О содержании понятия
«орбиталь»

В действующих учебниках по химии для общеобразовательных учебных заведений и в пособиях по химии для поступающих в вузы при описании состояния электронов в атоме используются представления квантовой механики, согласно которым микрочастицы имеют волновую природу, а волны обладают свойствами частиц. Поэтому в них используются понятия квантовой механики: «орбиталь» и «электронное облако». Обычно в учебниках и в учебных пособиях эти разные понятия отождествляются.

Например, в учебнике для общеобразовательных учреждений, рукопись которого удостоена премии на конкурсе школьных учебников по химии еще в 1987 г., отождествление понятий осуществляется так: «Электрон при движении, например в атоме водорода, образует как бы облако шаровой формы, плотность которого наибольшая на расстоянии 0,53•10^–10 м от ядра… Электроны, которые при движении образуют облако шаровой формы, принято называть s-электронами. Электронные облака называют также орбиталями» [1, c. 115–116].

Далее утверждается, что «на одной орбитали может находиться лишь два электрона, обладающих противоположными (антипараллельными) спинами» [см. 1, с. 116]. Это утверждение не согласуется с ранее приведенным объяснением, согласно которому электроны образуют электронные облака, которые называются также орбиталями, а не находятся на них.

При описании строения электронных оболочек атомов бора, углерода и азота указывается, что орбитали не только могут образовываться электронами, но и заполняться ими: «Таким образом, на каждом энергетическом уровне, начиная со второго, могут находиться три р-орбитали. В атоме бора В, углерода С и азота N 2p-орбитали заполняются по одному электрону» [см. 1, с. 118]. Возникает вопрос: как может заполняться электронами орбиталь, которая образована движущимся вокруг ядра электроном? Ответа на этот вопрос в учебнике нет.

В шестом издании другого учебника химии дается такое объяснение: «Подобно тому как быстродвижущаяся игла швейной машинки, пронзая ткань, вышивает на ней узор, так и неизмеримо быстрее движущийся в пространстве электрон “вышивает” только не плоский, а объемный рисунок электронного облака – орбитали» [2, с. 32]. Это объяснение превращается в определение понятия: «Пространство вокруг ядра, где наиболее вероятно нахождение данного электрона, называется орбиталью этого электрона или электронным облаком» [cм. 2, с. 32].

На этом «основании» околоядерному пространству, называемому орбиталью или электронным облаком, приписывается энергия, размер и форма: «В зависимости от энергии электронные облака отличаются размерами... Орбитали могут иметь разную форму. Так, каждый новый энергетический уровень в атоме начинается с s-орбитали, которая имеет сферическую форму» [cм. 2, с. 32].

В пособии по химии для поступающих в вузы, которое издается более двадцати лет, электронное облако описывается так: «Электрон в атоме не имеет траектории движения. Квантовая механика рассматривает вероятность нахождения электрона в пространстве вокруг ядра. Быстро движущийся электрон может находиться в любой части пространства, окружающего ядро, и размазанные положения его рассматриваются как электронное облако с определенной плотностью отрицательного заряда... Максимальная плотность отвечает наибольшей вероятности нахождения электрона в данной части атомного пространства» [3, с. 51].

Исходя из этого объяснения, понятие «орбиталь» определяется так: «Пространство вокруг ядра, в котором наиболее вероятно нахождение электрона, называется орбиталью». При описании строения электронных оболочек атомов околоядерному пространству, названному орбиталью, приписывается форма, пространственное расположение (!) и указывается, в какой последовательности оно заполняется электронами. При этом, к сожалению, не объясняется, что следует понимать под пространственным расположением околоядерного пространства.

При описании свойств ковалентной связи околоядерному пространству, названному орбиталью, приписывается гибридизация. Например, при объяснении одинаковой прочности химических связей в молекуле хлорида бериллия указывается: «Одинаковая прочность связей объясняется гибридизацией валентных (внешних) орбиталей, т. е. смешением их и выравниванием по форме и энергии. В этом случае первоначальная форма и энергия орбиталей атома взаимозаменяются и образуются электронные орбитали одинаковой формы и энергии» [см. 3, с. 78].

