­вал, то есть при­нял без до­ка­за­тель­ства два по­ло­же­ния.

По­сту­ла­ты Ниль­са Бора

1. В атоме су­ще­ству­ют ор­би­ты, на­хо­дясь на ко­то­рых, элек­трон не из­лу­ча­ет энер­гию. Эти ор­би­ты на­зы­ва­ют­ся ста­ци­о­нар­ны­ми.

2. Из­лу­че­ние про­ис­хо­дит толь­ко при пе­ре­ско­ке элек­тро­на с одной ста­ци­о­нар­ной ор­би­ты на дру­гую.

 Строение электронной оболочки атома

Со­глас­но кван­то­вой тео­рии стро­е­ния атома, все элек­тро­ны в атоме дви­жут­ся по энер­ге­ти­че­ским уров­ням или ор­би­там. Эти уров­ни со­сто­ят из под­уров­ней. В свою оче­редь под­уров­ни со­сто­ят из атом­ных ор­би­та­лей. Такое стро­е­ние легко себе пред­ста­вить, если пред­по­ло­жить, что элек­трон­ная обо­лоч­ка атома – это дом, ко­то­рый стоит на ядре. Дом со­сто­ит из мно­гих эта­жей – уров­ней. Каж­дый уро­вень имеет под­уров­ни – это квар­ти­ры. В квар­ти­рах есть атом­ные ор­би­та­ли, т.е. ком­на­ты. Мы может опре­де­лить не кон­крет­ное ме­сто­на­хож­де­ние элек­тро­на на ор­би­та­лях, а опре­де­лить ве­ро­ят­ность его на­хож­де­ния на атом­ных ор­би­та­лях.

Уров­ни

Элек­трон­ные ор­би­ты в мо­де­ли Бора обо­зна­ча­ют­ся це­лы­ми чис­ла­ми:1, 2, 3, 4,…  и так до n, или ла­тин­ски­ми бук­ва­ми по ал­фа­ви­ту, на­чи­ная с буквы K, L, M, N, O P, Q. На­чи­ная от бли­жай­ше­го к ядру уров­ня. В даль­ней­шем мы будем на­зы­вать такие ор­би­ты - уров­ни.

Под­уров­ни.

Рис. 2. Формы атом­ных ор­би­та­лей

Уров­ни в свою оче­редь со­сто­ят из под­уров­ней. Число под­уров­ней на каж­дом уровне равно но­ме­ру уров­ня. Под­уров­ни имеют на­зва­ния.

1ый под­уро­вень каж­до­го уров­ня на­зы­ва­ет­ся S,

2-ой под­уро­вень каж­до­го уров­ня на­зы­ва­ет­ся P,

3-ий под­уро­вень каж­до­го уров­ня на­зы­ва­ет­ся d,

4-ий под­уро­вень каж­до­го уров­ня на­зы­ва­ет­ся f

Ор­би­та­ли су­ще­ству­ют раз­ной формы.

s- ор­би­таль сфе­ри­че­ской формы, p-ор­би­таль имеет форму объ­ём­ной вось­мер­ки.d и f –ор­би­та­ли еще более слож­ной формы. Рис 2.

Все эти фи­гу­ры очер­чи­ва­ют об­ласть наи­боль­шей ве­ро­ят­но­сти на­хож­де­ния элек­тро­нов в атоме.

Вол­но­вая мо­дель атома – это не фи­зи­че­ская мо­дель, а ско­рое аб­стракт­ная или ма­те­ма­ти­че­ская мо­дель стро­е­ния атома, рас­по­ло­же­ния элек­тро­нов в нем.

S – эле­мен­ты.

Это эле­мен­ты, ко­то­рые на внеш­нем уровне со­дер­жать толь­ко s –элек­тро­ны.

Если это р – элек­тро­ны, то тогда это р – эле­мент.

Чем даль­ше энер­ге­ти­че­ский уро­вень рас­по­ло­жен от ядра, тем боль­ше на нем может раз­ме­стить­ся элек­тро­нов, по­то­му что каж­дый по­сле­ду­ю­щий энер­ге­ти­че­ский уро­вень имеет боль­шее ко­ли­че­ство под­уров­ней. Так на каж­дом n уровне может быть n² ор­би­та­лей. Сле­до­ва­тель­но, элек­тро­нов может раз­ме­стить­ся 2n². По­че­му мы умно­жи­ли n² на 2? По­то­му что на каж­дой атом­ной ор­би­та­ли может на­хо­дить­ся не более 2 х элек­тро­нов .

