Учебник по Химии. 8 класс. Григорович - Новая программа

§ 12. Структура электронной оболочки атома

В электронных оболочках атомов орбитали существуют не хаотично. Они образуют четкие структуры, которые отличаются по числу и типу орбиталей.

Структуру орбиталей в атоме можно сравнить с многоэтажным домом, в котором отдельные комнаты — это орбитали. Каждый этаж — это энергетический уровень, или энергетический слой.

Энергетический уровень объединяет определенное число орбиталей, имеющих приблизительно одинаковую энергию (рис. 12.1).

Рис. 12.1. Орбитали с близкой энергией образуют энергетический уровень. Чем дальше от ядра расположен энергетический уровень, тем большую энергию имеют электроны, которые на нем находятся

Каждый энергетический уровень обозначают числом n (n = 1, 2, 3, ...) или большой латинской буквой (К, L, М и далее по алфавиту).

Для первого (ближайшего к ядру) уровня n = 1 (уровень К), для второго n = 2 (уровень L), для третьего n = 3 (уровень М) и т. д. Слоистое строение электронной оболочки атомов можно изобразить так: окружностью обозначено ядро, которое имеет определенный заряд, а дугами — энергетические уровни:

Таким образом, первый энергетический уровень состоит из одной орбитали, второй — из четырех, третий — из девяти и т. д.

В многоэтажном доме каждый этаж разделен на квартиры. Но наш дом необычный. Число квартир на каждом этаже равно номеру этажа, т. е. на первом этаже одна квартира, на втором — две и т. д. Так же и в электронной оболочке каждый энергетический уровень состоит из энергетических подуровней.

Энергетические подуровни обозначают так же, как и орбитали:

Номер энергетического уровня

Число подуровней и их тип

n = 1

n = 2

n = 3

n = 4

Один подуровень:s

Два подуровня: s и р

Три подуровня: s, р и d

Четыре подуровня: s, р, d и f

Обычно квартиры в домах разделены на комнаты. В нашем случае комнаты — это орбитали.

Каждый энергетический подуровень может содержать только определенное число орбиталей, которое соответствует его типу:

Тип подуровня

Число орбиталей на подуровне

s

р

d

f

1

3

5

7

Можно перечислить орбитали, из которых состоят энергетические уровни и подуровни, следующим образом (для первых трех уровней):

Графически орбиталь принято обозначать квадратом. Орбитали первых четырех энергетических уровней будут выглядеть так:

Как видим, первый энергетический уровень состоит из одного s-подуровня, образованного одной s-орбиталью. Второй уровень состоит из двух подуровней (s и р), образованных одной s-орбиталью и тремя р-орбиталями (всего четыре). Третий уровень состоит из трех подуровней (s, р и d), образованных одной s-орбиталью, тремя р-орбиталями и пятью d-орбиталями (всего девять). На четвертом уровне добавляется еще семь f-орбиталей и всего четвертый уровень состоит из 16 орбиталей. Таким образом, общее число орбиталей на уровне n соответствует количеству n2.

Обратите внимание, что энергетические уровни при графическом изображении нумеруются снизу вверх. Таким образом подчеркивают, что снизу вверх возрастает энергия энергетических уровней. Следовательно, первый энергетический уровень является ближайшим к ядру и энергетически самым низким. Находящиеся на нем электроны имеют наименьшую энергию. Чем выше расположен энергетический уровень, тем дальше от ядра он находится и тем большую энергию имеют электроны.

Итак, электронные оболочки атомов имеют довольно сложную, но четкую структуру из энергетических уровней, подуровней и орбиталей. Как они заполняются электронами, вы узнаете в следующем параграфе.

• В атоме орбитали располагаются таким образом, что ядро атома совпадает с центром каждой орбитали. Если подуровень состоит из нескольких орбиталей, то они располагаются таким образом, чтобы быть максимально отдаленными друг от друга. Например, три р-орбитали будут расположены вдоль взаимно перпендикулярных осей с центром в ядре атома.

• При графическом изображении орбиталей электронной оболочки атомов на пятом энергетическом уровне необходимо добавлять g-орбитали, но ни в одном химическом элементе они не заполняются электронами, поэтому структуру энергетических уровней, начиная с четвертого, изображают одинаково — состоящими из четырех подуровней.

Английский физик Чарлз Баркла, предлагая обозначать энергетические уровни буквами, сначала использовал буквы А, В, С и далее. Но затем предположил, что, возможно, существуют еще более низкие энергетические уровни, поэтому, чтобы оставить буквы алфавита для этих более низких уровней, он начал обозначение с буквы К (затем L, М и далее). Со временем оказалось, что он открыл самые низкие уровни, но другие буквы присваивать им так и не стали. Обозначение энергетических подуровней (s, р, d, f) никоим образом не связано с формой орбиталей. Названия подуровням давали ученые, которые изучали излучение атомов с этих орбиталей. Они назвали их по форме полос излучения: sharp — выразительная, principal — главная, diffuse — размытая, диффузная, fundamental — основная. А когда открыли следующий подуровень, его просто обозначили следующей буквой после f, т. е. g.

Выводы

Орбитали образуют энергетические уровни. Каждый энергетический уровень состоит из энергетических подуровней, которые, в свою очередь, состоят из определенного числа орбиталей.

Контрольные вопросы

1. Что называют: а) энергетическим уровнем; б) энергетическим подуровнем?

2. Какие энергетические подуровни есть на первом, втором и третьем энергетических уровнях?

3. Из скольких орбиталей состоит каждый из известных вам энергетических подуровней?

Задания для усвоения материала

1. Изобразите графически структуру орбиталей в атоме для первых трех энергетических уровней.

2. Как вы представляете пространственное расположение одной s-орбитали и трех р-орбиталей в атоме? Изобразите это на рисунке, за начало координат примите центр атомного ядра.