Во оваа лекција, ќе ја истражиме улогата и карактеристиките на електроните во контекст на атомот. Електроните се основни честички кои играат клучна улога во одредувањето на хемиските својства на елементите. Навлегувајќи во нивното однесување, дистрибуција и интеракција со другите атомски компоненти, добиваме увид во основата на хемијата и физиката.
Електроните се субатомски честички со негативен полнеж, означени со \(e^-\) . Тие се една од трите главни компоненти на атомот, заедно со протоните и неутроните. За разлика од протоните и неутроните кои живеат во јадрото на атомот, електроните орбитираат околу јадрото во региони наречени електронски обвивки или нивоа на енергија. Масата на електронот е значително помала од онаа на протоните и неутроните, приближно \(\frac{1}{1836}\) од масата на протонот. Оваа мала маса им овозможува на електроните да го окупираат огромниот волумен на просторот на атомот и покрај нивниот занемарлив придонес во масата на атомот.
Електроните се распоредени во енергетските нивоа или обвивки на атомот следејќи го принципот на исклучување на Паули, принципот Ауфбау и правилото на Ханд. Најстабилната конфигурација се постигнува кога електроните прво ги исполнуваат најниските енергетски нивоа пред да се префрлат на повисоките. Овој распоред ги одредува хемиските својства на атомот, вклучувајќи ја неговата реактивност и неговата способност да формира врски со други атоми.
На пример, водородниот атом, кој има еден електрон, го има овој електрон во својата прва обвивка. Кислородот, со осум електрони, има два електрони во првата обвивка и шест во втората обвивка.
Електроните играат клучна улога во формирањето на хемиски врски, интеракции кои ги држат атомите заедно во молекули или соединенија. Постојат првенствено три типа на хемиски врски: јонски, ковалентни и метални врски, од кои сите вклучуваат електрони. Во јонската врска, електроните се пренесуваат од еден атом во друг, што резултира со позитивни и негативни јони кои се привлекуваат еден со друг. Ковалентните врски вклучуваат споделување на електронски парови помеѓу атомите, додека металните врски се формираат со здружување на електрони кои можат слободно да се движат низ металната структура.
Концептот на електрони кои орбитираат околу јадрото во дефинирани патеки или орбити првпат беше предложен од Нилс Бор. Сепак, модерната квантна механика дава попрецизен опис, воведувајќи го концептот на орбитали. Орбиталите се региони на просторот околу јадрото каде што најверојатно ќе се најдат електрони. За разлика од дефинираните орбити на Боровиот модел, квантната механика ги опишува позициите на електроните во однос на веројатностите. Принципот на несигурност на Хајзенберг тврди дека е невозможно истовремено да се одредат точната позиција и брзината на електронот.
Ова квантно однесување на електроните е клучно за разбирање на сложените структури на атомите надвор од наједноставниот водороден атом. Електроните во поголемите атоми зафаќаат сложена низа орбитали со различни форми и нивоа на енергија. Тие вклучуваат орбитали s, p, d и f, секоја со карактеристична форма и капацитет да држи електрони.
Валентните електрони се електроните во најоддалечената обвивка на атомот. Тие играат значајна улога во одредувањето на хемиските својства на атомот и неговата способност да комуницира со други атоми. Бројот на валентни електрони одговара на бројот на групата на елементот во периодниот систем за блоковите s и p. На пример, елементите од групата 1 имаат еден валентен електрон, додека оние од групата 18 имаат осум валентни електрони (освен хелиумот, кој има два).
Конфигурацијата на валентни електрони ја објаснува периодичноста забележана во периодниот систем, каде што елементите од истата група покажуваат слично хемиски однесувања. Тоа е затоа што тие имаат ист број на валентни електрони, што доведува до слични сврзувачки карактеристики и реакции.
Електроните можат да апсорбираат енергија и да скокнат на повисоки нивоа на енергија или да паднат на пониски енергетски нивоа, испуштајќи енергија во форма на фотони. Овој процес е фундаментален за феноменот на спектроскопија, каде што емитираниот светлосен спектар може да се анализира за да се одреди составот на супстанцијата. Енергијата на фотонот емитиран или апсорбиран за време на оваа транзиција е дадена со равенката \(E = h\nu\) , каде што \(E\) е енергијата на фотонот, \(h\) е Планкова константа и \(\nu\) е фреквенцијата на фотонот.
Овој принцип е илустриран во спектарот на емисија на водород, кој се состои од неколку линии што одговараат на транзициите на електроните помеѓу енергетските нивоа. Секоја транзиција ослободува фотон со одредена бранова должина, што резултира со линиски спектар единствен за водородот.
Експеримент со катодна цевка: Ова е класичен експеримент кој го демонстрира присуството на електрони. Кога електрична струја поминува низ гас при низок притисок во катодна цевка, се создава зрак видлив за човечките очи. Откриено е дека овој зрак се отклонува од магнетни и електрични полиња, што укажува на присуство на негативно наелектризирани честички - подоцна идентификувани како електрони.
Експериментот за капка нафта: спроведен од Роберт А. Миликан и Харви Флечер, овој експеримент го мери полнењето на еден електрон. Ситни капки масло беа суспендирани помеѓу две наполнети плочи, а нивното движење под влијание на електричното поле овозможи пресметување на полнежот на секоја капка. Овој експеримент утврди дека елементарното полнење е приближно \(1.60 \times 10^{-19}\) кулони, со што се утврдува квантизацијата на електричниот полнеж.
Во оваа лекција, ги истраживме основните аспекти на електроните во контекст на атомите. Од нивната дистрибуција во енергетските нивоа до нивната улога во хемиските врски и квантното однесување, електроните се од суштинско значење за разбирање на огромен број својства и реакции на елементите. Знаејќи како електроните комуницираат во атомите и со другите атоми ја поставува основата за огромните полиња на хемијата и физиката, објаснувајќи сè, од структурата на молекулите до однесувањето на материјалите.