Далее показывается, что «в образовании химической связи в молекуле BeCl₂ участвуют один s- и один р-электрон центрального атома, т.е. бериллия. В этом случае происходит sp-гибридизация орбиталей» [cм. 3, с. 79].

На примере молекул хлорида бора и метана рассматриваются sp²- и sp³-гибридизации атомных орбиталей атомов бора и углерода.

Следует отметить, что принятая в учебниках и учебных пособиях по химии трактовка понятия «орбиталь» никакого отношения к квантовой механике не имеет, потому что в ней электронное облако рассматривается как реальный материальный объект, а орбиталью называется «функция пространственных переменных одного электрона, имеющая смысл волновой функции отдельного электрона в поле эффективного атомного или молекулярного остова» [4, с. 271].

Именно поэтому была высказана мысль о замене термина «орбиталь» на термин «орбитал»: «Автор предпочел бы пользоваться термином “орбитал” подобно привычным наименованиям “интеграл”, “дифференциал”, но в самые последние годы в нашей учебной литературе, к сожалению, пользуются выражением “орбиталь”» [5, с. 23].

Орбиталь описывает движение электрона в поле ядра и характеризуется тремя квантовыми числами – n, l и m: «Квантовое число l, целое и неотрицательное, определяет орбитальный момент импульса электрона, точнее его квадрат: l (l + 1). Квантовое число m, целое и не превышающее по абсолютной величине l, представляет проекцию орбитального момента импульса на произвольно выбранную ось квантования z. Главное квантовое число n нумерует орбитальную энергию e_n в порядке ее возрастания» [6, с. 28].

Исходя из этого, считается, что орбиталь определяет вид электронного облака: «В А. в данном стационарном состоянии происходит сложный процесс, который характеризуется всей совокупностью возможных действий электрона, находящегося в этом состоянии, например всей совокупностью возможных “локализаций” электрона при его освобождении из А., т.е. соответствующим “облаком”. Чтобы определить вид “облака” в квантовой теории А. находят сначала волновую функцию, характеризующую колебательный процесс в А. Квадрат амплитуды волновых функций дает вид “облака”» [7, с. 408].

Осуществляющееся в учебной литературе по химии отождествление понятий «электронное облако» и «орбиталь» считается ошибкой и в литературе по квантовой механике: «Во многих учебниках состояние электрона в атоме характеризуется квантовыми числами n, l и m, а для иллюстрации приводятся графические изображения вещественных АО (электронных облаков. – В.Ш.)» [см. 6,
с. 34].

Учащиеся общеобразовательных учебных заведений не изучают квантовую механику, не могут разобраться в содержании понятий «орбиталь» и «электронное облако», и поэтому в учебниках по химии для этих учебных заведений и в пособиях по химии для поступающих в вузы следует отказаться от употребления понятия «орбиталь» и пользоваться понятием «электронное облако».

При формировании понятия «электронное облако» необходимо сообщить учащимся, что электрон вращается вокруг ядра атома с невообразимой скоростью. Так, за 1 с он делает столько оборотов вокруг ядра атома, сколько оборотов делает пропеллер самолета вокруг оси за 5–5,5 лет непрерывной работы двигателя. Затем сообщить, что пропеллер самолета образует «облако», находящееся в одной плоскости, а электрон образует объемное облако, форма и размер которого зависят от энергии электрона.

Программа курса химии средних общеобразовательных учебных заведений предусматривает изучение строения электронных оболочек только тех атомов, которые обозначены в первых четырех периодах периодической системы Д.И.Менделеева. Используя периодическую систему, показываем, что число энергетических уровней в электронной оболочке атома равно номеру периода, в котором находится химический элемент. Каждый энергетический уровень состоит из полуровней, число которых равно номеру уровня.

