Что такое электроны в химии
Перейти к содержимому

Что такое электроны в химии

  • автор:

1. Состояние электронов в атоме. Электронные орбитали

Электрон — это очень маленькая частица, которая движется с огромной скоростью. Для описания движения электрона нельзя применить законы механики. Когда характеризуют движение электрона, то говорят о вероятности его нахождения в той или иной области пространства.

Электроны занимают в атоме пространство вокруг ядра и перемещаются в нём с большой скоростью в разных направлениях. Говорят, что они образуют электронное облако.

Пространство, занятое электронами, огромно по сравнению с объёмом ядра. Но это не означает, что каждый электрон может находиться в любой точке пространства. Оказалось, что электроны передвигаются только в ограниченных объёмах. Эти объёмы назвали электронными слоями или энергетическими уровнями. Число таких уровней совпадает с номером периода, в котором химический элемент располагается в периодической системе. На каждом уровне может разместиться только определённое количество электронов.

Для любого электрона можно выделить область пространства, где он бывает с вероятностью не менее \(90\) %. Такую область пространства называют атомной или электронной орбиталью. Орбитали различаются формой и размерами.

Орбитали различной формы обозначают буквами: \(s\), \(p\), \(d\), \(f\). Так, \(s\)-орбиталь шарообразная, а \(p\)-орбиталь напоминает объёмную восьмёрку или гантель. У \(d\)- и \(f\)-орбиталей более сложная форма.

Рис. \(1\). \(s\)-орбиталь
Рис. \(2\). \(p\)-орбиталь

На одной орбитали не может быть более двух электронов. Если там два электрона, то они называются спаренными.

Энергетические уровни принято нумеровать, начиная с самого близкого к ядру. Номер обозначают числом (\(1\), \(2\), \(3\)… \(7\)).

На энергетических уровнях выделяют подуровни, образованные орбиталями одного вида. На первом энергетическом уровне всего один подуровень, на втором — два и т. д. Подуровни обозначают теми же буквами, что и орбитали: \(s\), \(p\), \(d\), \(f\).

Число орбиталей на подуровнях: \(s\)-орбиталь — \(1\), \(p\)-орбителей — \(3\), \(d\)-орбиталей — \(5\), а \(f\)-орбиталей — \(7\).

Удобно показывать распределение электронов по орбиталям с помощью графических схем. Орбиталь в таких схемах принято рисовать в виде квадрата, а электрон — в виде стрелки. Орбитали первых четырёх энергетических уровней можно показать следующим образом.

Атомы и электроны

Мы приступаем к изучению химии — мира молекул и атомов. В этой статье мы рассмотрим базисные понятия и разберемся с электронными формулами элементов.

Атом (греч. а — отриц. частица + tomos — отдел, греч. atomos — неделимый) — электронейтральная частица вещества микроскопических размеров и массы, состоящая из положительно заряженного ядра (протонов) и отрицательно заряженных электронов (электронные орбитали).

Описываемая модель атома называется «планетарной» и была предложена в 1913 году великими физиками: Нильсом Бором и Эрнестом Резерфордом

Планетарная модель атома

Протон (греч. protos — первый) — положительно заряженная (+1) элементарная частица, вместе с нейтронами образует ядра атомов элементов. Нейтрон (лат. neuter — ни тот, ни другой) — нейтральная (0) элементарная частица, присутствующая в ядрах всех химических элементов, кроме водорода.

Электрон (греч. elektron — янтарь) — стабильная элементарная частица с отрицательным электрическим зарядом (-1), заряд атома — порядковый номер в таблице Менделеева — равен числу электронов (и, соответственно, протонов).

Запомните, что в невозбужденном состоянии атом содержит одинаковое число электронов и протонов. Так у кальция (порядковый номер 20) в ядре находится 20 протонов, а вокруг ядра на электронных орбиталях 20 электронов.

Электроны и протоны

Я еще раз подчеркну эту важную деталь. На данном этапе будет отлично, если вы запомните простое правило: порядковый номер элемента = числу электронов. Это наиболее важно для практического применения и изучения следующей темы.

Электронная конфигурация атома

Электроны атома находятся в непрерывном движении вокруг ядра. Энергия электронов отличается друг от друга, в соответствии с этим электроны занимают различные энергетические уровни.

