Учебник по Химии. 8 класс. Григорович - Новая программа

§ 11. Движение электронов в атоме. Электронные орбитали

Вспомните: как определить состав атомов и свойства субатомных частиц (§ 9).

Двойственность поведения электрона

Частицы с такими малыми размерами, как у электрона, обладают уникальными свойствами, отличающими их от обычных тел, с которыми мы сталкиваемся в повседневной жизни. В 1923 г. выдающийся французский физик Луи де Бройль установил, что электрон одновременно проявляет свойства и частицы и волны, т. е. имеет двойственную природу. Подобно другим частицам, электрон имеет определенную массу и заряд. Наряду с этим во время движения электрон проявляет волновые свойства. Волна отличается от частицы тем, что ее положение в пространстве в определенный момент времени нельзя точно определить.

В связи с этим для электрона невозможно одновременно определить скорость движения и направление. Если мы знаем направление движения электрона, то нельзя определить его скорость, и наоборот. Поэтому невозможно рассчитать траекторию движения электрона в атоме. Этот принцип впервые определил немецкий ученый В. Гейзенберг.

Таким образом, планетарная модель атома Резерфорда не в полной мере соответствует действительности в том, что электрон вращается вокруг ядра по определенной орбите. Для электрона понятие «траектория» применять вообще нельзя. Можно лишь утверждать, что в определенной точке пространства существует определенная вероятность пребывания электрона.

Понятие об орбиталях

Попробуйте ответить на вопрос: «Где во время футбольного матча находится вратарь?». Ответ «в воротах» не совсем соответствует действительности. Вратарь постоянно перемещается в пределах определенного пространства около ворот. Наиболее вероятное его место — непосредственно у ворот, с меньшей вероятностью его можно найти в середине поля и еще меньше вероятность, что он будет в воротах противника. И почти невероятно обнаружить вратаря на трибунах болельщиков во время матча. Таким образом, если следы от обуви вратаря обозначить на условной схеме, то получим изображение, как на рисунке 11.1. Можно сказать, что следы вратаря образуют «облако» вокруг ворот. Там, где плотность «облака» наибольшая, там вратарь находится чаще всего, а там, где он находится редко, — «облако» разрежено.

Рис. 11.1. Если точками отметить следы вратаря, то наибольшая вероятность его пребывания — орбиталь — будет около ворот

Так и электрон в атоме находится не в конкретной точке, а образует во время движения электронное облако, плотность которого (электронная плотность) показывает, в каких местах электрон находится чаще, а в каких — реже. Если бы у нас была возможность отмечать след электрона в пространстве, то для атома Гидрогена получили бы облако, как на рисунке 11.2. Ту часть электронного облака, в которой электрон находится больше всего, т. е. в которой электронная плотность большая, называют атомной орбиталью. Если продолжить аналогию с перемещением вратаря во время матча, то «орбиталь» вратаря — это место около ворот (рис. 11.1). Атомная орбиталь — это часть пространства, где вероятнее всего находится электрон.

Рис. 11.2. Электронное облако в атоме Гидрогена

Орбиталь — это часть пространства, где вероятность пребывания электрона выше 90 %.

Электронные облака, образованные отдельными электронами в атоме, вместе образуют общее электронное облако атома — электронную оболочку.

Разновидности электронных орбиталей

Обычно электронную оболочку атомов образует не один электрон. Их может быть до нескольких десятков и даже около сотни. Они не могут располагаться на одной орбитали. Поэтому в большинстве атомов электроны находятся на разных орбиталях, среди которых выделяют четыре типа. Каждый тип орбиталей характеризуется разными свойствами, в частности, они имеют разную форму.

Орбитали разной формы обозначают разными буквами: s, р, d и f.

s-Орбитали имеют форму шара (рис. 11.3а, с. 58), иначе говоря, электрон, который находится на такой орбитали (его называют s-электроном), большую часть времени находится внутри сферы. р-Орбитали имеют форму объемной восьмерки (рис. 11.3б). Формы d- и f-орбиталей намного сложнее (рис. 11.3в-е).

Рис. 11.3. Атомные орбитали: а — s-орбиталь; б — р-орбиталь; в и г — разные виды d-орбиталей; д и е — разные виды f-орбиталей

Как узнали о формах орбиталей? Конечно, орбиталь увидеть невозможно ни невооруженным глазом, ни при помощи современных приборов. Орбиталь — это лишь часть пространства. А как можно увидеть пространство? Так же невозможно увидеть и электрон, который находится в пределах орбитали. О форме орбиталей мы знаем благодаря математическим методам моделирования движения частиц. В 1926 г. австрийский физик Эрвин Шредингер вывел фундаментальное уравнение (уравнение Шредингера), описывающее движение электрона в атоме, которое позволило определить вероятность пребывания электрона в той или иной части пространства, а следовательно, и определить форму орбиталей. Открытие Шредингера было одной из предпосылок возникновения квантовой химии, которая изучает строение электронных оболочек атомов и молекул.

Эрвин Шредингер (1887-1961)

Австрийский физик, лауреат Нобелевской премии по физике 1933 г. Родился в Вене в семье фабриканта. Среднее образование получил дома, в 1906 г. поступил в Венский университет, а уже через четыре года защитил докторскую диссертацию. Свои исследования проводил в области общей теории относительности, статистической механики, теории цвета. Наибольший вклад внес в квантовую механику, сформулировав волновую функцию (уравнение Шредингера), которое описывает поведение микрочастиц — электронов, протонов, атомов и др. Это открытие стало мощным толчком в развитии теоретической физики и химии.

Выводы

1. Электрон имеет двойственную природу: он одновременно проявляет свойства и частицы, и волны. Поэтому при определении положения электронов в атоме используют понятие об орбитали как части пространства, где пребывание электрона наиболее вероятно.

2. Различают четыре типа орбиталей: s, р, d и f.

Контрольные вопросы

1. Какое особое свойство электрона отличает его от обычных физических тел?

2. В чем заключается двойственная природа электрона?

3. Что называют: а) электронным облаком; б) атомной орбиталью?

4. Какую форму имеют s- и р-орбитали?

Задания для усвоения материала

1. Чем отличаются s-орбитали и р-орбитали?

2. Как вы считаете, благодаря каким взаимодействиям электроны притягиваются к ядру и отталкиваются друг от друга?

3. Как вы считаете, почему у атомных орбиталей именно такая форма? Чем это обусловлено?