При рассмотрении строения электронных оболочек атомов элементов первого периода периодической системы Д.И.Менделеева формируем понятия об s-электронах, спаривании электронов и s-подуровнях энергетических уровней. При этом сообщаем, что один электрон, находящийся в электронной оболочке атома водорода, образует электронное облако сферической формы и называется s-электроном (рис.). Поскольку сферическое электронное облако занимает только одно положение в околоядерном пространстве, то для обозначения s-электрона в графической электронной формуле отводится один квадратик, который называется энергетической ячейкой.

Спаривание электронов показываем при рассмотрении строения электронной оболочки атома гелия. При этом отмечаем, что оба электрона, вращающиеся вокруг атомного ядра, являются s-электронами. Поскольку сферическое электронное облако s-электрона может занимать только одно положение в пространстве, то эти два s-электрона образуют одно общее для них электронное облако сферической формы, плотность которого в два раза больше плотности электронного облака одного электрона.

Образование одного электронного облака двумя электронами называем спариванием электронов. При этом сообщаем, что спариваться могут только электроны с противоположными спинами. После этого записываем электронную и графическую электронную формулы атома гелия и объясняем, что в графической электронной формуле спарившиеся электроны обозначаются в одной энергетической ячейке двумя противоположно направленными стрелочками.

При рассмотрении строения электронных оболочек атомов элементов второго периода периодической системы Д.И.Менделеева формируем понятие о p-электронах и о p-подуровнях энергетических уровней. При этом показываем, что каждый энергетический уровень начинается
s-подуровнем, на котором могут находиться не более двух спаренных электронов. Остальные электроны второго энергетического уровня имеют большую энергию, чем 2s-электроны, и поэтому образуют электронные облака гантелеобразной формы (cм. рис.). Такие электронные облака располагаются в атоме взаимно перпендикулярно и направлены вдоль осей пространственных координат.

Электроны, образующие гантелеобразные электронные облака, называем р-электронами, а подуровень, на котором они размещаются, – р-подуровнем. Поскольку электронные облака
р-электронов занимают три положения в пространстве, то в графических электронных формулах
р-подуровень обозначается тремя энергетическими ячейками. Спаривание р-электронов происходит только после того, как электронные облака первых трех р-электронов займут три возможных для них положения в пространстве.

При рассмотрении строения электронных оболочек атомов элементов третьего периода периодической системы Д.И.Менделеева показываем, что третий энергетический уровень состоит из трех подуровней, из которых электроны заполняют только s- и p-подуровни. Последовательность заполнения этих подуровней электронами такая же, как и у атомов элементов второго периода периодической системы.

При рассмотрении строения электронных оболочек атомов элементов четвертого периода периодической системы Д.И.Менделеева показываем, что четвертый энергетический уровень состоит из четырех подуровней, из которых электроны заполняют только s- и p-подуровни. Остальные электроны (вплоть до десяти) последовательно заполняют третий подуровень третьего энергетического уровня. Эти электроны имеют большую энергию, чем электроны 3p-подуровня, и образуют электронные облака сложной конфигурации (см. рис.), которые могут занимать пять положений в пространстве.

Такие электроны называются d-электронами, а подуровень, который они занимают, – d-подуровнем. Спаривание d-электронов происходит после того, как их электронные облака займут все пять положений в околоядерном пространстве. В графических электронных формулах d-подуровень обозначается пятью энергетическими ячейками.

В заключение сообщаем, что у атомов элементов главных подгрупп периодической системы электроны заполняют s- и р-подуровни внешнего энергетического уровня, а у атомов элементов побочных подгрупп электроны заполняют внутренние подуровни их электронных оболочек.

