Какие именно электроны отвечают за свойства атомов

Атомы – мельчайшие частицы, из которых состоит все вокруг: все, что нас окружает, состоит из молекул, состоящих из атомов. Их невозможно увидеть с использованием каких бы то ни было увеличительных приборов в силу их невероятно маленьких размеров. Но ведь атомы тоже должны из чего-то состоять. Значит, должны существовать еще более маленькие частицы. Сразу говорю, это довольна непростая для понимания тема, поэтому текста много, да и читать нужно вдумчиво. Тем не менее, это крайне увлекательно – знать о настолько малых частицах, которые невозможно даже увидеть. Что ж, давайте разбираться!

Немного о самом атоме

Вообще, термин “атом” был изобретен очень давно: за 400 лет до н. э. греческий философ Демокрит выдвинул идею, что вещество можно делить до тех пор, пока не будут получены его наименьшие возможные частицы, названные атомами. Конечно, в гипотезе Демокрита атомы являются совсем не тем, чем их считают сейчас, но, тем не менее, идея атомизма очень древняя. В 1808 г. химик Джон Дальтон сформулировал атомистическую теорию: все вещества состоят из атомов, мельчайших неделимых частиц, которые нельзя ни создать, ни уничтожить. Также, Дальтон утверждал, что атомы одного и того же элемента абсолютно одинаковы. Так зародилась атомистическая теория, и было заложено начало к изучению самих атомов.

Теперь немного о характеристиках атома. Не для кого не секрет, что атом чрезвычайно мал. Но даже его можно измерить – а именно указать его массу и диаметр. Диаметры атомов в среднем – 0,2 нм (0,0000000002 м). Массы рознятся сильнее: от 10 в минус 27 степени (ноль с двадцатью шестью нолями и единицей после запятой) кг до 10 в минус 25 степени ( ноль с двадцатью четырьмя нолями и единицей после запятой) кг. Для избежания участия столь малых цифр в расчетах, массы атомов обычно выражают в атомных единицах массы (а. е. м.). 1 а. е. м. = 1,661 на 10 в минус 27 степени.

Какие частицы входят в состав атома?

Мы уже представляли себе атом таким, каким его рисуют в sci-fi фильмах: ядро, состоящее из протонов и нейтронов в центре, и электроны, вращающиеся вокруг ядра. Но что представляют из себя протоны, нейтроны и электроны?

Строение атома из фильмов, отражающее частицы, входящие в него

Нейтрон – это элементарная незаряженная частица. Электрический заряд равен 0 е, масса равна 1 а. е. м. Нейтрон был открыт в 1932 г. Чедвиком в ходе ядерной реакции между атомами бериллия и гелия. Нейтрон входит в состав атомного ядра

Протон – это элементарная положительная частица. Электрический заряд равен +1 е, масса равна 1 а. е. м. Открыт в 1919 г. Резерфордом. Входит в состав атомного ядра вместе с нейтроном, представляет собой ядро атома водорода.

Электрон – это элементарная отрицательная частица. Электрический заряд равен -1 е (равен по модулю заряду протона), масса равна 0,00054 а. е. м., поэтому для простоты расчетов считается, что электрон не имеет массы. Открыт в 1897 г. Томсоном при изучении поведения катодных лучей (электронов) в магнитном и электрическом поле. Электроны не входят в состав ядра, а находятся снаружи, двигаясь по специальным траекториям, но об этом позднее.

Как частицы располагаются в атоме?

Ученые Гейгер и Марсден в 1909 г. проводили бомбардировку золотой фольги альфа-частицами (ядрами гелия). Частицы проходили через фольгу, как и ожидалось, однако, малая их часть отражалась обратно. Примерно 1 из 8000 частиц отскакивали. Был сделан вывод, что частицы сталкиваются с положительными и тяжелыми центрами, которые должны располагаться в ничтожно малой части атома, раз так мало частиц отражается обратно. Так появилось представление об атомном ядре: отражались только те частицы, которые сталкивались с ядрами. Таким образом, атомное ядро имеет намного меньший размер, чем сам атом; остальное пространство в атоме занимают электроны. И если с ядром все понятно – лишь малая часть атома, состоящая из протонов и нейтронов, то с электронами все сложнее.

