Вы вошли как ГостьПриветствую Вас, Гость
Главная » 2013 » Июль » 10 » 5. Распределение электронов по орбиталям атома
11:58
5. Распределение электронов по орбиталям атома

Здравствуйте, уважаемый читатель, мы рассмотрели уже довольно значительный  объем информации, но впереди еще более занимательные вещи. Сейчас я хотел бы поговорить о поведении электронов в атомах. Мы пока рассмотрели только простейшую систему, в состав которой входят один электрон и один протон, а так же ионы, то есть – атомы, имеющие заряд. Примеры распределения электронов по орбиталям атомов, вся таблица Д.И. Менделеева. 

Если говорить о внутренней энергии системы применительно к атому, то она сводится к сумме потенциальных и кинетических энергий всех электронов в атоме. Энергия, связанная с процессами в ядре нас не интересует – это область физиков, ибо ядро в химических процессах неделимо и неразрушаемо. Но кое-что о ядре знать-таки, стоит. Во-первых, ядро в атоме занимает очень небольшие размеры, в среднем, около 1/100000 от диаметра атома. То есть, если встать в центр поля спортивного стадиона диаметром около 250 метров, и взять в руку спичку, то соотношение диаметра головки спички и диаметра стадиона будет аналогично соотношению диаметров ядра атома и, собственно атома.  Наш видео блог, строение атома.

Из этого стоит сделать важный вывод на будущее: при "взгляде” издалека, ядро кажется абсолютно сферической точкой, имеющей суммарный заряд, равный заряду всех частиц в ядре ("нуклонов”, от латинского "нуклиос” – ядро), при этом не учитывается, что ядро представляет собой "комочек” из сфер, не всегда абсолютно симметричный. Если поместить на некотором расстоянии от ядра сферическую орбиталь с, например одним электроном, а на расстоянии в, скажем, 50 раз большем, следующую орбиталь, то для электрона на верхней (более удаленной от ядра орбитали) будет казаться что он "видит” под собой сферический центр притяжения, заряд которого равен n-m. Где n и m, заряд ядра и количество электронов на нижестоящей орбитали соответственно, в данном примере 1 электрон. Это происходит из-за взаимного отталкивания электронов между собой.

Важно отметить, что на одной, любой орбитали может одновременно находится 1 или 2 электрона, но не больше. Почему так происходит. Если представить себе сферическую орбиталь вокруг ядра и поместить в любой точке на поверхности сферы электрон, то возможно лишь одно место на поверхности этой сферы, где, в данный момент времени, может находится второй электрон – ровно напротив первого за ядром, чтобы линия, соединяющая оба электрона проходила через ядро, не обязательно через центр, но, как мы уже условились, ядро с такого расстояния практически точка. Это условие необходимо для того чтобы два одноименно заряженные электрона не "увидели” друг друга через положительно заряженное ядро и не "испытали взаимного отталкивания”, что, безусловно напрягло бы их, создав стремление выйти за границы орбитали, а, ни одна система не любит напрягаться.

Из этого следует еще один ценный вывод – на каждой электронной орбиталь могут находится не более двух электронов, а уж один, себя совсем вольготно чувствует. При этом вспомните, что чем дальше орбиталь электрона расположена от ядра (так сказать, "выше орбиталь”) тем выше энергия электрона. А электрон, как и любая материя, не хочет иметь лишнюю энергию и всячески стремится от нее избавиться. Поэтому, в выше рассмотренном примере: если на ниже стоящей орбитали всего один электрон, то электрон с более высокой орбитали спустится ближе к ядру, излучив при этом квант энергии во внешнее пространство (за пределы атома). При этом он, конечно, "потеснит” "исконного жителя” более удобной орбитали, но снижение энергии атома в целом того стоит.

Безусловно, два электрона на орбитали не могут быть неподвижны, а перемещаясь по орбитали, всегда будут прикрываться ядром один от другого, что не влияет на скорость их перемещения по орбитали.

Здесь мы подошли к распределению электронной плотности по орбиталям атома. Как следует из выше сказанного, на некотором расстоянии от ядра расположена первая сферическая орбиталь, максимум с двумя электронами, назовем ее 1s2. Цифра один означает первый электронный слой, s – значит сферическая орбиталь, а цифра 2, так как на ней находятся 2 электрона. Как мы уже сказали, на изрядном (большом) расстоянии от первой орбитали можно расположить вторую электронную орбиталь, тоже сферическую. Но расстояние при этом должно быть таким, чтобы электронам на них казалось, что под ними находится точечный и однородный центр притяжения. Следовательно, разница в расстоянии между второй и первой орбиталями будет весьма ощутимой, а это означает большую разницу в энергии электронов на этих орбиталях. Эту разницу назовем "энергетический барьер межорбитального перехода электрона”, раз барьер, то и обозначим его вертикальной палочкой – "стенкой”. Тогда, расположение электронов запишется как: 1s2|2s2, где 2s2 – два электрона на сферической орбитали второго электронного слоя атома.

