Русский изменить

Ошибка: нет перевода

×

☢ Устройство атома: подуровни и орбитали

Main page / Живомордность / ☢ Устройство атома: подуровни и орбитали

Содержание

    s-orb

    Из предыдущей «атомной» главы мы знаем, что первый электронный уровень любого атома выглядит очень просто. Конфигурация его может быть представлена сферой, в центре которой находится ядро, а находиться на первом уровне может максимум 2 электрона. С остальными — более высокими уровнями — дело обстоит несколько иначе.

    На картинке слева мы видим такую сферу.

     

    p-orb

    orbit-2p

    Второй электронный уровень состоит из двух подуровней. Первый из них устроен так же, как и первый уровень — простая сфера, на которой опять-таки могут располагаться максимум 2 электрона. А вот второй подуровень выглядит намного сложнее и красивей — как будто три гантели расположили симметрично с общим центром в ядре атома — см.картинку слева. На каждой такой гантеле может опять-таки находиться максимум 2 электрона. Справа мы видим изображение одной такой гантели, а слева — как они выглядят все втроем.

    orbit1-2

    На картинке справа изображены оба электронных уровня. Мелкая сфера первого уровня, сфера покрупнее второго уровня и три гантели второго уровня. Теперь понятно, почему на втором уровне может располагаться максимум 8 электронов, ведь каждая гантель вмещает по 2 электрона максимум + сфера может вместить ещё 2 электрона, итого максимум 8.

    Отсюда и получается, что тот атом, в ядре которого 10 протонов (и соответственно на первых двух уровнях у него будет максимум 10 электронов), будет последним из тех, кто обходится двумя уровнями. Атому с порядковым номером 11  уже не хватит двух уровней, и один из его электронов вынужден будет поместиться на третий уровень. Так что натрий (Na) ( sodium [‘səudɪəm] ) с его 11 протонами в ядре — первый химический элемент, которому двух уровней уже не хватает для размещения на них всех своих электронов.

    Мы видим, что на картинке справа каждый подуровень имеет свое обозначение. Естественно, что каждый раз писать длинные словосочетания типа «сферический подуровень второго уровня» бессмысленно, поэтому каждой разновидности электронного подуровня присвоили определенное буквенное обозначение. Сферическая конфигурация обозначается латинской буквой «s«, а гантелеобразная — буквой «p«. Номер, стоящий впереди, говорит о том — к какому по счету уровню принадлежит тот или иной подуровень. Таким образом, если мы увидим обозначение «2s», то поймем, что речь идет о сферическом подуровне второго уровня.

    d-orb1

    d-orb2

    Третий электронный уровень устроен еще сложнее, чем второй, потому что он имеет уже три подуровня, и еще и потому, что конфигурация третьего подуровня еще сложнее. Первые два подуровня третьего уровня — такие же, как нам уже известны: 3s и 3p, то есть сфера побольше и гантели побольше, а вот третий подуровень (для его обозначения используют букву «d«) имеет еще более сложную конфигурацию и еще большее количество «мест обитания» — 5, в том числе четыре таких лепестка, которые мы видим слева, и одну фигуру, которую мы видим справа. При этом центры всех этих пяти составляющих надо в своем воображении совместить:).

    Удобно ввести термин «электронное облако» ( electron cloud [ɪ’lektrɔn klaud] ), которым мы будем обозначать любую электронную конфигурацию, будь то сфера, или гантель, или что-то еще более сложное более высоких подуровней. Термин «облако» взят не случайно, поскольку в атоме электрон и в самом деле предстает нам не в виде какой-то определенной твердой частички, которая крутится вокруг ядра наподобие планеты, крутящейся вокруг звезды. Электрон в атоме словно «размазан» по пространству своего обитания, и мы можем говорить лишь о вероятности нахождения его в том или ином месте. К примеру, в атоме водорода электрон «размазан» по сфере 1s, то есть мы с одинаковой вероятностью можем найти его в любой точке этой сферы.

    Рассматривая эти картинки, можно подумать, что есть вероятность найти электрон также и в ядре атома, но это не так — это просто недостаток таких картинок, связанный с неспособностью современных вычислительных методов делать точные многоэлектронные расчеты.

    В физике достаточно широко используется также синоним термина «электронное облако» — «орбиталь» ( orbital [‘ɔːbɪt(ə)l] ). Так немного короче. Наличие синонимов не должно удивлять, ведь физика — бурно развивающаяся наука, и ученые в разных странах и лабораториях исследуют одни и те же явления, давая им иногда какие-то свои собственные черновые обозначения. Потом, конечно, терминологию стараются унифицировать, привести к единообразию, но иногда все-таки синонимы сохраняются.