Состоит из s-подуровня: одной «1s» ячейки, в которой помещаются 2 электрона (заполненный электронами — 1s 2 )

Состоит из s-подуровня: одной «s» ячейки (2s 2 ) и p-подуровня: трех «p» ячеек (2p 6 ), на которых помещается 6 электронов

Состоит из s-подуровня: одной «s» ячейки (3s 2 ), p-подуровня: трех «p» ячеек (3p 6 ) и d-подуровня: пяти «d» ячеек (3d 10 ), в которых помещается 10 электронов

Состоит из s-подуровня: одной «s» ячейки (4s 2 ), p-подуровня: трех «p» ячеек (4p 6 ), d-подуровня: пяти «d» ячеек (4d 10 ) и f-подуровня: семи «f» ячеек (4f 14 ), на которых помещается 14 электронов

Энергетические уровни

Зная теорию об энергетических уровнях и порядковый номер элемента из таблицы Менделеева, вы должны расположить определенное число электронов, начиная от уровня с наименьшей энергией и заканчивая к уровнем с наибольшей. Чуть ниже вы увидите несколько примеров, а также узнаете об исключении, которое только подтверждает данные правила.

Подуровни: «s», «p» и «d», которые мы только что обсудили, имеют в определенную конфигурацию в пространстве. По этим подуровням, или атомным орбиталям, движутся электроны, создавая определенный «рисунок».

S-орбиталь похожа на сферу, p-орбиталь напоминает песочные часы, d-орбиталь — клеверный лист.

Атомные орбитали

Правила заполнения электронных орбиталей и примеры
  • Сперва следует заполнить орбитали с наименьшей энергией, и только после переходить к энергетически более высоким
  • На орбитали (в одной «ячейке») не может располагаться более двух электронов
  • Орбитали заполняются электронами так: сначала в каждую ячейку помещают по одному электрону, после чего орбитали дополняются еще одним электроном с противоположным направлением
  • Порядок заполнения орбиталей: 1s → 2s → 2p → 3s → 3p → 4s → 3d → 4p → 5s → 4d → 5p → 6s

Должно быть, вы обратили внимание на некоторое несоответствие: после 3p подуровня следует переход к 4s, хотя логично было бы заполнить до конца 4s подуровень. Однако природа распорядилась иначе.

Запомните, что, только заполнив 4s подуровень двумя электронами, можно переходить к 3d подуровню.

Без практики теория мертва, так что приступает к тренировке. Нам нужно составить электронную конфигурацию атомов углерода и серы. Для начала определим их порядковый номер, который подскажет нам число их электронов. У углерода — 6, у серы — 16.

Теперь мы располагаем указанное количество электронов на энергетических уровнях, руководствуясь правилами заполнения.

Электронные конфигурации углерода и серы

Обращаю ваше особе внимание: на 2p-подуровне углерода мы расположили 2 электрона в разные ячейки, следуя одному из правил. А на 3p-подуровне у серы электронов оказалось много, поэтому сначала мы расположили 3 электрона по отдельным ячейкам, а оставшимся одним электроном дополнили первую ячейку.

  • Углерод — 1s 2 2s 2 2p 2
  • Серы — 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 4
Внешний уровень и валентные электроны
  • Углерод — 2s 2 2p 2 (4 валентных электрона)
  • Сера -3s 2 3p 4 (6 валентных электронов)

Неспаренные валентные электроны способны к образованию химической связи. Их число соответствует количеству связей, которые данный атом может образовать с другими атомами. Таким образом неспаренные валентные электроны тесно связаны с валентностью — способностью атомов образовывать определенное число химических связей.

Валентные электроны углерода и серы

  • Углерод — 2s 2 2p 2 (2 неспаренных валентных электрона)
  • Сера -3s 2 3p 4 (2 неспаренных валентных электрона)
Тренировка

Потренируйтесь и сами составьте электронную конфигурацию для магния и скандия. Определите число электронов на внешнем (валентном) уровне и число неспаренных электронов. Ниже будет дано наглядное объяснение этой задаче.

Электронные конфигурации магния и фтора и их валентные электроны

  • Магний — 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2
  • Скандий — 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 1

Блиц-опрос по теме Атомы и электроны

1. Состояние электрона в атоме

Для описания состояния электрона оценивается вероятность его нахождения в околоядерной области пространства и используются понятия « электронное облако », « электронная орбиталь ».

