موضوعات کدکننده USE:ساختار لایه‌های الکترونی اتم‌های عناصر چهار دوره اول: عناصر s، p و d. پیکربندی الکترونیکی اتم ها و یون ها حالت های زمینی و برانگیخته اتم ها.
یکی از اولین مدل های ساختار اتم - " مدل پودینگ " - توسعه یافته DD. تامسوندر سال 1904 تامسون وجود الکترون ها را کشف کرد و به همین دلیل جایزه نوبل را دریافت کرد. با این حال، علم در آن زمان نمی توانست وجود همین الکترون ها را در فضا توضیح دهد. تامسون پیشنهاد کرد که یک اتم متشکل از الکترون های منفی است که در یک "سوپ" با بار مثبت یکنواخت قرار می گیرند که بار الکترون ها را جبران می کند (مشابه دیگر کشمش در پودینگ است). البته مدل اصلی است، اما نادرست است. اما مدل تامسون یک شروع عالی برای کار بیشتر در این زمینه بود.
و کار بیشتر موثر بود. شاگرد تامسون، ارنست رادرفورد، بر اساس آزمایشات روی پراکندگی ذرات آلفا روی ورق طلا، مدل سیاره‌ای جدیدی از ساختار اتم ارائه کرد.
بر اساس مدل رادرفورد، یک اتم از یک هسته عظیم و با بار مثبت و ذراتی با جرم کوچک - الکترون ها تشکیل شده است که مانند سیارات اطراف خورشید، به دور هسته می چرخند و روی آن نمی افتند.
مدل رادرفورد گام بعدی در مطالعه ساختار اتم بود. با این حال، علم مدرن از مدل پیشرفته تری استفاده می کند که توسط نیلز بور در سال 1913 ارائه شد. ما در مورد آن با جزئیات بیشتر صحبت خواهیم کرد.
اتمکوچکترین، از نظر الکتریکی خنثی و از نظر شیمیایی غیرقابل تقسیم یک ماده است که از یک هسته با بار مثبت و یک لایه الکترونی با بار منفی تشکیل شده است.
در این حالت، همانطور که رادرفورد پیشنهاد کرد، الکترون ها در مدار خاصی حرکت نمی کنند، بلکه به صورت تصادفی حرکت می کنند. مجموعه الکترون هایی که در اطراف هسته حرکت می کنند نامیده می شود پوسته الکترونی .
ولی هسته سنگینهمانطور که رادرفورد ثابت کرد - عظیم و دارای بار مثبت است که در قسمت مرکزی اتم قرار دارد. ساختار هسته بسیار پیچیده است و در فیزیک هسته ای مورد مطالعه قرار می گیرد. ذرات اصلی که از آن تشکیل شده است - پروتون هاو نوترون ها. آنها توسط نیروهای هسته ای محدود شده اند ( تعامل قوی).
ویژگی های اصلی را در نظر بگیرید پروتون ها, نوترون هاو الکترون ها:
| پروتون | نوترون | الکترون | |
| وزن | 1.00728 amu | 1.00867 amu | 1/1960 آمو |
| شارژ | + 1 بار عنصری | 0 | - 1 شارژ اولیه |
1 آمو (واحد جرم اتمی) = 1.66054 10 -27 کیلوگرم
1 شارژ اولیه \u003d 1.60219 10 -19 C
و مهمترین چیز. سیستم تناوبی عناصر شیمیایی، که توسط دیمیتری ایوانوویچ مندلیف ساخته شده است، از یک منطق ساده و قابل درک پیروی می کند: تعداد یک اتم تعداد پروتون های موجود در هسته آن اتم است . علاوه بر این ، دیمیتری ایوانوویچ در قرن نوزدهم در مورد هیچ پروتونی نشنید. نبوغ تر، اکتشاف و توانایی ها و استعداد علمی اوست که باعث شد بیش از یک قرن و نیم در علم گام برداشته شود.
از این رو، بار هسته ای Zبرابر است تعداد پروتون ها، یعنی عدد اتمیدر سیستم تناوبی عناصر شیمیایی
یک اتم یک ذره باردار است، بنابراین تعداد پروتون ها برابر با تعداد الکترون ها است: N e = N p = Z.
جرم یک اتم ( عدد جرمی A ) برابر است با جرم کل ذرات بزرگ که بخشی از اتم هستند - پروتون ها و نوترون ها. از آنجایی که جرم یک پروتون و یک نوترون تقریباً برابر با 1 واحد جرم اتمی است، می توان از فرمول استفاده کرد: M = N p + N n
عدد جرمیدر سیستم تناوبی عناصر شیمیایی در سلول هر عنصر نشان داده شده است.
توجه داشته باشید! هنگام حل مسائل USE، تعداد جرمی همه اتم ها، به جز کلر، طبق قوانین ریاضی به یک عدد صحیح گرد می شود. عدد جرمی اتم کلر در آزمون یکپارچه دولتی 35.5 در نظر گرفته می شود.
در سیستم تناوبی جمع آوری شده است عناصر شیمیایی اتم هایی با بار هسته ای یکسان هستند. با این حال، آیا تعداد ذرات دیگر در این اتم ها تغییر می کند؟ کاملا. به عنوان مثال، اتم هایی با تعداد نوترون های متفاوت نامیده می شوند ایزوتوپ هااین عنصر شیمیایی یک عنصر می تواند چندین ایزوتوپ داشته باشد.
سعی کنید به سوالات پاسخ دهید. پاسخ به آنها در انتهای مقاله آمده است:
- آیا ایزوتوپ های یک عنصر دارای اعداد جرمی یکسان یا متفاوت هستند؟
- آیا ایزوتوپ های یک عنصر دارای تعداد پروتون یکسان یا اعداد متفاوت هستند؟
خواص شیمیایی اتم ها با ساختار لایه الکترونی و بار هسته تعیین می شود. بنابراین، خواص شیمیایی ایزوتوپ های یک عنصر عملاً متفاوت نیست.