В 1925 г. Шредингер сформулировал свое уравнение, названное в его честь. Оно позволяло проследить поведение электрона в атоме. Однако, в силу принципа неопределенности Гейзенберга (электрон обладает частично-волновым дуализмом) нельзя определить точное положение электрона и его скорость. Можно лишь говорить об области пространства, где электрон находится чаще. Так появился термин атомная орбиталь – это место, где вероятность нахождения электрона составляет больше 90%. Вот и получаем первое различие с изображениями из фильмов: там электроны вращаются вокруг ядра, оставляя следы в виде полосок. На деле электроны как бы расплываются вокруг ядра. Физик Бор сформулировал постулат о том, что электроны могут обладать определенным количеством энергии, а не произвольным. Так были введены квантовые числа:

• главное квантовое число (n, положительное целое число – 1, 2, 3…) характеризует энергетический уровень электрона и указывает число подуровней на уровне;
• орбитальное квантовое число (l, неотрицательное целое число – 0, 1, 2…) характеризует форму атомной орбитали, на которой находится электрон;
• магнитное квантовое число (ml, целое число от -l до +l) характеризует количество атомных орбиталей на энергетическом подуровне;
• спиновое квантовое число (ms, значения – либо -1/2, либо +1/2) характеризует вращение электрона относительно собственной оси.

У каждого электрона в атоме свой набор квантовых чисел, на основании которых можно оценить его энергию, по которой можно судить о его местоположении в атоме. В заполнении электронами атомных орбиталей участвуют некоторые закономерности. Одна из них – это запрет Паули. Он гласит о том, что в атоме не может быть двух электронов с одинаковыми наборами всех квантовых чисел, т. е. обладающих одинаковыми энергиями.

Немного об атомных орбиталях

Другое отличие реального атома от киношного изображения – это изображение атомных орбиталей. На картинках электроны движутся по окружностям. В реальности электроны не только расплываются, но и делают это по определенной области – орбитали. На каждой атомной орбитали может находится только 2 электрона. Всего различают 5 видов орбиталей в зависимости от значения орбитального квантового числа l:

• l = 0 – s-орбиталь;
• l = 1 – p-орбиталь;
• l = 2 – d-орбиталь;
• l = 3 – f-орбиталь;
• l = 4 – g-орбиталь.

s-орбиталь представляет собой симметричную относительно ядра сферу. Вероятность нахождения электрона на каждом участке орбитали одинакова. Всего на s-орбитали может располагаться два электрона.

s-орбиталь

p-орбиталь представляет собой форму гантели. Она направлена в трех разных направлениях – по координатным осям x, y и z и в совокупности они образуют энергетический подуровень.

p-орбитали, направленные по разным осям

d-, f- и g-орбитали имеют еще намного более сложные формы, чем p-орбиталь, поэтому их описание не представляется целесообразным.

Формы d-орбиталей, по-разному расположенных в пространстве

Каждое значение орбитального числа l является энергетическим подуровнем атома. Для каждого следующего энергетического уровня количество энергетических подуровней увеличивается и содержит в себе подуровни прошлых уровней. Звучит сложновато, да. Говоря проще, чем больше значение n, тем больше ему соответствует значений l. Попробуем на примере. Значение главного числа n задает основной энергетический уровень. Например: n=1, тогда l=0. Это значит, что на первом энергетическом уровне есть только один подуровень с одной s-орбиталью. Теперь пусть n=2. Это второй энергетический уровень. Для него l=0 и l=1. Это значит, что на нем два подуровня: на одном s-орбиталь, а на другом p-орбиталь. Для n=3 уже 3 подуровня и т. д. Такое заполнение электронами орбиталей является еще одной закономерностью, называемой правилом Клечковского. Правило Клечковского гласит о том, что электроны заполняют атомные орбитали так, чтобы их суммарная энергия была минимальна, т. е. начиная с меньших энергетических уровней.

Пример сопоставления энергетическим уровням (n) энергетических подуровней (l) и орбиталей

Теперь давайте поговорим о заполнении непосредственно орбиталей. Представим себе s-орбиталь: сфера вокруг ядра, на которой есть 2 электрона: спиновое число одного – 1/2, другого – -1/2. Теперь представим себе p-орбиталь в форме гантели. Три p-орбитали (направленные по координатным осям) образуют энергетический подуровень. Поскольку на каждой орбитали может быть по 2 электрона, то на таком подуровне может быть всего 6 электронов. Но как они его заполняют? Допустим, у нас есть 4 электрона. Заполняют ли они сначала одну орбиталь, затем другую, а третью оставляют нетронутой? Здесь на помощь приходит третья закономерность – правило Гунда. Оно гласит, что электроны при заполнении подуровней занимают максимальное число свободных орбиталей. Таким образом, сначала по один займет каждую орбиталь, а затем еще один займет полузаполненную орбиталь. Таким образом, две орбитали будут заполнены наполовину, а одна полностью.

Так устроен атом. Подведем итоги. В маленькой части атома, в центре, располагается атомное ядро, состоящее из протонов и нейтронов. Вокруг располагаются энергетические уровни с подуровнями, на которых находятся орбитали разной формы – места, где скорее всего находятся электроны в данный момент времени. Электроны заполняют орбитали в соответствии запретом Паули, правилом Клечковского и правилом Гунда.

Если Вам понравилась статья, подписывайтесь на канал и ставьте лайки!