If you're seeing this message, it means we're having trouble loading external resources on our website.

თუ ვებფილტრს იყენებთ, დარწმუნდით, რომ *.kastatic.org და *.kasandbox.org დომენები არ არის დაბლოკილი.

ძირითადი მასალა

ელმენტთა პერიოდული სისტემა, ელექტრონული შრეები და ორბიტალები

ბორის მოდელი და ატომური ორბიტალები. პერიოდულ სისტემაში ელემენტის ადგილმდებარეობის გამოყენებით ელემენტების მახასიათებლების, ელექტრონთა განლაგებისა და რეაქტიულობის პროგნოზირება.

შესავალი

ქიმიის სწავლის პროცესში ბავშვებს ასწავლიან სიმღერას „ელემენტები", რომელშიც ტომ ლერერი სწრაფად ჩამოთვლის ყველა ელემენტის სახელს. ბავშვებს მასწავლებლები სთავაზობენ, დაიმახსოვრონ ეს სიმღერა, ამის სანაცვლოდ კი ბონუს ქულას მიიღებენ. შეიძლება, თქვენც გახსოვთ ელემენტების სახელები, რაც მართლაც შთამბეჭდავია.
თუ ელემენტების სახელები დაიმახსოვრეთ, ეს ნიშნავს, რომ აღარასდროს დაგჭირდებათ პერიოდული სისტემა? ალბათ... ასე არაა. ეს იმიტომ, რომ პერიოდული სისტემა არ არის მხოლოდ კალათა, რომელშიც ელემენტებია ჩაყრილი. ეს არის სისტემა. თითოეული ელემენტის ადგილმდებარეობა ტაბულაზე გვაძლევს მნიშვნელოვან ინფორმაციას მისი სტრუქტურის, თვისებებისა და ქიმიურ რეაქციებში ქცევის შესახებ. კერძოდ, ელემენტის მდებარეობა პერიოდულ სისტემაში გვეხმარება გავარკვიოთ მისი ელექტრონების კონფიგურაცია - როგორია სტრუქტურა ბირთვის ირგვლივ. ატომები ელექტრონებს იყენებენ ქიმიურ რეაქციებში მონაწილების მისაღებად, ამიტომ, ელემენტის ელექტრონების განლაგების ცოდნა საშუალებას გვაძლევს, ვივარაუდოთ მისი ქიმიური აქტიურობა - როგორ ურთიერთქმედებს ის სხვა ელემენტის ატომებთან და ურთიერთქმედებს თუ არა საერთოდ.
ამ სტატიაში უფრო დეტალურად შევხედავთ პერიოდულ სისტემას, გავიგებთ, როგორაა ორგანიზებული ატომების ელექტრონები და როგორ შეიძლება, ამის ცოდნით ვივარაუდოთ ელემენტის რეაქტიულობა.

