§ 5. В атоме имеются орбитали нескольких типов

Определения и обозначения

Атомная орбиталь — область пространства около ядра, где вероятность обнаружить электрон велика. Она задаётся состоянием электрона и не показывает конкретный путь его движения. Понятие орбитали нужно, чтобы описывать электронное строение атома с помощью вероятностей, а не невозможной для электрона точной траектории.

s-орбиталь — орбиталь сферической формы, окружающая ядро со всех направлений. Для каждого энергетического уровня, начиная с первого, имеется одна s-орбиталь. Поэтому обозначение s сразу подсказывает и форму, и число орбиталей на этом подуровне.

p-орбиталь — орбиталь гантелеобразной формы с двумя областями повышенной вероятности по разные стороны от ядра. На одном энергетическом уровне p-подуровень включает три такие орбитали, ориентированные вдоль взаимно перпендикулярных осей. Это позволяет различать их по направлению в пространстве.

d-орбиталь — орбиталь более сложной формы, чем s- и p-орбитали. На одном энергетическом уровне d-подуровень содержит пять орбиталей, отличающихся пространственной ориентацией. Их число важно для определения максимального числа электронов на d-подуровне.

Как это устроено

Различие типов орбиталей связано с тем, в каком состоянии находится электрон в атоме. Классическая модель могла бы изобразить электрон как частицу на определённой орбите, но для микрочастицы такая картина неприменима. Квантовое описание даёт не точную координату и скорость одновременно, а вероятность обнаружения электрона в разных областях. Поэтому орбиталь — результат такого описания, а не материальная оболочка вокруг ядра.

Форма орбитали определяется типом энергетического подуровня и распределением вероятности в пространстве. У s-состояния это распределение одинаково по всем направлениям, поэтому получается сфера. У p-состояния вероятность сосредоточена в двух областях по разные стороны ядра, и возникает гантелеобразная форма. У d-состояния распределение ещё сложнее, поэтому его орбитали имеют несколько областей повышенной вероятности.

Орбитали одного типа могут иметь разную ориентацию, потому что электронное состояние допускает несколько направлений в пространстве. У сферической s-орбитали выделенного направления нет, поэтому она только одна. Для p-подуровня возможны направления вдоль трёх взаимно перпендикулярных осей, а для d-подуровня — пять вариантов ориентации. Форма типа сохраняется, меняется главным образом положение орбитали относительно осей.

Число орбиталей определяет вместимость подуровня. На каждой орбитали могут находиться максимум два электрона, поэтому одна s-орбиталь вмещает 2 электрона, три p-орбитали — 6, а пять d-орбиталей — 10. Так число орбиталей связывает геометрическое описание атома с его электронной конфигурацией.

Номер энергетического уровня ограничивает набор доступных подуровней. На уровне с главным квантовым числом n могут появляться s-, p-, d-, а затем f-подуровни по мере увеличения n: s начинается с первого уровня, p — со второго, d — с третьего, f — с четвёртого. Поэтому первый уровень содержит только s, второй — s и p, третий — s, p и d.

Сравнение атомных орбиталей разных типов

Чтобы пользоваться таблицей, сначала определите тип подуровня, затем найдите число его орбиталей. Максимальную вместимость получают умножением этого числа на 2.

Последняя строка помогает установить состав энергетического уровня по его номеру. Например, на третьем уровне есть s-, p- и d-подуровни, но нет f-подуровня.

Разбор задач

Задача 1. Форма и число s-орбиталей

Условие: укажите форму орбитали на s-подуровне и число орбиталей на этом подуровне. Нужно использовать само обозначение подуровня и правило числа орбиталей.

1. Буква s соответствует сферической форме распределения вероятности.
2. Для s-подуровня возможна только одна орбиталь, поскольку у сферы нет отдельных ориентаций.

Ответ: s-орбиталь имеет сферическую форму; на s-подуровне находится одна орбиталь.

Задача 2. Вместимость p-подуровня

Условие: определите максимальное число электронов на p-подуровне и объясните результат. Здесь требуется связать число p-орбиталей с вместимостью одной орбитали.

1. p-подуровень включает три орбитали, ориентированные вдоль трёх взаимно перпендикулярных осей.
2. На каждой орбитали размещаются максимум два электрона, поэтому вычисляем 3 · 2 = 6.

Ответ: p-подуровень вмещает не более 6 электронов.

Задача 3. Четвёртый энергетический уровень

Условие: перечислите возможные подуровни четвёртого уровня и найдите общее число входящих в них орбиталей. Сначала определяем состав уровня по его номеру, затем складываем числа орбиталей.

1. Для n = 4 доступны s-, p-, d- и f-подуровни.
2. Их число орбиталей равно соответственно 1, 3, 5 и 7.
3. Складываем: 1 + 3 + 5 + 7 = 16 орбиталей.

Ответ: на четвёртом уровне есть 4s, 4p, 4d и 4f-подуровни; всего они содержат 16 орбиталей.

Типичные ошибки

Ошибка: называть орбиталь траекторией электрона. Так происходит из-за сходства слов «орбита» и «орбиталь», но орбиталь обозначает область вероятности, а не линию движения. Проверка: если в объяснении появилась конкретная замкнутая дорожка электрона, термин использован неверно.

Ошибка: считать p-подуровень одной орбиталью. Ученик может запомнить букву p, но забыть, что тип подуровня включает несколько орбиталей. Проверка: для p всегда вспоминайте число 3 и три взаимно перпендикулярных направления.

Ошибка: путать число орбиталей с числом электронов. Орбиталь и электрон — разные объекты, а вместимость получают умножением числа орбиталей на два. Проверка: для пяти d-орбиталей должно получаться 10 электронов, а не 5.

Ошибка: приписывать первому уровню p- и d-подуровни. Набор подуровней зависит от номера уровня: p начинается со второго, d — с третьего. Проверка: сопоставьте каждый тип с минимальным уровнем его появления.

Связь с другими темами

До изучения орбиталей нужно знать строение атома и энергетические уровни. Также важно помнить, что электрон обладает волновыми свойствами, поэтому его состояние описывают вероятностно.

Типы орбиталей нужны для записи электронных конфигураций атомов. По заполнению подуровней объясняют положение элементов и закономерности строения периодической системы.

Формы и ориентации орбиталей помогают понять образование химических связей. Они также связаны с пространственным строением молекул и направленностью связей.

Что запомнить

• Орбиталь — область вероятного нахождения электрона, а не его траектория.
• s-орбиталь имеет сферическую форму.
• p-подуровень включает три орбитали.
• d-подуровень включает пять орбиталей.
• На одной орбитали может находиться не более двух электронов.
• Число и типы доступных подуровней связаны с номером энергетического уровня.