از آنجایی که اتم های یک عنصر می توانند به شکل ایزوتوپ های مختلف وجود داشته باشند، عدد جرمی اغلب در نام، به عنوان مثال، کلر-35 نشان داده می شود، و این شکل از علامت گذاری اتم ها پذیرفته شده است:
چند سوال دیگر:
3. تعداد نوترون ها، پروتون ها و الکترون ها را در ایزوتوپ برم-81 تعیین کنید.
4. تعداد نوترون های ایزوتوپ کلر-37 را تعیین کنید.
ساختار پوسته الکترونی
بر اساس مدل کوانتومی ساختار اتم نیلز بور، الکترون های یک اتم فقط می توانند در امتداد حرکت کنند. مسلم - قطعی (ثابت ) مدارها، از هسته در فاصله معینی دور است و با انرژی خاصی مشخص می شود. نام دیگر مدارهای ثابت است لایه های الکترونیکییا انرژی سطوح .
سطوح الکترونیکی را می توان با اعداد - 1، 2، 3، ...، n نشان داد. تعداد لایه با دور شدن از هسته افزایش می یابد. عدد سطح با عدد کوانتومی اصلی مطابقت دارد n.
در یک لایه، الکترون ها می توانند در مسیرهای مختلف حرکت کنند. مسیر مدار با مشخصه می شود زیرسطح الکترونیکی . نوع زیرسطح مشخص می کند عدد کوانتومی مداری l = 0،1، 2، 3 ... یا حروف مربوطه - s، p، d، gو غیره.
در چارچوب یک سطح فرعی (اوربیتال های الکترونیکی از همان نوع)، انواع آرایش اوربیتال ها در فضا امکان پذیر است. هرچه هندسه اوربیتال های یک زیرسطح معین پیچیده تر باشد، گزینه های بیشتری برای مکان آنها در فضا خواهد بود. تعداد کل اوربیتال هازیرسطح این نوع ل را می توان با فرمول تعیین کرد: 2 ل +1. هر اوربیتال نمی تواند بیش از دو الکترون داشته باشد.
| نوع مداری | س | پ | د | f | g |
| مقدار عدد کوانتومی مداری ل | 0 | 1 | 2 | 3 | 4 |
| تعداد اوربیتال های اتمی یک نوع معین 2 ل+1 | 1 | 3 | 5 | 7 | 9 |
| حداکثر تعداد الکترون ها در اوربیتال های یک نوع معین | 2 | 6 | 10 | 14 | 18 |
ما یک جدول محوری دریافت می کنیم:
|
شماره سطح, n |
پودورو-ون | عدد | حداکثر تعداد الکترون ها |
| 1 | 1s | 1 | 2 |
| 2 | 2 ثانیه | 1 | 2 |
| 2p | 3 | 6 | |
| 3s | 1 | 2 | |
| 3p | 3 | 6 | |
| 3 بعدی | 5 | 10 | |
| 4s | 1 | 2 | |
| 4p | 3 | 6 | |
| 4d | 5 | 10 | |
| 4f | 7 |
پر شدن اوربیتال های انرژی با الکترون ها بر اساس برخی قوانین اساسی انجام می شود. بیایید با جزئیات در مورد آنها صحبت کنیم.
اصل پائولی (ممنوعیت پائولی): می تواند در همان اوربیتال اتمی باشد بیش از دو الکترون نیست با اسپین های مخالف (اسپین یک مشخصه مکانیکی کوانتومی حرکت یک الکترون است).
قانونهندا. در اوربیتال‌های اتمی با انرژی یکسان، الکترونها در یک زمان با اسپین‌های موازی مرتب شده‌اند. آن ها مدارهای یک سطح فرعی به صورت زیر پر می شوند: ابتدا یک الکترون به هر اوربیتال توزیع می شود. تنها زمانی که یک الکترون در تمام اوربیتال‌های یک سطح فرعی معین توزیع شده باشد، اوربیتال‌ها را با الکترون‌های دوم، با اسپین‌های مخالف، اشغال می‌کنیم.
بدین ترتیب، مجموع اعداد کوانتومی اسپینی چنین الکترون هایی در یک زیرسطح انرژی (پوسته) حداکثر خواهد بود..
مثلا، پر شدن اوربیتال 2p با سه الکترون به صورت زیر اتفاق می افتد: و نه به صورت زیر:
اصل حداقل انرژی الکترون ها ابتدا اوربیتال ها را با کمترین انرژی پر می کنند. انرژی یک اوربیتال اتمی معادل مجموع اعداد کوانتومی اصلی و مداری است: n + ل . اگر مجموع یکسان باشد، ابتدا اوربیتال با عدد کوانتومی اصلی کوچکتر پر می شود. n .
| JSC | 1s | 2 ثانیه | 2p | 3s | 3p | 3 بعدی | 4s | 4p | 4d | 4f | 5 ثانیه | 5p | 5d | 5f | 5 g |
| n | 1 | 2 | 2 | 3 | 3 | 3 | 4 | 4 | 4 | 4 | 5 | 5 | 5 | 5 | 5 |
| ل | 0 | 0 | 1 | 0 | 1 | 2 | 0 | 1 | 2 | 3 | 0 | 1 | 2 | 3 | 4 |
| n + ل | 1 | 2 | 3 | 3 | 4 | 5 | 4 | 5 | 6 | 7 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 |
بدین ترتیب، سری انرژی اوربیتال ها به نظر می رسد که:
1 س < 2 س < 2 پ < 3 س < 3 پ < 4 س < 3 د < 4 پ < 5 س < 4 د < 5 پ < 6 س < 4 f~ 5 د < 6 پ < 7 س <5 f~ 6 د…
ساختار الکترونیکی یک اتم را می توان به اشکال مختلف نشان داد نمودار انرژی، فرمول الکترونیکی و دیگران بیایید موارد اصلی را تجزیه و تحلیل کنیم.
