Где же электороны
В ранних моделях атома электроны кружились вокруг ядра в произвольном порядке. Но более глубоко проникнув в природу атома, ученые обнаружили, что такое представление ошибочно. В настоящее время существует две модели структуры атома: модель Бора и кван-тово-механическая. Первая из них простая и относительно легкая для понимания, в то время как в основе второй лежат сложные математические расчеты, и понять ее гораздо труднее. Впрочем, чтобы получить полное представление о строении атома, следует более подробно ознакомиться с обеими моделями.
Где же электороны
С помощью модели можно наглядно представить то, что наблюдается в природе. Однако зачастую, чтобы дать представление о каком-то объекте и помочь людям его понять, используется несколько моделей.
Модель Бора: уж точно не соскучишься
Приходилось ли вам покупать цветные кристаллы для камина, чтобы пламя в нем было разноцветным? Или же, наблюдая за фейерверком, восхищаться многообразием цветов?
Эти цвета соответствуют разным элементам. Если бросить в огонь поваренную соль (или любую соль, содержащую натрий), то цвет пламени будет желтым. Соли, содержащие медь, дают зеленовато-синее пламя. Ну а если взглянуть на пламя через спектроскоп (прибор, который с помощью призмы разлагает свет на компоненты), то можно увидеть ряд отдельных цветных линий, разделенных темными промежутками. Все вместе эти отдельные цветные линии образуют линейчатый спектр.
Объяснение этому спектру дал датский физик Нильс Бор, когда занимался разработкой модели атома.
Согласно теории Бора, электроны в атоме вращаются вокруг ядра не по любым, а только по определенным круговым орбитам, соответствующим разным значениям энергии (подобно планетам, вращающимся вокруг Солнца). Для описания орбит с разными значениями энергии Бор использовал термин уровни энергии (или оболочки). Кроме того, он утверждал, что энергия электронов в атоме не может меняться непрерывно, а изменяется скачками. Поэтому в атоме возможны не любые энергетические состояния электронов, а лишь определенные. Другими словами, энергетические состояния электронов в атоме квантованы.
Энергия электрона, вращающегося вокруг ядра, зависит от радиуса орбиты. Электрон обладает минимальной энергией, находясь на ближайшей к ядру орбите (так называемое нормальное состояние атома). При поглощении кванта энергии электрон переходит на менее стабильный уровень (или оболочку) с более высокой энергией. При этом энергия атома увеличится и он перейдет в возбужденное состояние.
Переход электрона в обратном направлении (т. е. с более удаленной орбиты на более близкую к ядру) приведет к уменьшению энергии атома и освобождению поглощенной им энергии (рис. 3.3). Этим и объясняется появление линейчатого спектра. Иногда энергия, освобожденная электронами, занимает такую часть электромагнитного спектра, которую глаз человека воспринимает как видимый свет. Различия в количестве энергии отображаются разным цветом.
Как уже отмечалось, чем ближе к ядру находится электрон, тем меньше его энергия, а чем дальше, тем его энергия больше. Таким способом Бор пронумеровал уровни энергии электрона. Чем выше номер такого уровня, тем дальше электрон находится от ядра и тем большей энергией обладает.
Кроме того, Бор обнаружил, что на разных энергетических уровнях может находиться разное количество электронов: первый уровень содержит до двух электронов, второй — до восьми и т.д.
Теория Бора хорошо подходила для простых атомов, например водорода (в атоме водорода находится всего один электрон), но не для атомов с более сложной структурой. Однако она была важным этапом в развитии представлений о строении атома. В 20-х годах XX века появилась новая теория строения атома, основанная на представлениях квантовой механики.
Квантово-механическая модель
Поскольку с помощью теории Бора нельзя было объяснить строение сложных атомов, учеными была разработана основанная на достаточно сложных математических расчетах квантово-механическая модель строения атома.
В основу этой модели положена квантовая теория, согласно которой электрон имеет двойственную природу, т. е. обладает свойствами не только частицы (например, имеет определенную массу), но и волны (его движение может быть описано определенной амплитудой, длиной волны и пр.). Следовательно, нельзя говорить о какой-либо определенной траектории движения электрона, можно лишь судить о той или иной вероятности пребывания его в данной точке пространства. Это так называемый принцип неопределенности. В связи с этим ученым пришлось заменить орбиты Бора орбиталями (которые, в свою очередь, используются для характеристики формы электронных облаков — это области пространства, в которых существует вероятность пребывания электрона). Другими словами, определенность заменили вероятностью.
Вместо простых круглых орбит Бора в квантово-механической модели атома используются орбитали со сложными формами. В этом разделе приведены некоторые особенности новейшей модели строения атома, причем без сложных математических вычислений.
По современным представлениям состояние электрона в атоме описывается с помощью четырех чисел, которые называются квантовыми, причем названия им дали не иначе как «технари» высокого уровня:
S главное квантовое число n;
S орбитальное (или азимутальное) квантовое число l;
S магнитное квантовое число m;
S спиновое квантовое число ms.
Краткое описание квантовых чисел приведено в табл. 3.3. С помощью этих четырех чисел можно достаточно точно описать конкретный электрон.
Главное квантовое число n
Описывает среднее расстояние от орбитали до ядра, а также энергетическое состояние электрона, находящегося в атоме. Это, в сущности, примерно то же самое, что и номера энергетических уровней в модели Бора. Главное квантовое число n может принимать положительные целочисленные значения: 1, 2, 3, 4 и т.д. Чем больше значение n, тем выше энергия электрона и больше размер электронного облака. Электроны, характеризующиеся одним и тем же значением главного квантового числа, образуют в атоме электронные облака одинакового размера, которые называются электронными оболочками.
