Հիմնական նյութ
10-րդ դասարան. կենսաբանություն
Դասընթաց․ (10-րդ դասարան. կենսաբանություն) > Բաժին 2
Դաս 2: Էլեկտրոնային ամպեր և օրբիտալներՊարբերական համակարգ, էլեկտրոնային թաղանթներ և օրբիտալներ
Ներածություն
Քիմիա սովորելիս, անկասկած, գալիս է մի պահ, երբ առնչվում ես «Քիմիական տարրեր» երգին, որտեղ Թոմ Լեռերը շատ արագ մատուցում է բոլոր տարրերի անունները։ Հավանաբար դու էլ ինձ պես մտածել ես անգիր սովորել այս երգը՝ որպես լրացուցիչ «հարգանքի» նշան։ Եթե այդպես է, հնարավոր է, որ դեռ հիշում ես բոլոր տարրերի անունները, որը տպավորիչ, էլ չասեմ՝ խնջույքների ժամանակ որքան զվարճալի հնարք է։
Եթե անգիր գիտես բոլոր տարրերի անունները, կարծում ես՝ այլևս պարբերական աղյուսակի կարիքը չե՞ս ունենա։ Հը՜մմ․․․ հավանաբար կունենաս, որովհետև պարբերական աղյուսակը մի մեծ դույլ չէ, որի մեջ պահվում են բոլոր տարրերը։ Ավելի շուտ այն նման է ներկայացման համակարգի։ Պարբերական աղյուսակում յուրաքանչյուր տարրի տեղը կարևոր տեղեկություն է տալիս այդ տարրի կառուցվածքի, հատկությունների և քիմիական ռեակցիաներում դրա վարքագծի մասին։ Մասնավորապես պարբերական աղյուսակում տարրի տեղն օգնում է պարզել վերջինիս էլեկտրոնների փոխդասավորությունը, այսինքն՝ ինչպես են էլեկտրոնները դասավորված միջուկի շուրջը։ Ատոմները քիմիական ռեակցիաներում մասնակցելու համար օգտագործում են իրենց էլեկտրոնները, այսինքն՝ տարրի էլեկտրոնների փոխդասավորությունն իմանալն օգնում է կանխորոշելու վերջինիս ռեակցիոնունակությունը՝ կփոխազդի արդյոք և ինչպես կփոխազդի այլ տարրերի ատոմների հետ։
Այս հոդվածում ավելի մանրամասն կդիտարկենք պարբերական աղյուսակը, թե ինչպես են էլեկտրոնները պահվում ատոմներում, և թե ինչպես է դա մեզ թույլ տալիս կանխորոշել տարրերի ակտիվությունները։
Պարբերական աղյուսակ
Ըստ պայմանի՝ տարրերը դասավորված են պարբերական աղյուսակում, որը տարրերի հատկությունների մասին տեղեկություն պարունակող մի կառույց է։ Այն մշակվել է 1869 թ․ ռուս քիմիկոս Դմիտրի Մենդելեևի (1834-1907) կողմից։ Պարբերական աղյուսակում տարրեը դասակարգվում են ըստ սյունակների՝ խմբերի, և ըստ շարքերի՝ պարբերությունների, որոնք ունեն որոշակի հատկություններ։ Այդ հատկությունները որոշում են տարրի ֆիզիկական վիճակը սենյակային ջերմաստիճանում՝ գազային, պինդ կամ հեղուկ, ինչպես նաև դրա քիմիական ակտիվությունը՝ ուրիշ ատոմների հետ քիմիական կապեր ստեղծելու կարողությունը։
Յուրաքանչյուր տարրի ատոմային թիվը (կարգաթիվը) նշելուց բացի՝ պարբերական աղյուսակը ցույց է տալիս նաև տարրի հարաբերական ատոմային զանգվածը՝ Երկրի վրա այդ տարրի բնական իզոտոպների միջին կշիռը։ Նայելով ջրածնին՝ կտեսնենք, որ վերջինիս նշանը start text, H, end text է, անունը և կարգաթիվը, որը 1 է, նշված են վերևի ձախ անկյունում, իսկ ատոմային զանգվածը 1,01 է։
