§ 3. Современные представления о строении атома

Определения и обозначения

Атомная орбиталь — состояние электрона в атоме, описываемое вероятностью его обнаружения в определённой области пространства. Орбиталь не является траекторией: она не задаёт линию, по которой электрон облетает ядро. Это понятие нужно, чтобы описывать устройство электронной оболочки без представления о движении по точной окружности.

Электронное облако — наглядное представление распределения вероятности обнаружить электрон вокруг ядра. Чем плотнее изображено облако в какой-либо области, тем выше вероятность найти там электрон. Такая модель помогает представить орбиталь, но облако не является материальной оболочкой с резкой границей.

Энергетический уровень — совокупность состояний электронов с близкой энергией. Номер уровня связан с номером периода элемента и в общем случае показывает, насколько далеко от ядра расположены электроны этого уровня. Это понятие позволяет сравнивать энергетические состояния и упорядочивать электроны в атоме.

Энергетический подуровень — часть уровня, включающая орбитали одного типа и близкой энергии. Подуровни обозначают буквами s, p, d и f; они могут различаться формой орбиталей и их числом. Такое деление нужно для более точной записи того, как устроена электронная оболочка.

Как это устроено

В классической картине электрон движется вокруг ядра по определённой траектории, как планета вокруг звезды. Но для микрочастиц такое описание не даёт точной картины: состояние электрона в атоме задают вероятностями, а не одновременными точными координатами и путём. Поэтому говорят об орбитали — области, в которой электрон можно обнаружить с определённой вероятностью. Электронное облако помогает увидеть это распределение, не превращая его в механическую орбиту.

Электронная оболочка разделена на энергетические уровни, потому что электрон в атоме может находиться лишь в определённых состояниях с определённой энергией. На энергию влияет притяжение со стороны положительно заряженного ядра, а также взаимодействие электронов друг с другом. Чем дальше в среднем электрон от ядра, тем слабее его притяжение ядром и обычно тем выше его энергия. Номер уровня связан с номером периода: у элементов первого периода заняты электронами состояния первого уровня, у элементов второго — второго и так далее.

Уровни разделяются на подуровни s, p, d и f, а каждый подуровень состоит из одной или нескольких орбиталей. s-орбиталь имеет сферическую форму; p-орбитали обычно изображают как два вытянутых лепестка. Орбитали d- и f-подуровней имеют более сложную форму, поэтому для их наглядного изображения используют условные схемы. Число орбиталей на подуровнях возрастает: s — одна, p — три, d — пять, f — семь; подуровни встречаются начиная соответственно с первого, второго, третьего и четвёртого уровня.

На одной орбитали может находиться не более двух электронов, поскольку согласно принципу Паули в атоме не бывает двух электронов с одинаковым набором квантовых характеристик. Если на орбитали два электрона, их спины должны быть противоположными. Поэтому максимальная вместимость подуровня определяется числом его орбиталей: две частицы на каждой дают для s, p, d и f соответственно 2, 6, 10 и 14 электронов. Это ограничение помогает проверять правильность заполнения оболочки.

Распределение электронов записывают в электронной конфигурации: цифра показывает уровень, буква — подуровень, а верхний индекс — число электронов в нём. Например, запись 2p⁶ означает шесть электронов на p-подуровне второго уровня. Электроны распределяют по состояниям с учётом их энергии и вместимости подуровней, поэтому запись начинают с более низких по энергии состояний. Конфигурация позволяет увидеть, какие уровни и подуровни заняты, и затем подсчитать электроны на каждом уровне.

Характеристики энергетических подуровней

Чтобы найти максимальное число электронов на подуровне, умножьте число орбиталей на два: столько частиц помещается на каждой. При определении вместимости уровня сложите вместимости всех входящих в него подуровней. Например, третий уровень включает s-, p- и d-подуровни, поэтому его максимум равен 2 + 6 + 10 = 18 электронов.

Разбор задач

Задача 1. Объясните, почему изображение электрона, движущегося вокруг ядра по заданной окружности, не соответствует современной модели атома. Здесь нужно сопоставить два способа описания: классический, где телу приписана определённая траектория, и современный, где указывается вероятность обнаружения электрона. Образ окружности передаёт первый способ, а не второй.

