Что называют электронным облаком
Что называют электронным облаком
На этом уроке вы узнаете, как устроена электронная оболочка атома, и сможете объяснить явление периодичности. Познакомитесь с моделями строения электронных оболочек атомов, с помощью которых можно предсказать и объяснить свойства химических элементов и их соединений.
I. 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.
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.
Электрон вращается вокруг ядра атома с невообразимой скоростью. Так, за 1 секунду он делает столько оборотов вокруг ядра атома, сколько оборотов делает пропеллер самолета вокруг оси за 5–5,5 лет непрерывной работы двигателя. Пропеллер самолета образует «облако», находящееся в одной плоскости, а электрон образует объемное облако –электронное облако, форма и размер которого зависят от энергии электрона.
Если обозначить точками все вероятные места нахождения электрона в атомном пространстве за некоторое время, то совокупность этих точек будет представлять собойэлектронное облако.
II. Электронное облако
Электронное облако – это модель, которая описывает состояние (движение) электрона в атоме.
Электронное облако не имеет строго очерченных границ и плотность его неравномерна.
Часть атомного пространства, в котором вероятность нахождения электрона наибольшая (
90%), называется орбиталью.
Виды электронных орбиталей
Форма орбитали в пространстве
Количество орбиталей в атоме.
Условное обозначение орбитали – клетка:
(электронное облако s – электрона)
Электронное облако такой формы может занимать в атоме одно положение
(электронное облако p – электрона)
Электронное облако такой формы может занимать в атоме три положения вдоль осей координат пространства x, y и z.
(электронное облако d – электрона)
(электронное облако f – электрона)
Электронное облако такой формы может занимать в атоме семь положений.
Число электронов в атоме определяют по порядковому номеру
О – 8 электронов, S – 16 электронов.
На одной орбитали могут находиться только ДВА электрона, которые вращаются вокруг своей оси в противоположных направлениях (по часовой стрелке и против часовой стрелке) – электроны с противоположными спинами:
Cледовательно, на s – орбитали максимально может разместиться два электрона (s 2 ); на p – орбитали максимально может разместиться шесть электронов (p 6 ) на d – орбитали максимально может разместиться десять электронов (d 10 ); f – четырнадцать электронов (f 14 ).
Располагаясь на различных расстояниях от ядра, электроны образуют электронные слои (энергетические уровни) – каждому слою соответствует определённый уровень энергии.
Число энергетических уровней определяют по номеру периода, в котором находится химический элемент
О – 2 уровня, S – три уровня.
Для элементов главных подгрупп (А) число электронов на внешнем уровне = номеру группы.
+15P – V группа (А) – на внешнем уровне 5 электронов
Для элементов побочных подгрупп (В) число электронов на внешнем уровне = двум.
Исключения (один электрон) – хром, медь, серебро, золото и некоторые другие.
III. Формулы отражающие строение атомов первого и второго периодов
– схема строения атома, отображает распределение электронов по энергоуровням.
+1 Н 1s 1
– электронная формула, отображает число электронов по орбиталям.
— электронно-графическая формула – показывает распределение электронов по орбиталям и отображает спин электрона.
У элементов второго периода начинается заполнение второго энергетического уровня — он включает восемь электронов (n = 2, N = 8). Второй период содержит восемь элементов. У неона, элемента, завершающего второй период, первый и второй энергетические уровни оказываются целиком заполненными.
IV. Распределение электронов по энергетическим уровням элементов третьего и четвертого периодов ПСХЭ
1. Порядок заполнения уровней и подуровней электронами
Электронные формулы атомов химических элементов составляют в следующем порядке:
Порядок заполнения электронами атомных орбиталей определяется :
Принципом наименьшей энергии
Шкала энергий:
1s внешнего энергетического уровня, называются s-элементами. Это первые 2 элемента каждого периода, составляющие главные подгруппы I и II групп.
Элементы, в атомах которых электронами заполняется p-подуровень внешнего энергетического уровня, называются p-элементами. Это последние 6 элементов каждого периода (за исключением I и VII), составляющие главные подгруппы III—VIII групп.
Элементы, в которых заполняется d-подуровень второго снаружи уровня, называются d-элементами. Это элементы вставных декад IV, V, VI периодов.
Элементы, в которых заполняется f-подуровень третьего снаружи уровня, называются f-элементами. К f-элементам относятся лантаноиды и актиноиды.
