"Химия", Еремин В.В., Кузьменко Н.Е. и др.
Электрон в атоме нельзя представить маленькой частицей, которая движется по точно известной дорожке вокруг ядра. Вместо траектории описывают вероятность обнаружить его в разных областях пространства — электронных облаках. Атомная орбиталь характеризует состояние электрона и связанную с ним область. Орбитали различаются формой и направлением: s-орбиталь шарообразная, p-орбитали гантелеобразные. На одной орбитали помещаются не более двух электронов. Эти представления помогают описывать строение атомов и объяснять химические свойства элементов.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Электронное облако — область вокруг ядра, где электрон можно обнаружить с наибольшей вероятностью. Его нельзя считать точным следом или дорожкой электрона: квантовая модель описывает вероятность его положения, а не заранее известный путь. Облако помогает представить, где электрон обычно обнаруживается.
Атомная орбиталь — состояние электрона в атоме и связанная с ним область пространства. Орбиталь не является орбитой: она не задаёт точную траекторию движения вокруг ядра. Это понятие нужно, чтобы описывать возможные состояния электронов и их расположение в атоме.
s-орбиталь — атомная орбиталь с шарообразным электронным облаком. На каждом энергетическом уровне есть одна s-орбиталь. С её помощью описывают электрон, вероятность обнаружения которого не выделяет какое-либо направление вокруг ядра.
p-орбиталь — орбиталь с гантелеобразным электронным облаком. Начиная со второго энергетического уровня, на уровне есть три p-орбитали. Их облака направлены по-разному, поэтому вместе они показывают несколько возможных пространственных ориентаций состояния электрона.
В классической картине можно было бы нарисовать электрон как маленькое тело на определённой орбите. Но такое изображение обещает больше, чем мы можем сказать об электроне в атоме: его точное положение и путь нельзя одновременно задать как обычную траекторию. Поэтому используют вероятностное описание. Оно показывает, в каких областях пространства электрон обнаруживается чаще, и позволяет строить модель атома.
Электронное облако и орбиталь связаны, но это не одно и то же описание. Облако наглядно показывает распределение вероятности обнаружить электрон вокруг ядра, а орбиталь характеризует его состояние. Границу облака на рисунке проводят условно: за ней вероятность не становится нулевой. Такое различие помогает не принимать изображение области за непроницаемую оболочку или точную форму пути электрона.
У s-орбитали облако шарообразное, потому что вероятность обнаружить электрон распределена вокруг ядра без выделенного направления. У p-орбитали область вероятного обнаружения имеет две вытянутые части по разные стороны от ядра, поэтому её изображают как гантель. На одном уровне p-орбитали ориентированы вдоль трёх взаимно перпендикулярных направлений. Это три разных орбитали одного типа, а не одна орбиталь, которая поворачивается.
Орбитали объединяют в энергетические уровни: уровень задаёт общий набор возможных состояний электронов в атоме. На первом уровне есть одна s-орбиталь, а со второго уровня появляются также три p-орбитали. Поэтому на втором уровне набор орбиталей отличается от набора на первом. Уровень нельзя представлять одной сферической оболочкой: в его составе могут быть орбитали разных типов и форм.
На одной орбитали могут находиться не более двух электронов. Это правило ограничивает число электронов, которое можно отнести к одному и тому же состоянию, и позволяет считать вместимость уровней по числу входящих в них орбиталей. Например, четыре орбитали второго уровня могут вместить максимум восемь электронов. Так описывают строение атомов, не пытаясь рисовать для каждого электрона отдельную точную траекторию.
В таблице сопоставлены форма и пространственное расположение облаков, а также число орбиталей и их вместимость. Количество p-орбиталей указано для уровня, на котором p-орбитали существуют; они появляются со второго уровня. Для определения максимального числа электронов умножайте число орбиталей каждого типа на два.
| Характеристика | s-орбиталь | p-орбиталь |
|---|---|---|
| Форма электронного облака | Шарообразная | Гантелеобразная |
| Количество орбиталей данного типа на уровне | Одна на каждом уровне | Три, начиная со второго уровня |
| Пространственная ориентация | Не выделяет направления | Три разных взаимно перпендикулярных направления |
| Максимальное число электронов на одной орбитали | Два | Два |
Задача 1. У атома водорода электрон находится на первом энергетическом уровне. Какой тип орбитали соответствует этому уровню и сколько электронов может на ней находиться?
