Як відомо нам зі школи, будь-який атом складається з позитивно зарядженого ядра, розташованого в центрі, та негативно заряджених електронів, що обертаються навколо нього. Саме таку картину нам змальовує планетарна модель атома Резерфорда згідно з якою, електрони схожі на планети, що обертаються навколо своїх зірок. Що ж, це просто, геніально і прекрасно. Така модель легка для розуміння учнем та для пояснення вчителем. Але, на жаль, є одне підступне «але». Все не зовсім так.
Коли ми говоримо про електрони, ми потрапляємо у непролазні хащі квантової механіки, де діють закони, які не зовсім інтуїтивно зрозумілі для того, хто потрапив сюди вперше. Серйозно. Ну от, наприклад, насправді електрон знаходиться у декількох місцях одночасно, і тільки тоді, коли ми спробуємо на нього подивитися, ми тим самим допоможемо йому визначитися, де він саме перебуває. Коротше кажучи, електрон нагадує одинадцятикласника, який не може визначитися, куди йому вступити після школи і подає документи в усі університети підряд. Та, врешті, вступить він лише в один. Що ж стосується обертання електрона, то, якщо по простому, неможливо в експерименті описати рух електрона, можна визначити тільки те, що електрон присутній або відсутній у конкретному місці. І саме ті точки або місця, в яких можна зареєструвати електрон, формують сукупність, яку називають електронною хмарою (трішки нижче ми розглянемо їх на малюнках). Тому, атомні орбіталі (s-, p-, d-, f-), про які далі піде мова, розглядають не як траєкторію руху електрона, а як простір навколо ядра, у якому електрон найімовірніше перебуває. От це вже аж ніяк не просто для розуміння, тому не дивно, що нам набагато легше все спростити (що й роблять у більшості шкіл) і все ж припустити, що він таки обертається (хоч і не зовсім) і піти далі. Проте, цю невеличку ремарку я все ж не міг обійти стороною.
Тепер розберемося де ж ці електрони живуть. Кожен атом має свою індивідуальну кількість електронів, яка збігається з його порядковим номером у Періодичній системі хімічних елементів Д.І. Менделєєва. Наприклад, атом Н (Гідрогену) має 1 електрон, Не (Гелій) – 2, Li (Літій) – 3 і т. д. Для того, щоб дізнатися,як їх розселити навколо ядра, потрібно ввести декілька понять.
1) 1. Енергетичний рівень – це свого роду оболонка, на якій знаходяться близькі за своєю енергією електрони. Кількість енергетичних рівнів будь-якого елемента чисельно дорівнює номеру періоду даного елемента у Періодичній системі. Наприклад, у Н і Не один енергетичний рівень; у Li, Be, … , Ne – два; у Na, Mg, … , Ar – три і т.д. Чим більший енергетичний рівень, тим далі від ядра знаходяться його електрони.
Уже цього одного терміну нам достатньо, щоб порахувати, скільки максимум електронів може знаходитись на певному енергетичному рівні, так як у нас є простенька формула, яка нам допоможе у цьому. Номер енергетичного рівня позначається n, а та сама максимальна кількість електронів, яку ми шукаємо - N. Формула ж виглядає так:
Отже, перший енергетичний рівень може вмістити 2*1^2=2 електрони; другий - 2*2^2=8; третій - 2*3^2=18 тощо.
Для прикладу спробуємо розташувати електрони атома Магнію (Mg) на його енергетичних рівнях. Заглянувши у Періодичну систему, ми знайдемо Магній під номером 12, а, оскільки порядковий номер елемента відповідає кількості електронів, то у атома Магнію 12 електронів. Mg – елемент третього періоду, а це означає, що у нього три енергетичні рівні.
У атома Mgелектрони будуть заповнювати енергетичні рівні по черзі (тобто, спочатку повністю заповнюється перший, потім повністю другий, а за ним третій). Тому на першому їх буде 2, на другому – 8 (згідно з наведеною вище формулою), і для третього залишається 2 електрони. Нікого не забули всі електрони розселені. Схематично це можна зобразити так (+12 – заряд ядра атома):
1) 2. Тепер ми ускладнимо собі задачу (бо страх перед труднощами – це не про нас) і розділимо енергетичні рівні на енергетичні підрівні. Дамо їм імена: s-підрівень, p-підрівень, d-підрівень та f-підрівень. Чому саме такі імена? Бо нам набридли числа, давайте хоч щось назвемо буквами. (Нагадую, страх перед труднощами – це не про нас. Напевно…)
Кожен підрівень складається з певної кількості однойменних атомних орбіталей. (пам’ятаємо, що атомні орбіталі – це такий простір навколо ядра, де швидше за все знаходиться електрон):
- s-підрівень з однієї s-орбіталі (мають форму сфери, легко запам’ятати по першій літері);
- p-підрівень з трьох р-орбіталей (мають форму вісімки або гантельки);
- d-підрівень з п’яти d-орбіталей (мають різні форми, що описуються тільки малюнками);
- f-підрівень із семи f-орбіталей (аналогічно з d-орбіталями).
Кожна орбіталь вміщує на собі по два електрони. Отже, якщо уважно подивитися на кількість орбіталей на підрівнях, нескладно порахувати і кількість електронів на них. s-підрівень - 2, p-підрівень - 6, d-підрівень - 10, f-підрівень – 14. Так як електрони не стоять на місці і їх можна знайти у будь-якій точці їхньої орбіталі, то сукупність цих положень електрона прийнято називати електронною хмарою, яка і визначає форми орбіталей. Яких форм набувають орбіталі, можна побачити на малюнку нижче.
Ну і нарешті, підсумуємо те, що ми вже знаємо про енергетичні рівні та підрівні. Перший енергетичний рівень складається тільки з s-підрівня, відповідно вміщує тільки два електрони (що збігається з тією самою простенькою формулою). Другий енергетичний рівень – складається з s- та р-підрівнів, отже, містить в собі 1 s-орбіталь (2 електрони) та 3 р-орбіталі (сумарно 6 електронів), отже, всього вміщує 8 електронів (знову зійшлося). Третій складається із s-, p-, d- підрівнів і вміщує 18 електронів.
Давайте тепер розташуємо 12 електронів атома Mg, враховуючи підрівні. Доповнимо попередню схему та запишемо у вигляді електронної формули.
На цьому поки й зупинимось. Що ж, вийшло довше та складніше, ніж я розраховував. Наступного разу спробую бути більш лаконічним. Це далеко не повне пояснення будови електронних шарів. Про інші особливості заповнення орбіталей і не тільки розкажу згодом. Дякую, що дочитали до кінця. Любіть хімію!
Посилання на другу частину: https://buki.com.ua/blogs/khochesh-zhyty-vmiy-krutytysya-abo-pro-zhyttya-ta-pobut-elektroniv-chastyna-2/
