Глава IV.31 Строение электронных оболочек атомов

Планетарная модель атома, предложенная Э. Резерфордом, – это очень упрощённая модель. Строение атома значительно сложнее. Атом состоит из крошечного ядра и совокупности электронов – электронной оболочки.

Элементарные частицы ядра (протоны и нейтроны), в свою очередь, состоят из более мелких частиц, называемых кварками. Электрон тоже считается элементарной частицей. Эти частицы, а также атомы, молекулы, ионы – объекты микромира. Частицы микромира характеризуются двойственной природой: являются одновременно и частицами, и волнами. Движение электронов в атоме следует рассматривать как сложный колебательный процесс, а не как движение материальной точки по траектории. Состояние электрона можно характеризовать распределением в пространстве его электрического заряда – электронной плотностью.

Электрон рассматривается в современной науке как «размазанное» в пространстве вокруг ядра электронное облако. Следовательно, нельзя говорить о точном нахождении электрона в пространстве в некоторый момент времени – его положение всегда определено с той или иной долей вероятности.

Химические свойства веществ зависят от строения электронных оболочек атомов (ядра атомов элементов при химических реакциях не изменяются). Как же устроены эти электронные оболочки?

Электроны в атоме отличаются своей энергией – запас энергии электрона (Е) увеличивается по мере удаления от ядра атома.

Близкие по запасу энергии электроны образуют электронные слои, или энергетические уровни. Число этих слоёв, или уровней, соответствует номеру периода в Периодической системе Д. И. Менделеева, в котором находится данный химический элемент.

Так, у атомов элементов 1-го периода – один электронный слой, у атомов элементов 2-го – два, у атомов элементов 7-го –семь.

Наибольшее число электронов, которое может вместить энергетический уровень, определяется по формуле 2n², где n – номер уровня (рис. 70). Следовательно, первый энергетический уровень максимально может вместить два электрона (2 ∙ 1² = 2), второй (2 ∙ 2² = 8) – восемь, третий – восемнадцать (2 ∙ 3² = 18). Энергетические уровни, содержащие максимальное число электронов, называют завершёнными.

Следует помнить, что завершённый внешний электронный слой атомов химических элементов всегда содержит восемь электронов (кроме элемента 1-го периода – гелия). Также следует принимать во внимание, что число электронов внешнего энергетического уровня атома химического элемента соответствует номеру группы в Периодической системе Д. И. Менделеева (для элементов А-групп). Так, атомы элементов IA-группы (щелочных металлов) содержат на внешнем энергетическом уровне один электрон, элементов IIA-группы – два электрона и т. д.

Рассмотрим строение электронных оболочек атомов элементов № 1–20.

У атомов элементов первого периода – водорода и гелия – один энергетический уровень. Единственный электрон атома водорода компенсирует положительный заряд ядра, равный +1.

Заряд ядра атома гелия на единицу больше, в его электронной оболочке добавляется один электрон. Внешний (первый и единственный) энергетический уровень завершён:

Пара электронов делает атом гелия очень устойчивым. Недаром этот благородный газ по-прежнему можно назвать инертным: до сих пор не получено ни одного соединения гелия.

У атомов элементов второго периода появляется второй энергетический уровень. По мере увеличения заряда атомного ядра при переходе от элемента к элементу внешний энергетический уровень последовательно начинает заполняться электронами. При этом внутренний (первый) уровень остаётся заполненным.

У атома лития на внешнем энергетическом уровне расположен один электрон, у атома бериллия – два и т. д.

Завершают второй период фтор, атом которого содержит семь электронов на втором (внешнем) уровне, и неон, у атома которого электронная оболочка завершена до устойчивого восьмиэлектронного состояния:

Электронные оболочки атомов элементов третьего периода, который завершает аргон, застраиваются аналогично тому, как это происходит во втором периоде:

В электронной оболочке атомов элементов четвёртого периода появляется соответственно четвёртый энергетический уровень, на котором у атома калия находится один электрон, а у атома кальция – два.

Распределение электронов по энергетическим уровням атомов химических элементов можно выразить как схемой, так и рядом чисел. Например, для атома кислорода такое распределение обозначается ₈О 2, 6 (на первом энергетическом уровне – 2 электрона, на втором – 6 электронов), для атома кремния – ₁₄Si 2, 8, 4 (на первом энергетическом уровне – 2 электрона, на втором – 8, на третьем – 4).

Анализ строения электронных оболочек атомов позволяет выявить причину периодического повторения свойств химических элементов. Действительно, последовательное увеличение числа электронов на внешнем энергетическом уровне приводит к его полному завершению у атома благородного газа, затем происходит резкий переход к следующему энергетическому уровню с повторением цикла его заполнения.

Обратите внимание, что атомы элементов, расположенных в одной группе, характеризуются одинаковым числом электронов на внешнем уровне. Этот факт и является причиной сходства их свойств. Так, у атомов всех щелочных металлов (лития, натрия, калия, рубидия, цезия, франция) на внешнем уровне по одному электрону, у атомов элементов подгруппы кислорода – по шесть электронов, у атомов галогенов – по семь, у атомов благородных газов – по восемь (два – у гелия).

Причина периодического повторения свойств химических элементов заключается в периодическом повторении строения внешних энергетических уровней их атомов.