В третьем периоде происходит заполнение третьего энергетического уровня. Третий уровень (n = 3) может максимально вмещать 18 электронов. Однако элементов в третьем периоде всего восемь. К концу третьего периода (у аргона) полностью заполняются 3s- и 3p-подуровни, а 3d-подуровень остается пустым, поэтому третий уровень не заполняется до конца.
В четвертом периоде у первых двух элементов (калия и кальция) электроны идут на четвертый энергетический уровень (4s-подуровень), а затем у последующих десяти элементов (от скандия до цинка) завершается заполнение третьего энергетического уровня (3d-подуровня).
«Проскок» или «провал» электрона
Особо следует отметить палладий, у которого «проваливаются» два электрона:
Pd1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 10 4p 6 5s 0 4d 10
V. Тест
Решите тестовые задания (один верный вариант ответа).
1. Заряд ядра атома фосфора равен
2. Количество энергоуровней в атоме равно
а) порядковому номеру элемента;
в) заряду ядра атома;
3. Число нейтронов в атоме цинка равно
4. В ряду элементов Na, Mg, Al, Cl металлические свойства
г) сначала убывают, а затем возрастают
5. Формула высшего оксида RO2 характерна для
6. Электронная формула строения атома меди, это-
а) 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 10 ;
б) 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 9 ;
в) 1s 2 2s 2 2p 6 3s 1 3p 6 4s 2 3d 10 ;
7. Заряд ядра атома кальция равен
8. Число электронов на внешнем энергоуровне для элементов главных подгрупп равно
в) порядковому номеру элемента;
9. Число нейтронов в атоме железа равно
10. В ряду элементов C, Si, Ge, Sn способность отдавать валентные электроны
г) сначала увеличивается, а затем уменьшается.
11. Формула летучего водородного соединения для элемента с электронным строением атома 1s22s22p2 – это
12. Электронная формула строения атома мышьяка, это-
а) 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 1 3d 11 4p 3 ;
б) 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 9 4p 4 ;
в) 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 1 3d 10 4p 4 ;
Что такое электрон и электронное облако?
Электронное облако — это облако вероятности, окружающее ядро в атоме, где есть наибольшая вероятность найти электрон.
Когда вы думаете об атоме, ваш разум, вероятно, вызывает в воображении образ центрального ядра с целой связкой электронов, вращающихся вокруг него.
Однако, продолжающиеся исследования этого вопроса заставили научное сообщество понять, что на самом деле атом выглядит не так. Оказывается, наше обычное представление мало соответствует истинному изображению атома.
У атома есть центральное ядро, состоящее из протонов и нейтронов. Его окружает «туман вероятности», где у электрона самые высокие шансы на обнаружение. Чем оно плотнее, тем больше шанс найти электрон. Этот плотный туман вероятности называется электронным облаком.
Пудинговая модель атома
К 1910 году ученые обнаружили две основные составляющие атома: положительно заряженные протоны и отрицательно заряженные электроны (нейтрон был открыт намного позже, в 1932 году, Джеймсом Чедвиком). Однако не было понятно, как эти частицы были организованы в атоме. Одно из первых объяснений было дано Дж. Дж. Томпсоном, который заявил, что электроны и протоны равномерно распределены внутри атома в форме, чем-то напоминающей «сливовый пудинг».
Модель атома Резерфорда
Чтобы проверить гипотезу Томпсона, Эрнест Резерфорд провел свой всемирно известный эксперимент с золотой фольгой, в котором он бомбардировал пластинку золотой фольги альфа-частицами.
Если бы модель сливового пудинга была действительно точной, то отклонение альфа-частиц было бы незначительным или отсутствовало бы. Однако Резерфорд заметил, что, хотя некоторые альфа-частицы действительно проходили насквозь, непрерывно, некоторые отскакивали обратно в исходную точку.
Это несоответствие привело Резерфорда к предложению новой модели атома. Области, через которые частицы проходили непрерывно, казались в основном пустыми, в то время как точки, в которых они отклонялись или отражались, казалось, имели высокую концентрацию общей массы атома. Таким образом, он отказался от модели сливового пудинга в пользу классической модели атома, которую мы видим в популярных СМИ — центральное ядро, окруженное электронами.
Модель атома Бора
В то время как модель Резерфорда получила широкое признание, один из его учеников, Нильс Бор, усовершенствовал ее. Он доказал, что окружающие атом электроны не вращаются произвольно. Скорее, они вращаются по четко определенным орбиталям на очень определенных уровнях энергии, то есть орбитали квантованы. Благодаря этому доказательству модель атома Бора смогла объяснить определенное явление, такое как спектр водорода.