Электронное облако — модель движения электрона в атоме; область пространства, в каждой точке которой может находиться данный электрон.

Рис. \(1\). Электронное облако

Электронная орбиталь — область околоядерного пространства, в которой вероятность нахождения электрона более \(90\) %.

Электронные орбитали имеют разную форму . В атоме водорода орбиталь единственного электрона имеет форму шара. Это \(s\) — орбиталь .

Рис. \(2\). \(s\)-орбиталь
В атомах других элементов электроны могут находиться на гантелеобразных \(p\) — орбиталях .

6.png

Рис. \(3\). \(p\) -орбиталь
Известны и более сложные по форме орбитали.

Электронные орбитали различаются размерами . Размер зависит от энергии электрона. Чем больше энергия электрона, тем больше по размеру его орбиталь, и тем дальше он находится от ядра.

Обрати внимание!
Чем дальше электрон от ядра, тем больше его энергия и слабее связь с ядром.

На одной орбитали может содержаться не более двух электронов . Два электрона на одной орбитали называют спаренными. Если на орбитали находится один электрон, то он неспаренный.

# Электрон

Электрон — это стабильная отрицательно заряженная элементарная частица. Является одной из основных структурных единиц вещества, поскольку из электронов формируются оболочки атомов, строение которых определяет большинство оптических, электрических, магнитных, механических и химических свойств вещества. Название «электрон» происходит от греческого слова ἤλεκτρον, означающего «янтарь»: в древней Греции естествоиспытатели терли шерстью куски янтаря, после чего те начинали притягивать к себе мелкие предметы. Он обладает спином ½ и потому классифицируется как фермион. По этой же причине входит в семейство лептонов, поскольку участвует во всех известных взаимодействиях (электромагнитное, слабое и гравитационное), кроме сильного. Наравне со своей античастицей — позитроном — электрон является стабильным. Электрон был открыт Джозефом Джоном Томсоном в 1897 году, однако подозрения о его существовании возникли несколько раньше. Фарадей в опытах по электролизу еще в начале XIX века получил первые указания на то, что электричество не является непрерывным потоком, а переносится дискретными порциями. В XX веке свойства электрона были довольно быстро установлены тогдашними корифеями квантовой механики, начиная с Нильса Бора, который в 1913 году попытался описать поведение электрона в своей модели атома, и заканчивая выводом о наличии у него спина (1925 год) и волновым уравнением Дирака для электрона (ведь согласно принципу Паули электрон, как и любая другая элементарная частица, является и частицей, и волной). Изображение: Атом водорода/Wikimedia Commons

Десять лет истории науки: полярное сияние у вас дома
156 лет назад родился ученый, объяснивший природу полярного сияния
13 декабря 2023, 09:00
Для экситонов описали новый физический эффект
25 января 2021, 13:33
Сверхизлучающие сгустки электронов породили излучение Вавилова — Черенкова
28 декабря 2020, 17:07
Движение фотонов и электронов в графене описали одним законом
02 декабря 2020, 10:54
В России создали новый детектор для наблюдения за Солнцем
05 октября 2020, 15:35
Создан новый метод для изучения сверхтяжелых элементов
22 августа 2020, 16:57
Лазерно-плазменный ускоритель проработал больше суток
20 августа 2020, 13:23
Новая математическая модель описала поведение спина электрона
16 августа 2020, 18:44
В полупроводнике обнаружили следы «безмассовых» электронов Дирака
11 августа 2020, 16:02
Физики предложили новый метод анализа движения ядер и электронов
22 мая 2020, 20:49
Ученые впервые смогли увидеть кристаллы Паули
20 мая 2020, 18:08
Терагерцовое излучение помогло ускорить токи в сверхпроводниках
20 мая 2020, 13:43

  • Новости
  • События
  • Фото дня
  • Цифровая энциклопедия
  • Дискуссионный клуб
  • Открытия российских ученых

Indicator, 2024 г. 18+

Нашли опечатку? Выделите текст и нажмите Ctrl+Enter

Все права защищены. Полное или частичное копирование материалов Сайта в коммерческих целях разрешено только с письменного разрешения владельца Сайта. В случае обнаружения нарушений, виновные лица могут быть привлечены к ответственности в соответствии с действующим законодательством Российской Федерации.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *