Seperti yang Anda ketahui, semua materi di alam semesta terdiri dari atom. Atom adalah unit terkecil dari materi yang membawa sifat-sifatnya. Pada gilirannya, struktur atom terdiri dari trinitas ajaib mikropartikel: proton, neutron, dan elektron.

Selain itu, masing-masing mikropartikel bersifat universal. Artinya, Anda tidak dapat menemukan dua proton, neutron, atau elektron yang berbeda di dunia. Semuanya benar-benar mirip satu sama lain. Dan sifat-sifat atom hanya akan bergantung pada komposisi kuantitatif mikropartikel ini dalam struktur umum atom.

Misalnya, struktur atom hidrogen terdiri dari satu proton dan satu elektron. Selanjutnya dalam kompleksitas, atom helium terdiri dari dua proton, dua neutron, dan dua elektron. Sebuah atom lithium terdiri dari tiga proton, empat neutron dan tiga elektron, dll.

Struktur atom (dari kiri ke kanan): hidrogen, helium, litium

Atom bergabung menjadi molekul, dan molekul bergabung menjadi zat, mineral, dan organisme. Molekul DNA, yang merupakan dasar dari semua kehidupan, adalah struktur yang dirakit dari tiga blok bangunan ajaib alam semesta yang sama seperti batu yang tergeletak di jalan. Meskipun struktur ini jauh lebih kompleks.

Bahkan fakta yang lebih menakjubkan terungkap ketika kita mencoba untuk melihat lebih dekat pada proporsi dan struktur sistem atom. Diketahui bahwa atom terdiri dari nukleus dan elektron yang bergerak mengelilinginya sepanjang lintasan yang menggambarkan bola. Artinya, itu bahkan tidak bisa disebut gerakan dalam arti kata yang biasa. Elektron agak terletak di mana-mana dan langsung di dalam bola ini, menciptakan awan elektron di sekitar nukleus dan membentuk medan elektromagnetik.

Representasi skematis dari struktur atom

Inti atom terdiri dari proton dan neutron, dan hampir seluruh massa sistem terkonsentrasi di dalamnya. Tetapi pada saat yang sama, nukleus itu sendiri sangat kecil sehingga jika Anda meningkatkan jari-jarinya ke skala 1 cm, maka jari-jari seluruh struktur atom akan mencapai ratusan meter. Jadi, segala sesuatu yang kita anggap sebagai materi padat terdiri dari lebih dari 99% ikatan energi antara partikel fisik saja dan kurang dari 1% dari bentuk fisik itu sendiri.

Tapi apa bentuk fisik ini? Terbuat dari apa, dan bagaimana bahannya? Untuk menjawab pertanyaan-pertanyaan ini, mari kita lihat lebih dekat struktur proton, neutron, dan elektron. Jadi, kita turun satu langkah lagi ke kedalaman mikrokosmos - ke tingkat partikel subatom.

Elektron terbuat dari apa?

Partikel terkecil dari atom adalah elektron. Sebuah elektron memiliki massa tetapi tidak memiliki volume. Dalam pandangan ilmiah, elektron tidak terdiri dari apa pun, tetapi merupakan titik tanpa struktur.

Elektron tidak dapat dilihat di bawah mikroskop. Hal ini diamati hanya dalam bentuk awan elektron, yang terlihat seperti bola kabur di sekitar inti atom. Pada saat yang sama, tidak mungkin untuk mengatakan dengan akurat di mana letak elektron pada suatu saat. Perangkat tidak mampu menangkap partikel itu sendiri, tetapi hanya jejak energinya. Esensi elektron tidak tertanam dalam konsep materi. Ini lebih seperti bentuk kosong yang hanya ada di dalam dan melalui gerakan.

Belum ada struktur yang ditemukan dalam elektron. Ini adalah partikel titik yang sama dengan kuantum energi. Faktanya, elektron adalah energi, namun, ini adalah bentuknya yang lebih stabil daripada yang diwakili oleh foton cahaya.

Saat ini, elektron dianggap tidak dapat dibagi. Hal ini dapat dimengerti, karena tidak mungkin membagi sesuatu yang tidak memiliki volume. Namun, sudah ada perkembangan dalam teori, yang menurutnya komposisi elektron mengandung trinitas kuasipartikel seperti:

• Orbiton - berisi informasi tentang posisi orbital elektron;
• Spinon - bertanggung jawab atas putaran atau torsi;
• Holon - membawa informasi tentang muatan elektron.

Namun, seperti yang kita lihat, partikel kuasi sama sekali tidak memiliki kesamaan dengan materi, dan hanya membawa informasi.