نمودار انرژی یک اتم یک نمایش شماتیک از اوربیتال ها با در نظر گرفتن انرژی آنها است. نمودار آرایش الکترون ها را در سطوح انرژی و سطوح فرعی نشان می دهد. پر شدن اوربیتال ها بر اساس اصول کوانتومی اتفاق می افتد.
مثلا،نمودار انرژی برای اتم کربن:
فرمول الکترونیکی رکوردی از توزیع الکترون ها در امتداد اوربیتال های یک اتم یا یون است. ابتدا عدد سطح و سپس نوع اوربیتال مشخص می شود. بالانویس سمت راست حرف تعداد الکترون های اوربیتال را نشان می دهد. اوربیتال ها به ترتیب تکمیل فهرست شده اند. در حال ضبط 1s2به این معنی که 2 الکترون در سطح 1 زیرسطح s وجود دارد.
مثلا، فرمول الکترونیکی کربن به صورت زیر است: 1s 2 2s 2 2p 2 .
برای اختصار، گاهی اوقات به جای اوربیتال های انرژی کاملاً با الکترون پر می شود از نزدیکترین نماد گاز نجیب استفاده کنید (گروه VIIIA عنصر) دارای پیکربندی الکترونیکی مربوطه.
مثلا، فرمول الکترونیکی نیتروژنرا می توان اینگونه نوشت: 1s 2 2s 2 2p 3یا مثل این: 2s 2 2p 3.
1s 2 =
1s 2 2s 2 2p 6 =
1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 =و غیره.
فرمول های الکترونیکی عناصر چهار دوره اول
اجازه دهید پر شدن پوسته با الکترون های عناصر چهار دوره اول را در نظر بگیریم. در هیدروژناولین سطح انرژی، زیرسطح s، پر شده است، 1 الکترون روی آن قرار دارد:
+1H 1s 1 1s
در هلیوماوربیتال 1s کاملاً پر شده است:
+2او 1s 2 1s
از آنجایی که اولین سطح انرژی حداکثر 2 الکترون را در خود جای می دهد، لیتیومپر شدن سطح انرژی دوم آغاز می شود، از مداری با حداقل انرژی - 2 ثانیه شروع می شود. در این حالت، ابتدا اولین سطح انرژی پر می شود:
+3Li 1s 2 2s 1 1s 2s
در بریلیم 2s-sublevel پر شده است:
+4Be 1s 2 2s 2 1s 2s
+5B 1s 2 2s 2 2p 1 1s 2s 2p
در عنصر بعدی، کربن، الکترون بعدی، طبق قانون هوند، یک اوربیتال خالی را پر می کند و در یک اوربیتال نیمه اشغال شده مستقر نمی شود:
+6C 1s 2
2s 2 2p 2 1s 2s 2p 
سعی کنید برای عناصر زیر فرمول های الکترونیکی و الکترونیکی بسازید و سپس می توانید پاسخ های انتهای مقاله را بررسی کنید:
5. نیتروژن
6. اکسیژن
7. فلوئور
در نه اوپر کردن سطح انرژی دوم تکمیل شده است:
+10Ne 1s 2 2s 2 2p 6 1s 2s 2p
در سدیمپر کردن سومین سطح انرژی آغاز می شود:
+11Na 1s 2 2s 2 2p 6 3s 1 1s 2s 2p 3s
از سدیم تا آرگون، پر شدن سطح 3 به همان ترتیب پر شدن سطح 2 انرژی رخ می دهد. من پیشنهاد می کنم فرمول های الکترونیکی عناصر را از منیزیمقبل از آرگونبه طور مستقل، پاسخ ها را بررسی کنید.
8. منیزیم
9. آلومینیوم
10. سیلیکون
11. فسفر
12. گوگرد
13. کلر
14. آرگون
اما با شروع از عنصر 19، پتاسیم، گاهی اوقات سردرگمی شروع می شود - پر می شود اوربیتال سه بعدی نیست، بلکه 4 ثانیه است. قبلاً در این مقاله اشاره کردیم که پر شدن سطوح انرژی و سطوح فرعی با الکترون بر اساس آن اتفاق می افتد سری انرژی اوربیتال ها ، نه به ترتیب توصیه می کنم دوباره آن را تکرار کنید. بنابراین فرمول پتاسیم:
+19 هزار و یک ثانیه 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 1 1s 2s 2p3s 3p4s
برای نوشتن فرمول های الکترونیکی بیشتر در مقاله، از فرم اختصاری استفاده می کنیم:
+19 هزار4s 1 4s
در کلسیم 4s-sublevel پر شده است:
+20Ca4s 2 4s
در عنصر 21، اسکاندیم، با توجه به سری انرژی اوربیتال ها، پر شدن آغاز می شود 3 بعدی- سطح فرعی:
+21Sc 3d 14s 2 4s 3d 
پر کردن بیشتر 3 بعدی-سطح فرعی طبق قوانین کوانتومی، از تیتانیومقبل از وانادیم :
+22Ti 3d 24s 2 4s 3d 
+23V 3d 34s 2 4s 3d 
با این حال، برای عنصر بعدی، ترتیب پر شدن اوربیتال ها نقض می شود. پیکربندی الکترونیکی کروممثل این:
+24Cr 3d 54s 1 4s 3d 
موضوع چیه؟ اما واقعیت این است که با ترتیب "سنتی" پر کردن اوربیتال ها (به ترتیب، در این مورد نادرست است - 3d 4 4s 2) دقیقاً یک سلول در د-sublevel خالی می ماند. معلوم شد که چنین پر کردن انرژی است سود کمتر. ولی سود بیشتر، چه زمانی د-اوربیتال به طور کامل پر شده است، حداقل با تک الکترون. این الکترون اضافی از 4s-سطح فرعی و هزینه کمی انرژی برای پرش الکترون از 4s-زیر سطح بیش از اثر انرژی پر کردن همه را پوشش می دهد 3 بعدی -اوربیتال ها این اثر نامیده می شود - شکستیا لغزش الکترون. و مشاهده می شود که د-اوربیتال توسط 1 الکترون (یک یا دو الکترون در هر سلول) کم پر شده است.