Տարրերի միջև քիմիական ակտիվության տարբերությունները հիմնված են վերջիններիս էլեկտրոնների թվով և տարածության մեջ էլեկտրոնների դասավորությամբ։ Եթե երկու ատոմ ունեն փոխլրացնող էլեկտրոնային դասավորություն, ապա կարող են փոխազդել իրար հետ և ձևավորել քիմիական կապ՝ ստեղծելով մոլեկուլ կամ միացություն։ Ինչպես կտեսնենք ստորև, պարբերական աղյուսակում տարրերն այնպես են դասավորված, որ արտացոլվեն էլեկտրոնների թիվը և տարրի բնույթը։ Սա անհրաժեշտ է տարրի քիմիական ակտիվությունը կանխորոշելու համար, այսինքն՝ որքան է հավանականությունը, որ այն կապեր կառաջացնի, և եթե առաջացնի, ապա որ տարրերի հետ։
Էլեկտրոնային թաղանթներ և Բորի մոդելը
Ատոմի վաղ մոդելը 1913 թ․ մշակել է դանիացի գիտնական Նիլս Բորը (1885-1962 թթ․)։ Բորի մոդելը ատոմը ներկայացնում է որպես կենտրոնական միջուկ, որը պարունակում է պրոտոններ ու նեյտրոններ, և միջուկից հատուկ հեռավորությունների վրա օղակաձև էլեկտրոնային թաղանթներում՝ էլեկտրոններ, ինչպես արևի շուրջը պտտվող մոլորակները։ Յուրաքանչյուր էլեկտրոնային թաղանթ ունի տարբեր էներգիական մակարդակ․ միջուկին ամենամոտ գտնվող թաղանթն ավելի ցածր էներգիական մակարդակ ունի, քան ավելի հեռվում գտնվողները։ Յուրաքանչյուր թաղանթ նշվում է թվով և n նշանով, օրինակ՝ միջուկին ամենամոտ էլեկտրոնային թաղանթը կոչվում է 1n։ Էլեկտրոնային թաղանթների միջև շարժվելու համար էլեկտրոնը պետք է կլանի կամ անջատի ճիշտ նույն քանակի էներգիա, որը համապատասխանում է թաղանթների միջև առկա էներգիաների տարբերությանը։ Օրինակ, եթե էլեկտրոնը ֆոտոնից էներգիա կլանի, կգրգռվի և կանցնի ավելի բարձր էներգիական մակարդակ ունեցող թաղանթ․ սրան հակառակ, երբ գրգռված էլեկտրոնը հետ գա ավելի ցածր էներգիական թաղանթ, կանջատի էներգիա՝ հաճախ ջերմության տեսքով։
Ատոմները, ինչպես ֆիզիկայի օրենքներին ենթարկվող ցանկացած այլ բան, ձգտում են ամենաքիչ էներգիա պարունակող և ամենակայուն դասավորվածության։ Հետևաբար ատոմի էլեկտրոնային թաղանթները լրացվում են ներսից դուրս․ նախ էլեկտրոնները լրացնում են միջուկին ավելի մոտ ցածր էներգիական թաղանթները, հետո՝ ավելի հեռու և ավելի բարձր էներգիական թաղանթները։ Միջուկին ամենամոտ թաղանթը՝ 1n-ը, կարող է ունենալ 2 էլեկտրոն, հաջորդ թաղանթը՝ 2n-ը՝ 8 էլեկտրոն, իսկ երրորդ թաղանթը՝ 3n-ը՝ մինչև 18 էլեկտրոն։