პერიოდული სისტემა

პირობითად, ელემენტები დალაგებულია პერიოდული სისტემით. ეს არის სტრუქტურა, რომელიც გვიჩვენებს მნიშვნელოვან შაბლონებს მათ ქცევაში. ის შეადგინა რუსმა ქიმიკოსმა დმიტრი მენდელეევმა (1834–1907) 1869 წელს. სისტემა ელემენტებს ანაწილებს სვეტებად — ჯგუფებად — და რიგებად — პერიოდებად — რომლებსაც აქვთ მსგავსი თვისებები. ეს თვისებები განსაზღვრავს ელემენტის ფიზიკურ მდგომარეობას ოთახის ტემპერატურზე — აირია, მყარი თუ თხევადი — და მის ქიმიურ რეაქტიულობას, სხვა ატომებთან ქიმიური ბმების დამყარების უნარს.
თითოეული ელემენტისთვის ატომური რიცხვის მითითების გარდა, პერიოდული სისტემა გვიჩვენებს ელემენტების ფარდობით ატომურ მასას - ბუნებაში არსებული მათი იზოტოპების საშუალო შეწონილს. მაგალითად, თუ შევხედავთ წყალბადს, დავინახავთ მის სიმბოლოს, H-ს, და სახელს, აგრეთვე მის ატომურ რიცხვს, ერთს, ზედა მარცხენა კუთეში და მის ფარდობით ატომურ მასას - 1,01-ს.
ელემენტების პერიოდული სისტემა
მოდიფიცირებული სურათის წყაროა OpenStax Biology
განსხვავებები ქიმიურ აქტივობაში ელემენტებს შორის დამოკიდებულია მათი ელექტრონების რიცხვსა და ელექტრონების განაწილებაზე სივრცეში. თუ ორ ატომს კომპლემენტარული ელექტრონული მოდელები აქვთ, მათ შეუძლიათ ერთმანეთთან რეაქციაში შესვლა და ქიმიური ბმის დამყარება, რითაც შექმნიან მოლეკულას ან ნაერთს. როგორც ქვემოთ ვნახავთ, პერიოდულ სისტემში ელემენტები ისეა ორგანიზებული, რომ ის ასახავს მათი ელექტრონების რიცხვსა და მოდელს, რაც ძალიან სასარგებლოა ელემენტის აქტივობის გამოსაცნობად: რამდენად სავარაუდოა, რომ ის დაამყარებს კავშირებს და რომელ ელემენტთან.