Электронное облако
Каждая из этих моделей объясняла большинство загадок, которые десятилетиями сбивали с толку научное сообщество. Квантованная орбитальная модель Бора была настолько подходящей, что казалась идеальной. Однако, как показала квантовая механика, модель была далека от реальности. Все предыдущие модели атома предполагали, что электрон — это частица с четко определенной массой, вращающаяся вокруг ядра, как спутник вращается вокруг планеты. В действительности же электрон больше похож на плотное облако вероятности, окружающее ядро.
Электрон обладает измеримыми кинетической энергией и импульсом, но не проявляет никакого подобия вращения. Электрон просто окружает ядро атома, как густой туман. Однако давайте проясним одну вещь: электрон — не та неуловимая частица, которую мы можем искать в тумане. Это не цель, которая движется так быстро, чтобы казаться расплывчатым облаком. Фактически электрон — это и есть облако.
Вероятностная картина местоположения единственного электрона в атоме © Richard Parsons
Есть ли масса у электронного облака?
Мы установили, что электрон — это не идеальная сфера, вращающаяся вокруг ядра, а скорее плотная облачная область вероятности. Итак, как мы можем определить его массу? Обладает ли электронное облако массой? Повсюду в учебниках физики уверенно показано, что масса электрона составляет 9,11 X 10 –31 кг. Это верно.
Однако возникает вопрос: а весит ли все облако вместе 9,11 X 10 –31 кг? Да. А что насчет части облака? Может ли часть облака иметь массу меньше электрона? На самом деле, нет.
Отсюда все становится немного туманнее. Допустим, у вас есть крошечная ложка. Вы берете эту ложку и опускаете ее на 25% площади электронного облака. В таком случае ваша ложка содержит вес, равный 25% от 9,11 X 10 –31 кг? Нет.
Когда ваша ложка удерживает 25% электронного облака, ваша ложка имеет 25% шанс удержать массу электронов 9,11 X 10 –31 кг. Вы можете владеть электроном целиком или не иметь его. Несмотря на то, что он представлен облаком, его нельзя разбить на части, так как облако не является физическим. Облако — это просто лучший способ проиллюстрировать истинное состояние электрона.
Конечно, это очень упрощенное объяснение электронного облака. Сложный мир квантовой механики математически представляет электронное облако как квантовую волновую функцию, управляемую вероятностями. Однако такая математика, похоже, выходит за рамки этой статьи. Целью здесь было просто помочь вам визуализировать «электрон» таким, какой он есть на самом деле.
Итак, в следующий раз, когда кто-то попросит вас подумать об атоме, не вызывайте в воображении устаревшее, неточное изображение электронов, вращающихся вокруг центрального ядра. Вместо этого подумайте об электронном облаке!
Электронное облако
Электронное облако — это наглядная модель, отражающая распределение электронной плотности в атоме или молекуле.
В первое время после появления знаменитого волнового уравнения Э. Шрёдингера предпринималось много попыток выяснить возможный физический смысл волновой функции и разработать модель поведения электрона в атоме. Э. Шрёдингер с самого начала говорил о «размазанном электроне», заряд которого также размазан по пространству и распределён по пучностям колебаний, предложил понятие «волнового пакета».
Однако физики отнеслись критически к этой модели. Макс Борн показал, что эти волны следует толковать статистически с точки зрения теории вероятности. Сами же волны не материальны, они лишь математические выражения, которыми описывается вероятность обнаружения электрона в той или иной точке пространства.
Имеются и другие способы изображения радиальное распределение вероятности нахождения электрона электронной плотности относительно атомного ядра.
Электронное облако наиболее часто изображают в виде граничной поверхности (охватывающей примерно 90 % плотности). При этом обозначение плотности с помощью точек опускают.
Понятие об электронном облаке. Волновая функция.
Электронное облако — это наглядная модель, отражающая распределение электронной плотности в атоме или молекуле. В качестве наглядной модели состояния электрона в атоме в химии принят образ облака, плотность соответствующих участков которого пропорциональна вероятности обнаружить там электрон. Электронное облако рисуется наиболее плотным (там, где наибольшее число точек) в областях наиболее вероятного обнаружения электрона. Так как электрон несет отрицательный заряд, то его орбиталь представляет собой определенное распределение заряда, которое получило название электронного облака.
Вероятность нахождения электрона в определённой области пространства описывается волновой функцией, которая характеризует амплитуду волны, как функцию координат электрона. В наиболее простом случае эта функция зависит от трёх пространственных координат и называется орбиталью. В соответствии с определением волновой функции, орбиталью называется область около ядерного пространства, в котором наиболее вероятно нахождение электрона.
