Русский изменить

Ошибка: нет перевода

×

☢ Устройство атома: заполнение орбиталей

Main page / Живомордность / ☢ Устройство атома: заполнение орбиталей

Содержание

    Когда два атома встречаются, они могут начать друг с другом реагировать. То, как именно протекает их взаимодействие, в первую и основную очередь зависит лишь от того, как именно устроены их внешние электронные оболочки. Сколько там протонов или нейтронов находится у них в ядрах, неважно, ведь они слишком далеко и их влияние прочно экранировано стадами пасущихся на электронных уровнях электронами. Неважно даже, сколько электронов расположено на предпоследнем электронном уровне, поскольку и их влияние ничтожно по сравнению с влиянием тех электронов, которые приходят в непосредственное соприкосновение с соседним атомом. Важно только одно — сколько электронов на самом внешнем уровне атомов, и как они там располагаются. «Внешним» уровнем атома мы называем тот уровень, который дальше всех расположен от ядра и содержит электроны.

    Введем важное понятие «электронная формула атома». Это такая запись, которая зримо, наглядно показывает — сколько электронов находится у данного атома на каких уровнях и орбиталях. Например, электронная запись водорода (H) будет такой:  1s1, что и означает, что в этом атоме лишь один электрон, и находится он на первой s-орбитали. У кислорода (O) порядковый номер 8 в периодической таблице, значит в нем 8 протонов и 8 электронов, и его электронная формула будет такой: 1s+ 2s+ 2p4, или более коротко: 1s22s22p4

    Для понимания того, как происходит взаимодействие между атомами, нам обязательно надо помнить несколько закономерностей. Часть из них нам уже известна. Мы уже знаем, что атомы стремятся принять такую конфигурацию, чтобы она была наиболее энергетически выгодной. Чтобы поднять камень на гору потребуется энергия, и при первой возможности камень скатится вниз. Электроны поступают аналогично — при первой возможности скатываются вниз, на наиболее близкие к ядру уровни. И если этих уровней в атоме один, два или три, то про это мы уже читали раньше. Некоторое усложнение начинается, когда уровней четыре или больше, и сейчас мы это усложнение разберем.

    dev-sid

    Третий электронный уровень в атоме содержит три подуровня: s, p и d. Напомню: любой подуровеньsublevel [‘sʌblevəl]s состоит из одной орбитали в виде простой сферы, подуровень p состоит из трех орбиталей в виде гантелей, и подуровень d состоит из пяти орбиталей еще более сложной формы — независимо от того, на каком уровне находятся эти подуровни.

    Мы можем интуитивно понять и запомнить, что для электронов находиться на сферической орбитали s значительно проще, чем на сложной гантелеобразной p, и уж тем более на еще более замысловатой орбитали d-подуровня. Это ведь еще надо постараться забраться на сложную гантель и усесться там! И учитывая тот факт, что чем дальше от ядра, тем плотнее расположены уровни, мы совсем не удивимся тому, что для атома энергетически выгодней, чтобы электроны сначала заполняли простой по форме сферический подуровень 4s, и уже лишь потом вскарабкивались на сложный 3d, затрачивая на это больше энергии.

    Проиллюстрируем это явление. Запишем электронную формулу инертного газа аргона (Ar) ( argon [‘ɑːgɔn] ). Его 18 электронов будут располагаться привычным образом: 1s+ 2s22p6+ 3s23p6 или, более коротко: 1s22s22p63s23p6 Все нижние подуровни заполнены наглухо. Зная теперь, что атому энергетически выгодней посадить следующий электрон не на заковыристый 3d, а на простой и близко лежающий 4s-подуровень, мы сможем правильно написать электронную формулу для следующего за аргоном элемента — калия (K) ( potassium [pə’tæsɪəm] ): 1s22s22p63s23p64s1, а затем и следующего — кальция (Ca) ( calcium [‘kælsɪəm] ): 1s22s22p63s23p64s2, и только теперь, когда сферическая орбиталь 4s полностью заполнена двумя электронами, новые электроны начнут заполнять подуровень 3d, поэтому только следующий после кальция элемент — скандий (Sc) ( scandium [‘skændɪəm] ), имеющий 21 электрон, будет иметь электрон на 3d-подуровне, и вот так будет выглядеть его электронная формула: 1s22s22p63s23p64s23d1

    Такая ситуация с перекрыванием подуровней разных уровней продолжается и на более высоких уровнях, и чем дальше, тем больше становится всё более запутанной, поскольку более высокие уровни находятся все ближе и ближе друг к другу, поэтому если мы возьмем какой-то тяжелый элемент с большим количеством электронов, мы не сможем вот так сходу написать правильно его электронную формулу, не имея под руками график, показывающий — как именно, в каком именно порядке подуровни разных уровней располагаются один за другим в соответствии с порядком их заполнения. Но в общем нам сейчас этого и не надо. Главное — понять, что  заполнение подуровней электронами происходит так, чтобы получившаяся конфигурация атома имела а результате минимальную энергию.

    И теперь мы можем сформулировать важнейшую закономерность, понимание которой проливает свет на природу химических связей.

    Правило октета: опыт показал, что всякий атом изо всех сил стремится иметь пару завершенных внешних подуровней (s + p). При этом незавершенность уровней d, f и остальных значения практически не имеет. Почему это так, физики в общем до сих пор достаточно ясно этого не понимают. Но вот таковы, тем не менее, экспериментальные факты.