ელექტრონული შრეები და ბორის მოდელი

ატომის ადრეული მოდელი შექმნა დანიელმა მეცნიერმა ნილს ბორმა (1885–1962) 1913 წელს. ბორის მოდელის მიხედვით, ატომი არის ცენტრაული ბირთვი, რომელიც შეიცავს პროტონებსა და ნეიტრონებს, ხოლო ელექტრონები მოძრაობენ მის ირგვლივ წრიულ ელექტრონულ შრეებზე ბირთვისგან გარკვეულ მანძილზე; ეს მოდელი გავს მზის ირგვლივ მოძრავი პლანეტების მოდელს. თითოეულ შრეს განსხვავებული ენერგიის დონე აქვს - შრეებს, რომლებიც უფრო ახლოსაა ბირთვთან, უფრო დაბალი ენერგია აქვთ, ვიდრე შრეებს, რომლებიც ბირთვისგან უფრო დაშორებულია. პირობითად, თითოეულ შრეს მინიჭებული აქვს ნომერი და სიმბოლო n, მაგალითად, ბირთვთან ყველაზე ახლოს მდებარე შრეს ჰქვია 1n. იმისთვის, რომ შრეებს შორის იმოძრაოს, ელექტონმა უნდა გამოათავისუფლოს ან შეითვისოს ზუსატად იმ მოცულობის ენერგია, რაც არის ენერგიების სხვაობა შრეებს შორის. მაგალითად, თუ ელექტონი მიიღებს ენერგიას პროტონისგან, ის შეიძლება „გაღიზიანდეს" და გადავიდეს უფრო მაღალენერგიულ შრეზე; ამის საპირისპიროდ, როცა გაღიზიანებული ელექტრონი უბრუნდება უფრო დაბალი ენერგიის შრეს, ის გამოათავისუფლებს ენერგიას, ხშირად, სითბოს სახით.
ატომის ბორისეული მოდელი, რომელზეც სხვადასხვა ენერგიის მქონე შრეები კონცენტრული წრეებითაა წარმოდგენილი ბირთვის გარშემო. ელექტრონის გარეთა, უფრო მაღალენერგიულ შრეზე გადასატანად მას ენერგია უნდა გადაეცეს. მაღალენერგიულიდან დაბალ, ბირთვთან ახლოს მდებარე შრეზე გადასვლისას კი ენერგია გამოთავისუფლდება.
მოდიფიცირებული სურათის წყაროა OpenStax Biology
ატომები, როგორც ფიზიკის ძალებით მართული ნებისმიერი რამ, მიისწრაფვის ყველაზე დაბალი ენერგიის, ყველაზე სტაბილური მდგომაროებისკენ. შესაბამისად, ატომის ელექტრონული შრეები „დასახლებულია" შიგნიდან გარეთ, ანუ, ელექტრონები ჯერ ავსებენ ყველაზე დაბალი ენერგიის მქონე შრეებს, რომლებიც ბირთვთან ყველაზე ახლოსაა. ბირთვთან ყველაზე ახლოს მდებარე შრე, 1n, იტევს ორ ელექტრონს, შემდეგი შრე, 2n, რვას, მესამე კი, 3n, 18-ს.
კონკრეტული ატომის გარე შრეზე მდებარე ელექტრონების რაოდენობა განსაზღვრავს მის აქტიურობას, ანუ, მიდრეკილებას, დაამყაროს ქიმიური ბმები სხვა ატომებთან. გარე შრე ცნობილია, როგორც სავალენტო შრე და მასზე მყოფი ელექტრონები - როგორც ვალენტური ელექტრონები. ზოგადად, ატომები ყველაზე სტაბილური, ყველაზე ნაკლებად აქტიურია მაშინ, როცა გარე ელექტრონული შრე შევსებულია. ბიოლოგიაში მნიშვნელოვანი ატომების უმრავლესობას გარე შრეზე სჭირდება რვა ელექტრონი იმისათვის, რომ სტაბილურობას მიაღწიოს. ამ წესს ოქტეტის წესი ეწოდება. ზოგიერთი ატომი სტაბილურია ოქტეტით მაშინაც კი, როცა მისი ვალენტური შრე 3n შრეა, რომელზეც 18 ელექტრონი ეტევა. ამის მიზეზს გავიგებთ მოგვიანებით, როცა ელექტრონულ ორბიტალებზე ვისაუბრებთ.
ქვემოთ მოცემულია ზოგიერთი ნეიტრალური ატომი და მათი ელექტრონული განაწილება. ამ ცხრილში ხედავთ, რომ ჰელიუმის სავალენტო შრე შევსებულია ორი ელემენტით მის პირველ და ერთადერთ შრეზე. ამის მსგავსად, ნეონის აქვს სრული გარე 2n შრე, რომელიც რვა ელემენტს შეიცავს. ელექტრონების ასეთი განაწილება ჰელიუმსა და ნეონს ძალიან სტაბილურს ხდის. მიუხედავად იმისა, რომ არგონს, ტექნიკურად, არ აქვს შევსებული გარე შრე, რადგანაც 3n შრე თვრამეტ ელექტრონს იტევს, ის ნეონივით და ჰელიუმივით სტაბილურია, რადგანაც 3n შრეზე რვა ელექტრონი აკმაყოფილებს ოქტეტის წესს. ამის საპირისპიროდ, ქლორს მხოლოდ შვიდი ელექტრონი აქვს გარე შრეზე, ხოლო ნატრიუმს - ერთი. ეს მოდელები ვერ ავსებენ გარე შრეებს ან აკმაყოფილებენ ოქტეტის წესს, რის გამოც ქლორი და ნატრიუმი ორივე აქტიურია, ანუ, ცდილობს, გასცეს ან მიიერთოს ელექტრონები სტაბილური მდგომარეობის მისაღწევად.
სხვადასხვა ელემენტთა ბორის დიაგრამები
სურათის წყარო: OpenStax Biology

