Будинок для електронів

Навчання 26 серпня 2022 Перегляди: 84

Так що ж це за «ручки», якими атом тримається за інші атоми в молекулі? Коротко кажучи — це деякі з його електронів, а сили, що утримують молекулу, — електричні. Щоб розібратися детальніше, потрібно зрозуміти, як живуть електрони в атомі.

Знаєте, як влаштовано осине гніздо? Воно складається з тонких сферичних шарів, вкладених один в інший, з великими повітряними проміжками між шарами. Ось приблизно так само можна уявляти собі атом. (Зауважте — «можна уявляти» не означає, що він так виглядає! Шари у атома насправді не сферичні, і вони невидимі.) Шари — вони називаються рівнями енергії — це ніби поверхи великого будинку — атома. На кожному поверсі — кімнати для електронів.

Всі кімнати двомісні, але на різних поверхах число кімнат різне. Більше того, не всі кімнати на одному поверсі однакові. Як у готелях буває, що, наприклад, номери з вікнами, що виходять на море, вважаються кращими за ті, що з видом на місто, — так і в атомі на одному і тому ж поверсі є різні «коридори»: в одних кімнати «краще», в інших «гірше». А ось у кожному коридорі кімнати вже однакові. Коридори позначаються латинськими літерами: s — коротенькі коридорчики всього з однією, зате найкращою, кімнатою; p — коридори трохи гірші, по три кімнати в кожному; d — ще гірше, в кожному по п’ять кімнат, далі f-коридор…

Чудово, що у всіх атомів — від водню до унбінію — цей будинок влаштований абсолютно однаково, вся різниця у висоті поверхів і кількості мешканців. Перший поверх зовсім маленький: там тільки s-коридор з єдиною кімнатою (він називається 1s). Як в осиному гнізді, кожен наступний рівень «вище» і більше попереднього; тому на другому поверсі вже два коридори, 2s і 2p, так що туди можуть, в принципі, поміститися вісім мешканців. На третьому поверсі — три коридори: 3s, 3p і 3d тощо.

Тепер давайте заселяти в наш будинок мешканців, тобто електрони. Вони взагалі-то люблять жити якомога нижче, при цьому, природно, якщо є вибір, воліють кращі кімнати. Поїхавши!

В атомі водню єдиний електрон, звичайно, «селиться» на перший рівень, в кімнату 1s. В атомі гелію електрона два, і обидва вони оселяються в одній і тій же кімнаті. Те, що в коридорі 1s у гелію два мешканця, позначається так: 1s². В атомі літію три електрони, і одному доводиться оселитися на другому поверсі: 1s²2s¹. А в атомі бору вже і коридор 2s весь зайнятий, доводиться селитися в p-коридор другого поверху: 1s²2s²2p¹.

У багатьох варіантах таблиці Менделєєва (як і в тому, що ми тут наводимо) 1 є «підказки», в яких коридорах (по-науковому — на яких подурівнях) скільки електронів живе. Правда, місця в клітинах мало, і зазвичай вказуються тільки зовнішні рівні — останній і іноді передостанній поверхи. І ось дивіться, в перших трьох горизонтальних рядах таблиці, аж до аргону, «нові» електрони чинно-благородно «селяться» по порядку: спочатку s-подуровень, потім p, потім переходимо на наступний поверх…

А ось з калієм і кальцієм трапляється дивне. Замість того щоб вибрати собі місце в d-коридорі третього поверху, електрони 19-го і 20-го елементів відправляються на четвертий поверх! Видно, в d-коридорі кімнати настільки непривабливі для електронів, що вони воліють піднятися на поверх вище, але вже оселитися в s-кімнаті. Зате елементи з 21-го по 30-й «поселяють» свої нові електрони на 3d-подуровень, і третій поверх, нарешті, заповнюється повністю. (Зауважте, у таблиці в цих клітинах зазначено, що заселяється коридор d, а якого поверху — не написано, треба самим здогадатися.)

Тепер ми знаємо, чому клітини таблиці Менделєєва розфарбовані в різні кольори! Це теж підказка — в червоних клітинах останні електрони заповнюють s-подуровень, в жовтих — p-, а в синіх — d-подуровень. Номер рядка збігається з номером останнього зайнятого (хоча б одним електроном) поверху.

Завдання 1

Намалюйте «схему електронного будинку» по поверхах — приблизно як на малюнку, тільки покрупніше.

5   s   p   d   f

4   s   p   d   f

3   s   p   d

2   s   p

1   s

Коридори, більш далекі, ніж f, можна не малювати — там такі погані кімнати, що ніхто в них не селиться, віддаючи перевагу верхнім поверхам. Покажіть стрілками, в якому порядку йде заселення коридорів електронами. Можна ще провести лінії, що відокремлюють коридори, які заповнюються в другому рядку таблиці Менделєєва, в третьому рядку тощо.

Відповідь

Стрілки — порядок заповнення рівнів, сині лінії — межі горизонтальних рядів у таблиці Менделєєва. Сині цифри — номер ряду, на якому заповнюються ці коридори.

Іноді порядок руху по стрілках трохи порушується — див. завдання 2-4.

Завдання 2

Запишіть, в яких коридорах на кожному поверсі скільки живе електронів в атомі хрому Cr. Перевірте: всього їх має бути 24.

Відповідь

1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d⁵ 4s¹. Атом хрому — якраз виключення з «правила стрілок»: при появі 24-го електрону (і поселенні його в d-коридорі третього поверху) один електрон з вже було заповненого коридору 4s раптом «збігає» вниз, в коридор 3d. Так що на зовнішньому, четвертому рівні — поверсі — знову один електрон!