Квантовые числа
Для характеристики поведения электрона в атоме введены квантовые числа: главное, орбитальное, магнитное и спиновое.
Главное квантовое число попределяет энергию и размеры электронных орбиталей, принимает значения 1,2,3,4… и характеризует оболочку или энергетический уровень. Чем больше п, тем выше энергия. Оболочки (уровни) имеют буквенные обозначения:K (n=1), L (n=2), M (n=3), N (n=4), Q (n=5).
Орбитальноеl – определяет форму атомной орбитали. Электронные оболочки расщеплены на подоболочки, поэтому орбитальное квантовое число также характеризует энергетические подуровни в электронной оболочке атома. Орбитальные кв. числа принимают целочисленные значения от 0 до (п-1). Подоболочки также обозначаются буквами: подоболочка (подуровень).
Электроны с орбитальным кв. числом 0 называются s- электронами, имеют сферическую форму.
Электроны с орбитальным кв. числом 1 называются р- электронами, форма, напоминающая гантель.
Электроны с орбитальным кв. числом 2 называются d- электронами, форма сложнее чем р- орбитали.
Порядок заполнения орбиталей электронами. Принцип минимума энергии. Принцип Паули. Правило Хунда. Правило Клечковского
При заполнении атомных орбиталей электронами соблюдаются три основные правила.
Правило Клечковского.Заполнение уровней и подуровней происходит в порядке возрастания суммы главного и орбитального квантовых чисел. Если для двух орбиталей эта сумма будет одинакова, то электрон идет в ту орбиталь, где n меньше.
Электронное облако
Согласно теории Бора электрон в атоме водорода в основном состоянии движется вокруг ядра по круговой орбите с радиусом a0 = 0,529Å и с постоянной скоростью V0 = 2,182· 108 см/сек. Квантово-механическая картина сходна с этой, но менее определена. Волновая функция ψ, описывающая движение электрона в этом атоме, имеет бо́льшую величину в непосредственной близости от ядра; на расстоянии 1-2 Å она быстро падает до нуля. Квадрат волновой функции представляет собой функцию распределения вероятности положения электрона, так что ψ2dv означает вероятность того, что электрон находится в объёме dv, а 4πr2ψ2dr — вероятность того, что он будет находиться на расстоянии от r до r+dr от ядра.На рисунке изображено радиальное распределение вероятности нахождения электрона в атоме водорода в основном состоянии.
Кривая радиального распределения вероятности нахождения электрона в атоме водорода показывает, что вероятность обнаружения электрона максимальна в тонком сферическом слое с центром в точке расположения протона и радиусом, равным боровскому радиусу a0.Полинг указывал, что атом водорода в основном состоянии можно описать, сказав, что электрон двигается около ядра с переменной скоростью V0, оставаясь обычно на расстоянии около 0,5 Å. «Если рассматривать достаточно большой период времени, за который может быть завершено много циклов движения электрона, то можно описать атом как ядро, окруженное сферически симметричным шаром отрицательного электричества».Чем прочнее связь электрона с ядром, тем электронное облако меньше по размерам и плотнее по распределению заряда.Электронное облако наиболее часто изображают в виде граничной поверхности (охватывающей примерно 90 % плотности). При этом обозначение плотности с помощью точек опускают.
Связанные понятия
Упоминания в литературе
Связанные понятия (продолжение)
Эта статья — об энергетическом спектре квантовой системы. О распределении частиц по энергиям в излучении см. Спектр, Спектр излучения. Об энергетическом спектре сигнала см. Спектральная плотность.Энергетический спектр — набор возможных энергетических уровней квантовой системы.
В химии валентными электронами называют электроны, находящиеся на внешней (валентной) оболочке атома. Валентные электроны определяют поведение химического элемента в химических реакциях. Чем меньше валентных электронов имеет элемент, тем легче он отдаёт эти электроны (проявляет свойства восстановителя) в реакциях с другими элементами. И наоборот, чем больше валентных электронов содержится в атоме химического элемента, тем легче он приобретает электроны (проявляет свойства окислителя) в химических.
Пра́вилами отбо́ра в спектроскопии называют ограничения и запрет на переходы между уровнями квантомеханической системы с поглощением или излучением фотона, наложенные законами сохранения и симметрией.
В физике понятие заря́да используется для описания нескольких физических величин, таких как электрический заряд в электромагнетизме или цветовой заряд в квантовой хромодинамике. Все эти заряды связаны с сохранением квантовых чисел.