Foto atom dari zat yang berbeda dalam mikroskop elektron

Menariknya, sebuah elektron dapat menyerap kuanta energi, seperti cahaya atau panas. Dalam hal ini, atom bergerak ke tingkat energi baru, dan batas-batas awan elektron meluas. Juga terjadi bahwa energi yang diserap oleh elektron begitu besar sehingga ia dapat melompat keluar dari sistem atom dan melanjutkan gerakannya sebagai partikel independen. Pada saat yang sama, ia berperilaku seperti foton cahaya, yaitu, ia tampaknya berhenti menjadi partikel dan mulai menunjukkan sifat-sifat gelombang. Hal ini telah dibuktikan dalam sebuah percobaan.

Percobaan Young

Selama percobaan, aliran elektron diarahkan ke layar dengan dua celah dipotong ke dalamnya. Melewati celah ini, elektron bertabrakan dengan permukaan layar proyeksi lain, meninggalkan bekas di atasnya. Sebagai hasil dari "bombardir" elektron ini, pola interferensi muncul di layar proyeksi, mirip dengan yang akan muncul jika gelombang, tetapi bukan partikel, melewati dua celah.

Pola seperti itu terjadi karena fakta bahwa gelombang, yang lewat di antara dua slot, dibagi menjadi dua gelombang. Sebagai hasil dari pergerakan lebih lanjut, gelombang saling tumpang tindih, dan di beberapa daerah mereka saling meniadakan. Akibatnya, kita mendapatkan banyak garis pada layar proyeksi, bukannya satu, seperti yang akan terjadi jika elektron berperilaku seperti partikel.

Struktur inti atom: proton dan neutron

Proton dan neutron membentuk inti atom. Dan terlepas dari kenyataan bahwa dalam volume total inti menempati kurang dari 1%, dalam struktur inilah hampir seluruh massa sistem terkonsentrasi. Tetapi dengan mengorbankan struktur proton dan neutron, pendapat fisikawan terbagi, dan saat ini ada dua teori sekaligus.

• Teori #1 - Standar

Model Standar mengatakan bahwa proton dan neutron terdiri dari tiga quark yang dihubungkan oleh awan gluon. Quark adalah partikel titik, sama seperti kuanta dan elektron. Dan gluon adalah partikel virtual yang memastikan interaksi quark. Namun, baik quark maupun gluon tidak ditemukan di alam, sehingga model ini mendapat kritik keras.

• Teori #2 - Alternatif

Tetapi menurut teori medan terpadu alternatif yang dikembangkan oleh Einstein, proton, seperti halnya neutron, seperti partikel lain di dunia fisik, adalah medan elektromagnetik yang berputar dengan kecepatan cahaya.

Medan elektromagnetik manusia dan planet

Apa prinsip-prinsip struktur atom?

Segala sesuatu di dunia - halus dan padat, cair, padat dan gas - hanyalah keadaan energi dari medan yang tak terhitung jumlahnya yang menembus ruang Semesta. Semakin tinggi tingkat energi di lapangan, semakin tipis dan kurang terlihat. Semakin rendah tingkat energi, semakin stabil dan nyata itu. Dalam struktur atom, serta dalam struktur unit lain dari Semesta, terletak interaksi bidang-bidang tersebut - berbeda dalam kepadatan energi. Ternyata materi hanyalah ilusi pikiran.

DEFINISI

Atom adalah partikel kimia terkecil.

Keanekaragaman senyawa kimia disebabkan oleh perbedaan kombinasi atom unsur kimia menjadi molekul dan zat non molekul. Kemampuan suatu atom untuk masuk ke dalam senyawa kimia, sifat kimia dan fisikanya ditentukan oleh struktur atom tersebut. Dalam hal ini, untuk kimia, struktur internal atom dan, pertama-tama, struktur kulit elektronnya adalah yang terpenting.

Model struktur atom

Pada awal abad ke-19, D. Dalton menghidupkan kembali teori atomistik, dengan mengandalkan hukum-hukum dasar kimia yang dikenal pada masa itu (ketetapan komposisi, banyak rasio, dan ekuivalen). Percobaan pertama dilakukan untuk mempelajari struktur materi. Namun, terlepas dari penemuan yang dibuat (atom dari unsur yang sama memiliki sifat yang sama, dan atom unsur lain memiliki sifat yang berbeda, konsep massa atom diperkenalkan), atom dianggap tidak dapat dibagi.

Setelah menerima bukti eksperimental (akhir XIX - awal abad XX) kompleksitas struktur atom (efek fotolistrik, katoda dan sinar-X, radioaktivitas), ditemukan bahwa atom terdiri dari partikel bermuatan negatif dan positif yang berinteraksi dengan satu sama lain.