Ատոմի քիմիական ակտիվությունը կամ այլ ատոմների հետ քիմիական կապեր ստեղծելու հակվածությունը որոշվում է արտաքին էլեկտրոնային թաղանթում գտնվող էլեկտրոնների թվով։ Արտաքին թաղանթը հայտնի է որպես վալենտային թաղանթ, իսկ դրանում առկա էլեկտրոնները կոչվում են վալենտային էլեկտրոններ։ Առհասարակ ատոմներն ամենակայունն են և քիմիապես ոչ ակտիվ, երբ դրանց արտաքին էլեկտրոնային թաղանթը լրացված է էլետրոններով։ Կենսաբանության համար կարևոր տարրերից շատերին իրենց արտաքին էլեկտրոնային թաղանթում անհրաժեշտ է 8 էլեկտրոն, որպեսզի դառնան կայուն․ սա առավել հայտնի է որպես կայուն ութնյակի օրենք։ Որոշ ատոմներ կարող են կայուն լինել ութ էլեկտրոն ունենալու դեպքում՝ չնայած նրան, որ իրենց վալենտային թաղանթը 3n-ն է, որը կարող է պահել մինչև 18 էլեկտրոն։ Մենք սրա պատճառը կուսումնասիրենք էլեկտրոնային օրբիտալները քննարկելիս։
Ստորև ներկայացված են որոշ չեզոք ատոմներ և դրանց էլեկտրոնային փոխդասավորությունը։ Աղյուսակում կարող ես տեսնել, որ հելիումն ունի երկու էլեկտրոն իր միակ՝ 1n լրացված վալենտային թաղանթում։ Նույն կերպ՝ նեոնն ունի ամբողջական արտաքին 2n թաղանթ, որը պարունակում է 8 էլեկտրոն։ Էլեկտրոնային այս փոխդասավորության շնորհիվ հելիումն ու նեոնը չափազանց կայուն են։ Չնայած արգոնը տեխնիկապես չունի լրացված արտաքին թաղանթ, քանի որ 3n թաղանթը կարող է ունենալ մինչև 18 էլեկտրոն, այնուամենայնիվ, այն կայուն է նեոնի և հելիումի նման, քանի որ 8 էլեկտրոն ունի 3n թաղանթում և, հետևաբար, բավարարում է կայուն ութնյակի օրենքին։ Ի տարբերություն նշված օրինակների՝ քլորն իր արտաքին էլեկտրոնային թաղանթում ունի ընդամենը յոթ էլեկտրոն, իսկ նատրիումը՝ միայն մեկ։ Այս օրինակներում արտաքին էլեկտրոնային թաղանթը լրացված չէ, որը չի համապատասխանում ութնյակի օրենքին՝ քիմիապես ակտիվ դարձնելով քլորն ու նատրիումը, որոնք ձգտում են կորցնելու կամ ձեռք բերելու էլեկտրոններ՝ ավելի կայուն փոխդասավորության հասնելու համար։
Էլեկտրոնների փոխդասավորությունը և պարբերական աղյուսակը
Պարբերական աղյուսակում քիմիական տարրերի հաջորդականությունը հիմնված է դրանց ատոմային համարի՝ կարգաթվի վրա՝ ըստ դրանց ունեցած պրոտոնների թվի։ Չեզոք ատոմում էլեկտրոնների թիվը հավասար է պրոտոնների թվին, հետևաբար ատոմային թիվն իմանալով՝ հեշտությամբ կարող ենք որոշել էլեկտրոնների թիվը։ Բացի այդ՝ քիմիական տարրի տեղը պարբերական աղյուսակում՝ սյունակը կամ խումբը և շարքը կամ պարբերությունը, հուշում են, թե այդ տարրերի էլեկտրոններն ինչպես են դասավորված։
