Состояние электронов в атоме
Выдающийся датский физик Нильс Бор (Рис. 1) предположил, что электроны в атоме могут двигаться не по любым, а по строго определенным орбитам.
Рис. 1. Бор Нильс Хендрих Давид (1885–1962)
При этом электроны в атоме различаются своей энергией. Как показывают опыты, одни из них притягиваются к ядру сильнее, другие – слабее. Главная причина этого заключается в разном удалении электронов от ядра атома. Чем ближе электроны к ядру, тем они прочнее связаны с ним и их труднее вырвать из электронной оболочки. Таким образом, по мере удаления от ядра атома запас энергии электрона увеличивается.
Электроны, движущиеся вблизи ядра, как бы загораживают (экранируют) ядро от других электронов, которые притягиваются к ядру слабее и движутся на большем удалении от него. Так образуются электронные слои.
Каждый электронный слой состоит из электронов с близкими значениями энергии; поэтому электронные слои называют еще энергетическими уровнями.
Правила распределения электронов
Ядро находится в центре атома каждого элемента, а электроны, образующие электронную оболочку, размещаются вокруг ядра слоями.
Число электронных слоев в атоме элемента равно номеру периода, в котором находится данный элемент.
Например, натрий Na – элемент 3-го периода, значит, его электронная оболочка включает 3 энергетических уровня. В атоме брома Br – 4 энергетических уровня, т. к. бром расположен в 4-м периоде (Рис. 2).
Модель атома натрия: Модель атома брома:
Рис. 2. Модели строения электронных оболочек атомов натрия и брома
Максимальное число электронов на энергетическом уровне рассчитывается по формуле: 2n2, где n – номер энергетического уровня.
Таким образом, максимальное число электронов на:
1 слое – 2
2 слое – 8
3 слое – 18 и т. д.
У элементов главных подгрупп номер группы, к которой относится элемент, равен числу внешних электронов атома.
Внешними называют электроны последнего электронного слоя.
Например, в атоме натрия – 1 внешний электрон (т. к. это элемент IА подгруппы). В атоме брома – 7 электронов на последнем электронном слое (это элемент VIIА подгруппы).
Строение электронных оболочек элементов 1-4 периодов
Строение электронных оболочек элементов 1–3 периодов
В атоме водорода заряд ядра равен +1, и этот заряд нейтрализуется единственным электроном (Рис. 3).
Рис. 3. Схема строения атома водорода
Следующий за водородом элемент – гелий, тоже элемент 1-го периода. Следовательно, в атоме гелия 1 энергетический уровень, на котором размещаются два электрона (Рис. 4). Это максимально возможное число электронов для первого энергетического уровня.
Рис 4. Схема строения атома гелия
Элемент № 3 – это литий. В атоме лития 2 электронных слоя, т. к. это элемент 2-го периода. На 1 слое в атоме лития находится 2 электрона (этот слой завершен), а на 2 слое –1 электрон. В атоме бериллия на 1 электрон больше, чем в атоме лития (Рис. 5).
Рис. 5. Схемы строения атомов лития и бериллия
Аналогично можно изобразить схемы строения атомов остальных элементов второго периода (Рис. 6).
Рис. 6. Схемы строения атомов некоторых элементов второго периода
В атоме последнего элемента второго периода – неона – последний энергетический уровень является завершенным (на нем 8 электронов, что соответствует максимальному значению для 2-го слоя). Неон – инертный газ, который не вступает в химические реакции, следовательно, его электронная оболочка очень устойчива.
Американский химик Гилберт Льюис дал объяснение этому и выдвинул правило октета, в соответствии с которым устойчивым является восьмиэлектронный слой (за исключением 1 слоя: т. к. на нем может находиться не более 2 электронов, устойчивым для него будет двухэлектронное состояние).
После неона следует элемент 3-го периода – натрий. В атоме натрия – 3 электронных слоя, на которых расположены 11 электронов (Рис. 7).
Na 
Рис. 7. Схема строения атома натрия
Натрий находится в 1 группе, его валентность в соединениях равна I, как и у лития. Это связано с тем, что на внешнем электронном слое атомов натрия и лития находится 1 электрон.
Свойства элементов периодически повторяются потому, что у атомов элементов периодически повторяется число электронов на внешнем электронном слое.
Строение атомов остальных элементов третьего периода можно представить по аналогии со строением атомов элементов 2-го периода.
В начале ХХв. была принята планетарная модель строения атома, согласно которой вокруг ядра движутся электроны, как планеты вокруг солнца. Следовательно, в атоме есть траектории, по которым движется электрон. Однако дальнейшие исследования показали, что в атоме не существует траекторий движения электронов. Движение без траектории означает, что мы не знаем, как электрон движется в атоме, но можем установить область, где чаще всего встречается электрон. Это уже не орбита, а орбиталь.Двигаясь вокруг атома, электроны образуют в совокупности его электронную оболочку.
Давайте выясним, как движутся электроны вокруг ядра? Беспорядочно или в определенном порядке? Исследования Нильса Бора — основоположника современной атомной физики, а также ряда других ученых позволили сделать вывод: электроны в атомах располагаются определенными слоями — оболочками и в определенном порядке. Электроны в атоме различаются определенной энергией, и, как показывают опыты, одни притягиваются к ядру сильнее, другие слабее. Объясняется это удаленностью электронов от ядра. Чем ближе электроны к ядру, тем больше связь их с ядром, но меньше запас энергии. По мере удаления от ядра атома сила притяжения электрона к ядру уменьшается, а запас энергии увеличивается. Так образуются электронные слои в электронной оболочке атома. Каждый слой состоит из электронов с близкими значениями энергии, поэтому слои электронов называют энергетическими уровнями. Энергия электронов в атоме и энергетический уровень определяется главным квантовым числом n и принимает целочисленные значения 1, 2, 3, 4…Чем больше значение n, тем больше энергия электрона в атоме. Максимальное число электронов, которое может находиться на том или ином энергетическом уровне, определяется по формуле:
N = 2n2
Где N - максимальное число электронов на уровне;
n – номер энергетического уровня.
Установлено, что на первой оболочке располагается не более двух электронов, на второй — не более восьми, на третьей — не более 18, на четвертой — не более 32. Заполнение более далеких оболочек мы рассматривать не будем. Известно, что на внешнем энергетическом уровне может находиться не более восьми электронов, его называют завершенным. Электронные слои, не содержащие максимального числа электронов, называют незавершенными.
Число электронов на внешнем энергетическом уровнеэлектронной оболочки атома равно номеру группы для химических элементов главных подгрупп.
Как ранее было сказано, электрон движется не по орбите, а по орбитали и не имеет траектории.