Наи­боль­шее число элек­тро­нов на каж­дом уровне при­ве­де­но в таб.1.

 

Рис. 3. Ор­би­таль­ная диа­грам­ма

Все эти све­де­ния нужны нам для того, чтобы на­учить­ся рас­се­лять элек­тро­ны по атом­ным уров­ням, под­уров­ням и  по ор­би­та­лям.

 Квантовая диаграмма

Су­ще­ству­ет услов­ное изоб­ра­же­ние элек­трон­ных уров­ней и под­уров­ней. Это ор­би­таль­ная или кван­то­вая диа­грам­ма. На такой диа­грам­ме ор­би­та­ли услов­но изоб­ра­жа­ют­ся квад­ра­ти­ка­ми, а элек­тро­ны стре­лоч­ка­ми. Рис. 3. Если в одной кле­точ­ке на­хо­дит­ся две стре­лоч­ки, то они будут обо­зна­че­ны стре­лоч­ка­ми, на­прав­лен­ны­ми в раз­ные сто­ро­ны. Это свой­ство элек­тро­нов на­зы­ва­ет­ся спи­ном.

После того, как вы за­пол­ни­ли все атом­ные ор­би­та­ли элек­тро­на­ми, вы долж­ны на­пи­сать «элек­трон­ный пас­порт» эле­мен­та или его элек­трон­ную фор­му­лу. Для этого нужно обо­зна­чить каж­дый энер­ге­ти­че­ский уро­вень циф­рой 1, 2, 3,…, под­уро­вень бук­вой s, p, d…

В ка­че­стве сте­пе­ни вы­но­си­те число элек­тро­нов на дан­ном под­уровне.

 Электронное строение атома азота

При­мер №1.

Рис. 4. Элек­трон­ная фор­му­ла азота

За­пи­ши­те элек­трон­ную фор­му­лу хи­ми­че­ско­го эле­мен­та с по­ряд­ко­вым но­ме­ром 7.

В атоме та­ко­го эле­мен­та долж­но быть 7 элек­тро­нов. За­пол­ним элек­тро­на­ми ор­би­та­ли, на­чи­ная с ниж­не­го 1s.

Рис. 5. Схема рас­по­ло­же­ния элек­тро­нов в атоме

По­лу­чит­ся такая элек­трон­ная кон­фи­гу­ра­ция: 1s²2s²2p³.Рис.4.

После этого нужно за­фик­си­ро­вать рас­по­ло­же­ние элек­тро­нов по энер­ге­ти­че­ским уров­ням. Для этого нужно схе­ма­тич­но изоб­ра­зить ядро, ука­зать его заряд и опре­де­лить число энер­ге­ти­че­ских уров­ней. На­пом­ню, что у азота их всего 2. Ри­су­ем 2 дуги, а под этими ду­га­ми пишем число элек­тро­нов, ко­то­рые рас­по­ла­га­ют­ся на них. Тогда мы по­лу­чим такую схему элек­трон­но­го рас­по­ло­же­ния в атоме. Рис.5.

 Электронное строение атома аргона

При­мер №2.

За­пи­ши­те элек­трон­ную фор­му­лу хи­ми­че­ско­го эле­мен­та с по­ряд­ко­вым но­ме­ром 18.

Дей­ствуя также как и в пер­вом слу­чае, мы рас­по­ло­жим элек­тро­ны по атом­ным ор­би­та­лям. 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶. Это эле­мент аргон. Рис.6. В пе­ре­во­де с гре­че­ско­го «неде­я­тель­ный». Это на­зва­ние он по­лу­чил, по­то­му что не всту­па­ет в вза­и­мо­дей­ствие ни с одним хи­ми­че­ским эле­мен­том.

Рис. 6. Элек­трон­ная кон­фи­гу­ра­ция ар­го­на

Эле­мен­ты с за­вер­шен­ной внеш­ней элек­трон­ной обо­лоч­кой.  