Եթե դիտարկենք պարբերական աղյուսակի առաջին երեք շարքերը, որոնք պարունակում են կյանքի համար կարևոր տարրերի մեծ մասը, կտեսնենք, որ յուրաքանչյուր շարք համապատասխանում է էլեկտրոնային տարբեր թաղանթների լցմանը․ հելիումի ու ջրածնի էլեկտրոնները 1n թաղանթում են, մինչդեռ երկրորդ շարքի տարրերից Li-ը սկսում է լցնել 2n թաղանթը, իսկ երրորդ շարքի տարրերը, օրինակ՝ Na-ը, լցնում են 3n թաղանթը։ Նույն կերպ՝ տարրի սյունակի թիվը տեղեկություն է պարունակում վալենտային էլեկտրոնների թվի և տարրի քիմիական ակտիվության մասին։ Ընդհանուր առմամբ վալենտային էլեկտրոնների թիվը սյունակում նույնն է, իսկ շարքում ձախից աջ շարժվելիս մեծանում է։ Առաջին խմբի տարրերն ունեն միայն մեկ վալենտային էլեկտրոն, իսկ 18-րդ խմբի տարրերը՝ 8, բացի հելիումից, որն ընդամենը 2 էլեկտրոն ունի։ Հետևաբար խմբի համարն օգնում է կանխագուշակելու, թե յուրաքանչյուր տարր քիմիապես որքան ակտիվ կլինի։
- Հելիումը (start text, H, e, end text), նեոնը (start text, N, e, end text) և արգոնը (start text, A, r, end text), որպես 18-րդ խմբի տարրեր, ունեն ամբողջական արտաքին էլեկտրոնային թաղանթներ, այսինքն՝ դրանց արտաքին էլեկտրոնային թաղանթը բավարարում է կայուն ութնյակի օրենքին։ Սա վերջիններիս դարձնում է շատ կայուն՝ որպես առանձին ատոմներ։ Քիմիապես ոչ ակտիվ լինելու պատճառով դրանք կոչվում են իներտ գազեր կամ ազնիվ գազեր։
- Ջրածինը (start text, H, end text), լիթիումը (start text, L, i, end text) և նատրիումը (start text, N, a, end text), որպես առաջին խմբի տարրեր, իրենց արտաքին էլեկտրոնային թաղանթում ունեն միայն մեկ էլեկտրոն։ Որպես առանձին ատոմներ՝ դրանք անկայուն են, բայց կարող են կայունանալ՝ կորցնելով կամ կիսելով իրենց վալենտային էլեկտրոնը։ Եթե այս տարրերն ամբողջապես կորցնեն էլեկտրոն, ինչպես start text, L, i, end text-ն ու start text, N, a, end text-ն են հիմնականում անում, ապա կդառնան դրական լիցքավորված իոններ՝ start text, L, i, end text, start superscript, plus, end superscript և start text, N, a, end text, start superscript, plus, end superscript։
- Ֆտորը (start text, F, end text) և քլորը (start text, C, l, end text), որպես 17-րդ խմբի տարրեր, արտաքին էլեկտրոնային թաղանթում ունեն յոթ էլեկտրոն։ Դրանք հակում ունեն հասնելու կայուն ութնյակի՝ այլ ատոմներից էլեկտրոն վերցնելով, որի արդյունքում դառնում են բացասական լիցքավորված իոններ՝ start text, F, end text, start superscript, minus, end superscript և start text, C, l, end text, start superscript, minus, end superscript։
- Ածխածինը (start text, C, end text), որպես 14-րդ խմբի տարր, արտաքին էլեկտրոնային թաղանթում ունի չորս էլեկտրոն։ Ածխածինը հիմնականում կիսում է էլեկտրոնները՝ լրացված վալենտային թաղանթ ունենալու համար՝ բազմաթիվ այլ ատոմների հետ կապեր ստեղծելով։
Հետևաբար պարբերական աղյուսակի սյունակներն արտացոլում են յուրաքանչյուր տարրի վալենտային թաղանթում առկա էլեկտրոնների թիվը, որն իր հերթին որոշում է, թե տարրն ինչպես կփոխազդի։