ელექტრონული განაწილება და პერიოდული სისტემა

ელემენტები პერიოდულ სისტემაში დალაგებულია ატომური ნომრის ზრდის მიხედვით, ანუ, ბირთვში პროტონის რაოდენობის მიხედვით. ნეიტრალურ ატომში ელექტრონების რაოდენობა პროტონების რაოდენობის ტოლია, ასე რომ, ატომური ნომრის მიხედვით მარტივად განვსაზღვრავთ ატომურ ნომერს. ასევე, ელემენტის მდებარეობა პერიოდულ სისტემაში - მისი სვეტი, ანუ, ჯგუფი, და რიგი, ანუ, პერიოდი - გვაწვდის სასარგებლო ინფორმაციას ელექტრონების განაწილების შესახებ.
თუ განვიხილავთ ტაბულის პირველ სამ რიგს, რომელიც მოიცავს სიცოცხლისთვის მნიშვნელოვან ძირითად ელემენტებს, თითეული რიგი შეესაბამება სხვადასხვა ელექტრონული შრის შევსებას: ჰელიუმი და წყალბადი თავიანთ ელექტრონებს 1n შრეზე ათავსებენ, მაშინ, როცა მეორე რიგის ელემენტები, მაგალითად, Li, იწყებს 2n შრის შევსებას, ხოლო მესამე რიგის ელემენები, ვთქვათ, Na, გადადის 3n შრეზე. ამის მსგავსად, ელემენტის სვეტის ნომერი გვაძლევს ინფორმაციას ვალენტური ელექტრონების რაოდენობის შესახებ. ზოგადად, ვალენტური ელექტრონების რიცხვი ერთი და იგივეა სვეტში და იზრდება მარცხნიდან მარჯვნივ ყოველ მომდევნო სვეტში. 1-ლი ჯგუფის ელემენტებს მხოლოდ ერთი ვალენტური ელექტრონი აქვთ, ხოლო მე-18 ჯგუფის ელემენტებს - რვა, ჰელიუმის გარდა, რომელსაც ჯამში მხოლოდ ორი ელექტრონი აქვს. შესაბამისად, ჯგუფის ნომერი ელემენტის რეაქტიულობის კარგი მაჩვენებელია.
  • ჰელიუმს (He), ნეონსა (Ne) არგონს (Ar), როგორც მე-18 ჯგუფის ელემენტებს, გარე შრე აქვთ სრულად შევსებული ან აკმაყოფილებენ ოქტეტის წესს. ამის გამო ცალკეული ატომების სახით ისინი ძალიან სტაბილური არიან. ამ არააქტიურობის გამო მათ ინერტულ აირებს ან კეთილშობილ აირებს უწოდებენ.
  • წყალბადს, (H), ლითიუმსა (Li) და ნატრიუმს (Na), როგორც 1-ლი ჯგუფის ელემენტებს, გარე შრეზე მხოლოდ ერთი ელემენტი აქვთ. ცალკეული ატომების სახით ისინი არასტაბილურია, მაგრამ შეუძლია, გახდეს სტაბილური თავისი ერთი ვალენტური ელექტრონის გაცემით ან გაზიარებით. თუ ეს ელემენტები სრულად კარგავენ ელექტრონს, როგორც ეს Li-სა და Na-ს შემთხვევაში ხდება, ისინი დადებითად დამუხტულ იონებად იქცევიან:Li+ და Na+.
  • ფტორსა (F) და ქლორს (Cl), როგორც მე-17 ჯგუფის ელემენტებს, გარე შრეზე შვიდი ელექტრონი აქვთ. ისინი სტაბილურ მდგომარეობას აღწევენ სხვა ატომისგან ელექტრონის მიერთებით; ამ შემთხვევაში ისინი იქცევიან ნეგატიურ იონებად: F და Cl.
  • ნახშირბადს (C), მე-14 ჯგუფის ელემენტს, გარე შრეზე ოთხი ელექტრონი აქვს. ნახშირბადი, როგორც წესი, სავალენტო შრის დასასრულებლად იზიარებს ელექტრონს და ამ მიზნით ამყარებს ბმებს ბევრ სხვა ატომთან.
შესაბამისად, პერიოდული სისტემის სვეტები ასახავს თითოეული ელემენტის სავალენტო შრეზე ელექტრონების რაოდენობას, რაც, თავის მხრივ, განსაზღვრავს, როგორ მოიქცევა ელემენტი.

