§ 46. Электроны в атоме. Орбитали

Определения и обозначения

Электрон — отрицательно заряженная частица, входящая в состав атома. Его заряд равен −1, или примерно −1,6 · 10⁻¹⁹ Кл, а притяжение к положительно заряженному ядру помогает удерживать электрон в атоме. Это определение нужно, чтобы понимать, какие частицы описывают при изучении электронного строения.

Орбиталь — область пространства около ядра, где вероятность обнаружить электрон наиболее велика. Она показывает не точное место частицы, а область, в которой её можно найти с большой вероятностью. Понятие орбитали помогает описывать расположение электронов, не приписывая им точные дорожки движения.

Электронное облако — условное изображение распределения вероятности нахождения электрона вокруг ядра. Облако не является веществом или отдельной частицей: так наглядно показывают, в каких областях электрон обнаруживается чаще. Это представление удобно, когда нужно мысленно представить орбиталь.

Энергетический уровень — совокупность состояний электронов в атоме, имеющих близкую энергию. Уровень может включать орбитали разных типов, поэтому электроны на нём не обязательно расположены одинаково. Это понятие нужно, чтобы последовательно описывать, как электроны распределяются в атоме.

Как это устроено

Нельзя представлять электрон как крошечную планету, движущуюся по строго заданной окружности вокруг ядра. Для микрочастиц невозможно описать движение такой же точной траекторией, как для привычных крупных тел. Поэтому положение электрона описывают вероятностно: указывают, где его обнаружить более или менее вероятно.

Орбиталь помогает заменить идею точной дорожки представлением об области вероятного нахождения электрона. Она не означает, что электрон неподвижен или «размазан» по пространству, а описывает возможные результаты его обнаружения. Поэтому орбиталь нельзя отождествлять с траекторией, по которой частица якобы проходит снова и снова.

Разные орбитали имеют разные формы, потому что вероятность обнаружить электрон неодинаково распределена в пространстве. s-орбиталь сферическая: её области вероятного нахождения расположены вокруг ядра во всех направлениях. p-орбиталь имеет два лепестка по разные стороны от ядра, и такая форма отражает другое распределение вероятности.

Орбитали объединяются в энергетические уровни, потому что электронные состояния можно сгруппировать по близкой энергии. В одном уровне могут находиться орбитали нескольких типов: например, одна s-орбиталь и три p-орбитали. Тип описывает форму и расположение области, а номер уровня связан с энергетическим состоянием электрона, поэтому эти признаки не противоречат друг другу.

Одна орбиталь вмещает максимум два электрона, а не любое их число. Это ограничение связано с устройством атома: двум электронам на одной орбитали нужно различаться спинами — внутренними квантовыми свойствами. Поэтому при подсчёте вместимости сначала считают орбитали, а затем умножают их число на два.

Типы орбиталей и их особенности

Чтобы пользоваться таблицей, сначала выберите тип орбитали и найдите число орбиталей этого типа на подуровне. Затем умножьте это число на два: столько электронов подуровень может вместить максимально. Например, три p-орбитали вмещают до шести электронов.

Разбор задач

Задача 1

Опишите, чем орбиталь отличается от траектории движения электрона вокруг ядра. Сначала уточним, что именно обозначают эти понятия, а затем сравним их смысл. Это поможет не представлять атом как уменьшенную копию Солнечной системы.

1. Траектория — точный путь, по которому движется тело, если его положение и движение можно описать таким способом.
2. Орбиталь показывает область, где электрон можно обнаружить с наибольшей вероятностью.
3. Следовательно, орбиталь не задаёт путь электрона во времени, а описывает вероятное место его обнаружения.

Ответ: орбиталь — область вероятного нахождения электрона, а не точная траектория вокруг ядра.

Задача 2

В атоме рассматривают одну s-орбиталь. Нужно определить, сколько электронов может находиться на ней максимально. Здесь не требуется учитывать форму орбитали: достаточно применить общее ограничение для одной орбитали.

1. На одной орбитали допускается не более двух электронов.
2. В условии дана одна орбиталь, значит, её максимальная вместимость равна двум электронам.

Ответ: на одной s-орбитали могут находиться максимум два электрона.

Задача 3

На энергетическом уровне находятся одна s-орбиталь и три p-орбитали. Определите максимальное число электронов на этом уровне. Чтобы не пропустить орбитали, отдельно посчитаем их число, а затем применим правило вместимости.

1. Всего орбиталей: 1 + 3 = 4.
2. На каждой орбитали могут находиться максимум два электрона.
3. Умножаем число орбиталей на два: 4 · 2 = 8.

Ответ: максимальное число электронов на уровне — 8.

Типичные ошибки

• Считать орбиталь дорожкой, по которой электрон движется вокруг ядра. Такую ошибку допускают, перенося на атом привычную модель движения планет; проверьте себя вопросом: указывает ли орбиталь точный путь или только область вероятного обнаружения? Верен второй вариант.

• Путать орбиталь или электронное облако с самим электроном. Это происходит потому, что облако на рисунках выглядит как объект; помните, что оно лишь условно показывает распределение вероятности, а электрон — частица.

• Полагать, что на одной орбитали может находиться любое число электронов. Ошибка возникает, если смешать вместимость орбитали с вместимостью целого уровня; для проверки вспомните правило: одна орбиталь вмещает максимум два электрона.

• Считать, что все орбитали сферические. Такое представление появляется, если запомнить форму s-орбитали и распространить её на остальные; проверьте обозначение типа: сферическая форма характерна для s, а p-орбиталь имеет два лепестка.

Связь с другими темами

Для изучения орбиталей нужно знать строение атома: в нём есть ядро и электроны, а частицы имеют разные заряды. Эти сведения помогают понять, почему электроны удерживаются около ядра и где рассматривают их вероятное положение. Позже орбитали понадобятся для записи электронных конфигураций атомов, то есть распределения электронов по состояниям. Такое распределение помогает объяснить закономерности периодического закона.

Что запомнить

• Электрон — отрицательно заряженная частица атома.
• Орбиталь — область наиболее вероятного нахождения электрона.
• Орбиталь не является точной траекторией электрона.
• s-орбиталь имеет сферическую форму.
• p-орбитали имеют форму двух лепестков.
• На одной орбитали могут находиться не более двух электронов.