Приветствую Вас, сразу хочу обратиться к читателю, если вы решили прочитать данную статью ради интереса, или же чтобы скоротать время, то я вам могу пожелать приятного тения! Я постарался выразиться максимально простым и понятным языком.
Древняя теория, правы ли греки?
В конце V в. до н.э. древнегреческий философ Демокрит, предположил о существовании неделимых частиц.
Его идея была такова:
"Пусть у нас есть бронзовый слиток (сплав меди и олова), мы можем его поделить пополам. Но что будет если мы это повторим несколько раз? С каждым новым делением мы будем получать все более мелкий кусочек бронзы. И сможем мы это делать до тех пор, пока не разделим его на медь и на олово. Значит тела состоят из каких-то основополагающих частиц, которые невозможно поделить "
И Демокрит предложил им название атом, что можно перевести с греческого как "неделимый".
Эта теория долгое время конкурировала с другими догадками и предположениями. Но в наше время мы можем однозначно утверждать, что это действительно так, и любой окружающий вас предмет состоит из атомов, впрочем как и Вы сами.
Я сказал, что мы можем однозначно утверждать существование мельчайших неделимых частиц. Это не просто результат косвенных опытов и умозаключений, а что ни на есть прямых доказательств.
Теперь мы можем поделить все вещества вокруг нас простые и сложные, то есть те которые состоят из одинаковых атомов и из разных соответственно.
Поделить атом?
В конце XIX и начале XX веков наука открыла явление радиоактивности. Оно заключается в том, что некоторые атомы, например урана и радия, способны испускать определённые частицы.
На этом месте я себя остановлю. Дело в том, что история изучения радиации достаточно велика и чтобы её рассказать потребуется значительная часть времени. Так что отложим это до другого раза.
Мы же остановимся только на некоторых выводах, к которым пришли ученые изучая радиоактивность. Оказалось, что любой атом это структура состоящая из таких частиц как протоны, нейтроны и электроны.
- Протоны - частицы заряженные положительно
- Нейтроны - частицы не имеющие заряда, но у них практически такая же масса как и у протонов
- Электроны - частицы заряженные отрицательно, их заряд равен по значению заряду протона, но масса ничтожна мала по сравнению с ним.
Атом в целом не заряженная частица, а значит количество протонов равно количеству электронов.
Было предложено несколько моделей строения атома, мы же рассмотрим только современную теорию его строения.
Строение атома
Начнем с того, что в атоме есть ядро, которое состоит из протонов и нейтронов. Стоит отметить, что оно является самой тяжелой частью атомной структуры, т.к. масса электронов очень мала по сравнению с массами протона и нейтрона (см. выше). Вокруг ядра находятся электроны, казалось бы электроны просто вращаются вокруг ядра удерживаясь рядом с ним при помощи сил электростатического взаимодействия, такую модель атома предложил Эрнест Резерфорд, однако не все так просто.
Погружаясь в тему строения атома придется волей-неволей столкнуться с квантовыми явлениями, поэтому я постараюсь максимально простым языком объяснить этот момент.
Рассматривая электрон в атоме нельзя ответить на вопрос: "Где в данный момент он находится?". Мы можем всего лишь указать ту область пространства, где вероятность нахождения электрона достаточно высока.
Эта область получила название электронной орбитали.
Как выглядит электронная орбиталь?
На этот вопрос помогает ответить уравнение Шрёдингера, да, того самого Шрёдингера чей кот одновременно жив и мёртв. Само уравнение я приводить не буду, нам нужны только его следствия. Сама суть данного уравнения заключается в том, чтобы предсказать вероятность нахождения электронов в атоме, что нам и нужно. Получается, что графическим решением данного уравнения будет как раз атомна орбиталь.
Орбитали могут быть различной формы, которые обозначаются при помощи букв s, p, d и f.
- s-орбиталь имеет шарообразную форму, соответственно она симетрична по всем трём осям координат, а значит может быть лишь одна.
- р-орбиталь имеет "гантелеобразную" форму, и их уже целых три, т.к. эта орбиталь может располагаться вдоль оси x, y и z. Получается что в пространстве эти орбитали взаимно перпендикулярны.
- d-орбиталь тут уже дело обстоит труднее, как можно видеть на рисунке ниже возможно пять форм этой орбитали.
- f-орбиталь тут уже существует всего семь вариантов возможной формы орбитали.
Одна из возможных форм орбитали называется квантовой ячейкой. В одной такой ячейке может уместиться сразу два электрона. Как же они не отталкиваются друг от друга если заряжены одинаково? Дело обстоит в том, что электроны вращаются вокруг своей оси, эта как раз можно делать двумя способами: по и против часовой стрелки. Такое вращение электрона получило название спин. И в одной квантовой ячейке могут находится два электрона только с разными спинами.
Получается, что на s-орбитали можно разместить 2 электрона,
на p- орбитали 2*3 = 6 электронов, на d 2*5=10 электронов и на f соответственно 2*7=14 электронов.
Энергия электрона
Любому человеку, как и электрону хочется устроится поудобнее, только если под удобством каждый человек понимает своё, то абсолютно любой электрон хочет занять то место, где он будет обладать меньшей энергией.
Мы рассмотрели возможные формы орбиталей, но помимо этого они могут быть различных размеров, поэтому их делят на различные энергетические уровни. Они нумеруются по порядку: первый, второй и т.д.
Первый уровень расположен ближе всех к ядру, а значит, что электроны в первую очередь заполнят его, а потом будут заполнять уровни подальше от ядра. Это носит название принципа минимума энергии.
На первом энергетическом уровне существует только s-орбиталь(2 электрона), т.к. он слишком мал для того чтобы там расположить другие формы орбиталей
На втором только s- и p- орбитали(2+6=8 электронов)
На третьем s-, p- и d-орбитали(2+6+10=18 электронов)
На четвертом s-, p-, d- и f-орбитали(2+6+10+14= 32 электрона)
Стоит отметить что электрон находясь на одинаковом энергетическом уровне, но на орбиталях разной формы будет обладать разной энергией.
Выгоднее всего заполнять сначала s-орбиталь, затем p-, d- и f-
Таким образом если в атоме уже заполнен первый энергетический уровень, значит при добавлении последующего электрона приходится заполнять второй, где приходится выбирать между s- и p- орбиталями. Электрон само- собой выберет первый вариант, т.к. он энергетически выгоднее.
Когда заполнение дойдет, например, до p-орбитали, у которой три квантовые ячейки, то электроны будут заполнять ячейки сначала по одному, т.к. это выгодно по энергии, а только затем уже попарно.
Замечу, что не всегда более низкий энергетический уровень будет выгоднее по энергии, чем выше стоящий, т.к. надо учитывать ещё энергию, зависящую от формы орбитали. Например заполняя третий энергетический уровень сначала заполняются s- и p-орбитали, но потом сразу начинает заполнятся 4s минуя 3d, и только тут электроны начинают заселять 3d уровень т.к. он меньше по энергии, чем 3p.
Финал
Если вы полностью прочитали статью и дошли до этой записи, то я надеюсь Вы открыли для себя что-то новое, а если ещё смогли что-то понять из вышеизложенного, то моей радости не будет предела. Честно признаюсь, это моя первая статья, не судите очень строго.
Рад буду комментариям)