Есть атомы нейтральные, а есть положительные или отрицательные ионы. Ионы отличаются от обычных атомов тем, что содержат лишние электроны или, напротив, имеют меньшее количество электронов, чем у аналогичных атомов этого химического элемента.
Если атом присоединил лишний электрон, то он становится отрицательно заряженным ионом или анионом, а если отдал, то это положительно заряженный ион или катион.
Эти прописные истины знают все, кто прослушал школьный курс физики и химии. Вот только каким образом происходит, например, присоединение электрона к нейтральному атому и что в итоге удерживает лишний электрон рядом с ядром?
Такой вопрос задал уважаемый подписчик и мне кажется, что ответ будет интересен всем. Кстати, свои вопросы по физике вы можете задать в специальной группе в Телеграм и я по мере знаний/сил постараюсь сделать об этом материал.
Планетарная модель. Неполная, но достаточная
Для того, чтобы правильно ответить на поставленный вопрос, нам нужно обратиться к основам. Довольно удобно начать тут с планетарной модели атома. Правда стоит помнить, что модель эта устаревшая и современные взгляды немного её изменили. Например, согласно стандартной модели атома вполне уместно ожидать падения электрона на ядро, но это отдельная тема.
В планетарной модели атома, атом представлен как маленькая солнечная система. В центре расположено ядро, состоящее из протонов и нейтронов. Вокруг ядра вращаются (хотя и не вращаются, но пусть пока будет так) электроны. Согласно теории, электроны у ядра удерживаются электростатическими силами.
Тут есть интересный и слегка противоречивый момент. Теория предполагает, что у каждого ядра атома есть так называемые электронные уровни - это орбиты, на которых располагаются электроны. Некоторое расстояние, на котором расположились все эти субатомные частицы. У каждого ядра есть ограниченное их количество. Таких точек расположения электронов или орбит (что не совсем верно) есть ограниченное количество. На каждой точке есть характерная сила притяжения для электрона со стороны ядра и она уменьшается по мере отдаления от ядра атома.
Наверняка из учебника химии вы помните, что электронные уровни или слои заполняются в некоторой последовательности. Может так получиться, что электроны кончатся раньше, чем закончатся слои. В таком случае атом будет способен присоединить к себе некоторое количество электронов.
Логика банальная и простая. У ядра есть некоторое количество энергии, которое оно способно потратить на удержание электронов рядом с собой. На каждый электрон приходится некоторое количество энергии, а если уровни не заполнены, то подразумевается существование лишней энергии.
А что, если все урони заполнены?
Тут сразу возникает вопрос, а может ли атом с полностью заполненной оболочками присоединять электроны? Да, могут, но атом гарантированно будет нестабилен и начнёт быстро отбрасывать такие электроны или испускать радиацию. Это определяет принцип Паули:
Атомы с полностью заполненными оболочками не могут образовать стабильных отрицательных ионов.
Но есть тут одна интересная особенность. Даже если не лезть глубоко в квантовую физику, то стоит обратить внимание на ряд особенностей процесса. Некоторые источники совсем иначе описывают механизм удержания присоединенного электрона и ориентируются на валентные электроны атома.
Напомню, что присоединяемый электрон называется валентным. Тут очень полезно прочитать про валентную связь в химии, которая работает благодаря перекрытию электронных облаков. Поверьте, только кажется, что всё это очень просто. Попробуйте найти ответ на вопрос "Почему".
Итак, в нашем случае гостевой валентный электрон войдёт в состав обновлённой валентной связки, а бывший валентный электрон станет свободным, с ничтожной кинетической энергией.
Алгоритм пульсаций
Некоторые источники используют для описания процесса алгоритм прерываний электронных пульсаций.
Его суть заключается в следующем: У ядра есть энергия, которую оно способно расходовать. Эта энергия распространяется на некоторое расстояние вокруг ядра и образует зону присоединения электронов. Когда новый электрон попадает куда-то на границу этой зоны, то энергия расходуется на его удержание. Поскольку помимо нового гостевого электрона, есть и старые, на границе атома (что весьма условно) происходит постоянный процесс переключения связи с одного электрона на другой.
Такие переключения могут продолжаться неопределённо долго. Валентная связка способна удерживать два электрона, поочерёдно включая их в свой состав. Это легко представить, если такую связь иллюстрировать чем-то типа искр, которые соединяют ядро с электронами и периодически перескакивают с одного объекта на другой.
Чтобы остановить этот нештатный режим работы валентной связки, требуется тем или иным способом удалить один из электронов из области удержания – затратив энергию, которую и называют энергией сродства атома к электрону.
Теперь коротко и понятно
Условная модель удержания лишнего, которую мы можем вывести, довольно простая.
Есть ядро атома, вокруг которого существует энергетическая зона. Электроны находящиеся в этой зоне, притянуты к атому электростатическим взаимодействием. Но только в том случае, если энергии ядра для удержания лишнего электрона хватает. Читай как: "Есть свободное место на валентной оболочке". У присоединенных электронов и электронов, которые уже были в атоме на крайних уровнях, может существовать конкуренция за поглощение энергии. При этом связь может поочередно переключаться с одного электрона на другой и вызывать эффект пульсаций.
Помимо электростатических сил, уместно ожидать и некоторый вклад гравитационного притяжения, которое скажется на удержании электрона. Кроме того, сами электроны тоже могут взаимодействовать друг с другом и образовывать устойчивые пары. На этом, в частности, основан эффект сверхпроводимости, но это уже совсем другая история.
Хотелось бы добавить, что это только модель. Многие затронутые вопросы приведут логику к парадоксам и до сих пор являются спорными. По этой логике ионов вообще не должно было бы существовать, так как полноценного описания физик присоединения гостевых электронов нет.
Полезно почитать ещё и это:
---
⚡ Обязательно подпишитесь на Telegram проекта и читайте эксклюзивные статьи! Обновления каждый день!
👉💖 Ставьте лайки материалу, чтобы поддержать проект.
✅ Подписывайтесь на ДЗЕН (!!!) и обязательно читайте статьи целиком!