Возникновение химической связи между атомами объясняем не перекрыванием нематериальных орбиталей, а перекрыванием материальных электронных облаков, образованных валентными электронами соединяющихся атомов: «Наглядная интерпретация решения этой задачи заключается в том, что при сближении двух А. водорода их электронные “облака” начинают все больше перекрываться. Такое “проникновение“ “облаков” дает себя знать уже на расстоянии порядка двух ангстрем, когда становится заметным новый эффект. Электроны обоих атомов, – если их спины противоположны, – “обобществляются”, совершая совместное движение в поле обоих ядер, т.е. каждый из электронов принадлежит уже обоим ядрам сразу. Общее электронное “облако” обоих ядер деформируется, большая доля этого “облака” оказывается между ядрами, связывая их воедино» [см. 7, с. 412].

При рассмотрении направленности ковалентной химической связи показываем, что атом может быть в трех состояниях: основном, возбужденном и гибридном. В основном состоянии атом находится при низкой температуре, а при высокой температуре – в возбужденном состоянии. При образовании химической связи атом переxодит в гибридное состояние. Разные состояния атомов иллюстрируем графическими электронными формулами внешних (валентных) энергетических уровней атомов бериллия, бора и углерода.

Для атома бериллия эти формулы имеют такой вид:

При этом объясняем, что при переходе атома в возбужденное состояние он поглощает энергию, что обусловливает расспаривание спаренных электронов и переход одного из них на следующий энергетический подуровень. При переходе атома в гибридное состояние s- и р-электроны обмениваются энергией, и их энергии становятся одинаковыми. Такое выравнивание энергий называем гибридизацией электронных облаков.

Изменение энергии обусловливает изменение конфигурации электронных облаков.
sp-Гибридизованные электронные облака двух электронов располагаются симметрично под углом 180°. В заключение сообщаем, что sp-гибридизация электронных облаков характерна для всех атомов элементов главной подгруппы второй группы периодической системы Д.И.Менделеева.

Переход атома бора в возбужденное и гибридное состояния иллюстрируем с помощью следующих графических электронных формул:

При этом объясняем, что в отличие от атома бериллия атом бора может находиться в двух гибридных состояниях: гибридизуются одно s- и одно р-электронные облака или гибридизуются одно s- и два р-электронных облака. sp²-Гибридизованные электронные облака трех электронов располагаются под углом 120° друг к другу.

Переход атома углерода в возбужденное и гибридное состояния иллюстрируем с помощью графических электронных формул трех его состояний:

При этом объясняем, что в отличие от атома бора атом углерода может находиться в трех гибридных состояниях. В третьем гибридном состоянии атома гибридизуются одно s- и три р-электронных облака, причем sp³-гибридизованные электронные облака четырех электронов располагаются под углом 109°28'.

Описанная методика соответствует принципу материальности, признающему материальную действительность в качестве основы всех явлений, что позволяет определить подлинную сущность и достоверность любых теоретических выводов.

ЛИТЕРАТУРА

1. Рудзитис Г.Е. Химия. Неорганическая химия. Учебник для 8 класса общеобразовательных учреждений/Г.Е.Рудзитис, Ф.Г.Фельдман. 9-е изд., перераб. и доп. М.: Просвещение, 2001.

2. Габриелян О.С. Химия. 8 класс. Учебник для общеобразовательных учебных заведений. 6-е изд., стереотип. М.: Дрофа, 2002.

3. Хомченко Г.П. Химия для поступающих в вузы. М.: Высшая школа, 1993.

4. Чертов А.Г. Физические величины (терминология, определения, обозначения, размерность, единицы). Справочное пособие. М.: Высшая школа, 1990.

5. Щукарев С.А. Неорганическая химия. Т. I. Учебное пособие для химических факультетов университетов. М.: Высшая школа, 1970.

6. Дмитриев И.С., Семенов С.Г. Квантовая химия – ее прошлое и настоящее. Развитие электронных представлений о природе химической связи. М.: Атомиздат, 1980.

7. Большая Советская Энциклопедия. 2-е изд. М.: БСЭ, 1950, т. 3.

В.Я.ШЕВЦОВ,
кандидат педагогических наук
(г. Кривой Рог)