Завдання 3

Тепер ви, мабуть, здогадаєтеся, що значать загадкові рядки «лантаноїди» і «актиноїди» внизу таблиці. Чому вони не помістилися в саму таблицю?

Відповідь

У атомів лантаноїдів нові електрони «заселяються» в коридор f четвертого поверху, який досі пустував. А в актиноїдів — у коридор f п’ятого поверху. Тому ці клітини в таблиці пофарбовані новим, зеленим кольором. Місце для f-коридору в таблиці не передбачено, тому всі лантаноїди — весь рядок — у таблиці «поміщаються» в одну клітинку. Ту, яка відповідає одному електрону на поверсі 5d. І дійсно, у самого лантана новий, 57-й електрон оселяється на 5d. А вже наступні потрапляють на 4f, і єдиний електрон з 5d «збігає» до них. Поки не заповниться весь поверх 4f, цей електрон так і переселяється то туди, то сюди. У підсумку у кількох лантаноїдів на рівні 5d є один електрон, у інших — жодного. Оскільки обидва ці коридори «глибоко внизу», чи є на них електрони, чи немає — зовні майже не помітно. Тому всі лантаноїди схожі один на одного.

Приблизно так само все йде і в актиноїдів.

Завдання 4

Розгляньте таблицю: які ще «збої» відбуваються при заселенні поверхів вище другого?

Відповідь

Так само, як у хрому, електрон «тікає» з вже було добудованого s-коридору верхнього поверху в напівзаповнений d-коридор попереднього поверху біля атомів міді (29), срібла (47), золота (79) і ще восьми елементів 4-7-го рядів (знайдіть їх!). А біля паладію (46) і зовсім вниз «втекли» обидва електрони з верхнього поверху.

«Перебіжки» електронів з рівнів 4f на 5d і назад в атомах лантаноїдів і з рівнів 5f на 6d і назад в атомах актиноїдів ми вже обговорили в завданні 3.

Як все це пов’язано з тим, як з’єднуються атоми в молекулі? А ось як: атоми прагнуть, щоб всі їхні рівні-поверхи були повністю заповнені. Або хоча б подуровни-коридори. Заради цієї мети вони готові на багато що: можуть, наприклад, віддати свій власний електрон або взяти собі чужий. Наприклад, зустрічається атом літію з атомом фтору. Фтору пристрасть як хочеться заповнити свій другий поверх, адже йому не вистачає всього одного електрончика. А у літію якраз цей електрончик один на своєму поверсі, можна сказати, зайвий… Ось літій і готовий віддати його фтору. Це і є зв’язок: адже тепер літій, який віддав свій електрон, став заряджений позитивно, а фтор, який привласнив чуже, — негативно, і ось вони тепер притягуються один до одного. Такий зв’язок називається іонним (йон — пам’ятаєте? — це «неправильний» атом, який позбувся одного або декількох електронів або, навпаки, захопив собі один або кілька зайвих).

Але часто буває зручніше не віддавати електрони, а ділитися ними. Ось так це відбувається. Зустрілися, скажімо, два атома водню. Обом не вистачає по одному електрону, але як вирішити, хто кому віддає? Атоми однакові! І ось вони узагальнюють свої електрони, тобто зближуються так, що кожен з цих двох електронів може вважатися належним їм обом. Електрони трошки змінюють свій рух і починають «обертатися навколо обох ядер відразу». Знову утворився зв’язок — завдяки тому, що кожен віддав свій електрон «у загальне користування». Такий зв’язок називається ковалентним.

А якщо зустрінуться два атома кисню? Їм не вистачає по два електрони на зовнішньому рівні, і вони узагальнять кожен по два електрони — вийде дві «ручки» — зв’язку. Так можуть робити і неоднакові атоми. Наприклад, у молекулі соляної кислоти HCl водню невигідно віддати електрон і залишитися зовсім без нічого, тому вони з хлором «ділять» пару електронів, «оголошуючи» їх спільними. Інші, внутрішні свої електрони, хлор тримає при собі.

І так завжди — оскільки всі нижні шари заповнені і про них хвилюватися не доводиться, хімічні властивості атомів визначаються електронами на зовнішніх, незаповнених рівнях. Тому атоми з одного вертикального стовпчика (тобто з однаковим набором електронів на зовнішньому рівні) схожим чином поводяться в хімічних реакціях, і число «ручок» у них зазвичай однакове.

Тепер ви вже і самі можете розібратися, чому у натрію і у хлору валентність 1, у кисню — 2, а у вуглецю — 4. Або чому атоми інертних газів з восьмої колонки ні з ким не хочуть «мати справи».

Звичайно, аж ніяк не все так просто пояснити або вивести, особливо коли в справу включаються d-електрони. У великих і важких атомів зовнішні поверхи вже так далеко від ядра, що не завжди зрозуміло, що такому атому зручніше — взяти на цей рівень ще пару електронів або віддати всі ті, що там вже є… Іноді, щоб передбачити, якими електронами і як саме атоми «погодяться поділитися» один з одним, люди пишуть спеціальні програми і довго вважають на потужних комп’ютерах. А іноді і це не допомагає, доводиться всі гіпотези перевіряти на досвіді. Але все-таки головні закономірності ми зрозуміли.

Але і це ще не все. Продовження історії — в наступному номері!

Художник Марія Усеїнова

¹ Читач, можливо, зауважив, що таблиця Менделєєва, наведена в цьому номері, відрізняється від тієї, яка була в № 11. Там вона для компактності була вкорочена, довгі рядки були розбиті на дві частини.