برای عناصر زیر، ترتیب «سنتی» پر کردن اوربیتال‌ها دوباره برمی‌گردد. پیکربندی منگنز :
+25Mn 3d 54s 2
به همین ترتیب، کبالتو نیکل. اما در مسما دوباره تماشا می کنیم شکست (نشت) یک الکترون - الکترون دوباره از آن پرش می کند 4s- سطح فرعی روشن است 3 بعدی -زیرسطح:
+29Cu 3d 104s 1
در روی، پر کردن زیرسطح 3 بعدی کامل می شود:
+30Zn 3d 104s 2
عناصر زیر، از گولقبل از کریپتون، سطح فرعی 4p طبق قوانین کوانتومی پر می شود. به عنوان مثال، فرمول الکترونیکی گول :
+31Ga 3d 104s 2 4p 1
ما برای عناصر باقی مانده فرمول نمی دهیم، می توانید آنها را خودتان بسازید و خود را در اینترنت بررسی کنید.
چند مفهوم مهم:
سطح انرژی خارجی سطح انرژی در یک اتم است بیشترین عددی که حاوی الکترون است. مثلا، y مس (3d 104s 1) سطح انرژی خارجی - چهارم.
الکترون های ظرفیت - الکترون های یک اتم که می توانند در تشکیل پیوند شیمیایی شرکت کنند. به عنوان مثال، کروم ( +24Cr 3d 54s 1) نه تنها الکترون های سطح انرژی بیرونی ظرفیت هستند ( 4s 1) و همچنین الکترون های جفت نشده روی 3 بعدیزیرسطح، زیرا آنها می توانند پیوندهای شیمیایی تشکیل دهند.
حالت زمین و برانگیخته اتم
فرمول های الکترونیکی که قبلاً گردآوری کرده ایم مطابقت دارند حالت انرژی زمینی اتم . این از نظر انرژی مطلوب ترین حالت اتم است.
با این حال، برای تشکیل، یک اتم در بیشتر موقعیت ها نیاز به حضور دارد الکترون های جفت نشده (تک). . و پیوندهای شیمیایی از نظر انرژی برای اتم بسیار مفید هستند. بنابراین، هرچه تعداد الکترون‌های جفت‌نشده در یک اتم بیشتر باشد، پیوندهای بیشتری می‌تواند تشکیل دهد و در نتیجه به حالت انرژی مطلوب‌تری می‌رود.
بنابراین، اگر وجود داشته باشد اوربیتال های انرژی آزاد در این سطح جفت الکترون های جفت شده ممکن است بخار کردن و یکی از الکترون های جفت جفت می تواند به اوربیتال خالی برود. بدین ترتیب تعداد الکترون های جفت نشده افزایش می یابد، و یک اتم می تواند تشکیل شود پیوندهای شیمیایی بیشتر، که از نظر انرژی بسیار مفید است. این حالت اتم نامیده می شود برانگیخته و با ستاره مشخص شده اند.
مثلا در حالت پایه بوردارای پیکربندی سطح انرژی زیر است:
+5B 1s 2 2s 2 2p 1 1s 2s 2p
در سطح دوم (خارجی) یک جفت الکترون جفت، یک تک الکترون و یک جفت اوربیتال آزاد (خالی) وجود دارد. بنابراین، این امکان وجود دارد که یک الکترون از یک جفت به یک اوربیتال خالی حرکت کند حالت هیجانی اتم بور (که با ستاره مشخص می شود):
+5B* 1s 2
2s 1 2p 2 1s 2s 2p
سعی کنید به طور مستقل یک فرمول الکترونیکی مطابق با حالت برانگیخته اتم ها بسازید. فراموش نکنید که پاسخ های خود را بررسی کنید!
15. کربن
16. بریلیم
17. اکسیژن
فرمول های الکترونیکی یون ها
اتم ها می توانند الکترون اهدا کرده و بپذیرند. با اهدا یا پذیرش الکترون ها تبدیل به یون ها .
یون هاذرات باردار هستند اضافه شارژ نشان داده شده است فهرست مطالبدر گوشه سمت راست بالا
اگر یک اتم پس می دهدالکترون ها، سپس بار کل ذره حاصل خواهد شد مثبت (به یاد داشته باشید که تعداد پروتون های یک اتم با تعداد الکترون ها برابر است و وقتی الکترون ها اهدا می شوند، تعداد پروتون ها از تعداد الکترون ها بیشتر می شود). یون های دارای بار مثبت هستند کاتیون ها . مثلا: کاتیون سدیم به صورت زیر تشکیل می شود:
+11Na 1s 2 2s 2 2p 6 3s 1 -1e = +11Na+1s 2 2s 2 2p 6 3s 0
اگر یک اتم می پذیردالکترون، سپس کسب می کند منفی شارژ . ذرات باردار منفی هستند آنیون ها . مثلاآنیون کلر به صورت زیر تشکیل می شود:
+17Cl 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 5 +1e= +17Cl - 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6
بنابراین، فرمول های الکترونیکی یون ها را می توان به دست آورد افزودن یا حذف الکترون از اتم. توجه داشته باشید ، در طول تشکیل کاتیونها، الکترونها از سطح انرژی خارجی . وقتی آنیون ها تشکیل می شوند، الکترون ها به هم می رسند سطح انرژی بیرونی .
