Модель атома
В настоящий момент существуют две модели атома: модель Бора (классическая) и квантово-механическая. Первая модель довольно проста для понимания, но она не подходит для описания атомов со сложной структурой. Вторая модель описывает любую структуру атома, но весьма сложна в понимании, т.к. в ее основе лежат сложные математические расчеты.
Модель Бора
Представьте, что электроны в атоме движутся по определенным электронным орбитам - по аналогии с движениями планет Солнечной системы. Каждая планета движется по своей орбите, так и электроны вращаются вокруг ядра атома. Каждая такая орбита для электрона получила название "уровень энергии". Энергия электронов в атоме может изменяться только скачкообразно. Т.е. электрон может перескакивать с одной орбиты на другую и обратно (но не может занимать положение между орбитами). Говорят, что энергетические состояния электронов в атоме квантованы.
Энергия электрона зависит от радиуса его орбиты. Минимальная энергия у электрона, который находится на ближайшей к ядру орбите. При поглощении кванта энергии электрон переходит на орбиту с более высокой энергией (возбужденное состояние). И наоборот, при переходе с высокого энергетического уровня на более низкий - электрон отдает (излучает) квант энергии.
Кроме того, Бор указал, что разные энергетические уровни содержат разное количество электронов: первый уровень - до 2 электронов; второй уровень - до 8 электронов…
К сожалению, описать атомы со сложной структурой, опираясь на модель Бора, не представляется возможным. Поэтому, в 20-х годах прошлого века получила широкое распространение квантово-механическая модель (КММ) атома.
Квантово-механическая модель строения атома
В основу КММ положена квантовая теория атома, согласно которой электрон обладает как свойствами частицы, так и свойствами волны. Другими словами, о местоположении электрона в определенной точке можно судить не точно, а с определенной долей вероятности.
Согласно квантово-механической теории, электроны в процессе своего движения в атоме формируют электронное облако - модель состояния электрона в атоме.
Вращающийся вокруг ядра электрон, движется в определенной области пространства, являющейся наиболее энергетически выгодной - такая область называется орбиталью.
Энергетическое состояние электрона в атоме описывают квантовыми числами n, l, ml, ms:
| Квантовое число | Символ | Описание | Значения |
| Главное | n | Энергетический уровень орбитали (размер электронного облака) | Положительные целые числа: |
| Орбитальное | l | Энергетический подуровень орбитали (форма электронного облака) | Целые числа от 0 до n-1 |
| Магнитное | ml | Ориентация электронного облака в пространстве | Целые числа от -l до +l |
| Спиновое | ms | Спин электрона (способ движения электрона вокруг своей оси) | +½ и -½ |
Главное квантовое число n
Описывает:
- среднее расстояние от орбитали до ядра;
- энергетическое состояние электрона в атоме.
Чем больше значение n, тем выше энергия электрона и больше размер электронного облака. Если в атоме несколько электронов с одинаковым n, то они образуют электронные облака одинакового размера - электронные оболочки.
Орбитальное квантовое число l (азимутальное)
Описывает форму орбитали, которая зависит от n.
Орбитальное число l может принимать целочисленные значения в диапазоне от 0 до n-1. Например, при n=2: l=0 l=1
| Значение l определяет форму орбитали, а n - ее размер |
Орбитали, имеющие одинаковое n, но разные l называют энергетическими подуровнями и обозначают буквами латинского алфавита:
| l | Энергетический подуровень |
|
0 1 2 3 4 |
s p d f g |
Состояние электрона в атоме для различных главных и орбитальных квантовых чисел принято записывать следующим образом: 2s; 3p; 3d…
Магнитное квантовое число m
Описывает ориентацию орбиталей в пространстве.
Может принимать целочисленные значения в диапазоне от -l до +l (включая 0). Например:
Для l=0 возможно только одно значение: m=0. Это значит, что s-орбиталь имеет только одну пространственную ориентацию.
Для l=1: m=-1;0;+1 - p-орбиталь имеет три пространственные ориентации.
Для l=2: m=-2;-1;0;+1;+2 - d-орбиталь имеет пять пространственных ориентаций.
Спиновое квантовое число ms
Описывает направление вращения электрона в магнитном поле - по часовой стрелке или против. На каждой орбитали может находиться только два электрона: один со спином +½ другой -½.
Квантовые числа для первых трех энергетических уровней:
| n | l | Орбиталь | m | ms |
| 1 | 0 | 1s | 0 | +½ -½ |
| 2 | 0 | 2s | 0 | +½ -½ |
| 2 | 1 | 2p |
-1 0 +1 |
+½ -½ +½ -½ +½ -½ |
| 3 | 0 | 3s | 0 | +½ -½ |
| 3 | 1 | 3p |
-1 0 +1 |
+½ -½ +½ -½ +½ -½ |
| 3 | 2 | 3d |
-2 -1 0 +1 +2 |
+½ -½ +½ -½ +½ -½ +½ -½ +½ -½ |
На первом уровне (n=1) есть только s-орбиталь, на которой может находиться только 2 электрона со спинами +1/2 и -1/2. Это справедливо для s-орбитали любого уровня: 1s; 2s; 3s…
На втором энергетическом уровне (n=2) есть уже две орбитали s; p. На третьем (n=3) - три орбитали: s, p, d. и т.д. С каждым новым энергетическим уровнем добавляется новая орбиталь.
Для 2p-орбитали существует три пространственных ориентации (формы облака), на каждой из которых может находиться по два электрона. Т.е. на втором энергетическом может находиться не более 6 p-электронов.
Для 3d - максимум 10 d-электронов и пять форм облаков.
Главные энергетические уровни отличаются энергией. Чем выше уровень - тем выше энергия. С другой стороны, различные орбитали одного и того же уровня также обладают разной энергией:
Энергия электронов на орбитали 2p выше, чем на 2s
Энергия электронов на орбитали 3p выше, чем на 3s
Энергия электронов на орбитали 3d выше, чем на 3s
Энергия электронов на орбитали 3d выше, чем на 3p
Что же касается электронов "внутри орбиталей", то их энергии одинаковы (так у всех десяти электронов 3d-орбитали энергии одинаковы).
См. далее: Электронная структура атомов