    Что такое «завершенный подуровень»? Под завершенным уровнем понимается либо такой, на котором электронов нет вовсе, либо такой подуровень, на котором разместилось столько электронов, сколько это вообще для него возможно. Максимум возможного для s-подуровня — это 2, и максимум для p-подуровня — 6. Ситуация, когда атом имеет частично заполненные  подуровни s и p, для него некомфортна, энергетически гораздо менее выгодна, чем когда эти подуровни являются завершенными. Именно это и приводит к тому, что атомы вступают между собой во взаимодействие для того, чтобы их электронные s и p подуровни как можно больше приближались к состоянию завершенности.

    Повторим: каждый атом стремится к состоянию с минимальной энергией, а значит — к состоянию, когда на его внешней паре s+p подуровней находится 8 электронов. Это правило и называется «правилом октета«.

    И теперь также становится понятным, почему благородные газы гелий, неон, аргон и т.д. категорически не хотят образовывать никаких соединений. Им это просто незачем. У них электронные оболочки и так уже завершенные, полностью заполнены электронами под завязку, и эта конфигурация настолько энергетически выгодна, что даже всевозможные и многолетние попытки ученых заставить их вступить в химические реакции терпят неудачу. В последнее время кое-что на этом поприще ученым все-таки удалось, но для этого им пришлось просто невероятно извернуться.

    Представим себе, что натрий (Na) и хлор (Cl) ( chlorine [‘klɔːriːn] ) встретились как-то. Чтобы понять, что при этом случится, достаточно написать их электронные формулы:

    Na: 1s22s22p63s1

    Cl: 1s22s22p63s23p5

    Что мы видим? Мы видим, что у атома натрия на 3s-орбитали болтается один электрон. Ужасно неудобно! Если бы только деть его куда-то, тогда у него снаружи будет 2s22p6 — идеально удобно. Но просто вот так взять электрон и выкинуть атом не может, ведь у него в ядре, как ни крути, 11 протонов, а не 10, а значит этот неудобный электрон так и будет сидеть на своем месте, притягиваемый ядром.

    В то же время мы видим, что атому хлора не хватает ровно одного электрона на 3p-орбитали до состояния завершенности. И ему чертовски неуютно. Стоит только ему откуда-то этот электрон взять, как снаружи и у него будет конфигурация 3s23p6 — просто мечта. Но он не может его захватить — нечем, ведь в его ядре ровно 17 протонов, а не 18, и нечем ему притянуть еще один электрон. Так вот они и бродят, неудовлетворенные жизнью, пока не встречаются. И что они тогда делают? Ясный пень, они бросаются друг на друга и осуществляют некую хитрую операцию, при которой этот неудобный натриевый электрон становится как бы общим. Фактически он перетягивается на сторону хлора, но и от натрия не отрывается совсем, поскольку парный ему протон в ядре натрия совершенно не собирается его с концами отпускать. Но оба атома вполне удовлетворяются и этой сложившейся ситуацией, образуя соединение NaCl — хлорид натрияsodium chloride [‘səudɪəm ‘klɔːraɪd] ) или, проще говоря, поваренную соль . Как именно происходит обобществление электронов и какие тут бывают варианты — об этом будет написано в следующей «атомной главе».

    cat_dog

    Те атомы, которые для достижения октета предпочитают преподносить партнеру свои электроны, называются «электронными донорами» ( electron donor [ɪ’lektrɔn ‘dəunə] ), ну или просто «донорами». Обычно донорами являются те атомы, у которых совсем мало электронов на внешних подуровнях. А те атомы, что предпочитают подгребать к себе электроны, называются «электронными акцепторами» ( electron acceptor [ɪ’lektrɔn  ək’septə] ), или просто «акцепторами» — как правило это те атомы, которым немного не хватает электронов для заполнения s и p подуровней.

    При этом доноры и акцепторы бывают разной силы, то есть одни акцепторы сильнее притягивают к себе электроны, а другие слабее. Одни доноры легче отдают свои электроны, а другие упрямятся, и происходит это:

    1. В зависимости от расстояния подуровня от ядра атома. Если у донора один электрон болтается где-то на далеких внешних орбиталях, то он уже довольно слабо притягивается ядром — толпы лежащих ниже электронов его экранируют, заслоняют от положительно заряженного ядра. Поэтому чем больше у элемента протонов и электронов, то есть чем дальше он расположен в периодической таблице, тем более эффективным донором он является, тем легче он отдает свой этот лишний электрон в совместное пользование.

    2. В зависимости от количества лишних электронов. Если у атома на внешней паре s+p подуровней болтается лишь один электрон, то атом с максимальной силой старается его отдать, ведь предчувствие комфорта так сильно! Если же электронов больше, то соответственно и донорная активность атома снижается.

    Аналогично обстоят дела у акцепторов. Чем ближе к началу периодической таблице акцептор, тем активней он стремится захватить себе электрон, и тем более сильным акцептором является. И чем меньше ему нужно электронов, чтобы достичь завершенности, тем активнее он их ищет и хватает. Наиболее активны те атомы, которым не хватает лишь одного электрона.

    Удобно сравнить фтор и хлор:

    фтор: 1s22s22p5

    хлор: 1s22s22p63s23p5

    Казалось бы — ситуация одинакова, ведь им не хватает одного электрона, и они будут настойчиво его искать. Но фтор обладает гораздо большей силой, ведь у него намного меньше электронов, экранирующих ядро. Из всех химических элементов фтор — самый мощный акцептор.

    (Автор статьи: Бодх)