اتم یک ذره خنثی الکتریکی است که از یک هسته با بار مثبت و یک لایه الکترونی با بار منفی تشکیل شده است. هسته در مرکز اتم قرار دارد و از پروتون های با بار مثبت و نوترون های بدون بار تشکیل شده است که توسط نیروهای هسته ای در کنار هم نگه داشته شده اند. ساختار هسته ای اتم به طور تجربی در سال 1911 توسط فیزیکدان انگلیسی ای. رادرفورد به اثبات رسید.
تعداد پروتون ها بار مثبت هسته را تعیین می کند و برابر با عدد ترتیبی عنصر است. تعداد نوترون ها به عنوان اختلاف بین جرم اتمی و عدد ترتیبی عنصر محاسبه می شود. عناصری که دارای بار هسته ای یکسان (تعداد پروتون یکسان) اما جرم اتمی متفاوت (تعداد نوترون های مختلف) هستند، ایزوتوپ نامیده می شوند. جرم یک اتم عمدتاً در هسته متمرکز است، زیرا جرم ناچیز الکترون ها را می توان نادیده گرفت. جرم اتمی برابر است با مجموع جرم همه پروتون ها و همه نوترون های هسته.
عنصر نوعی اتم با بار هسته ای یکسان است. در حال حاضر 118 عنصر شیمیایی مختلف شناخته شده است.
تمام الکترون های یک اتم پوسته الکترونی آن را تشکیل می دهند. لایه الکترونی دارای بار منفی برابر با تعداد کل الکترون ها است. تعداد الکترون های پوسته اتم با تعداد پروتون های هسته منطبق است و برابر با عدد ترتیبی عنصر است. الکترون‌های موجود در پوسته بر اساس ذخایر انرژی در بین لایه‌های الکترونی توزیع می‌شوند (الکترون‌هایی با انرژی‌های مشابه یک لایه الکترونی را تشکیل می‌دهند): الکترون‌های با انرژی کمتر به هسته نزدیکتر هستند، الکترون‌هایی با انرژی بالاتر از هسته دورتر هستند. تعداد لایه های الکترونیکی (سطوح انرژی) با تعداد دوره ای که عنصر شیمیایی در آن قرار دارد منطبق است.
بین سطوح انرژی کامل و ناقص تمایز قائل شوید. سطح در صورتی کامل در نظر گرفته می شود که دارای حداکثر تعداد ممکن الکترون باشد (سطح اول - 2 الکترون، سطح دوم - 8 الکترون، سطح سوم - 18 الکترون، سطح چهارم - 32 الکترون و غیره). سطح ناقص حاوی الکترون های کمتری است.
دورترین سطح از هسته یک اتم، سطح بیرونی نامیده می شود. الکترون های موجود در سطح انرژی بیرونی را الکترون های بیرونی ( ظرفیتی ) می نامند. تعداد الکترون ها در سطح انرژی بیرونی با تعداد گروهی که عنصر شیمیایی در آن قرار دارد منطبق است. سطح بیرونی اگر حاوی 8 الکترون باشد کامل در نظر گرفته می شود. اتم های عناصر گروه 8A (گازهای بی اثر هلیوم، نئون، کریپتون، زنون، رادون) دارای سطح انرژی خارجی کامل هستند.
ناحیه ای از فضای اطراف هسته اتم که احتمال یافتن الکترون در آن بیشتر است، اوربیتال الکترونی نامیده می شود. اوربیتال ها از نظر سطح انرژی و شکل متفاوت هستند. این شکل اوربیتال‌های s (کره)، اوربیتال‌های p (حجمی هشت)، اوربیتال‌های d و اوربیتال‌های f را متمایز می‌کند. هر سطح انرژی مجموعه ای از اوربیتال های خاص خود را دارد: در سطح انرژی اول - یک اوربیتال s، در سطح انرژی دوم - یک s- و سه اوربیتال p، در سطح انرژی سوم - یک s-، سه p-، پنج اوربیتال d، در سطح انرژی چهارم یک s-، سه p-، پنج اوربیتال d و هفت اوربیتال f. هر اوربیتال حداکثر می تواند دو الکترون را در خود نگه دارد.
توزیع الکترون ها در اوربیتال ها با استفاده از فرمول های الکترونیکی منعکس می شود. به عنوان مثال، برای یک اتم منیزیم، توزیع الکترون ها بر روی سطوح انرژی به صورت زیر خواهد بود: 2e، 8e، 2e. این فرمول نشان می دهد که 12 الکترون از یک اتم منیزیم در سه سطح انرژی توزیع شده است: سطح اول کامل است و حاوی 2 الکترون است، سطح دوم کامل است و حاوی 8 الکترون است، سطح سوم کامل نیست، زیرا حاوی 2 الکترون برای یک اتم کلسیم، توزیع الکترون ها بر روی سطوح انرژی به صورت زیر خواهد بود: 2e، 8e، 8e، 2e. این فرمول نشان می دهد که 20 الکترون کلسیم در چهار سطح انرژی توزیع شده اند: سطح اول کامل است و حاوی 2 الکترون است، سطح دوم کامل است و حاوی 8 الکترون است، سطح سوم تکمیل نشده است، زیرا شامل 8 الکترون است، سطح چهارم کامل نشده است، زیرا حاوی 2 الکترون
اوربیتال اتمیحالت یک الکترون در اتم است. نماد مداری - . هر اوربیتال مربوط به یک ابر الکترونی است.
