Оглавление 42 43 44 45 46 — — — 270 
Строение электронных оболочек атомов. Теория Бора позволила разрешить очень важный вопрос о расположении
электронов в атомах различных элементов и установить зависи­мость свойств элементов от строения электронных оболочек их атомов.
В настоящее время разработаны схемы строения атомов всех химических элементов. При построении этих схем ученые исхо­дили из богатейшего опытного материала, накопленного при изу­чении оптических и рентгеновых спектров, а также из общих соображений об устойчивости различных комбинаций электронов. Но основной путеводной нитью служил им периодический закон.

Нужно, однако, иметь в виду, что все эти схемы отнюдь не являются чем-то законченным, твердо установленным; они представляют собой лишь более или менее достоверную гипотезу,позволяющую объяснить многие физические и химические свой­ства элементов. 

Мы уже видели, что число электронов, вращающихся вокруг ядра атома,равно порядковому номеру элемента в периодиче­ской системе. Первоначально предполагалось, что электроны движутся группами по одним и тем же круговым орбитам, обра­зующим несколько концентрических колец. Впоследствии при­шлось допустить, что каждый электрон имеет свою орбиту, кото­рая может быть кругом или эллипсом, и что все эти орбиты различно расположены в пространстве, т. е. наклонены друг к другу под разными углами, окружая ядро со всех сторон.Расположение электронов по кольцам заменено теперь их груп­пировкой по электронным слоям. Каждому слою принадлежит определенно езаполняющее или как бы насыщающее его число» электронов.

Электроныодного и того же слоя характеризуются почти одинаковым запасомэнергии, т. е. находятся примерно на одинаковом энергетическомуровне. Вся электронная оболочка атома распадается на несколькослоев, или энергети­ческих уровней, обозначаемых буквами К, L, М, N…Буквой К обозначают ближайший к ядру слой. Электроны каждого сле­дующего слоя находятся на более высоком энергетическом уровне, чем электроны предыдущего «слоя. Орбиты всех электро­нов, относящихся к одному слою, обладают одинаковой величи­ной больших осей эллипса, норазличной величиной малых осей. Наибольшее число электронов N,могущих находиться в дан­ном слое (на данном энергетическом уровне),равно удвоенному квадрату номера слоя

N=2n2
где п — номер слоя. Таким образом, первый ближайший к ядру слой Кможет содержать не больше двух электронов, второй слой L — небольше восьми, третий слой М — не больше восем­надцати и т. д. Крометого, установлено, что число электронов в наружном слое для всех элементов, кроме палладия, не пре­вышает восьми, а в предпоследнем слое — восемнадцати.

Электроны наружного слоя, как наиболее удаленные от ядра и,следовательно, наименее прочно связанные с ядром, могут отрыватьсяот атома и присоединяться к другим атомам, входя в состав наружногослоя последних. Атомы, лишившиеся одного или нескольких электронов, становятся заряженными по­ложительно, так как заряд ядра атома превышает сумму зарядов оставшихся электронов. Наоборот,атомы, присоединившие к себе лишние электроны, заряжаются отрицательно. Образующиеся та­ким путем заряженные частицы,качественно отличные от соот­ветствующих атомов, называются ионами.

Величина заряда иона зависит от числа потерянных или при­обретенных атомом электронов. Например, если атом алюминия,имеющий в своей оболочке всего 13 электронов, потеряет триэлектрона наружного слоя, то образовавшийся ион алюминия будетиметь заряд +3, так как от потери электронов заряд ядра, равный +13,не изменится, а общий заряд, оставшихся электро­нов станет равным—10 (заряд иона будет —10 +13 = +3). Атом серы имеет всего 16 электронов, из которых шесть нахо­дятся в наружном слое. Если онприсоединит к себе еще два электрона, то получится отрицательныйдвухзарядный ион серы, так как общий заряд электронов станетравным —18, а заряд ядра + 16 (заряд иона будет —18 + 16 = —2).

Ионы принято обозначать теми же символами, что и атомы,добавляя к ним справа вверху столько знаков плюс или минус,скольким единицам равняется заряд иона. Например, положи­тельный трехзарядный. ион алюминия обозначается символом Al+++или Аl3+, отрицательный двухзарядный ион серы — симво­лом Sили S2- и т. д.
Схема строения водорода

Рис. 21. Схема строения водорода

Многие ионы в свою очередь могут терять или присоединять электроны, превращаясь при этом или в электронейтральные атомы,или в новые ионы с другим зарядом.

