На этом уроке мы изучим роль и характеристики электронов в контексте атома. Электроны — это фундаментальные частицы, которые играют решающую роль в определении химических свойств элементов. Углубляясь в их поведение, распределение и взаимодействие с другими атомными компонентами, мы получаем представление об основах химии и физики.
Электроны — это субатомные частицы с отрицательным зарядом, обозначаемые \(e^-\) . Они являются одним из трех основных компонентов атома, наряду с протонами и нейтронами. В отличие от протонов и нейтронов, которые находятся в ядре атома, электроны вращаются вокруг ядра в областях, называемых электронными оболочками или энергетическими уровнями. Масса электрона значительно меньше массы протонов и нейтронов, примерно \(\frac{1}{1836}\) массы протона. Эта крошечная масса позволяет электронам занимать огромный объем пространства атома, несмотря на их незначительный вклад в массу атома.
Электроны располагаются на энергетических уровнях или оболочках атома в соответствии с принципом Паули, принципом Ауфбау и правилом Хунда. Наиболее стабильная конфигурация достигается, когда электроны сначала заполняют самые низкие энергетические уровни, а затем переходят на более высокие. Такое расположение определяет химические свойства атома, включая его реакционную способность и способность образовывать связи с другими атомами.
Например, атом водорода, имеющий один электрон, имеет этот электрон в своей первой оболочке. Кислород с восемью электронами имеет два электрона на первой оболочке и шесть на второй оболочке.
Электроны играют ключевую роль в образовании химических связей, взаимодействий, которые удерживают атомы вместе в молекулах или соединениях. В основном существует три типа химических связей: ионные, ковалентные и металлические связи, каждая из которых включает в себя электроны. При ионной связи электроны передаются от одного атома к другому, в результате чего образуются положительные и отрицательные ионы, которые притягивают друг друга. Ковалентные связи предполагают совместное использование электронных пар между атомами, тогда как металлические связи образуются за счет объединения электронов, которые могут свободно перемещаться по металлической структуре.
Концепция электронов, вращающихся вокруг ядра по определенным траекториям или орбитам, была впервые предложена Нильсом Бором. Однако современная квантовая механика дает более точное описание, вводя понятие орбиталей. Орбитали — это области пространства вокруг ядра, где могут находиться электроны. В отличие от определенных орбит модели Бора, квантовая механика описывает положения электронов в терминах вероятностей. Принцип неопределенности Гейзенберга утверждает, что невозможно одновременно определить точное положение и скорость электрона.
Такое квантовое поведение электронов имеет решающее значение для понимания сложных структур атомов, помимо простейшего атома водорода. Электроны в более крупных атомах занимают сложный набор орбиталей различной формы и энергетических уровней. К ним относятся s-, p-, d- и f-орбитали, каждая из которых имеет характерную форму и способность удерживать электроны.
Валентные электроны — это электроны на внешней оболочке атома. Они играют значительную роль в определении химических свойств атома и его способности взаимодействовать с другими атомами. Число валентных электронов соответствует номеру группы элемента в периодической таблице для блоков s и p. Например, элементы группы 1 имеют один валентный электрон, а элементы группы 18 — восемь валентных электронов (кроме гелия, у которого их два).
Конфигурация валентных электронов объясняет периодичность, наблюдаемую в периодической таблице, где элементы одной группы демонстрируют схожее химическое поведение. Это связано с тем, что они имеют одинаковое количество валентных электронов, что приводит к схожим характеристикам связи и реакциям.
Электроны могут поглощать энергию и переходить на более высокие энергетические уровни или падать на более низкие энергетические уровни, излучая энергию в виде фотонов. Этот процесс имеет основополагающее значение для явления спектроскопии, где спектр излучаемого света можно проанализировать, чтобы определить состав вещества. Энергия фотона, испускаемого или поглощаемого во время этого перехода, определяется уравнением \(E = h\nu\) , где \(E\) — энергия фотона, \(h\) — постоянная Планка, а \(\nu\) — частота фотона.
Этот принцип иллюстрируется спектром излучения водорода, который состоит из нескольких линий, соответствующих переходам электронов между энергетическими уровнями. Каждый переход высвобождает фотон определенной длины волны, в результате чего образуется линейчатый спектр, уникальный для водорода.
Эксперимент с электронно-лучевой трубкой: это классический эксперимент, демонстрирующий наличие электронов. Когда электрический ток проходит через газ под низким давлением в электронно-лучевой трубке, образуется луч, видимый человеческим глазом. Было обнаружено, что этот луч отклоняется магнитными и электрическими полями, что позволяет предположить наличие отрицательно заряженных частиц, позже идентифицированных как электроны.
Эксперимент с каплей масла: в этом эксперименте, проведенном Робертом А. Милликеном и Харви Флетчером, измерялся заряд одного электрона. Крошечные капли масла подвешивались между двумя заряженными пластинами, и их движение под действием электрического поля позволяло рассчитать заряд каждой капли. Этот эксперимент определил, что элементарный заряд составляет примерно \(1.60 \times 10^{-19}\) кулонов, установив квантование электрического заряда.
В этом уроке мы изучили фундаментальные аспекты электронов в контексте атомов. От распределения по энергетическим уровням до роли в химических связях и квантовом поведении электроны необходимы для понимания множества свойств и реакций элементов. Знание того, как электроны взаимодействуют внутри атомов и с другими атомами, закладывает основу для обширных областей химии и физики, объясняя все, от структуры молекул до поведения материалов.
