Основно съдържание
Курс: Биологична библиотека > Раздел 2
Урок 2: Електронни обвивки и орбиталиПериодична система, електронни слоеве и орбитали
Въведение
По време на обучението си по химия учениците в някои страни по света се срещат с една песен на Том Лерър: „Елементите“, в която той в бърз ритъм изрежда имената на всички химични елементи. Някои дори я наизустяват за по-добра оценка. Така някои от тях, възможно е също и ти, все още помнят названията на всички елементи, което е доста впечатляващо – особено ако искаш да блеснеш на някой купон.
Ако помниш имената на елементите, означава ли това, че никога няма да ти трябва периодичната таблица (периодичната система) отново? Е … вероятно не. Причината е, че периодичната таблица не е просто голяма таблица, в която са записани всички елементи. Тя представлява нещо много повече. Мястото на всеки елемент в таблицата дава информация за строежа, свойствата и поведението му в химични реакции. По-точно, мястото на един елемент в периодичната таблица ти помага да определиш електронната му конфигурация, как са подредени електроните около ядрото. Чрез своите електрони атомите участват в химични реакции, така че да знаеш електронната конфигурация на един елемент позволява да се прогнозират химичните му свойства – дали и как ще взаимодейства с други елементи.
В тази статия ще разгледаме в повече подробности периодичната система и връзката между местоположението на елементите в нея и структурата на електронните обвивки на атомите и как това ни позволява да предположим химичните свойства на елементите.
Периодичната система
Според установената практика химичните елементи са организирани в периодична система, наричана още периодична таблица: тя е структура, която отразява най-важните свойства на химичните елементи. Създадена е от руския химик Дмитрий Менделеев (1834 - 1907) през 1869 г. В нея елементите са подредени в колони – групи – и редове – периоди – като елементите в тях притежават някои общи свойства и прилики. Тези свойства определят агрегатното състояние на елемента на стайна температура – твърдо, течно или газообразно, както и неговите химични свойства, т. е. способността му да образува химични връзки с други атоми.
Освен поредния атомен номер на всеки елемент, в периодичната таблица виждаме също и относителната атомна маса на елемента – претеглената средна стойност за естествено появяващите се негови изотопи на Земята. Например да разгледаме водорода – виждаме неговия символ
Разликите в химичните свойства на елементите се определят от броя и пространственото разпределение на техните електрони. Ако два атома имат допълващи се електронни модели, те могат да реагират и да образуват химична връзка, създавайки молекула или съединение. Както ще видим по-долу, в периодичната система елементите са подредени по начин, който отразява броя на елекроните и структурата на електронна им обвивка, благодарение на което можем да предскажем химичните свойства на един елемент: колко вероятно е да образува връзки и с кои други елементи.
Електронни слоеве и модел на атома на Бор
Един ранен модел на атома е бил разработен през 1913 г. от датския учен Нилс Бор (1885-1962). Моделът на Бор показва атома като състоящ се от централно ядро, съдържащо протони и неутрони, а електроните са в кръгови електронни слоеве на определени разстояния от ядрото, подобно на планетите, обикалящи в орбити около Слънцето. Всеки електронен слой представлява различно енергийно ниво, като слоевете, които са най-близо до ядрото, имат по-ниска енергия от тези, които са по-надалеч от ядрото. Прието е всеки слой да се означава с едно число и символа n – например електронният слой, който е най-близо до ядрото, се означава като 1n. За да се придвижи между слоевете, един електрон трябва да приеме или освободи количество енергия, което точно съответства на разликата между енергията на слоевете. Например, ако един електрон абсорбира енергия от един фотон, той може да се възбуди и да премине в по-висок енергиен слой; обратно, когато един възбуден електрон падне обратно до по-нисък енергиен слой, той освобождава енергия, често под формата на топлина.
Атомите, както други неща, подчиняващи се на законите на физиката, по принцип се стремят към състоянията, които са най-стабилни и се характеризират с най-ниска енергия. По тази причина електронните слоеве на един атом се запълват отвътре навън, като електроните първо се разполагат в най-нискоенергийните слоеве, най-близо до ядрото, преди да започнат да запълват по-външните високоенергийни слоеве. В най-близкия до ядрото електронен слой, 1n, може да се разположат два електрона, докато в следващия слой, 2n, може да се разположат осем електрона, а в третия слой, 3n, може да има до 18 електрона.
