На цьому уроці ми дослідимо роль і характеристики електронів у контексті атома. Електрони — це фундаментальні частинки, які відіграють вирішальну роль у визначенні хімічних властивостей елементів. Заглиблюючись у їх поведінку, розподіл і взаємодію з іншими атомними компонентами, ми отримуємо уявлення про основи хімії та фізики.
Електрони — це субатомні частинки з негативним зарядом, які позначаються \(e^-\) . Вони є одним із трьох основних компонентів атома, поряд з протонами та нейтронами. На відміну від протонів і нейтронів, які знаходяться в ядрі атома, електрони обертаються навколо ядра в областях, які називаються електронними оболонками або енергетичними рівнями. Маса електрона значно менша, ніж маса протонів і нейтронів, приблизно \(\frac{1}{1836}\) маси протона. Ця крихітна маса дозволяє електронам займати величезний об’єм простору атома, незважаючи на їх незначний внесок у масу атома.
Електрони розташовані на енергетичних рівнях або оболонках атома відповідно до принципу виключення Паулі, принципу Ауфбау та правила Хунда. Найбільш стабільна конфігурація досягається, коли електрони спочатку заповнюють найнижчі енергетичні рівні, а потім переходять на вищі. Це розташування визначає хімічні властивості атома, включаючи його реакційну здатність і здатність утворювати зв’язки з іншими атомами.
Наприклад, атом водню, який має один електрон, має цей електрон на своїй першій оболонці. Кисень, який має вісім електронів, має два електрони на своїй першій оболонці та шість електронів на другій оболонці.
Електрони відіграють ключову роль у формуванні хімічних зв’язків, взаємодій, які утримують атоми разом у молекулах або сполуках. Існує в основному три типи хімічних зв’язків: іонні, ковалентні та металеві зв’язки, у всіх з яких беруть участь електрони. При іонному зв’язку електрони переносяться від одного атома до іншого, в результаті чого утворюються позитивні та негативні іони, які притягуються один до одного. Ковалентні зв’язки передбачають спільне використання електронних пар між атомами, тоді як металеві зв’язки утворюються шляхом об’єднання електронів, які вільно рухаються по всій структурі металу.
Концепцію електронів, що обертаються навколо ядра певними шляхами або орбітами, вперше запропонував Нільс Бор. Однак сучасна квантова механіка дає більш точний опис, вводячи поняття орбіталей. Орбіталі — це області простору навколо ядра, де ймовірно знаходяться електрони. На відміну від визначених орбіт моделі Бора, квантова механіка описує положення електронів у термінах ймовірностей. Принцип невизначеності Гейзенберга стверджує, що неможливо одночасно визначити точне положення і швидкість електрона.
Така квантова поведінка електронів має вирішальне значення для розуміння складних структур атомів, крім найпростішого атома водню. Електрони у більших атомах займають складний масив орбіталей з різними формами та рівнями енергії. До них належать s, p, d та f-орбіталі, кожна з яких має характерну форму та здатність утримувати електрони.
Валентні електрони - це електрони в самій зовнішній оболонці атома. Вони відіграють значну роль у визначенні хімічних властивостей атома та його здатності взаємодіяти з іншими атомами. Кількість валентних електронів відповідає номеру групи елемента в періодичній системі для блоків s і p. Наприклад, елементи групи 1 мають один валентний електрон, тоді як елементи групи 18 мають вісім валентних електронів (за винятком гелію, який має два).
Конфігурація валентних електронів пояснює періодичність, що спостерігається в періодичній таблиці, де елементи в одній групі демонструють подібну хімічну поведінку. Це пояснюється тим, що вони мають однакову кількість валентних електронів, що призводить до схожих характеристик зв’язування та реакцій.
Електрони можуть поглинати енергію та стрибати на вищі енергетичні рівні або падати на нижчі енергетичні рівні, випромінюючи енергію у формі фотонів. Цей процес є фундаментальним для явища спектроскопії, коли спектр випромінюваного світла можна проаналізувати для визначення складу речовини. Енергія фотона, випущеного або поглиненого під час цього переходу, визначається рівнянням \(E = h\nu\) , де \(E\) — енергія фотона, \(h\) — стала Планка, а \(\nu\) — частота фотона.
Цей принцип проілюстровано в спектрі випромінювання водню, який складається з кількох ліній, що відповідають переходам електронів між енергетичними рівнями. Кожен перехід вивільняє фотон певної довжини хвилі, що призводить до лінійчатого спектру, унікального для водню.
Експеримент з електронно-променевою трубкою: це класичний експеримент, що демонструє наявність електронів. Коли електричний струм проходить через газ під низьким тиском в електронно-променевій трубці, утворюється промінь, видимий людським оком. Було виявлено, що цей промінь відхиляється магнітними та електричними полями, що свідчить про наявність негативно заряджених частинок, пізніше ідентифікованих як електрони.
Експеримент із краплею нафти: цей експеримент, проведений Робертом А. Мілліканом і Харві Флетчером, виміряв заряд одного електрона. Крихітні краплі олії були підвішені між двома зарядженими пластинами, і їх рух під дією електричного поля дозволяв розрахувати заряд кожної краплі. Цей експеримент визначив, що елементарний заряд становить приблизно \(1.60 \times 10^{-19}\) кулонів, встановивши квантування електричного заряду.
На цьому уроці ми дослідили фундаментальні аспекти електронів у контексті атомів. Від розподілу на рівнях енергії до ролі в хімічних зв’язках і квантовій поведінці електрони є важливими для розуміння безлічі властивостей і реакцій елементів. Знання того, як електрони взаємодіють всередині атомів та з іншими атомами, закладає основу для величезних галузей хімії та фізики, пояснюючи все: від структури молекул до поведінки матеріалів.
