Электроны определяют химическое поведение атомов
Ключом к химическому поведению атома является расположение его электронов на орбитах. Удобно визуализировать отдельные электроны в виде дискретных круговых орбит вокруг центрального ядра, как в боровской модели атома. Однако такая простая картина нереалистична. Невозможно точно определить местоположение какого-либо отдельного электрона точно в любой момент времени.
На самом деле, конкретный электрон может быть где угодно в данный момент, от близкого к ядру до бесконечно далекого от него. Однако, конкретный электрон с большей вероятностью будет находиться в одних
постоянных положениях.
Область вокруг ядра, где электрон, скорее всего, будет найден, называется орбиталью этого электрона.
Некоторые электронные орбиты вблизи ядра являются сферическими (s орбиты), в то время как другие имеют форму гантели (p орбиты). Другие орбиты, более удаленные от ядра, могут иметь различные формы.
Независимо от формы, никакая орбита не может содержать более двух электронов. Почти весь объем атома пуст, потому что электроны находятся достаточно далеко от ядра по отношению к его размеру. Если бы ядро атома было размером с яблоко, то орбита ближайшего электрона была бы больше чем на 1600 метров.
Следовательно, ядра двух атомов по своей природе никогда не сближаются настолько близко, чтобы взаимодействовать друг с другом. Именно по этой причине электроны атома, а не его протоны или нейтроны, определяют его химическое поведение.
Это также объясняет, почему изотопы элемента, все из которых имеют одинаковое расположение электронов, ведут себя одинаково химически.
Энергия внутри атома
Все атомы обладают энергией, определяемой как способность производить работу. Поскольку электроны притягиваются к положительно заряженному ядру, требуется работа, чтобы удержать их на орбите, точно так же, как требуется работа, чтобы держать грейпфрут в руке против тяги гравитации.
Грейпфрут, как говорят, обладает потенциальной энергией, способностью выполнять определенную работу, благодаря своему положению, если бы вы выпустили грейпфрут, он упал бы, а его энергия уменьшилась бы.
И наоборот, если вы переместите грейпфрут на вершину здания, вы увеличите его потенциальную энергию. Аналогично, электроны имеют потенциальную энергию положения. Противодействие притяжению ядра и перемещение электрона на более отдаленную орбиту требует ввода энергии и результатов в электроне с большей потенциальной энергией. Так хлорофиллл улавливает энергию света во время фотосинтеза, так как свет возбуждает электроны в хлорофилле.
Перемещение электрона ближе к ядру имеет противоположный эффект: энергия высвобождается, как правило, в виде тепла, и в результате электрон получает меньше потенциальной энергии. Данный атом может обладать только определенным дискретным количеством энергии. Как и потенциальная энергия грейпфрута в руках, потенциальная энергия, получаемая от положения электрона в атоме, может иметь только определенные значения.
Каждый атом демонстрирует "лестницу" потенциальных энергетических значений то есть дискретный набор орбит на определенных расстояниях от ядра.
Во время некоторых химических реакций электроны передаются от одного атома к другому. В таких реакциях потеря электрона называется окислением, а приобретение называется восстановлением. Важно понимать, что когда электрон передается таким образом, он сохраняет свою энергию положения.
В организмах химическая энергия накапливается в высокоэнергетических электронах, которые передаются от одного атома к другому в реакциях окисления и восстановления. Поскольку количество энергии, которой обладает электрон, связано с его удаленностью от ядра, электроны, которые находятся на одинаковом расстоянии от ядра, имеют одинаковую энергию, даже если они занимают разные орбиты.
Говорят, что такие электроны занимают один и тот же уровень энергии. Изучая строение атома более подробно, будьте осторожны, чтобы не спутать уровни энергии, которые рисуются в виде колец, указывающих на энергию электрона, с орбитами, которые имеют различные трехмерные формы и указывают на наиболее вероятное местоположение электрона.