Ենթաշերտեր և օրբիտալներ
Բորի մոդելն օգտակար է շատ տարրերի քիմիական ակտիվությունն ու քիմիական կապերը բացատրելու համար, բայց այն իրականում այնքան էլ ճշգրիտ չի նկարագրում, թե ինչպես են էլեկտրոնները տեղաբաշխված միջուկի շուրջը եղած տարածքում։ Մասնավորապես էլեկտրոններն իրականում չեն պտտվում միջուկի շուրջը, դրա փոխարեն ժամանակի մեծ մասն անցկացնում են միջուկի շուրջը եղած հաճախ շատ բարդ տարածքներում, այսպես կոչված՝ էլեկտրոնային օրբիտալներում։ Մենք չենք կարող հստակ իմանալ, թե տվյալ պահին էլեկտրոնը որտեղ է, բայց կարող ենք մաթեմատիկորեն որոշել այն տարածքի ծավալը, որտեղ, ամենայն հավանականությամբ, էլեկտրոնն է, օրինակ՝ այն տարածքի ծավալը, որտեղ էլեկտրոնը կանցկացնի ժամանակի 90%-ը։ Նման բարձր հավանականություն ունեցող տարածքը հենց օրբիտալն է, և յուրաքանչյուր օրբիտալ կարող է պարունակել մինչև երկու էլեկտրոն։
Այսպիսով՝ ինչպե՞ս են մաթեմատիկորեն որոշված այս օրբիտալները տեղավորվում այն էլեկտրոնային թաղանթներում, որոնք տեսանք Բորի մոդելում։ Մենք կարող ենք յուրաքանչյուր էլեկտրոնային թաղանթ բաժանել մեկ կամ ավելի ենթամակարդակների, որոնք պարզապես կազմված են մեկ կամ ավելի օրբիտալներից։ Ենթամակարդակները նշանակում են s, p, d և f տառերով, որտեղ յուրաքանչյուր տառը ցույց է տալիս տարբեր կառուցվածք։ Օրինակ՝ s ենթամակարդակն ունի մեկ գնդաձև օրբիտալ, իսկ p ենթամակարդակը պարունակում է 3 հանտելաձև օրբիտալ։ Օրգանական քիմիայի՝ ածխածին պարունակող միացությունների մեծ մասը, որ առանցքային նշանակություն ունի կենսաբանության համար, ներառում է s և p ենթամակարդակներում եղած էլեկտրոնների փոխազդեցությունները։ Այսպիսով՝ սրանք ամենակարևոր ենթամակարդակներն են, որոնց պետք է ծանոթանաս։ Սակայն այն ատոմները, որոնք շատ էլեկտրոններ ունեն, կարող են այդ էլեկտրոնների որոշ մասը տեղակայել d և f ենթամակարդակներում։ d և f ենթամակարդակներն ավելի բարդ ձև ունեն և համապատասխանաբար հինգ և յոթ օրբիտալներ են պարունակում։
Առաջին էլեկտրոնային թաղանթին՝ 1n-ին, համապատասխանում է միայն 1, s օրբիտալը։ 1, s օրբիտալը միջուկին ամենամոտն է և առաջինն է լրացվում էլեկտրոններով, մինչև մյուս օրբիտալների լրացվելը։ Ջրածինն ունի միայն մեկ էլեկտրոն, հետևաբար 1, s օրբիտալում միայն մեկ դիրքն է զբաղեցված։ Այս ամենը կարող ենք գրել էլեկտրոնային փոխդասավորության ձևով՝ որպես 1, s, start superscript, 1, end superscript, որտեղ ցուցիչում գրված 1-ը նշանակում է, որ 1, s օրբիտալում կա մեկ էլեկտրոն։ Հելիումն ունի երկու էլեկտրոն, այսինքն՝ իր երկու էլեկտրոններով կարող է ամբողջությամբ լրացնել 1, s օրբիտալը։ Սա գրվում է 1, s, squared