§ 38. Состояние электронов в атоме

Определения и обозначения

Состояние электрона в атоме — описание его энергии и вероятности нахождения в разных областях вокруг ядра. Электрон не следует представлять как крошечную планету, летящую по неизменной круговой орбите. Такое описание нужно, чтобы говорить о строении атома, не приписывая электрону точную траекторию, которую школьная модель показать не может.

Электронное облако — область пространства вокруг ядра, в которой электрон можно обнаружить с большой вероятностью. Слово «облако» передаёт неопределённость положения электрона, а не означает, что вокруг ядра находится вещество вроде тумана. Эта модель помогает представить, где электроны могут находиться и как их распределение связано со свойствами атома.

Энергетический уровень — совокупность состояний электронов, имеющих близкую энергию. Уровни обозначают целыми числами n = 1, 2, 3…; первый расположен ближе всего к ядру. Обозначения позволяют упорядочить электроны в схеме атома и показать, какие из них сильнее связаны с ядром.

Как это устроено

Ядро атома имеет положительный заряд, а электрон — отрицательный, поэтому ядро притягивает электроны. Однако они не падают на ядро: в атоме электрон может находиться только в определённых состояниях с определёнными значениями энергии. Из-за этого удобнее говорить об энергетических уровнях и вероятности нахождения электрона, а не о движении по готовым дорожкам. Чем дальше уровень от ядра, тем в среднем выше энергия находящихся на нём электронов.

Электроны занимают уровни не случайно. Сначала заполняются состояния с меньшей энергией, то есть расположенные ближе к ядру, а затем — более высокие. На первом энергетическом уровне помещается максимум 2 электрона, на втором — 8; максимальная вместимость уровня с номером n в общей модели равна 2n². При составлении простых школьных схем для первых двадцати элементов обычно используют распределение 2, 8, 8, 2: оно отражает порядок заполнения уровней в этих примерах, а не полную вместимость третьего уровня.

Число электронов в нейтральном атоме равно порядковому номеру элемента, потому что положительный заряд ядра и отрицательный заряд электронов взаимно уравновешиваются. Поэтому порядковый номер позволяет узнать общее число электронов, а затем распределить их по уровням. Электроны внешнего уровня расположены дальше от ядра и обычно участвуют в химических взаимодействиях активнее внутренних. Так устройство атома связывает электронную схему с химическими свойствами элемента.

Распределение электронов по уровням

Чтобы пользоваться таблицей, сначала найдите порядковый номер элемента: у нейтрального атома он показывает общее число электронов. Затем распределите электроны по уровням, начиная с первого и соблюдая вместимость уровней, принятую для школьной схемы. Проверьте, что сумма чисел в записи совпадает с порядковым номером.

Разбор задач

Задача. Составьте распределение электронов по энергетическим уровням для атома фосфора и определите число электронов на его внешнем уровне. Фосфор — нейтральный атом, поэтому число электронов в нём можно узнать по порядковому номеру. Нужно не просто записать это число, а последовательно распределить все электроны по уровням и проверить результат.

1. Находим фосфор в периодической системе: его порядковый номер равен 15. Значит, заряд ядра соответствует 15 положительным зарядам, а в нейтральном атоме находится 15 электронов.
2. Заполняем первый уровень. На нём помещаются не более 2 электронов, поэтому записываем 2; остаётся 15 − 2 = 13 электронов.
3. Переходим ко второму уровню. На нём помещается до 8 электронов, поэтому записываем 8; после этого остаётся 13 − 8 = 5 электронов.
4. Оставшиеся 5 электронов записываем на третьем уровне. Получаем распределение 2, 8, 5. Сумма 2 + 8 + 5 = 15 совпала с порядковым номером, значит, число электронов учтено полностью.
5. Внешний уровень — самый удалённый из занятых, здесь это третий. В записи на нём стоит число 5, следовательно, у атома фосфора пять электронов на внешнем уровне.

Ответ: распределение электронов фосфора — 2, 8, 5; на внешнем уровне находятся 5 электронов. Проверка суммы нужна, чтобы не потерять электрон и не приписать атому лишний. Если в задаче речь идёт об ионе, а не о нейтральном атоме, общее число электронов может отличаться от порядкового номера — заряд иона тогда обязательно учитывают.

Типичные ошибки

• Электроны изображают как планеты на точных круговых орбитах. Такую картинку легко запомнить, потому что она наглядна, но она создаёт неверное представление о точном пути электрона. Проверка: спросите себя, показывает ли схема только уровни или обещает указать траекторию. Для школьного объяснения говорите об электронных облаках и вероятности нахождения.

• Порядковый номер принимают за число электронов в любом атоме. Это верно для нейтрального атома, но ученик может забыть об ионах, у которых число электронов изменено. Ошибка возникает, когда заряд частицы не проверяют. Перед расчётом определите, дана нейтральная частица или ион; если указан заряд, учтите потерю или присоединение электронов.

• Записывают уровни, не проверяя сумму электронов. При последовательном распределении легко пропустить электрон или поставить его дважды. После записи сложите числа по уровням и сравните результат с числом электронов атома. Для нейтрального атома сумма должна совпасть с порядковым номером элемента.

• Считают, что третий уровень всегда содержит не более восьми электронов. Это ограничение часто переносят из простых схем первых двадцати элементов на все атомы. Так смешивают школьный порядок заполнения уровней с их максимальной вместимостью. Проверяйте, о чём именно вопрос: в простой схеме первых двадцати элементов третий уровень записывают до восьми, а общая формула вместимости — 2n².

Связь с другими темами

Порядковый номер элемента связывает строение его ядра с числом электронов в нейтральном атоме, поэтому знания о составе атома нужны для составления электронных схем. Распределение электронов по уровням помогает понять, почему элементы одного столбца периодической системы имеют похожие свойства: у них сходно устроен внешний уровень. Представления о внешних электронах понадобятся при изучении химической связи и образования ионов. При этом электронная схема остаётся моделью строения, а не рисунком точных траекторий.

Что запомнить

• Состояние электрона описывают его энергией и вероятностью нахождения в области вокруг ядра.
• Электронное облако показывает область вероятного нахождения электрона, а не его точную траекторию.
• Уровни заполняются начиная с ближайшего к ядру; на первом помещается до 2 электронов, на втором — до 8.
• В нейтральном атоме число электронов равно порядковому номеру элемента.
• После составления схемы сложите числа электронов на уровнях и проверьте сумму.
• Число электронов на внешнем уровне помогает объяснять химические свойства элемента.