При потере электронов положительный заряд иона увеличи­вается, а отрицательный уменьшается или становится равным нулю(т. е. ион превращается в электронейтральный атом). На­оборот, присоединение электронов к иону уменьшает его положи­тельный заряд и увеличивает отрицательный. Так, например, положительный двухзарядный ион железа Fe++, отдавая один электрон, становится трехзарядным ионом Fe+++, а присоединяя два электрона, —превращается в электронейтральный атом Fe; отри­цательный двухзарядный ион серы S, отдавая два электрона, превращается в атом серы S и т. д.

Переход наружных электронов от одних атомов к другим со­вершается при самых разнообразных химических процессах, о чеммы подробно будем говорить в следующей главе. От числа этих электронов и зависит, главным образом, различие в химических свойствах атомов. Только электроны наружного слоя принимают участие в выделении и поглощении лучей видимого света и близких к ним по длине волны инфракрасных и ультрафиолето­вых лучей.
 

Посмотрим теперь, как расположены электроны в атомах отдельных элементов.

Схема строения атома гелия

22. Рис. Схема строения атома гелия

В атоме водорода имеется только один электрон, который ивращается вокруг ядра по кругу, как изображено на рис. 21. Атом водорода легко может отдавать свой электрон другим атомам, превращаясь в положительный однозарядный ион водорода,состоящий только из ядра, которое получило название протон. Следующий за водородом элемент гелий имеет два электрона, образующих первый слой K. Оба электрона вращаются по кру­говым орбитам, наклоненным друг к другу под некоторым углом (рис. 22), и характеризуются одинаковым запасом энергии, т. е. находятся на одном и том же энергетическом уровне (первом).
 
Такое расположение электронов очень устойчиво, вследствие чего гелий совершенно не склонен ни отдавать свои электроны, ни присоединять к себе элек­троны других атомов.
 

Этим и объясняется химическая инертность гелия. После гелия идет литий с тремя электронами. Электронный слой гелия, как очень устойчивый, остается и здесь; третий же электрон располагается на значитель­но вытянутой эллиптической орбите,начиная собой построение второго электронного слоя (рис. 23). Этот электрон связав с ядром слабее двух первых, и атом лития легко отдает его, превращаясь в по

Схема строения атома лития


Рис. 23. Схема строения атома лития

ложительно заряженный ион.

Следующие после лития элементы бериллий, бор, углерод и т. д. сохраняют гелиевый слой из двух электронов, но число электронов в их втором слое L по­следовательно увеличивается на еди­ницу, пока не достигнет восьми в атоме неона. Тогда получается очень устойчивое, симметричное расположение электронов (рис 24), вследствие чего неон, подобно гелию, не может ни отдавать, ни присоединять электроны. В атомах же элементов,  расположенных между гелием и неоном, электроны L-слоя связаны непрочно и у первых членов ряда могут отщепляться, что-приводит к превращению этих атомов в ионы.

Схема строения атома натрия

Рис. 25. Схема строения атома натрия

Вслед за неоном идет натрий. Десять его электронов располо­жены так же, как в атоме неона (два на первом энергетическое Уровне и восемь на втором), а одиннадцатый электрон занимает сильно вытянутую эллиптическую орбиту и находится уже на третьем энергетическом уровне (рис. 25). Атом натрия имеет, та­ким образом,структуру, подобную атому лития, что делает понятным химическое сходство этих элементов. При переходе от натрия к магнию, алюминию и следующим за ним элементам, так же как и при переходе от лития к неону, происходит последова­тельное увеличение числа электронов, но уже в третьем слое, и у аргона  опять получается устойчивая структура с восьми электронным третьим слоем.

Дальнейшее нарастание электронных слоев и их заполнение электронами будет по­дробно рассмотрено в гл. VII.

Представленные на рисун­ках 21—26 атомные модели,отображающие расположение электронных орбит в атомах различных элементов, очень громоздки и неудобны. Для химических целей совершенно до­статочными являются упрощен­ные схемы строения атомов, изображенные на рис. 27.

Нужно только иметь в виду, что эти схемы отнюдь не дают представления о действительном расположении электронов в атомах, а лишь указывают число электронов в слоях: каждая окружность соответствует одному слою электронов, т. е. одному энергетическому уровню.
Вы читаете, статья на тему Строение электронных оболочек атомов