տեսքով, որտեղ ցուցիչի 2-ը հուշում է, որ հելիումը 1, s օրբիտալում ունի երկու էլեկտրոն։ Պարբերական աղյուսակի առաջին շարքում կամ պարբերությունում ջրածինն ու հելիումը միակ երկու տարրերն են, ինչը նշանակում է, որ դրանց էլեկտրոնները միայն առաջին թաղանթում են։ Ջրածինն ու հելիումը միակ երկու տարրերն են, որ իրենց չեզոք, չլիցքավորված վիճակում էլեկտրոններ են պարունակում բացառապես 1, s օրբիտալում։
Երկրորդ էլեկտրոնային թաղանթը՝ 2n-ը, պարունակում է մեկ այլ գնդաձև s օրբիտալ և երեք հանտելաձև p օրբիտալ, որոնցից յուրաքանչյուրը կարող է պարունակել երկու էլեկտրոն։ Երբ 1, s օրբիտալը լրացված է, երկրորդ էլեկտրոնային թաղանթն է սկսում լրացվել․ նախ՝ 2, s օրբիտալում, ապա՝ երեք p օրբիտալներում։ Պարբերական աղյուսակի երկրորդ շարքի տարրերն իրենց էլեկտրոնները տեղավորում են ինչպես 2n, այնպես էլ 1ո թաղանթում։ Օրինակ՝ լիթիումն (start text, L, i, end text) ունի երեք էլեկտրոն, որոնցից երկուսը զբաղեցնում են 1, s օրբիտալը, իսկ երրորդը 2, s օրբիտալում է, ինչի արդյունքում էլեկտրոնային փոխդասավորությունն ունենում է հետևյալ տեսքը՝ 1, s, squared 2, s, start superscript, 1, end superscript։ Մյուս կողմից՝ նեոնը (start text, N, e, end text) ունի ընդհանուր տասն էլեկտրոն, որոնցից երկուսը ներքին 1, s օրբիտալում են, իսկ ութը լրացնում են երկրորդ թաղանթը՝ երկուական՝ յուրաքանչյուր 2, s օրբիտալում և երեքական՝ p օրբիտալներում՝ 1, s, squared 2, s, squared 2, p, start superscript, 6, end superscript։ Քանի որ իր 2ո թաղանթը լրացված է, որպես ատոմ՝ այն էներգիապես կայուն կլինի և այլ ատոմների հետ կապեր հազվադեպ կստեղծի։
Երրորդ էլեկտրոնային թաղանթը՝ 3ո-ը, կրկին ունի մեկ s օրբիտալ և երեք p օրբիտալ, և պարբերական աղյուսակի երրորդ շարքի տարրերն իրենց էլեկտրոնները դասավորում են այս օրբիտալներում, ինչպես երկրորդ շարքի տարրերն են անում 2ո թաղանթի համար։ 3ո թաղանթը պարունակում է նաև d օրբիտալ, բայց սա էներգիապես ավելի բարձր է, քան 3, s և 3, p օրբիտալները, և չի սկսում լրացվել մինչև պարբերական աղյուսակի չորրորդ շարքը։ Սրա պատճառով է, որ երրորդ շարքի տարրերը, ինչպիսին է, օրինակ, արգոնը, կարող են կայուն լինել հենց ութ վալենտային էլեկտրոններով․ դրանց s և p ենթամակարդակները լրացված են, իսկ ամբողջական 3ո շերտը՝ ոչ։
Թեև էլեկտրոնային թաղանթներն ու օրբիտալները սերտ կապված են, օրբիտալներն ատոմի էլեկտրոնային փոխդասավորության մասին ավելի ճշգրիտ պատկերացում են տալիս։ Պատճառն այն է, որ օրբիտալներն իրականում հստակեցնում են էլեկտրոնների զբաղեցրած տարածքի ձևն ու դիրքը։
Ուզո՞ւմ ես միանալ խոսակցությանը։
Առայժմ հրապարակումներ չկան։