Ответ: электрон находится на s-орбитали; на ней может находиться не более двух электронов.
Задача 2. На втором энергетическом уровне заполнены одна s-орбиталь и три p-орбитали. Сколько всего орбиталей и сколько электронов максимально может находиться на этом уровне?
Ответ: четыре орбитали; максимально восемь электронов.
Задача 3. Ученик нарисовал электрон p-типа, движущийся по замкнутой гантелеобразной траектории. Найдите и исправьте ошибку в изображении.
Ответ: гантель — условная форма области вероятного обнаружения, а не замкнутый путь электрона; p-орбиталь изображают с одной из трёх пространственных ориентаций.
Считать орбиталь дорожкой, по которой электрон движется вокруг ядра, — ошибка. Её допускают, потому что слова «орбита» и «орбиталь» похожи и на схемах хочется увидеть траекторию. Орбиталь описывает состояние и вероятность обнаружения электрона, а не точный путь. Проверьте себя: если на рисунке показана линия движения, а не область вероятности, это не изображение орбитали.
Принимать электронное облако за поверхность, внутри которой электрон находится постоянно, тоже неверно. Границы на схемах выглядят чёткими, хотя область наибольшей вероятности не является непроницаемой оболочкой. За условной границей вероятность обнаружить электрон не обязательно равна нулю. Проверка: облако показывает, где электрон обнаруживается вероятнее, а не где он гарантированно находится.
Считать, что у атома может быть только одна p-орбиталь, — значит перепутать тип орбитали с отдельной орбиталью. Ошибку провоцирует рисунок одной гантели: он показывает лишь одну ориентацию. На уровне, где есть p-орбитали, их три, и они направлены по-разному. Проверьте, различаете ли вы число орбиталей и форму одной из них.
Размещать на одной орбитали больше двух электронов нельзя. Иногда число электронов всего на энергетическом уровне ошибочно переносят на одну орбиталь. Но правило о максимуме двух относится к каждой отдельной орбитали; на уровне орбиталей может быть несколько. Чтобы проверить ответ, посчитайте орбитали по отдельности и умножьте их число на два для максимальной вместимости.
Для этой темы нужны знания о составе атома, заряде электрона и энергетических уровнях: они помогают понять, что именно описывают орбитали. Далее распределение электронов по орбиталям используют при записи электронных конфигураций и объяснении периодического изменения свойств элементов. Эта модель связана и с химической связью: расположение электронов помогает объяснять, как атомы образуют связи и как устроены молекулы.
Чем орбиталь отличается от орбиты?
Орбита — это точный путь движения тела, например планеты. Атомная орбиталь не является дорожкой: она описывает состояние электрона и область, где его вероятнее всего обнаружить.
Что показывает электронное облако?
Электронное облако показывает области вокруг ядра, в которых электрон можно обнаружить с разной вероятностью. Оно не означает, что электрон постоянно находится внутри чётко очерченной границы.
Почему s-орбиталь изображают в виде шара?
Вероятность обнаружить электрон на s-орбитали одинакова во всех направлениях от ядра. Поэтому её электронное облако изображают шарообразным.
Почему p-орбиталей три?
p-орбитали имеют одинаковую форму, но различаются направлением в пространстве. На энергетическом уровне, где есть p-орбитали, их три: они ориентированы вдоль трёх взаимно перпендикулярных направлений.
Сколько электронов может находиться на одной орбитали?
На одной орбитали может находиться не более двух электронов. Это ограничение относится к каждой отдельной орбитали, а не ко всему энергетическому уровню.
§ 46. Электроны в атоме. Орбитали