Вхо­дит в под­груп­пу бла­го­род­ных или инерт­ных газов. Их инерт­ность вы­зва­на стро­е­ни­ем их атома. Эти газы имеют за­вер­шен­ную внеш­нюю энер­ге­ти­че­скую обо­лоч­ку – ns²np⁶. Инерт­ные газы об­ра­зу­ют од­но­атом­ную мо­ле­ку­лу. Все осталь­ные газы в при­ро­де имеют толь­ко двух­атом­ную мо­ле­ку­лу. На­при­мер, О₂, Н₂.при­чи­на устой­чи­во­сти хи­ми­че­ских эле­мен­тов с за­вер­шен­ной элек­трон­ной обо­лоч­кой пока не ясна. Но хи­ми­ки вос­при­ни­ма­ют это про­сто как закон при­ро­ды. Все дру­гие эле­мен­ты будут стре­мить­ся к за­вер­ше­нию своей внеш­ней элек­трон­ной обо­лоч­ки.

 Этимология обозначений электронных орбиталей

Ин­те­рес­но будет узнать, по­че­му под­уров­ни опре­де­лен­ных уров­ней на­зва­ны опре­де­лен­ны­ми бук­ва­ми ан­глий­ско­го ал­фа­ви­та. Любой атом ис­пус­ка­ет энер­гию. Эту энер­гию можно за­фик­си­ро­вать в спек­трах ис­пус­ка­ния ато­мов. Раз­лич­ные спек­тры ис­пус­ка­ния ато­мов имеют раз­лич­ный вид. Их линии раз­ли­ча­ют­ся друг от друга. Так наи­бо­лее узкие рез­кие линии были на­зва­ны бук­вой s. От  ан­глий­ско­го слова «шар».

s- под­уро­вень на­зван по «рез­кой» (sharp) линии

p- под­уро­вень на­зван по «глав­ной» (principal) линии

d- под­уро­вень на­зван по «диф­фуз­ной», «раз­мы­той» (diffuse) линии

f- под­уро­вень на­зван по «фун­да­мен­таль­ной» (fundamental) линии

 Некоторые сведения об инертных газах

Из-за своей хи­ми­че­ской инерт­но­сти бла­го­род­ные газы долго не были из­вест­ны в химии. Толь­ко в 1892 году  был по­лу­чен пер­вый инерт­ный газ аргон. Он был по­лу­чен Д. Рэ­ле­ем. По­лу­чил он его при опы­тах с азо­том. Д. Рэлей за­ме­тил, что если по­лу­чать азот из воз­ду­ха, то этот газ азот будет иметь массу боль­шую, чем, если по­лу­чать азот при раз­лич­ных хи­ми­че­ских опы­тах. Если 1 литр азота по­лу­чить из воз­ду­ха, то он будет иметь массу 1,2572 г, а если по­лу­чить азот при раз­ло­же­нии азо­ти­стых со­еди­не­ний, то масса будет 1,2505 г. От­ку­да же бе­рет­ся такая раз­ность? Мно­гие уче­ные по­ду­ма­ли, что они про­сто про­ве­ли опыт и пе­ре­ста­ли  взве­ши­вать воз­дух, по­лу­чен­ный таким путем. Д. Рэлей со своим дру­гом У. Рам­за­ем. Про­ве­ли мно­же­ство опы­тов и под­твер­ди­ли, что газ азот, по­лу­чен­ный из воз­ду­ха со­дер­жит в своем со­ста­ве еще ка­кой-то газ , ко­то­рый был в 20 раз тя­же­лее во­до­ро­да. Так впер­вые был вы­де­лен аргон. До 60-х годов XX сто­ле­тия ни одно со­еди­не­ние инерт­ных газов не было по­лу­че­но. Сей­час на­учи­лись по­лу­чать ис­кус­ствен­но со­еди­не­ния инерт­ных газов с фто­ром и кис­ло­ро­дом. Если разо­брать обыч­ную лам­поч­ку на­ка­ли­ва­ния, то вы столк­не­тесь с газом ар­го­ном. Но де­лать этого не сле­ду­ет, по­то­му что вы мо­же­те по­ра­нить­ся.

Под­ве­де­ние итога

Вы узна­ли об элек­трон­ных обо­лоч­ках атома, что такое атом­ные мо­де­ли Бора.  Вы по­вто­ри­ли стро­е­ние атом­но­го ядра, рас­смот­ре­ли со­вре­мен­ные взгля­ды при изу­че­нии элек­трон­ных обо­ло­чек атома, услов­ные изоб­ра­же­ния элек­трон­ных уров­ней и под­уров­ней. Рас­смот­ре­ли атом­ные мо­де­ли Бора. Более по­дроб­но стро­ение ядра мы рас­смот­рим на уро­ках химии в 11 клас­се.