§ 12. Структура электронной оболочки атома

В электронных оболочках атомов орбитали существуют не хаотично. Они образуют четкие структуры, которые отличаются по числу и типу орбиталей.

Структуру орбиталей в атоме можно сравнить с многоэтажным домом, в котором отдельные комнаты — это орбитали. Каждый этаж — это энергетический уровень, или энергетический слой.

Энергетический уровень объединяет определенное число орбиталей, имеющих приблизительно одинаковую энергию (рис. 12.1).

Каждый энергетический уровень обозначают числом n (n = 1, 2,

3, . ) или большой латинской буквой (K, L, M и далее по алфавиту).

Для первого (ближайшего к ядру) уровня n = 1 (уровень K), для

второго n = 2 (уровень L), для третьего n = 3 (уровень M) и т. д. Слоистое строение электронной оболочки атомов можно изобразить так: окружностью обозначено ядро, которое имеет определенный заряд, а дугами — энергетические уровни:

Каждый уровень с номером n содержит n 2 орбиталей.

Таким образом, первый энергетический уровень состоит из одной орбитали, второй — из четырех, третий — из девяти и т. д.

В многоэтажном доме каждый этаж разделен на квартиры. Но наш дом необычный. Число квартир на каждом этаже равно номеру этажа, т. е. на первом этаже одна квартира, на втором — две и т. д. Так же и в электронной оболочке каждый энергетический уровень состоит из энергетических подуровней.

Число энергетических подуровней на энергетическом уровне равно номеру этого уровня.

Энергетические подуровни обозначают так же, как и орбитали:

Номер энергетического уровня

n = 1 n = 2 n = 3 n = 4

Число подуровней и их тип

Один подуровень: s Два подуровня: s и p Три подуровня: s, p и d Четыре подуровня: s, p, d и f

Обычно квартиры в домах разделены на комнаты. В нашем случае комнаты — это орбитали.

Каждый энергетический подуровень может содержать только определенное число орбиталей, которое соответствует его типу:

Число орбиталей на подуровне 1

Можно перечислить орбитали, из которых состоят энергетические уровни и подуровни, следующим образом (для первых трех уровней):

Графически орбиталь принято обозначать квадратом. Орбитали первых четырех энергетических уровней будут выглядеть так:

Как видим, первый энергетический уровень состоит из одного s-подуровня, образованного одной s-орбиталью. Второй уровень состоит из двух подуровней (s и p), образованных одной s-орбиталью и тремя p-орбиталями (всего четыре). Третий уровень состоит из трех подуровней (s, p и d), образованных одной s-орбиталью, тремя p-орбиталями и пятью d-орбиталями (всего девять). На четвертом уровне добавляется еще семь /-орбиталей и всего четвертый уровень состоит из 16 орбиталей. Таким образом, общее число орбиталей на уровне n соответствует количеству n 2 .

Обратите внимание, что энергетические уровни при графическом изображении нумеруются снизу вверх. Таким образом подчеркивают, что снизу вверх возрастает энергия энергетических уровней. Следовательно, первый энергетический уровень является ближайшим к ядру и энергетически самым низким. Находящиеся на нем электроны имеют наименьшую энергию. Чем выше расположен энергетический уровень, тем дальше от ядра он находится и тем большую энергию имеют электроны.

Итак, электронные оболочки атомов имеют довольно сложную, но четкую структуру из энергетических уровней, подуровней и орбиталей. Как они заполняются электронами, вы узнаете в следующем параграфе.

• В атоме орбитали располагаются таким образом, что ядро атома совпадает с центром каждой орбитали. Если подуровень состоит из нескольких орбиталей, то они располагаются таким образом, чтобы быть максимально отдаленными друг от друга. Например, три р-орбитали будут расположены вдоль взаимно перпендикулярных осей с центром в ядре атома.

• При графическом изображении орбиталей электронной оболочки атомов на пятом энергетическом уровне необходимо добавлять g-орбитали, но ни в одном химическом элементе они не заполняются электронами, поэтому структуру энергетических уровней, начиная с четвертого, изображают одинаково — состоящими из четырех подуровней.

Английский физик Чарлз Баркла, предлагая обозначать энергетические уровни буквами, сначала использовал буквы A, B, C и далее. Но затем предположил, что, возможно, существуют еще более низкие энергетические уровни, поэтому, чтобы оставить буквы алфавита для этих более низких уровней, он начал обозначение с буквы K (затем L, M и далее). Со временем оказалось, что он открыл самые низкие уровни, но другие буквы присваивать им так и не стали.

Обозначение энергетических подуровней (s, p, d, f) никоим образом не связано с формой орбиталей. Названия подуровням давали ученые, которые изучали излучение атомов с этих орбиталей. Они назвали их по форме полос излучения: sharp — выразительная, principal — главная, diffuse — размытая, диффузная, fundamental — основная. А когда открыли следующий подуровень, его просто обозначили следующей буквой после f, т. е. д.

Орбитали образуют энергетические уровни. Каждый энергетический уровень состоит из энергетических подуровней, которые, в свою очередь, состоят из определенного числа орбиталей.

1. Что называют: а) энергетическим уровнем; б) энергетическим подуровнем?

2. Какие энергетические подуровни есть на первом, втором и третьем энергетических уровнях?

3. Из скольких орбиталей состоит каждый из известных вам энергетических подуровней?

Задания для усвоения материала

1. Изобразите графически структуру орбиталей в атоме для первых трех энергетических уровней.

2. Как вы представляете пространственное расположение одной s-орбитали и трех p-орбиталей в атоме? Изобразите это на рисунке, за начало координат примите центр атомного ядра.