"Химия. Базовый и углублённый уровни", Савинкина Е.В., Логинова Г.П.; под ред. Вахрушева А.А.
Атомная орбиталь описывает состояние электрона и область пространства, где его можно обнаружить с высокой вероятностью. Это не путь, по которому электрон движется вокруг ядра: в квантовой модели его положение предсказывают вероятностно. Орбитальное квантовое число определяет форму орбитали и тип подуровня — s, p или d. Знание числа орбиталей и их вместимости помогает правильно распределять электроны в атомах и объяснять образование химических связей.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Атомная орбиталь — состояние электрона в атоме, описываемое волновой функцией; так же называют область пространства, где вероятность найти электрон велика. Она нужна, чтобы описывать распределение электронов, не приписывая им точные пути движения. Поэтому изображение орбитали показывает вероятную область, а не границу, через которую электрон никогда не выходит.
Орбитальное квантовое число — число, определяющее форму орбитали и подуровень, к которому она относится. Его обозначают l; для s-, p- и d-подуровней значения равны 0, 1 и 2. По этому числу можно определить тип орбитали и отличить подуровни внутри электронной оболочки.
s-орбиталь — орбиталь с орбитальным квантовым числом l = 0; она имеет сферическую форму. Вероятность обнаружить электрон зависит от расстояния до ядра, но не от направления. Буква s в электронной конфигурации указывает именно на такой подуровень.
p-орбиталь — орбиталь с l = 1, имеющая форму двух лепестков по разные стороны от ядра. На p-подуровне находятся три такие орбитали, направленные по-разному. Обозначение p помогает понять и форму электронного облака, и число доступных мест для электронов.
В классической картине электрон можно было бы представить маленьким телом, летящим по определённой линии вокруг ядра. Но в атоме его поведение подчиняется квантовым законам, поэтому нельзя задать такую траекторию и одновременно точно знать положение. Вместо пути используют вероятность обнаружения: чем она выше в некоторой области, тем плотнее там изображают электронное облако. Это описание позволяет рассуждать о строении атома без идеи планетарных орбит.
Для электрона в атоме решают уравнение, которое описывает его волновое состояние и взаимодействие с ядром. Допустимые решения задают возможные состояния электрона — орбитали, а не любые произвольные распределения. Каждое состояние характеризуют набором квантовых чисел: они указывают энергетический уровень, форму и ориентацию орбитали, а также состояние самого электрона. Поэтому квантовые числа служат своеобразными координатами для описания электронного состояния.
Орбитальное квантовое число l определяет подуровень и форму: например, l = 0 соответствует s, а l = 1 — p. Ориентацию орбиталей одного подуровня различает магнитное квантовое число. Для p-подуровня оно принимает три значения, поэтому существуют три p-орбитали, которые условно ориентируют вдоль трёх взаимно перпендикулярных осей. Их форма одинакова, но направлены их лепестки по-разному.
s-орбиталь изображают сферой, поскольку распределение вероятности для неё не выделяет отдельного направления. У p-орбитали два лепестка, расположенных по разные стороны от ядра; между ними находится область с нулевой вероятностью для идеализированного изображения. У большинства d-орбиталей четыре лепестка, а одна имеет два лепестка и кольцо вокруг ядра. Ориентация лепестков показывает, как облако расположено относительно осей, что важно при рассмотрении взаимодействия атомов.
На подуровне находится несколько орбиталей, а на каждой из них может разместиться не больше двух электронов. Число орбиталей задаётся значением l: оно равно 2l + 1, поэтому на s-подуровне одна орбиталь, на p — три, на d — пять. Умножив число орбиталей на два, получают максимальную вместимость подуровня. При заполнении равноценных орбиталей электроны сначала занимают их по одному, а потом образуют пары — так проявляется правило Хунда.
Таблица помогает связать значение l с формой и вместимостью подуровня. Число электронов в последней строке получается умножением числа орбиталей на два. Используйте эти данные, чтобы проверять электронные конфигурации и не путать количество орбиталей с количеством электронов.
| Характеристика | s-орбиталь | p-орбиталь | d-орбиталь |
|---|---|---|---|
| Значение орбитального квантового числа l | 0 | 1 | 2 |
| Форма орбитали | Сферическая | Два лепестка | Обычно четыре лепестка; у одной орбитали — два лепестка и кольцо |
| Число орбиталей на подуровне | 1 | 3 | 5 |
| Максимальное число электронов на подуровне | 2 | 6 | 10 |
Задача 1. Определите тип подуровня и форму орбиталей, обозначенных 2s и 2p. Число перед буквой указывает энергетический уровень, а буква — тип подуровня. Поэтому для ответа нужно сопоставить буквы s и p с их формами.