ქვეშრეები და ორბიტალები

ბორის მოდელი სასარგებლოა ბევრი ელემენტის რეაქტიულობისა და ქიმიური ბმების ასახსნელად, მაგრამ ის, სინამდვილეში, ზუსტად არ გვიჩვენებს, როგორაა განაწილებული ელექტრონები სივრცეში. ელექტრონები, სინამდვილეში, ბირთვის ირგვლივ წრეზე არ მოძრაობენ, არამედ დროის უმეტეს ნაწილს ატარებენ ბირთვის ირგვლივ საკმაოდ კომპლექსური ფორმის მქონე სივრცის ნაწილებში, რომლებსაც ელექტრონული ორბიტალები ეწოდებათ. ჩვენ არ შეგვიძლია, ვთქვათ, სად არის ელექტრონი დროის ნებისმიერ მონაკვეთში, მაგრამ შეგვიძლია, მათემატიკურად განვსაზღვროთ სივრცის მოცულობა, სადაც ის იქნება ყველაზე დიდი ალბათობით, ვთქვათ სირვცის ნაწილი, სადაც ის დროის 90%-ს გაატარებს. ეს მაღალი ალბათობის მქონე რეგიონი შეადგენს ორბიტალს და თითოეული ორბიტალი იტევს მაქსიმუმ ორ ელექტრონს.
ესე იგი, როგორ ერგება ეს მათემატიკურად განსაზღვრული ორბიტალები ელექტრონულ შრეებს, რომლებიც ბორის მოდელში შეგვხვდა? თითოეული ელექტრონული შრე შეიძლება, დავყოთ ერთ ან მეტ ქვეშრედ, რომლებიც ერთი ან მეტი ორბიტალის ერთობლიობაა. ქვეშრეები აღნიშნულია ასოებით: s, p, d და f, თითოეული მათგანი აღნიშნავს სხვადასხვა ფორმას. მაგალითად, s ქვეშრეს აქვს ერთი, სფერული ორბიტალი, ხოლო p ქვეშრეს აქვს სამი ჰანტელის ფორმის ორბიტალი, რომლებიც ერთმანეთთან მართ კუთხეს ქმნიან. ორგანული ქიმიის უმეტესობა —ნახშირბადის შემცველი ნაერთების ქიმია, რომლებიც ბიოლოგიისთვის უმნიშვნელოვანესია —მოიცავს ელექტრონებს შორის ურთიერთქმედებებს s და p ქვეშრეებზე, ამიტომ, ამ ქვეშრეებს ყველაზე კარგად უნდა ვიცნობდეთ, თუმცა ბევრი ელექტრონის მქონე ატომები შეიძლება ელექტრონებს ათავსებდნენ d და f ქვეშრეებზეც. d და f ქვეშრეებს უფრო კომპლექსური ფორმა აქვს და შეიცავს, შესაბამისად, ხუთ და შვიდ ორბიტალს.
წრიული 1s და 2s და ჰანტელის ფორმის 2p ორბიტალების სამგანზომილებიანი დიაგრამა. სულ სამი 2p ორბიტალი არსებობს და ისინი ერთმანეთისადმი მართი კუთხითაა განლაგებული.
მოდიფიცირებული სურათის წყაროა OpenStax Biology
პირველი ელექტრონული შრე, 1n, შეესაბამება ერთ 1s ორბიტალს. 1s ორბიტალი ბირთვთან ყველაზე ახლოს მდებარეობს და პირველ რიგში ის ივსება ელექტრონებით. წყალბადს მხოლოდ ერთი ელექტრონი აქვს, ანუ, მის 1s ორბიტალზე დაკავებულია ერთი ადგილი. ეს ყველაფერი შეიძლება, დავწეროთ შემოკლებული ფორმით, რომელსაც ელექტრონების განლაგება ეწოდება: 1s1, სადაც ხარისხში აყვანილი 1 აღნიშნავს ერთ ელექტრონს 1s ორბიტალზე. ჰელიუმს აქვს