Орбитальное квантовое число l
Также называется побочным или азимутальным и описывает форму орбитали, которая зависит от главного квантового числа n. Орбитальное квантовое число l может принимать целочисленные значения от 0 до n – 1. Например, при n = 3 возможны значения l, равные 0, 1 и 2.
Значением l определяется форма орбитали, а значением n — ее размер.
Орбитали, имеющие одинаковое значение n, но разные значения l, принято называть энергетическими подуровнями. Чтобы химики могли отличать энергетические подуровни друг от друга, они обозначаются разными буквами. В табл. 3.4 приведены буквенные обозначения, соответствующие разным значениям орбитального квантового числа.
Таблица 3.4. Обозначения энергетических подуровней Орбитальное квантовое число Обозначение энергетического подуровня
~6 s
1p 2d 3f
4g
Состояние электрона в атоме, отвечающее определенным значениям n и l, записывают так: сначала указывается значение главного квантового числа (цифрой), а затем орбитальное квантовое число (буквой), например 2p, 3d и т.д. Обычно максимальным значением для описания состояния электрона в атоме является четвертый энергетический уровень. Если же химикам когда-нибудь понадобятся более высокие значения, то ряд значений для энергетических подуровней можно продолжить.
Формы орбиталей s, p и d показаны на рис. 3.4.
На рис. 3.4, а показаны две s-орбитали: одна — для первого энергетического уровня (1s), а другая — для второго энергетического уровня (2s). Форма s-орбитали сферическая, ядро находится в центре. Обратите внимание на то, что диаметр 2s-орбитали больше, чем у 1s. В больших атомах ^-орбиталь находится внутри 2s, точно так же, как 2p-орбиталь находится внутри 3p.
На рис. 3.4, б показаны формы p-орбиталей, а на рис. 3.4, в — формы d-орбиталей. Следует отметить, что при увеличении главного квантового числа формы электронных облаков все более усложняются.
Магнитное квантовое число m
Описывает ориентацию в пространстве различных орбиталей; может принимать любое целочисленное значение (как положительное, так и отрицательное) в пределах от -l до +l. Следовательно, значение m зависит от значения l. Например, для l = 1 (согласно табл. 3.4, это p-орбиталь) возможны три значения m: -1, 0 и +1. Это значит, что p-орбиталь имеет три разные пространственные ориентации. Энергия этих орбиталей одинакова, а ориентация в пространстве разная.
На рис. 3.4, б показана ориентация p-орбиталей в пространстве. Обратите внимание на то, что орбитали со значениями магнитного квантового числа, равными -1, 0 и +1, ориентированы во взаимно-перпендикулярных направлениях, которые обычно принимают за направления координатных осей (x, y или z).
Спиновое квантовое число ms
Четвертым, и последним, квантовым числом (представляю, как вы обрадовались!) является спиновое квантовое число ms. Оно описывает направление вращения электрона в магнитном поле: по часовой стрелке или против. Спиновое квантовое число может принимать только два значения: +1/2 или -1/2. И на каждой орбитали может находиться только два электрона: один со спином +1/2, а другой со спином -1/2.
Соберите все числа воедино — и получите симпатичную таблицу
Как подсказывает практика, от любой информации, связанной с квантовыми числами, у корифеев науки перехватывает дух, а обычных людей, наоборот, одолевает зевота. Ну хорошо. Если у вас когда-либо поломается телевизор и возникнет необходимость убить время, взгляните на табл. 3.5. С помощью этой таблицы вы сможете узнать квантовые числа для любого электрона, находящегося на первом или втором энергетическом уровне.
В табл. 3.5 показано, что на первом энергетическом уровне (n = 1) есть только s-орбиталь. На нем нет p-орбитали, потому что орбитальное квантовое число (l) первого уровня не может иметь значение 1 (соответствующее p-орбитали). Кроме того, обратите внимание, что на 1s-орбитали может находиться только два электрона (со значениями ms, равными +1/2 и -1/2). В действительности на любой s-орбитали — и на 1s и на 5s — могут находиться только два электрона.
На втором энергетическом уровне (n = 2) находятся как s-, так и p-орбитали. Продолжая перечень квантовых чисел для третьего энергетического уровня, нетрудно заметить, что на нем уже есть s-, p- и d-орбитали. Каждый раз при переходе на более высокий энергетический уровень появляется еще один тип орбиталей.
Обратите внимание на то, что для 2p-орбитали существует три пространственные ориентации, или формы электронного облака (m), причем на каждой орбитали находится максимум по два электрона (рис. 3.4, б). Таким образом, на втором энергетическом подуровне может находиться максимум шесть p-электронов.
Главные энергетические уровни отличаются друг от друга своей энергией (энергия второго уровня выше, чем первого), но и разные орбитали, находящиеся на одном уровне энергии, также обладают разной энергией. И хотя на втором энергетическом уровне находятся как s-, так и p-орбитали, энергия электронов 2s-орбитали меньше, чем у электронов 2p-орбитали. Что же касается электронов всех трех 2p-орбиталей, то энергия у них одинаковая. Аналогичным образом, одинаковой является энергия электронов пяти d-орбиталей (рис. 3.4, в).
Ну что ж! Думаю, теперь достаточно.