Состав атома. Модель строения атома. Состояние электронов в атоме. Строение электронных оболочек атомов 1-4 периодов.

↑

Стр 1 из 3Следующая ⇒

Тема 1.2 «Строение атома. Периодический закон»  

Атом – мельчайшая химически неделимая частица, но эта частица имеет сложное строение. В 1911 г. Резерфордом была предложена планетарная модель строения атома. Чуть позже – в 1913 г теория Бора. Суть их теорий можно сформулировать так:

В центре атома находится положительное ядро, занимающее ничтожную часть пространства атома. Вокруг ядра двигаются электроны, они образуют т.н. электронную оболочку. Их общий заряд равен заряду ядра атома, но с противоположным знаком. Разные виды атомов с определенным массовым числом и определенным порядковым номером называют нуклидами.

Ядро состоит из протонов и нейтронов. В ядре сосредоточена почти вся масса атома (масса протона  1 а.е.м., масса нейтрона  1 а.е.м., масса электрона = 1/1823 а.е.м.). Число протонов называют протонным числом атома. Совокупность атомов с одинаковым числом протонов называют химическим элементом. Протонное число совпадает с порядковым номером элемента в ПС. Ядро заряжено положительно, а т.к. заряд протона = +1, нейтрона = 0, заряд ядра определяется числом протонов и равен тоже порядковому номеру элемента. Сумма протонов и нейтронов называется массовым числом элемента, потому что именно сумма протонов и нейтронов определяет массу атома. Потому что масса всех электронов в атоме в сотни раз меньше чем масса одного протона. Протоны и нейтроны иногда называют нуклонами, а массовое число нуклонным. Порядковый номер (протонное число) и массовое число – важнейшие характеристики атома. Их указывают левыми индексами около знака химического элемента, например: ²³₁₁Na. Если у атомов одинаковое число протонов, но разное число нейтронов, такую совокупность атомов называют изотопами. Это разновидности одного химического элемента. Они имеют одинаковые химические свойства. Например: ¹²₆С и ¹³₆С. Иногда с другой стороны от знака химического элемента записывают число нейтронов, т.е. для ¹²₆С - ¹²₆С⁶, а для ¹³₆С - ¹³₆С⁷. Различают стабильные и нестабильные (радиоактивные) изотопы. Радиоактивные изотопы самопроизвольно могут превратиться атомы другого химического элемента, при этом выделяется большое количество энергии, а от атомов отрываются ядра гелия или электроны. Зная массовую долю всех изотопов химического элемента и их массовое число, мы можем вычислить среднюю атомную массу элемента. Т.к. заряд ядра равен заряду электронной оболочки, а у каждого электрона заряд (-1), то число протонов равно числу электронов.

Электроны в атоме двигаются по определенным орбитам вокруг ядра. Такую модель атома, предложил в конце XIX Резерфорд, она очень наглядна и полезна. Но сразу возник вопрос. Согласно законам физики, двигаясь по орбите с ускорением электрон должен непрерывно терять (излучать) энергию, а значит энергия электрона будет уменьшаться, он будет двигаться все медленнее, и рано или поздно упадет на ядро. К этому времени была доказана дискретность электрической энергии. Поэтому Бор выдвинул гипотезу – двигаясь по орбите электрон не излучает и не поглощает энергии, это происходит только при переходе электрона с одной орбиты на другую. Причем чем меньше радиус орбиты, тем меньше энергия электрона. Значит, переходя на более удаленную орбиту электрон должен поглощать энергию, а переходя на меньшую орбиту электрон излучает энергию.

Современная теория строения атома (ТСА) возникла как результат переосмысления и дополнения теорий Резерфорда и Бора. Самым важным понятием ТСА стало понятие об электронном облаке, которое пришло на смену понятию об электроне как частице, которая двигается по определенной траектории. Современная ТСА учитывает волновые свойства электрона.

У электрона двойственная природа. Как частица он имеет определенную массу (хотя и очень маленькую даже по сравнению с протоном) и заряд, а как волна – он имеет способность огибать препятствие (дифракция). Для электрона нельзя одновременно точно измерить координаты и энергию. Он двигается с очень большой скоростью и характер движения у него – вероятностный. Т.е. он двигается не по определенной траектории, а хаотично, в пространстве около ядра, причем вероятность пребывания его в разных точках этого пространства неодинакова. Это пространство около ядра, где пребывание электрона наиболее вероятно называют электронным облаком или электронной орбиталью.

Орбитали имеют определенные размеры, форму и располагаются в пространстве определенным образом. Для характеристики этих свойств орбиталей используют квантовые числа. Их всего 4.

Главное квантовое число определяет размеры орбитали, а значит и степень удаленности от ядра. Именно от главного числа (размера орбитали) больше всего зависит энергия электрона. Орбитали приблизительно одного размера образуют электронный слой (электронный уровень). Число может иметь значения n = 1,2,3,4… и чем больше значение n, тем больше, обычно, энергия электрона. Часто строение атома изображают в виде схемы, в которой скобки изображают электронные орбитали примерно одинаковые по размеру, т.е. электронные слои:

т.е. для натрия (№11) +11 )₂)₈)₁       

Форму электронного облака определяет второе (орбитальное, побочное) квантовое число. Орбитальное квантовое число принимает значения от 0 до n -1. Если не проводят вычисления, то для удобства форму орбиталь обозначают не цифрами, а буквами: s, p, d, f… Орбитали, одинаковые не только по размеру, но и по форме образуют подуровни. Т.е. уровни делят на подуровни, орбитали одного размера могут быть разными по форме. Причем число возможных подуровней на данном уровне равно номеру этого уровня. Т.е. на 1 уровне -1 подуровень, на 2 – 2, на 3 -3 и т.д. Орбитали можно обозначать двумя символами: цифрой и буквой. Цифра говорит о размере орбитали (на каком уровне находится орбиталь), а буква говорит о форме орбитали.  