Далее картина несколько меняется, если на первой и второй электронных орбиталях энергия электронов еще относительно невысока, следовательно, мал объем сфер орбиталей (а он пропорционален потенциальной энергии электронов на этой орбитали), то на последующих орбиталях скорость существенно выше, что не может не повлиять на поведение самих электронов.

Электрон на более высокой орбитали не "горит желанием” стремиться ввысь, как на 2s2, но и не хочет мирится с близким соседством других электронов. И что он делает?, он искажает свою орбиталь за счет отталкивания от электронов ниже стоящей орбитали, при этом получается уже не сферическая орбиталь. Она могла бы быть похожей на эллипс, если бы под ней был один электрон, но как мы уже говорили – там в любом случае два. Поэтому ее форма более сложна и представляет собой так называемую "гантельку” (от слова гантель), или две "капельки” соединенные острыми концами и выстроенные на одной линии. Сферическая и гантелеобразные орбитали представлены на рисунке.

Верхний рисунок – сферическая орбиталь в трехмерной системе координат, она нам очень потребуется, поэтому будем часто к ней обращаться. Строчкой ниже представлены три гантелеобразные орбитали, соответственно в x, y и z-координатах. Так как именно такое положение в пространстве обеспечивает наименьший контакт электронов на этих координатах. Такие орбитали именуются p-орбитали (пи-орбитали). Следовательно, электроны атома запишутся так: 1s2|2s2 2px22py22pz2. Так как три гантелеобразные p-орбитали одного электронного слоя отличаются только ориентацией в пространстве, то, для краткости и ясности записи их записывают целиком: 2p6, то есть: на p-орбиталях второго электронного слоя атома находятся 6 электронов. Ясно, что орбиталей 3, так как 6/2=3.

Как же "обруливают” электроны друг друга у ядра при такой плотности движения, ведь мы разместили вокруг ядра уже 10 электронов?. Ответ на этот вопрос заключается в разнице в скорости электронов на различных орбиталях, ведь, как видно из рисунка, электроны на гантелеобразных орбиталях приближаются к ядру лишь на небольшой промежуток времени. При этом, скорость электронов на столь высоких орбиталях весьма высока, а как мы помним, энергия электрона на одной орбитали постоянна во времени; лишь при получении энергии из вне, или при отдачи энергии вовне атома, электрон может уйти на более высокую или низкую орбиталь. Следовательно, из-за приближения электрона к центру притяжения снижается его потенциальная энергия, значит, на столько же растет кинетическая, то есть скорость движения. Поэтому, электроны на гантелеобразных орбиталях имеют у ядра максимальную скорость. Они просто не успевают заметить друг друга или существенно помешать электронам нижестоящих орбиталей, даже пересекая эти орбитали.

Безусловно, такое перемещение p-электронов несколько напрягает нижестоящие электроны, но им все равно некуда деваться – уйти на верх или вниз они не могут, там заполненные орбитали, а на своей орбитали они друг другу мешают намного дольше и сильнее, чем "пришлые” электроны.

Добавляя новые электроны мы увидим, что они не захотят при своей энергии теснится с предыдущими 10 электронами и предпочтут уйти наверх от этого комка орбиталей. Так появится третий электронный слой, который начнется, по выше описанному механизму, с 3s2-орбитали. Таким образом, электроны в атоме запишутся: 1s2|2s2 2p6|3s2. Далее, как было сказано выше, появятся 3 гантелебразные орбитали с 3Р6 электронами.

Здесь необходимо помнить, что при переходе к следующему электронному слою, добавляется новый вид орбиталей, на третьем электронном слое добавляются d-электронные орбитали (их 5 и на каждой до 2-х электронов, всего до 10 d-электронов на одном электронном слое), но они не торопятся с заполнением по выше объясненным причинам. Поэтому, новые электроны пока не захотят теснится, и уйдут на 4s2-орбиталь, начнется новый электронный слой. А вот с p-электронами маленькая "заморочка”, им все равно "лазать” к ядру, пересекая столько чужих орбиталей, так не лучше ли делать это на более низких, более энергетически выгодных 3d-орбиталях? которые, как мы помним, остались пока не заполненными. При их заполнении начинается первая "вставная декада” таблицы Д.И. Менделеева, или первая группа "переходных металлов”. Об этом мы поговорим подробнее в следующей нашей беседе.

Категория: Фундамент | Просмотров: 15544 | Добавил: Chemadm | Теги: строение атома, состояние электрона, материя и энергия | Рейтинг: 4.5/34
Всего комментариев: 1
2
1  
Интересно, по образованию биолог, но некоторые вещи слышу впервые cool

Добавлять комментарии могут только зарегистрированные пользователи.
[ Регистрация | Вход ]