ორი ელექტრონი, ანუ ის სრულად ავსებს 1s ორბიტალს. ეს ჩაიწერება, როგორც 1s2 და მიუთითებს 1s ორბიტალზე ორი ელექტრონის არსებობაზე. პერიოდულ სისტემაში პირველ რიგში მხოლოდ ორი ელემენტია: წყალბადი და ჰელიუმი, რაც ნიშნავს, რომ მათ ელექტრონები აქვთ მხოლოდ პირველ შრეზე. წყალბადი და ჰელიუმი ერთადერთი ელემენტებია, რომლებსაც ნეიტრალურ, არადამუხტულ ფორმაში ელექტრონები მხოლოდ 1s ორბიტალზე აქვთ.
მეორე ელექტრონული შრე, 2n, შეიცავს კიდევ ერთ სფერულ s ორბიტალსა და სამ ჰანტელისებურ p ორბიტალს, რომელთაგან თითოეული იტევს ორ-ორ ელექტრონს. მას შემდეგ, რაც 1s ორბიტალი შეივსება, იწყება მეორე ელექტრონული შრის შევსება. პირველად ელექტრონები განლაგდება პირველ 2s ორბიტალზე და შემდეგ სამ p ორბიტალზე. მეორე რიგის ელემენტები თავიანთ ელექტრონებს ათავსებენ როგორც 2n შრეზე, ისე 1n შრეზე. მაგალითად, ლითიუმს (Li) აქვს სამი ელექტრონი: ორი ავსებს 1s ორბიტალს და მესამე მოთავსებულია 2s ორბიტალზე, რაც გვაძლევს ასეთ ელექტრონულ განაწილებას: 1s2 2s1. ნეონს (Ne), მეორე მხრივ, სულ აქვს ათი ელექტრონი: ორი ყველაზე შიდა 1s შრეზე და რვა ავსებს მეორე შრეს— ორი მოთავსებულია 2s ორბიტალზე და ორ-ორი — სამ p ორბიტალზე: 1s2 2s2 2p6. რადგანაც 2n შრე შევსებული აქვს, ნეონი ცალკეული ატომის სახით სტაბილურია და იშვიათად აყალიბებს ქიმიურ ბემებს სხვა ატომებთან.
მესამე ელექტრონული შრე, 3n, აგრეთვე შეიცავს s ორბიტალს და სამ p ორბიტალს და პერიოდული სისტემის მესამე რიგის ელემენტები ათავსებენ ელექტრონებს ამ ორბიტალებზე, ისე, როგორც მეორე რიგის ელემენტები ათავსებენ 2n შრეზე. 3n შრე d ორბიტალსაც შეიცავს, მაგრამ ამ ორბიტალს ბევრად მეტი ენერგია აქვს, ვიდრე 3s და 3p ორბიტალებს და ის არ იწყებს შევსებას პერიოდული სისტემის მეოთხე რიგამდე. სწორედ ამიტომაა, რომ მესამე რიგირს ელემენტები, მაგალითად, არგონი, შეიძლება იყოს სტაბილური მხოლოდ რვა ვალენტური ელექტრონითაც: მათი s და p ქვეშრე შევსებულია, მიუხედავად იმისა, რომ მთლიანი 3n შრე არ არის სავსე.
მიუხედავად იმისა, რომ ელექტრონული შრეები და ორბიტალები ერთმანეთთან მჭიდროდაა დაკავშირებული, ორბიტალები უფრო კარგად გვიჩვენებს ელექტრონების განაწილების სურათს. ეს იმიტომ, რომ ორბიტალები აზუსტებენ, სივრცის რა რეგიონს იკავებს ელექტრონები და როგორი ფორმა აქვს ამ სივრცეს.

გსურთ, შეუერთდეთ დისკუსიას?

პოსტები ჯერ არ არის.
გესმით ინგლისური? დააწკაპუნეთ აქ და გაეცანით განხილვას ხანის აკადემიის ინგლისურენოვან გვერდზე.