Ответ: 2s — s-подуровень, сферическая орбиталь; 2p — p-подуровень, три орбитали в форме двух лепестков.
Задача 2. Укажите число орбиталей и максимальное число электронов на подуровнях 3s и 3p. Цифра 3 задаёт уровень и не меняет число орбиталей в подуровне данного типа. Сначала определяем тип по букве, затем учитываем вместимость каждой орбитали.
Ответ: на 3s одна орбиталь и максимум 2 электрона; на 3p три орбитали и максимум 6 электронов.
Задача 3. У серы конфигурация 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁴. Определите число занятых орбиталей на внешнем уровне и покажите заполнение 3p. Внешний уровень — третий, поэтому учитываем только подуровни 3s и 3p. Распределяя четыре p-электрона, применяем правило Хунда.
Ответ: заняты 4 орбитали; распределение на 3p — [↑↓] [↑] [↑].
Считать орбиталь точной траекторией. Такое представление возникает из-за сходства слова «орбиталь» с орбитой планеты. Однако орбиталь описывает состояние и вероятность обнаружения, а не путь электрона. Проверьте себя: если описание задаёт линию движения, это классическая траектория, а не квантовая орбиталь.
Путать орбиталь и подуровень. Их смешивают, потому что оба понятия обозначают части электронной оболочки. Орбиталь — отдельное состояние, а подуровень объединяет одну или несколько орбиталей одного типа. Для проверки спросите себя, может ли объект включать несколько орбиталей: подуровень может, отдельная орбиталь — нет.
Считать, что у p-подуровня одна орбиталь. Буква p иногда воспринимается как обозначение одной формы, а не целой группы. На самом деле p-подуровень включает три орбитали с разной пространственной ориентацией. Проверьте ответ по формуле 2l + 1: при l = 1 получается три орбитали.
Путать число орбиталей с числом электронов. Ошибка возникает, если вместимость подуровня принимают за число его орбиталей. На каждой орбитали находится максимум два электрона, поэтому число электронов может быть вдвое больше числа орбиталей. Для самопроверки отдельно назовите число орбиталей и умножьте его на два, чтобы получить вместимость.
Для изучения орбиталей нужно знать строение атома, понятия ядра и электронной оболочки, а также общий смысл квантовых чисел. Эти знания объясняют, почему электронное состояние описывают несколькими характеристиками, а не одной траекторией. Если квантовые числа пока кажутся набором обозначений, полезно связать каждое из них с конкретным свойством электрона или орбитали.
Орбитали лежат в основе электронных конфигураций: с их помощью записывают, как электроны распределены по уровням и подуровням. Форма и ориентация электронных облаков также помогают объяснить образование химических связей и пространственное строение молекул. Так сведения о состоянии отдельных электронов переходят к пониманию свойств веществ.
Почему электрон нельзя представить движущимся по орбите, как планету?
В атоме нельзя одновременно задать электрону точное положение и траекторию движения, как у планеты. Квантовая модель описывает вероятность обнаружить электрон в разных областях пространства, а не линию его пути.
Чем орбиталь отличается от подуровня?
Орбиталь описывает состояние электрона и область его вероятного обнаружения. Подуровень — это набор одной или нескольких орбиталей одного типа: например, p-подуровень включает три орбитали.
Почему p-орбиталей три?
Три p-орбитали соответствуют трём возможным значениям магнитного квантового числа при l = 1. Они имеют одинаковую форму и энергию в изолированном атоме, но ориентированы в пространстве по-разному.
Сколько электронов может находиться на одной орбитали?
На одной орбитали могут находиться не более двух электронов. Они должны отличаться направлениями спина — внутренней квантовой характеристикой электрона.
Чем отличаются формы s-, p- и d-орбиталей?
s-орбитали сферические, p-орбитали обычно изображают в виде двух лепестков, а большинство d-орбиталей имеют четыре лепестка. У одной из d-орбиталей два лепестка и кольцо; конкретное расположение зависит от пространственной ориентации.
Тема 3. Атомные орбитали