اوربیتال های اتم های واقعی در حالت زمین (تحریک نشده) چهار نوع هستند: س, پ, دو f.
ابر الکترونیکی- بخشی از فضا که در آن الکترون با احتمال 90 (یا بیشتر) درصد یافت می شود.
لایه الکترونی یک اتم لایه لایه است. لایه الکترونیکیتوسط ابرهای الکترونی هم اندازه تشکیل شده است. اوربیتال های یک لایه تشکیل می شوند سطح الکترونیکی ("انرژی").انرژی آنها برای اتم هیدروژن یکسان است، اما برای اتم های دیگر متفاوت است.
اوربیتال های هم سطح به گروه بندی می شوند الکترونیکی (انرژی)سطوح فرعی:
س- سطح فرعی (شامل یک س-اوربیتال)، نماد - .
پزیرسطح (شامل سه پ
دزیرسطح (شامل پنج د-اوربیتال)، نماد - .
fسطح فرعی (شامل هفت f-اوربیتال)، نماد - .
انرژی اوربیتال های یک سطح فرعی یکسان است.
هنگام تعیین سطوح فرعی، تعداد لایه (سطح الکترونیکی) به نماد سطح فرعی اضافه می شود، به عنوان مثال: 2 س, 3پ, 5دبه معنای س- سطح فرعی سطح دوم، پ- سطح فرعی سطح سوم، د- سطح فرعی از سطح پنجم.
تعداد کل سطوح فرعی در یک سطح با تعداد سطح برابر است n. تعداد کل اوربیتال ها در یک سطح است n 2. بر این اساس، تعداد کل ابرها در یک لایه نیز می باشد n 2 .
نامگذاری ها: - اوربیتال آزاد (بدون الکترون)، - اوربیتال با یک الکترون جفت نشده، - اوربیتال با یک جفت الکترون (با دو الکترون).
ترتیبی که الکترونها اوربیتال‌های یک اتم را پر می‌کنند توسط سه قانون طبیعت تعیین می‌شود (فرمول‌بندی‌ها به روش ساده‌شده ارائه شده‌اند):
1. اصل کمترین انرژی - الکترون ها اوربیتال ها را به ترتیب افزایش انرژی اوربیتال ها پر می کنند.
2. اصل پائولی - در یک اوربیتال بیش از دو الکترون وجود ندارد.
3. قانون هوند - در سطح فرعی، الکترون ها ابتدا اوربیتال های آزاد را پر می کنند (یک در یک زمان)، و تنها پس از آن جفت الکترون را تشکیل می دهند.
تعداد کل الکترون ها در سطح الکترونیکی (یا در لایه الکترونیکی) 2 است n 2 .
توزیع سطوح فرعی بر اساس انرژی در ادامه (به ترتیب افزایش انرژی) بیان می شود:
1س, 2س, 2پ, 3س, 3پ, 4س, 3د, 4پ, 5س, 4د, 5پ, 6س, 4f, 5د, 6پ, 7س, 5f, 6د, 7پ ...
از نظر بصری، این دنباله با نمودار انرژی بیان می شود:
توزیع الکترون‌های یک اتم بر اساس سطوح، سطوح فرعی و اوربیتال‌ها (پیکربندی الکترونیکی یک اتم) را می‌توان به صورت فرمول الکترونیکی، نمودار انرژی، یا به‌طور ساده‌تر، به‌عنوان نموداری از لایه‌های الکترونیکی («نمودار الکترونیکی») نشان داد. .
نمونه هایی از ساختار الکترونیکی اتم ها:
الکترون های ظرفیت- الکترون های یک اتم که می توانند در تشکیل پیوندهای شیمیایی شرکت کنند. برای هر اتمی، اینها همه الکترون های بیرونی به اضافه آن الکترون های پیش بیرونی هستند که انرژی آنها از الکترون های بیرونی بیشتر است. به عنوان مثال: اتم کلسیم دارای 4 الکترون بیرونی است س 2، آنها همچنین ظرفیت هستند. اتم آهن دارای الکترون های خارجی است - 4 س 2 اما او 3 دارد د 6، بنابراین اتم آهن دارای 8 الکترون ظرفیت است. فرمول الکترونیکی ظرفیت اتم کلسیم 4 است س 2 و اتم های آهن - 4 س 2 3د 6 .
قانون تناوبی عناصر شیمیایی(فرمولاسیون مدرن): خواص عناصر شیمیایی و همچنین مواد ساده و پیچیده تشکیل شده توسط آنها در یک وابستگی دوره ای به مقدار بار از هسته اتم است.
سیستم دوره ای- بیان گرافیکی قانون تناوبی.
طیف طبیعی عناصر شیمیایی- تعدادی از عناصر شیمیایی که با توجه به افزایش تعداد پروتون ها در هسته اتم های آنها یا همان چیزی است که با توجه به افزایش بار هسته این اتم ها ساخته شده اند. شماره سریال یک عنصر در این سری برابر با تعداد پروتون های هسته هر اتم این عنصر است.
جدول عناصر شیمیایی با "برش" سری طبیعی عناصر شیمیایی ساخته شده است دوره ها(ردیف های افقی جدول) و گروه بندی (ستون های عمودی جدول) عناصر با ساختار الکترونیکی مشابه اتم ها.
بسته به نحوه ترکیب عناصر در گروه ها، جدول می تواند باشد زمان طولانی(عناصر با تعداد و نوع الکترون ظرفیت یکسان به صورت گروهی جمع آوری می شوند) و کوتاه مدت(عناصر با تعداد الکترون ظرفیت یکسان به صورت گروهی جمع آوری می شوند).
