Після того як науковці зрозуміли принцип Паулі — що два електрони не можуть мати абсолютно однаковий “набір параметрів” усередині атома — стало зрозуміло: електрони розміщуються не хаотично. Вони займають певні області простору навколо ядра. Саме ці області і називаються орбіталями. Тож розглянемо дуже важливе питання – як електрони заповнюють енергетичні рівні атома.
Раніше вже була пояснена квантова природа електрона, тому лише нагадаємо: електрон — це квантова частинка. Ми не можемо точно сказати, де він перебуває у конкретний момент. Можемо говорити лише про область, де ймовірність знайти його найбільша. Орбіталь — це і є така область ймовірного перебування електрона.
S-орбіталь
Найпростіша орбіталь називається s-орбіталлю. Вона має форму кулі навколо ядра. Саме тому перший енергетичний рівень містить лише одну s-орбіталь. На цьому рівні електрон може перебувати лише у найпростішому стані — найближче до ядра, з найменшим запасом енергії.
І оскільки одна орбіталь може вміщувати максимум два електрони з протилежними “спінами”, то перший рівень може містити лише 2 електрони.
У атома водню є один електрон — він займає першу s-орбіталь. У гелію — вже два електрони, і ця орбіталь повністю заповнена.
Але що відбувається далі?
Третій електрон уже не може “втиснутись” на перший рівень. Для нього просто немає місця — принцип Паулі забороняє це. Тому починає формуватися другий енергетичний рівень.
На другому рівні знову є одна s-орбіталь — її називають 2s. Вона більша за розміром і розташована далі від ядра. Літій на 2s-орбіталі має один електрон, берилій — два.
Продовжуючи цей логічний ряд, можна було б очікувати появу 3s-орбіталі вже у наступного елемента. Але ні. Оскільки другий енергетичний рівень розташований далі від ядра, тут з’являється новий тип орбіталей — p-орбіталі.
Р-орбіталь
Р-орбіталь має вигляд “гантелі” або двох електронних хмар по різні боки ядра. Причина появи p-орбіталей пов’язана з тим, що на вищих рівнях електрон може рухатися більш складними способами. Якщо на першому рівні існує лише один можливий тип руху, то на другому рівні квантова фізика дозволяє вже кілька варіантів.
Р-орбіталь насправді не одна. Їх одразу три: pₓ, pᵧ і p𝓏.
Вони однакові за енергією, але “дивляться” у різні сторони простору — вздовж трьох осей. Кожна така орбіталь може містити максимум 2 електрони. Тому на трьох p-орбіталях може перебувати до 6 електронів.
У результаті другий енергетичний рівень має:
- одну s-орбіталь → 2 електрони
- три p-орбіталі → 6 електронів
Разом:
2 + 6 = 8 електронів.
Коли електрони повністю заповнюють другий рівень, атом має загалом 10 електронів. Саме з цього моменту починає формуватися третій енергетичний рівень. Його відкриває натрій.
Третій енергетичний рівень
У натрію: перший рівень містить 2 електрони, другий — 8, а третій рівень починається з одного електрона на 3s-орбіталі.
Далі електрони поступово заповнюють третій рівень. Спочатку 3s-орбіталь, а потім три 3p-орбіталі. Так триває аж до аргону, який має 18 електронів із конфігурацією:
2 + 8 + 8.
І тут виникає дуже цікаве питання: що відбувається далі? Куди потрапляє 19-й електрон?
d-орбіталь
Здавалося б, після 3p мала б одразу заповнюватися 3d-орбіталь. Адже вона теж належить до третього енергетичного рівня. Але в реальному атомі все трохи складніше.
Орбіталі мають різну енергію. І виявляється, що 4s-орбіталь має трохи меншу енергію, ніж 3d. Тому наступному електрону “вигідніше” перейти саме на 4s.
Саме тому калій, який має 19 електронів, свій останній електрон розташовує на 4s-орбіталі.
1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s¹
У кальцію 20-й електрон теж потрапляє на 4s орбіталь, завершуючи її.
І лише після цього починають заповнюватися 3d-орбіталі. Саме тому у скандію, який має 21 електрон, з’являється перший d-електрон:
1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d¹
Так починаються d-елементи — метали перехідної групи.
d-орбіталі ще складніші за формою. Більшість із них нагадують “чотирилисники” або складні квантові хмари. Таких d-орбіталей існує п’ять, тому вони можуть вміщувати до 10 електронів.
А на ще вищих рівнях з’являються f-орбіталі. Вони виникають після заповнення 6s-орбіталі — починаючи з лантану. f-орбіталі мають ще складнішу форму і вже можуть містити до 14 електронів, тому що існує сім різних f-орбіталей.
Саме через поступове заповнення s-, p-, d- та f-орбіталей і формується вся періодична таблиця.
Як електрони заповнюють енергетичні рівні атома
Загальний порядок заповнення орбіталей має наступний вигляд:
1s → 2s → 2p → 3s → 3p → 4s → 3d → 4p → 5s → 4d → 5p → 6s → 4f → 5d → 6p → 7s → 5f → 6d → 7p
Саме за цим “маршрутом” електрони поступово будують усі атоми у Всесвіті.
Тобто електрони спочатку займають найвигідніші й найстабільніші місця, а вже потім переходять на більш високі рівні.
Саме від того, як розташовані електрони на зовнішньому рівні, залежить майже вся хімія нашого світу: чому атоми з’єднуються, чому одні речовини активні, а інші майже не реагують, чому існують молекули, вода, сіль, білки та саме життя.
І тут виникає нове запитання.
Чому атоми так “люблять”, коли зовнішній рівень повністю заповнений? Чому вони буквально прагнуть віддати або захопити електрони заради стабільності?