Что такое электронные оболочки?

Оболочки: слои электронов

Электроны вокруг ядра находятся на оболочках, называемых также энергетическими уровнями, которые чем-то напоминают этажи здания. Первая оболочка ближе всего к ядру и самая низкая по энергии, а каждая следующая дальше и выше по энергии.

Оболочки нумеруются 1, 2, 3 и так далее от ядра наружу, а также обозначаются буквами: K, L, M и N для первых четырёх. Номер периода элемента показывает, сколько оболочек использует его атом, поэтому у натрия, находящегося в 3-м периоде, электроны расположены на трёх оболочках.

Сколько электронов помещается на каждой оболочке

На каждой оболочке помещается ограниченное число электронов, определяемое формулой 2n², где n — номер оболочки. На первой помещается 2 × 1² = 2, на второй 2 × 2² = 8, на третьей 2 × 3² = 18, а на четвёртой 2 × 4² = 32.

Электроны сначала заполняют оболочку с наименьшей энергией, и когда она заполнена, следующий электрон начинает новую оболочку подальше. 2 электрона гелия заполняют первую оболочку, поэтому третий электрон лития должен попасть на вторую оболочку, что даёт распределение 2, 1.

Схема 2-8-8 для первых 20 элементов

Для первых 20 элементов распределение электронов даёт одно простое правило: 2 электрона на первой оболочке, до 8 на второй, до 8 на третьей, а остаток — на четвёртой. У углерода (6 электронов) 2, 4. У натрия (11) 2, 8, 1. У хлора (17) 2, 8, 7. У аргона (18) 2, 8, 8.

На третьей оболочке могло бы поместиться 18 электронов, но у калия (19) 2, 8, 8, 1, а у кальция (20) 2, 8, 8, 2, потому что первая часть четвёртой оболочки чуть ниже по энергии, чем остаток третьей. Начиная со скандия (21) электроны снова заполняют третью оболочку, поэтому правило 2-8-8 работает только до кальция.

Как нарисовать схему Бора

Схема Бора — это быстрый набросок оболочек атома. Нарисуйте маленький кружок для ядра с символом элемента внутри, затем по одному кольцу на каждую оболочку и расставьте электроны на кольцах в виде точек.

Разберём пример: натрий. Его атомный номер 11, поэтому в нейтральном атоме натрия 11 электронов. Поместите 2 на первое кольцо, остаётся 9. Поместите 8 на второе кольцо, остаётся 1, и этот последний электрон одиноко находится на третьем кольце. Схема показывает 2, 8, 1.

Почему важна внешняя оболочка

Электроны внешней оболочки, валентные электроны, определяют, как атом вступает в реакции. Атомы с заполненной внешней оболочкой, такие как неон (2, 8) и аргон (2, 8, 8), почти не реагируют. У лития (2, 1), натрия (2, 8, 1) и калия (2, 8, 8, 1) по одному внешнему электрону, который они легко теряют, поэтому все три — активные металлы.

Модель Бора и её границы

Датский физик Нильс Бор предложил эту модель в 1913 году. Он предположил, что электроны движутся по фиксированным орбитам с определёнными энергиями и излучают свет, переходя с более высокой орбиты на более низкую. Это объяснило точные цвета света, испускаемого раскалённым водородом, — большой успех для того времени.

Однако у модели есть границы. Она правильно предсказывает свет только для водорода и других одноэлектронных атомов, а электроны на самом деле не обращаются вокруг ядра, как планеты вокруг Солнца. В современной квантовой модели каждый электрон занимает орбиталь — область, где его, скорее всего, можно обнаружить, а каждая оболочка делится на подоболочки s, p, d и f. Это по-прежнему удобный инструмент для подсчёта электронов, если помнить, что он упрощённый.