Електронна обвивка

Електрони. Електроните намиращи се около ядрото на даден атом, изграждат електронната обвивка на атома. Самият електрон има няколко важни и значими характеристики. Една от тях е масата на електрона. Тя е 1/1837 от масата на протона. Друга позната характеристика е неговият заряд. Приема се, че електронът има единица отрицателен електричен заряд. Електронът се означава със символа e^–. 

Електроните притежават и магнитни свойства. За тях съдим по отнасянето им към външно магнитно поле. Магнитните свойства се характеризират с величината спин. Условно спинът се означава със стрелка сочеща нагоре или надолу. Два електрона могат да имат абсолютно еднакви спинове ↑↑ или противоположни спинове ↑↓. Когато са с противоположни спинове, двата електрона се привкичат и образуват електронна двойка. Характерно за електроните с еднакви спинове, е че те не се сдвояват и се наричат единични електрони. 

Всеки електрон в атома притежава определено количество енергия. Тази енергия се определя от взаимодействието му с ядрото и останалите електрони в обвивката.

Електроните от електронната обвивка на даден атом се групират в зависимост от енергията си в електронни слоеве. В един атом не може да има два електрона, които да имат напълно еднакво състояние, Електрони с близки стойности на енергията образуват електронен слой.

Електронни слоеве. Съществуват атоми с един, два, три, четири и т.н. слоеве (вижте фигура 1.6). Най-близкият до ядрото електронен слой е първи електронен слой. Той се бележи с цифрата 1, като следващите слоеве се означават както следва: 2, 3, 4, 5… Могат да се означават и с главните латински букви – K, L, M, O, P, Q… (вижте фигура 1.6.а). Електроните от първия електронен слой се привличат най-силно от ядрото, като са най-бедни на енергия. С отдалечаване от ядрото енергията на електроните се увеличава. Електроните намиращи се в най-отдалечения слой от ядрото са най-богати на енергия. Този слой се нарича външен електронен слой. 

Броят на електроните във всеки един от слоевете е точно определен. Максималният им брой за всеки от слоевете се определя по формулата 2n², където n е номерът на слоя. Така за втория електронен слой (L-слоя) n=2 и максималният брой електрони е 2.2² = 8. При n=3 (M-слоя) се изчислява, че 2.3² = 18 е максималният брой електрони в този слой и т.н.

Важна характеристика за всеки атом е неговият атомен радиус. За атомен радиус се приема разстоянието от ядрото на атома в свободно състояние до външния му електронен слой. Атомният радиус ни дава представа за силата, с която ядрото привлича електроните от външния електронен слой (вижте фигура 1.7.а,б).

Разпределение на електроните в електронните слоеве. Нека да видим как са разпределени електроните в електронните обвивки на атомите с номера от 1 до 20.

Атомът на водорода е с пореден номер Z=1 и има един протон в ядрото и един електрон в обвивката си. Този електрон е с най-малка енергия и се намира на първия, най-близкия до ядрото електронен слой (K-слоя).

Атома на хелия е с пореден номер Z=2. Той има два протона в ядрото и два електрона в електронната си обвивка. Тези електрони са с противоположни спинове и са свързани в електронна двойка. Те имат поти еднаква енергия. Намират се в (K-слоя) – първия електронен слой. Тъй като за този слой максималния брой електрони е два, при хелия се смята, че първият електронен слой е изграден или завършен.

Пърият електронен слой е завършен и устойчив, когато съдържа два електрона с противоположни спинове, свързани с електронна двойка.

Атома на лития е с пореден номер Z=3 и има три протона в ядрото и три електрона в обвивката си. Два от тях са по-бедни на енергия. Те са на първия електронен слой. Третият електрон е по-богат на енергия и се намира на втория електронен слой (L-слоя).

При атомите на следващите седем елемента – Be, B, C, N, O, F и Ne, броят на електроните във втория електронен слой се увеличават последователно до осем.

Вторият и следващите електронни слоеве, когато са външни, са устойчиви, ако са изградени от осем електрона.

При атомите с номера от 11 до 18 (Na, Mg, Al, Si, P, S, Cl и Ar) електроните изграждат третия слой (M-слоя). В атомите на следващите два химични елемента с поредни номера 19 и 20 (K и Ca), започва изграждането на четвърти електронен слой (N-слоя) – (вижте фигура 1.8).

Атомите на благородните елементи имат изграден и устойчив външен електронен слой. За хелия He той е с два електрона, а за всички останали – неон Ne, аргон Ar, Криптон Kr, Ксенон Xe и радон Rn – с осем електрона. Атомите на останалите химични елементи са с незавършени външни електронни слоеве. Някои от електроните в тях са сдвоени в електронни двойки, а други са единични. Прието е строежът на външния електронен слой на атомите да се представя с предложените от Дж. Люис през далечната 1916 г. структурни схеми, носещи името Люисови структури или Люисови символи. На тях всяка електронна двойка от външния електронен слой символично се означава с две точки, а единичните електрони – с една точка, около химичния знак на елемента (вижте таблица 11.2).

Групирането на електроните във външния електронен слой се извършва закономерно.

ЛЮБОПИТНО: Големината на отрицателния електричен заряд на електрона се приема за единица мярка за електричен заряд. Той е равен на 1.6.10^-19 кулона. Същата стойност има и големината на положителния заряд на протона.

Магнитните свойства на електрона са установени опитно от Валтер Герлах и Ото Шерн (вижте фигура 1.9.). Те пропускат сноп водородни атоми през много силно магнитно поле и наблюдават, че снопът се разделя на две.

Причината е, че електронът на всеки атом водород в съответствие със собствения си спин действа като миниатюрен магнит. Попаднал във външно магнитно поле, той взаимодейства с него и в резултат на това атомът се отклонява от собственото си праволинейно движение. Посоката на отклонение зависи от ориентацията на спина на електрона.