1 уровень – 1s

2 уровень – 2s, 2p

3 уровень – 3s,3p, 3d

4 уровень – 4s, 4p, 4d, 4f…

Третье квантовое число называют магнитным, оно определяет ориентацию орбитали в пространстве и число орбиталей на подуровне. Для s -подуровня число таких орбиталей на любом уровне равно 1. Для р-подуровня – 3. Для d -5. Для f – 7… Орбиталь можно изображать рисунком, а можно квантовой ячейкой – клеточкой в которой стрелками изображены электроны. Около квантовой ячейки принято главное и побочное квантовое число – размер и форму этой орбитали.

Четвертое орбитальное число характеризует состояние электрона в атоме, которое, упрощенно, можно представить, как момент собственного вращения электрона. Это число может иметь только два значения, т.е. (упрощенно) вращение возможно либо в одну сторону, либо в другую. Такую характеристику состояния электрона называют спином, а четвертое число – спиновым. В одной квантовой ячейке можно нарисовать не более двух стрелочек – электронов, с противоположными спинами. Потому что, если электроны находятся на одной орбитали (в одной квантовой ячейке), значит у них уже три одинаковых квантовых числа, и они должны отличаться хотя бы спином. Четыре квантовых числа полностью описывают состояние электрона в атоме. Если все числа одинаковые – речь идет об одном и том же электроне. Мы сформулировали первый принцип квантовой механики.

1). Принцип запретаПаули: в атоме не может быть двух одинаковых электронов, т. е. электронов с одинаковым набором 4-х квантовых чисел. Значит на одной орбитали может быть не более двух электронов, причем, с противоположными спинами. И в одной клеточке (квантовой ячейке) мы рисуем или ↓↑, или только ↓, или только↑. Или она вообще пустая – вакантная орбиталь. Но ↑↑ - запрещено принципом Паули.

 Итак, электроны размещаются на разных расстояниях от ядра, т.к. имеют разную энергию. Электронные слои образуются орбиталями, близкими по энергии. Они имеют одинаковое главное квантовое число. Эти слои часто называют электронными уровнями. Число электронных уровней у химического элемента совпадает с номером периода, в котором находится этот элемент. На каждом уровне существует определенное число подуровней (см. выше). На каждом подуровне – определенное число орбиталей. И набор возможных электронных орбиталей у всех химических элементов абсолютно одинаков! Просто у разных элементов – разное число электронов. И это число равно порядковому номеру элемента.

Но в каком порядке распределяются электроны по этим ячейкам-орбиталям? На этот вопрос отвечает второй принцип квантовой механики – принцип Клечковского.

2). Принцип минимума энергии (правило Клечковского): т.е. в стабильном (стационарном) состоянии электроны сначала заполняют орбитали с меньшим уровнем энергии. Энергия электрона зависит от суммы главного и орбитального квантовых чисел, а если сумма одинакова, то от величины главного квантового числа. Значит подуровни по возрастанию энергии образуют ряд:

Верхним индексом указывают число электронов на данном подуровне. Распределение электронов в атоме по уровням и подуровням называют электронной конфигурацией атома или электронной формулой элемента.

И еще один принцип квантовой механики нам придется запомнить, чтобы правильно распределить электроны по квантовым ячейкам (графическая формула элемента).

3). Правило Хунда. На одном подуровне значение спинового числа электронов должно быть максимально, а это значит, что заполнение электронами подуровня сначала происходит по одному, а только потом – происходит спаривание. 

К середине 19 века было известно более 60 химических элементов, но были большие трудности с их классификацией. Много попыток в этом направлении было сделано, но самого большого успеха достиг Д.И. Менделеев. Проанализировав все известные на тот момент данные об элементах, Менделеев сделал вывод, что «Все свойства химических элементов и их соединений находятся в периодической зависимости от их атомных масс».

Эту фразу можно считать формулировкой Периодического закона (ПЗ). Графическим выражением ПЗ стала Периодическая система (ПС). Менделеев открыл ПЗ, когда о сложном строении атома ученые не имели не малейшего представления. Это была гениальная догадка, и она по праву считается величайшим научным открытием. Только в 20-е годы 20 века стало ясно, что элементы размещены в таблице не по возрастанию их атомной массы, а по увеличению заряда ядра элементов (протонного числа), и закономерности в изменении их свойств связаны с изменением электронной конфигурации атомов.

Сравните тот набор электронных орбиталей, который мы получили и Периодическую систему. Почему в первом периоде только 2 элемента? Почему во втором и третьем – по 8? А в четвертом – ровно 18? Почему существует именно восемь главных групп элементов? Почему элементы в одной группе похожи по свойствам?

Свойства элементов и их соединений определяются их электронной конфигурацией. С возрастанием порядкового номера (числа электронов!) конфигурация повторяется – и свойства тоже повторяются.

Познавательные статьи:



Коммуникативные барьеры и пути их преодоления

Рынок недвижимости. Сущность недвижимости

Решение задач с использованием генеалогического метода

История происхождения и развития детской игры