§ 31. Строение электронных оболочек атомов

КВАНТОВАЯ ПРИРОДА МИКРОМИРА И ЭЛЕКТРОННОЕ ОБЛАКО

Планетарная модель Эрнеста Резерфорда, сравнивавшая атом с миниатюрной Солнечной системой, сыграла огромную роль в науке, однако являлась лишь первым приближением к истине. Законы макромира, описывающие движение планет или брошенного камня по четким траекториям, в масштабах микромира перестают работать.

Элементарные частицы (включая электрон) обладают удивительной двойственной природой — корпускулярно-волновым дуализмом: они проявляют свойства одновременно и дискретных материальных частиц, и непрерывных электромагнитных волн. Движение электрона в атоме представляет собой сложный колебательный процесс. Невозможно одновременно с абсолютной точностью определить координаты и скорость электрона, поэтому физика отказалась от понятия фиксированной траектории («орбиты»).

В современной химии электрон рассматривают как отрицательный электрический заряд, с колоссальной скоростью распределенный («размазанный») в околоядерном пространстве. Область пространства вокруг ядра, в которой вероятность нахождения электрона максимальна (обычно принимается 90–95%), называют электронным облаком (или орбиталью), а плотность распределения заряда — электронной плотностью.

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ УРОВНИ И ИХ ВМЕСТИМОСТЬ

В атоме с несколькими электронами частицы не перемешаны хаотично. Они существенно различаются запасом своей энергии. Чем ближе электрон находится к положительно заряженному ядру, тем сильнее он им притягивается и тем меньшим запасом потенциальной энергии обладает. По мере удаления от ядра энергия электрона закономерно возрастает.

Электроны, обладающие близкими значениями энергии, образуют единый энергетический уровень (или электронный слой). Энергетические уровни нумеруют целыми числами, начиная от ядра: n = 1, 2, 3, 4...

Число энергетических уровней (электронных слоев) в атоме строго равно номеру периода, в котором расположен данный химический элемент в Периодической системе Д. И. Менделеева.

У элементов 1-го периода (водород, гелий) заполняется только один энергетический уровень; у элементов 2-го периода (от лития до неона) электроны распределены по двум слоям; у элементов 3-го периода — по трем, а у элементов 7-го периода — по семи слоям.

Наибольшее число электронов, которое способен вместить энергетический уровень с номером n, рассчитывается по фундаментальной формуле:

N = 2n²

• 1-й уровень (n = 1): максимально вмещает 2 · 1² = 2 электрона;
• 2-й уровень (n = 2): максимально вмещает 2 · 2² = 8 электронов;
• 3-й уровень (n = 3): максимально вмещает 2 · 3² = 18 электронов;
• 4-й уровень (n = 4): максимально вмещает 2 · 4² = 32 электрона.

Энергетический уровень, полностью заполненный электронами до теоретического предела, называют завершённым.

ВНЕШНИЙ ЭЛЕКТРОННЫЙ СЛОЙ И ПРАВИЛО ОКТЕТА

Химические свойства элементов определяются не всеми электронами атома, а в первую очередь строением его самого наружного — внешнего энергетического уровня.

В химии действует незыблемое правило: внешний слой атома любого химического элемента не может содержать более 8 электронов (завершенный электронный октет). Исключение составляет лишь первый уровень, для которого завершенным является двухэлектронное состояние (дублет у гелия).

Для элементов главных подгрупп (А-групп) справедливо важнейшее соотношение:

Число электронов на внешнем энергетическом уровне атома элемента главной подгруппы равно номеру группы в таблице Менделеева.

Так, атомы элементов IA-группы (щелочные металлы) имеют на внешнем слое 1 электрон, IIA-группы — 2 электрона, VIA-группы (халькогены) — 6 электронов, VIIA-группы (галогены) — 7 электронов, а благородные газы VIIIA-группы — 8 электронов (кроме гелия с 2 электронами).

ПОРЯДОК ЗАПОЛНЕНИЯ ЭЛЕКТРОННЫХ ОБОЛОЧЕК АТОМОВ № 1–20

Электроны занимают энергетические уровни последовательно, начиная с самого близкого к ядру уровня с наименьшей энергией (принцип наименьшей энергии):

1. Элементы 1-го периода:
   • Водород ₁H (+1): имеет единственный электрон на 1-м уровне — 1e⁻.
   • Гелий ₂He (+2): имеет 2 электрона на 1-м уровне — 2e⁻. Первый уровень полностью завершен. Сформировавшаяся устойчивая электронная пара делает гелий химически инертным благородным газом.

1. Элементы 2-го периода:

Появляется второй энергетический уровень. Первый уровень остается заполненным (2e⁻), а второй последовательно заполняется от 1 до 8 электронов:

• Литий ₃Li (+3): 2, 1;
  • Бериллий ₄Be (+4): 2, 2;
  • Бор ₅B (+5): 2, 3;
  • Углерод ₆C (+6): 2, 4;
  • Азот ₇N (+7): 2, 5;
  • Кислород ₈O (+8): 2, 6;
  • Фтор ₉F (+9): 2, 7;
  • Неон ₁₀Ne (+10): 2, 8. Внешний слой неона полностью завершен устойчивым октетом из 8 электронов.

1. Элементы 3-го периода:

Начинается формирование третьего энергетического уровня, в то время как первые два слоя остаются завершенными (2, 8):

• Натрий ₁₁Na (+11): 2, 8, 1;
  • Магний ₁₂Mg (+12): 2, 8, 2;
  • Алюминий ₁₃Al (+13): 2, 8, 3;
  • Кремний ₁₄Si (+14): 2, 8, 4;
  • Фосфор ₁₅P (+15): 2, 8, 5;
  • Сера ₁₆S (+16): 2, 8, 6;
  • Хлор ₁₇Cl (+17): 2, 8, 7;
  • Аргон ₁₈Ar (+18): 2, 8, 8. Внешний слой аргона завершен октетом.

1. Элементы 4-го периода (начало):

Хотя третий уровень теоретически вмещает 18 электронов, заполнение устойчивого 8-электронного внешнего слоя приводит к тому, что следующие электроны начинают заселять более выгодный по энергии четвертый уровень:

• Калий ₁₉K (+19): 2, 8, 8, 1;
  • Кальций ₂₀Ca (+20): 2, 8, 8, 2.

ФИЗИЧЕСКАЯ ПРИЧИНА ПЕРИОДИЧНОСТИ СВОЙСТВ

Сравнение электронных формул атомов раскрывает сокровенную тайну химии. Элементы, расположенные в одной и той же главной подгруппе, имеют одинаковую конфигурацию внешнего электронного слоя:

• Литий ₃Li (2, 1), натрий ₁₁Na (2, 8, 1), калий ₁₉K (2, 8, 8, 1) — содержат ровно по 1 электрону на внешнем слое.
• Фтор ₉F (2, 7) и хлор ₁₇Cl (2, 8, 7) — содержат по 7 электронов на внешнем слое.
• Неон ₁₀Ne (2, 8) и аргон ₁₈Ar (2, 8, 8) — содержат по 8 электронов (завершенный октет).

Причина периодического повторения химических свойств элементов заключается в периодическом повторении электронного строения внешних энергетических уровней их атомов.

По мере роста заряда ядра внешний слой постепенно заполняется от 1 до 8 электронов, завершаясь у благородного газа. Затем начинается новый период — формируется следующий энергетический уровень, и весь цикл повторяется на новом качественном витке.