На атомном уровне мир работает по принципам квантовой механики. Базовые сведения о строении атома необходимы для правильного понимания окружающей нас действительности и являются основой для дальнейшего познания мира химии и взаимосвязей в нем.
Атом и его строение
Отдельные частицы, из которых состоит материя – это атомы. Все, что нас окружает – это атомы. Элементы состоят из атомов: железо состоит из атомов железа, медь состоит из атомов меди и т. д.
Итак, из чего состоит сам атом?
Большинство из нас знает ответ: из положительно заряженных протонов, отрицательно заряженных электронов и незаряженных нейтронов. Является ли это правильным ответом? Безусловно, но если мы взглянем на атом «глазами химика», то ответим, что атом состоит из двух основных элементов – ядра и окружающего его электронного «облака».
Атомное ядро
Ядро атома является его центром и самой важной его частью. Оно состоит из протонов (с положительным зарядом) и нейтронов (электрически нейтральных). Эти частицы не связаны друг с другом на постоянно. Как протоны, так и нейтроны имеют внутреннюю структуру – они состоят из более мелких частиц, именуемых кварками. Протон состоит из двух так называемых верхних кварков и одного так называемого нижнего кварка. С другой стороны, нейтрон в своей структуре обладает одним верхним и двумя нижними кварками.
Электронное «облако»
Атом не имеет четко выраженного края – это связано с наличием электронного «облака». Электронное «облако» – это область, в которой наибольшая вероятность обнаружения электрона (важно: для электрона невозможно четко определить путь, по которому он движется. Можно определить только вероятность его нахождения в разных областях пространства). Электронное «облако» состоит из электронов, вращающихся вокруг атомного ядра. В непосредственной близости от ядра плотность электронного «облака» самая высокая, а чем дальше от ядра, тем более «облако» становится рассеянным.
Квантовое описание атома
Состояние каждого электрона в атоме описывается так называемыми волновыми функциями. Волновые функции представляют собой математическое решение уравнения Шрёдингера. В свою очередь, это уравнение можно решить, введя несколько основных условий. По этой причине, чтобы сделать это возможным, использовались квантовые числа. Ниже кратко охарактеризованы квантовые числа, которые однозначно описывают квантовое состояние каждого электрона в данном атоме:
- главное квантовое число n:
отвечает за энергию электрона. Оно принимает значения последовательных натуральных чисел. Может иметь значения от 1 до бесконечности. На практике все обстоит иначе – чаще всего n колеблется от 1 до 7. Уровни с одним и тем же главным квантовым числом называются электронной оболочкой.
- орбитальное квантовое число l:
более точно определяет энергию. Значение орбитального квантового числа определяет подоболочку данной оболочки в атоме. От значения этого числа также зависит форма атомных орбиталей. Орбитальное квантовое число принимает значения от нуля до (n-1).
- магнитное квантовое число m:
значение магнитного квантового числа зависит от орбитального квантового числа. Магнитное квантовое число m принимает значения от -l до l (включая значение, равное 0). Зная магнитное квантовое число, можно определить взаимные положения орбиталей в пространстве, что дает сведения о количестве орбиталей на данном подуровне.
- магнитное спиновое квантовое число:
электроны, двигаясь вокруг атомного ядра, совершают также движения вокруг своей оси. Это движение называется спином электрона – с ним связано магнитное спиновое квантовое число. Принимает лишь два значения: + ½ и — ½. Каждая атомная орбиталь может содержать два электрона, различающихся значением магнитного спинового квантового числа.
Описывая квантовые числа, нельзя не упомянуть один из основных законов в химии, а именно принцип запрета Паули. Согласно этому закону, в данном атоме не могут присутствовать два электрона, имеющие одинаковые значения четырех квантовых чисел. Электроны в атоме должны отличаться значением хотя бы одного квантового числа.
Электронные оболочки и подоболочки
Атомное ядро окружено электронным «облаком», в котором с определенной вероятностью может находиться электрон. Эти электроны распределены по соответствующим электронным оболочкам. Электронные оболочки представляют собой не что иное, как уровни с одним и тем же главным квантовым числом n. Оболочка, наиболее удаленная от атомного ядра, именуется валентной оболочкой – циркулирующие в ней электроны именуются валентными электронами (они образуют химические связи между атомами разных элементов или атомами одного и того же элемента). Каждая электронная оболочка обозначается буквенным символом. Таким образом, для n=1, буквенный символ оболочки — это K, для n=2 оболочка обозначается как L и т.д. (для n от 1 до 7 — буквенное обозначение оболочек: от K до Q соответственно).
Каждая из электронных оболочек в атоме состоит из подоболочек. Подоболочки определяются орбитальными квантовыми числами l. На подоболочках располагаются электроны, имеющие точно определенные, равные значения энергии. Подоболочки также имеют определенную «емкость» – они могут содержать 2*(2*l+1) электронов, где l – это орбитальное квантовое число. Подоболочки также имеют свои буквенные обозначения: s, p, d, f, g, h и т.д.
Электронная конфигурация
Чтобы правильно определить электронную конфигурацию в атоме, необходимо знать порядок энергетических уровней (порядок отдельных подоболочек и оболочек по возрастанию значения энергии). Конфигурация – это не что иное, как присвоение отдельным электронам энергетических уровней.
Можно выделить два энергетических состояния атома: основное и возбужденное. Мы имеем дело с основным состоянием, когда электроны распределены по отдельным орбиталям в соответствии с правилам разложения. Тогда он обладает наименьшей энергией. Если атом принимает определенное количество энергии, то электрон может быть перемещен с орбитали с более низкой энергией на свободную орбиталь с более высокой энергией – именно тогда речь идет о возбужденном состоянии атома.
Таким образом, чтобы найти правильную электронную конфигурацию атома в основном состоянии, необходимо заполнить отдельные орбитали по возрастающей энергии по принципу запрета Паули. В соответствии с этими принципами создается так называемая полная запись конфигурации, учитывающая нумерацию последовательных оболочек, буквенные обозначения последовательных подоболочек и запись количества электронов на определенных орбиталях. Сокращенная запись электронной конфигурации, напротив, первоначально содержит ядро в виде электронной конфигурации благородного газа и дополнение остальными электронами.