1. Определим, что означает рисунок с окружностью: он показывает путь, по которому электрон якобы движется вокруг ядра.
2. Сравним это с современным описанием: положение электрона не задаётся как точка на заранее известной траектории; его состояние характеризуют вероятностью обнаружения в разных областях.
3. Сделаем вывод: окружность можно использовать только как упрощённую классическую схему, но не как точное изображение орбитали.

Ответ: такая картинка не соответствует современной модели, потому что приписывает электрону определённую траекторию, тогда как модель описывает его состояние вероятностно.

Задача 2. Определите максимальное число электронов на третьем энергетическом уровне, если на нём имеются s-, p- и d-подуровни. Не следует считать число подуровней числом электронов: сначала нужно учесть количество орбиталей в каждом, а затем вместимость одной орбитали. Воспользуемся тем, что на каждой орбитали помещается максимум два электрона.

1. На s-подуровне одна орбиталь, поэтому он вмещает 1 × 2 = 2 электрона.
2. На p-подуровне три орбитали, поэтому его вместимость равна 3 × 2 = 6 электронов; на d-подуровне пять орбиталей, значит, он вмещает 5 × 2 = 10 электронов.
3. Сложим вместимости подуровней третьего уровня: 2 + 6 + 10 = 18 электронов.

Ответ: на третьем энергетическом уровне может находиться максимум 18 электронов.

Задача 3. Составьте электронную конфигурацию атома серы с атомным номером 16 и укажите распределение электронов по уровням. Атомный номер показывает число протонов, а в нейтральном атоме он равен также числу электронов. Значит, нужно разместить 16 электронов, начиная с состояний более низкой энергии и не превышая вместимость каждого подуровня.

1. Заполняем подуровни по порядку: 1s², затем 2s² и 2p⁶. После этого размещено 2 + 2 + 6 = 10 электронов.
2. Остаётся 16 − 10 = 6 электронов. Заполняем 3s² и 3p⁴, получая полную конфигурацию 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁴.
3. Считаем электроны с одинаковым номером уровня: на первом уровне 2, на втором 2 + 6 = 8, на третьем 2 + 4 = 6.

Ответ: конфигурация серы — 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁴; распределение электронов по уровням — 2, 8, 6.

Типичные ошибки

Называть орбиталь орбитой — значит смешивать область вероятного обнаружения электрона с заданной траекторией. Путаница возникает из-за похожих слов и привычных планетарных схем атома. Проверьте себя: если в объяснении говорится о пути электрона по линии, речь идёт об орбите, а не об орбитали.

Считать электронное облако материальной оболочкой с чёткой границей неверно: оно показывает распределение вероятности обнаружения электрона. Такая ошибка появляется, когда условный рисунок принимают за фотографию атома. Проверка проста: граница облака не означает, что за ней вероятность обнаружения строго равна нулю.

Путать энергетический уровень и подуровень — значит считать их равнозначными понятиями. Уровень включает подуровни, а подуровни обозначают буквами s, p, d и f; ошибка часто возникает из-за того, что оба термина относятся к энергии электронов. Проверьте запись: в обозначении 3p цифра 3 указывает уровень, а буква p — подуровень.

Размещать на одной орбитали более двух электронов или не учитывать число орбиталей на подуровне — значит нарушать принцип Паули или ошибаться во вместимости. Это случается, если считать подуровень одной орбиталью или складывать электроны без учёта их распределения. Для проверки умножьте число орбиталей на два: вместимости s, p, d и f равны 2, 6, 10 и 14.

Связь с другими темами

Для начала нужно знать состав атома, заряд ядра, число протонов и электронов, а также смысл атомного номера: в нейтральном атоме он задаёт число электронов. Представления об уровнях и подуровнях помогают объяснять периодический закон, строение периодической системы и различия в свойствах элементов. Электронные конфигурации используют и при изучении химической связи, и при разборе окислительно-восстановительных процессов. Распределение электронов показывает, какие состояния заняты, и помогает обсуждать взаимодействие атомов.

Что запомнить

• Современная модель описывает состояние электрона вероятностно, а не задаёт его точную траекторию.
• Орбиталь характеризует состояние электрона и область вероятного обнаружения.
• Энергетические уровни состоят из подуровней.
• Подуровни обозначают s, p, d и f.
• На одной орбитали могут находиться не более двух электронов.
• Электронная конфигурация показывает распределение электронов по уровням и подуровням.