گروه های جدول دوره کوتاه به زیر گروه ها تقسیم می شوند ( اصلیو اثرات جانبی، همزمان با گروه های جدول دوره های بلند.
همه اتم های عناصر یک دوره دارای تعداد لایه های الکترونی یکسانی هستند که برابر با تعداد دوره است.
تعداد عناصر در دوره ها: 2، 8، 8، 18، 18، 32، 32. بیشتر عناصر دوره هشتم به صورت مصنوعی به دست آمده اند، آخرین عناصر این دوره هنوز سنتز نشده اند. تمام دوره ها به جز دوره اول با یک عنصر تشکیل دهنده فلز قلیایی (Li، Na، K و غیره) شروع می شود و با یک عنصر تشکیل دهنده گاز نجیب (He، Ne، Ar، Kr و غیره) پایان می یابد.
در جدول دوره کوتاه - هشت گروه که هر کدام به دو زیر گروه (اصلی و فرعی) تقسیم می شوند، در جدول دوره طولانی - شانزده گروه که با اعداد رومی با حروف A یا B شماره گذاری شده اند، به عنوان مثال: IA، IIIB، VIA، VIIB. گروه IA جدول دوره بلند با زیرگروه اصلی گروه اول جدول دوره کوتاه مطابقت دارد. گروه VIIB - زیر گروه ثانویه از گروه هفتم: بقیه - به طور مشابه.
ویژگی های عناصر شیمیایی به طور طبیعی در گروه ها و دوره ها تغییر می کند.
در دوره ها (با افزایش شماره سریال)
- بار هسته ای افزایش می یابد
- تعداد الکترون های بیرونی افزایش می یابد،
- شعاع اتم ها کاهش می یابد،
- استحکام پیوند الکترون ها با هسته افزایش می یابد (انرژی یونیزاسیون)،
- الکترونگاتیوی افزایش می یابد.
- خواص اکسید کننده مواد ساده افزایش می یابد ("غیر فلزی")،
- خواص کاهنده مواد ساده ("فلزی") ضعیف می شود،
- ویژگی اصلی هیدروکسیدها و اکسیدهای مربوطه را تضعیف می کند.
- خاصیت اسیدی هیدروکسیدها و اکسیدهای مربوطه افزایش می یابد.
در گروه (با افزایش شماره سریال)
او در سال 1803 قانون نسبت های چندگانه را کشف کرد. این نظریه می گوید که اگر یک عنصر شیمیایی خاص بتواند با عناصر دیگر ترکیباتی ایجاد کند، برای هر قسمت از جرم آن، بخشی از جرم ماده دیگری وجود خواهد داشت و نسبت بین آنها مانند بین اعداد صحیح کوچک خواهد بود. این اولین تلاش برای توضیح این مجموعه بود.در سال 1808، همان دانشمند در تلاش برای توضیح قانونی که کشف کرد، پیشنهاد کرد که اتم های عناصر مختلف می توانند جرم های متفاوتی داشته باشند.
اولین مدل اتم در سال 1904 ساخته شد. دانشمندان این مدل الکترونیکی را پودینگ کشمشی نامیدند. اعتقاد بر این بود که اتم جسمی با بار مثبت است که اجزای آن به طور مساوی مخلوط شده اند. چنین نظریه ای نمی تواند به این سوال پاسخ دهد که آیا اجزای تشکیل دهنده اتم در حال حرکت هستند یا در حال سکون. بنابراین، تقریباً همزمان با نظریه «پودینگ»، ناگائوکای ژاپنی نظریه ای را ارائه کرد که در آن ساختار لایه الکترونی اتم به منظومه شمسی تشبیه شد. اما وین با اشاره به این که هنگام چرخش به دور اتم، اجزای آن باید انرژی خود را از دست بدهند و این با قوانین الکترودینامیک مطابقت ندارد، نظریه سیاره را رد کرد.
در آغاز قرن بیستم، نظریه سیاره‌ای سرانجام پذیرفته شد. مشخص شد که هر الکترون که در امتداد مدار هسته مانند سیاره ای به دور خورشید حرکت می کند، مسیر خود را دارد.
اما آزمایشات و مطالعات بیشتر این نظر را رد کرد. معلوم شد که الکترون ها مسیر خود را ندارند، با این حال، می توان منطقه ای را که این ذره اغلب در آن قرار دارد، پیش بینی کرد. الکترون ها با چرخش به دور هسته، اوربیتالی را تشکیل می دهند که به آن پوسته الکترونی می گویند. اکنون لازم بود که ساختار لایه های الکترونی اتم ها بررسی شود. فیزیکدانان به این سؤالات علاقه مند بودند: الکترون ها دقیقاً چگونه حرکت می کنند؟ آیا نظمی در این حرکت وجود دارد؟ شاید جنبش هرج و مرج است؟
مولد اتم و تعدادی از این دانشمندان برجسته ثابت کردند که الکترون ها در لایه های لایه ای می چرخند و حرکت آنها با قوانین خاصی مطابقت دارد. مطالعه دقیق و دقیق ساختار لایه های الکترونی اتم ها ضروری بود.
شناخت این ساختار برای شیمی بسیار مهم است، زیرا خواص ماده، از قبل مشخص بود، به ساختار و رفتار الکترون ها بستگی دارد. از این منظر رفتار یک الکترون-اوربیتال مهمترین مشخصه این ذره است. مشخص شد که هر چه الکترونها به هسته اتم نزدیکتر باشند، باید تلاش بیشتری برای شکستن پیوند الکترون و هسته انجام شود. الکترون هایی که در نزدیکی هسته قرار دارند، بیشترین پیوند را با هسته دارند، اما کمترین مقدار انرژی را دارند. برعکس، برای الکترون های خارجی، پیوند با هسته ضعیف می شود و منبع انرژی افزایش می یابد. بنابراین، لایه های الکترونی در اطراف اتم تشکیل می شوند. ساختار لایه های الکترونی اتم ها واضح تر شده است. معلوم شد که سطوح انرژی (لایه ها) ذرات با ذخایر انرژی مشابه را تشکیل می دهند.