Броят на електроните в най-външния слой на атомите на даден елемент определя химичните му свойства или склонността му да образува химични връзки с други атоми. Най-външният слой се нарича валентен слой и електроните, които се намират в него, се наричат валентни електрони. Като цяло атомите са най-стабилни, най-слабо активни химически, когато най-външният им електронен слой е запълнен. Повечето от елементите, важни в биологията, имат нужда от осем електрона в най-външния си слой, за да са стабилни, и това важно правило е познато като октетното правило. Някои атоми могат да са стабилни с един октет, дори и валентният им слой да е 3n слоят, в който може да се разположат до 18 електрона. Ще разгледаме причината за това, когато обсъдим електронните орбитали по-долу.
Примери за някои неутрални атоми и техните електронни конфигурации са показани по-долу. В тази таблица можеш да видиш, че хелият има пълен валентен слой с два електрона в първият си и единствен, 1n, слой. Тези електронни конфигурации правят хелия и неона много стабилни. Въпреки че аргонът технически няма пълен външен слой, тъй като 3n слоят може да побере до 18 електрона, той е стабилен като неона и хелия, понеже има осем електрона в 3n слоя и следователно изпълнява октетното правило. За разлика от тях, хлорът има само седем електрона в най-външния си слой, докато натрият има само един. Ето защо техните най-външни слоеве не са запълнени и октетното правило не е изпълнено, което прави натрия и хлора химически активни, желаещи да приемат или отдават електрони, за да достигнат по-стабилна конфигурация.
Електронни конфигурации и периодичната система
В периодичната система елементите са подредени въз основа на техния пореден атомен номер, тоест колко протона имат в ядрата си атомите на съответния елемент. В един неутрален атом броят на електроните е равен на броя на протоните, така че лесно можем да определим броя на електроните от поредния (атомния) номер. Освен това мястото на един елемент в периодичната таблица – колоната определя неговата група, а редът, неговия период – ни дава полезна информация за това как са подредени тези електрони.
Ако разгледаме само първите три реда на таблицата, които включват основните елементи, важни за живота, всеки ред съответства на запълването на различен електронен слой: електроните на хелия и водорода се намират в 1n слоя, докато в атомите на елементите от втория ред, като Li, електроните се разполагат в 2n слоя, а при елементите от третия ред, като Na, се запълва 3n слоя. Подобно, групата, в която се намира елементът, ни дава информация за броя валентни електрони и химичните свойства. Като правило броят валентни електрони е един и същ в една група и се увеличава от ляво надясно в един период. Елементите от група 1 имат само един валентен електрон, а елементите от група 18 имат осем, освен хелия, който има общо само два електрона. Следователно номерът на групата е добър показател за химическата активност на даден елемент:
- Хелият (
- Водородът (
- Флуорът (
- Въглеродът (
По този начин номерът на групата в периодичната система съответства на броя електрони, намиращи се във валентната обвивка на атомите на елементите в тази група, което на свой ред определя химичните им свойства.
Подслоеве и орбитали
Моделът на Бор е полезен за обясняване на химичната активност и химичните свойства на много елементи, но всъщност не дава много точно описание на това как са разпределени електроните в пространството около ядрото. Електроните, всъщност, не ограждат ядрото в кръг, а вместо това прекарват по-голямата част от времето си в области от пространството около ядрото със сложна форма, познати като електронни орбитали. Не можем да знаем къде точно е един електрон във всеки даден момент от времето, но можем математически да определим обема пространство, в който е най-вероятно да бъде намерен – да кажем, обемът пространство, в който ще прекара 90% от времето си. Тази област с висока вероятност представлява т.нар. орбитала и във всяка орбитала може да се намират до два електрона.
Как тези математически определени орбитали съвпадат с електронните слоеве, които видяхме в модела на Бор? Можем да разделим всеки електронен слой на един или повече подслоя, които са просто множества от една или повече орбитали. Подслоевете се означават с буквите
Първият електронен слой, 1n, съответства на една единствена
Вторият електронен слой, 2n, съдържа друга сферична
Третият електронен слой, 3n, също съдържа една
Макар концепциите за електронните обвивки и орбиталите да са тясно свързани, орбиталите представляват по-точна картина на електронната конфигурация на един атом, Това е така, защото орбиталите показват формата и местоположението на областта от пространството, в която се намират електроните.
Искаш ли да се присъединиш към разговора?
Все още няма публикации.