    Теперь, вернувшись к уровням и подуровням, мы можем заметить простую закономерность. Каждый новый уровень имеет на один подуровень больше, чем предыдущий. В общем, сюда можно вполне притянуть за уши аналогию с тем, что чем дальше от ядра, тем там более свободно, тем больше там пространства, и уже можно не толпиться и образовывать больше и больше подуровней и больше орбиталей.

    f-orb4f-orb3f-orb2f-orb1

    Четвертый уровень уже имеет 4 подуровня и обозначается буквой «f«. Он уже имеет 7 орбиталей — по две сложные «звездочки» каждого приведенного тут типа плюс одна фигура в виде сложного «волчка». И снова надо в своем воображении совместить все 7 орбиталей, чтобы получить представление о доступных положениях электронов на d-подуровне.

    Я не думаю, что стоит уделять слишком много внимания анализу этих замысловатых геометрических фигур, поскольку уравнения, описывающие их, очень сложны. Здесь я их разместил просто для того, чтобы полюбоваться на них и согласиться с тем, что конфигурация допустимых подуровней становится все сложнее и сложнее по мере того, как мы рассматриваем новые типы подуровней.

    Теперь можно перечислить подуровни первых 4-х уровней:

    1: s

    2: s, p

    3: s, p, d

    4: s, p, d, f

    Другая важная закономерность заключается в том, что чем «старше» подуровень, тем больше в нем орбиталей. Если подуровень s представляет собою лишь одну сферу, на которой может поместиться максимум 2 электрона, то подуровень p уже представляет собой три гантели, на которых суммарно может поместиться максимум 6 электронов, а подуровень d представляет собою уже пять орбиталей сложной формы, на которых суммарно помещается максимум 10 электронов, и наконец подуровень f представляет собою уже семь орбиталей ещё более сложной формы, на которых суммарно помещается максимум 14 электронов. Эти закономерности сохраняются и на более высоких уровнях — я просто не буду их перечислять, чтобы текст не становится слишком замусоренным несущественной информацией.

    Теперь можно расширить предыдущий список подуровней, в скобках указывая количество орбиталей, каждое из которых вмещает в себя максимум 2 электрона:

    1: s (1)

    2: s (1), p (3)

    3: s (1), p (3), d (5)

    4:s (1), p (3), d (5), f (7)

    Поскольку каждая орбиталь вмещает в себя максимум 2 электрона, мы теперь можем переписать эту таблицу еще раз, в скобках уже указывая максимальное количество электронов, находящихся на данном подуровне:

    1: s (2)

    2: s (2), p (6)

    3: s (2), p (6), d (10)

    4:s (2), p (6), d (10), f (14)

    Просуммировав эти электроны, мы теперь можем очень легко написать таблицу с указанием того — сколько максимум электронов помещается на каждом уровне в атоме:

    1 уровень: 2 электрона

    2 уровень: 8 электронов

    3 уровень: 18 электронов

    4 уровень: 32 электрона

    Если мы знаем, что в каком-то атоме заполнены первые два уровня, а на более высоких уровнях электронов нет, то это значит, что в нем находится (2+8) 10 электронов, и значит в его ядре 10 протонов, а значит в периодической таблице он находится под номером 10 — это неон (Ne) ( neon [‘niːɔn] ), один из «благородных газов», который, как и гелий, совершенно безразличен ко всякого рода химии и не вступает ни в какие химические реакции, живя своей уединенной жизнью, наполненной, видимо, размышлениями о тщете всего сущего.

    trifid

    sat

    Больше всего неона во Вселенной мы сможем найти там же, где находится больше всего водорода и гелия — внутри звезд, в газовых туманностях, в атмосфере газовых гигантов типа Юпитера ( Jupiter [‘ʤuːpɪtə] ) и Сатурна ( Saturn [‘sætən] ). Как и гелий, неон в силу своей химической инертности совершенно неинтересен ни биохимии, ни генетике. Почему это так, почему именно гелий, неон и другие благородные газы обладают такой особенностью не вступать ни в какие химические реакции, в то время как другие элементы делают это, станет ясно позже.

    Все электроны в атоме идентичны, если их оттуда вытащить и рассмотреть по-отдельности. Между ними нет никакой разницы, что дало пищу для построения таких экзотических моделей нашего мира, как «жизнь в зеркале», согласно которой есть лишь один электрон, один протон, один нейтрон и т.п., а все остальные идентичные элементарные частицы — лишь его отражения. Если это и так, то надо заметить, что «зеркальце» это непростое, поскольку «отражения» получаются очень даже материальные.

    Несмотря на свою физическую идентичность, каждый электрон ведет себя несколько по-своему в зависимости от того, на каком подуровне и на какой орбитали он находится. Для того, чтобы было легче говорить про электроны в атоме, ввели добавочные простые термины: «s-электрон» — это электрон, находящийся на орбитали типа «s», «p-электрон» — это электрон, находящийся на орбитали типа «p», и так далее — это вполне логично.

    В следующей «атомной» главе мы разберемся в том, как именно происходит процесс заполнения электронами уровней, подуровней и орбиталей в атомах, что приблизит нас еще больше к пониманию сути химических процессов.

    (Автор статьи: Бодх)