امروزه مشخص شده است که سطح انرژی به n بستگی دارد (این مربوط به اعداد صحیح از 1 تا 7 است. ساختار لایه های الکترونی اتم ها و بیشترین تعداد الکترون ها در هر سطح با فرمول N = 2n2 تعیین می شود.
حرف بزرگ در این فرمول نشان دهنده بیشترین تعداد الکترون در هر سطح و حرف کوچک نشان دهنده تعداد ترتیبی این تراز است.
ساختار لایه الکترونی اتم ها نشان می دهد که در پوسته اول بیش از دو اتم و در لایه چهارم - بیش از 32 اتم وجود ندارد. سطح بیرونی و تکمیل شده حاوی بیش از 8 الکترون نیست. لایه هایی با الکترون های کمتر ناقص در نظر گرفته می شوند.
اتم کوچکترین ذره ماده است که از یک هسته و الکترون تشکیل شده است. ساختار لایه های الکترونی اتم ها با موقعیت عنصر در سیستم تناوبی عناصر شیمیایی D.I. مندلیف تعیین می شود.
الکترون و پوسته الکترونی یک اتم
یک اتم، که عموماً خنثی است، از یک هسته با بار مثبت و یک لایه الکترونی با بار منفی (ابر الکترونی) تشکیل شده است، در حالی که بارهای مثبت و منفی کل از نظر مقدار مطلق برابر هستند. هنگام محاسبه جرم اتمی نسبی، جرم الکترون ها در نظر گرفته نمی شود، زیرا ناچیز است و 1840 برابر کمتر از جرم یک پروتون یا نوترون است.
برنج. 1. اتم.
الکترون یک ذره کاملا منحصر به فرد است که ماهیت دوگانه دارد: هم ویژگی موج و هم ذره را دارد. آنها دائماً در اطراف هسته حرکت می کنند.
فضای اطراف هسته، جایی که احتمال یافتن الکترون در آن بسیار محتمل است، اوربیتال الکترونی یا ابر الکترونی نامیده می شود. این فضا شکل خاصی دارد که با حروف s-، p-، d- و f- مشخص می شود. اوربیتال الکترون S شکل کروی دارد، اوربیتال p شکل دمبل یا حجم هشت دارد، شکل اوربیتال های d و f بسیار پیچیده تر است.
برنج. 2. اشکال اوربیتال های الکترونیکی.
در اطراف هسته، الکترون ها روی لایه های الکترونی قرار دارند. هر لایه با فاصله از هسته و انرژی مشخص می شود، به همین دلیل است که لایه های الکترونی اغلب سطوح انرژی الکترونیکی نامیده می شوند. هر چه سطح به هسته نزدیکتر باشد، انرژی الکترون های موجود در آن کمتر می شود. یک عنصر از نظر تعداد پروتون های هسته اتم و بر این اساس در تعداد الکترون ها با دیگری متفاوت است. بنابراین تعداد الکترون های لایه الکترونی یک اتم خنثی برابر با تعداد پروتون های موجود در هسته این اتم است. هر عنصر بعدی یک پروتون بیشتر در هسته و یک الکترون بیشتر در لایه الکترونی دارد.
الکترون تازه وارد اوربیتال با کمترین انرژی را اشغال می کند. با این حال، حداکثر تعداد الکترون در هر سطح با فرمول تعیین می شود:
که در آن N حداکثر تعداد الکترون ها و n عدد سطح انرژی است.
سطح اول می تواند فقط 2 الکترون داشته باشد، سطح دوم - 8 الکترون، سوم - 18 الکترون، و سطح چهارم - 32 الکترون. در سطح بیرونی یک اتم، بیش از 8 الکترون وجود ندارد: به محض اینکه تعداد الکترون ها به 8 برسد، سطح بعدی که از هسته دورتر است، شروع به پر شدن می کند.
ساختار لایه های الکترونی اتم ها
هر عنصر در یک دوره خاص است. پریود مجموعه ای افقی از عناصر است که به ترتیب صعودی بار هسته اتم هایشان مرتب شده اند که با یک فلز قلیایی شروع می شود و با یک گاز بی اثر به پایان می رسد. سه دوره اول جدول کوچک هستند و دوره بعدی که از دوره چهارم شروع می شود بزرگ هستند که از دو ردیف تشکیل شده است. تعداد دوره ای که عنصر در آن قرار دارد معنای فیزیکی دارد. این بدان معناست که در یک اتم هر عنصر از یک دوره معین، چند سطح انرژی الکترونیکی وجود دارد. بنابراین، عنصر کلر کلر در دوره 3 است، یعنی پوسته الکترونی آن دارای سه لایه الکترونی است. کلر در گروه VII جدول و در زیر گروه اصلی قرار دارد. زیرگروه اصلی ستونی در هر گروه است که با دوره های 1 یا 2 شروع می شود.
بنابراین، وضعیت لایه های الکترونی اتم کلر به شرح زیر است: شماره سریال عنصر کلر 17 است، به این معنی که اتم دارای 17 پروتون در هسته و 17 الکترون در لایه الکترونی است. در سطح 1 فقط 2 الکترون می تواند وجود داشته باشد، در سطح 3 - 7 الکترون، زیرا کلر در زیر گروه اصلی گروه VII است. سپس در سطح 2: 17-2-7=8 الکترون است.