Penemuan-penemuan ini memberi dorongan pada penciptaan model pertama struktur atom. Salah satu model pertama diusulkan J. Thomson(1904) (Gbr. 1): atom disajikan sebagai "lautan listrik positif" dengan elektron berosilasi di dalamnya.

Setelah percobaan dengan partikel-α, pada tahun 1911. Rutherford mengusulkan apa yang disebut model planet struktur atom (Gbr. 1), mirip dengan struktur tata surya. Menurut model planet, di pusat atom terdapat inti yang sangat kecil dengan muatan Z e, yang ukurannya kira-kira 1.000.000 kali lebih kecil dari ukuran atom itu sendiri. Inti mengandung hampir seluruh massa atom dan memiliki muatan positif. Elektron bergerak dalam orbit di sekitar nukleus, yang jumlahnya ditentukan oleh muatan nukleus. Lintasan terluar elektron menentukan dimensi terluar atom. Diameter atom adalah 10 -8 cm, sedangkan diameter inti jauh lebih kecil -10 -12 cm.

Beras. 1 Model struktur atom menurut Thomson dan Rutherford

Percobaan pada studi spektrum atom menunjukkan ketidaksempurnaan model planet dari struktur atom, karena model ini bertentangan dengan struktur garis spektrum atom. Berdasarkan model Rutherford, teori kuanta cahaya Einstein dan teori kuantum radiasi, Planck Niels Bohr (1913) diformulasikan postulat, yang mengandung teori atom(Gbr. 2): elektron dapat berputar di sekitar nukleus tidak di sembarang, tetapi hanya di beberapa orbit tertentu (stasioner), bergerak di sepanjang orbit seperti itu, ia tidak memancarkan energi elektromagnetik, radiasi (penyerapan atau emisi kuantum elektromagnetik energi) terjadi selama transisi (seperti lompatan) elektron dari satu orbit ke orbit lainnya.

Beras. 2. Model struktur atom menurut N. Bohr

Akumulasi bahan percobaan yang mencirikan struktur atom menunjukkan bahwa sifat-sifat elektron, serta benda-benda mikro lainnya, tidak dapat dijelaskan berdasarkan konsep mekanika klasik. Mikropartikel mematuhi hukum mekanika kuantum, yang menjadi dasar untuk menciptakan model struktur atom modern.

Tesis utama mekanika kuantum:

- energi dipancarkan dan diserap oleh benda-benda dalam bagian yang terpisah - kuanta, oleh karena itu, energi partikel berubah secara tiba-tiba;

- elektron dan mikropartikel lainnya memiliki sifat ganda - ia menunjukkan sifat partikel dan gelombang (dualisme gelombang partikel);

— mekanika kuantum menyangkal keberadaan orbit tertentu untuk partikel mikro (tidak mungkin untuk menentukan posisi yang tepat untuk elektron yang bergerak, karena mereka bergerak di ruang dekat nukleus, orang hanya dapat menentukan kemungkinan menemukan elektron di berbagai bagian ruang).

Ruang di dekat nukleus, di mana probabilitas menemukan elektron cukup tinggi (90%), disebut orbit.

bilangan kuantum. prinsip pauli. Aturan Klechkovsky

Keadaan elektron dalam atom dapat dijelaskan menggunakan empat bilangan kuantum.

n adalah bilangan kuantum utama. Mencirikan energi total elektron dalam atom dan jumlah tingkat energi. n mengambil nilai integer dari 1 hingga . Elektron memiliki energi terendah pada n=1; dengan meningkatnya n - energi. Keadaan atom, ketika elektronnya berada pada tingkat energi sedemikian rupa sehingga energi totalnya minimal, disebut keadaan dasar. Keadaan dengan nilai yang lebih tinggi disebut tereksitasi. Tingkat energi ditunjukkan dengan angka Arab sesuai dengan nilai n. Elektron dapat diatur dalam tujuh tingkat, oleh karena itu, pada kenyataannya, n ada dari 1 hingga 7. Bilangan kuantum utama menentukan ukuran awan elektron dan menentukan jari-jari rata-rata elektron dalam atom.

aku adalah bilangan kuantum orbital. Ini mencirikan cadangan energi elektron di sublevel dan bentuk orbital (Tabel 1). Menerima nilai integer dari 0 hingga n-1. l tergantung pada n. Jika n=1, maka l=0, yang berarti pada level 1 terdapat sublevel 1.

saya adalah bilangan kuantum magnetik. Mencirikan orientasi orbital dalam ruang. Menerima nilai integer dari –l hingga 0 hingga +l. Jadi, ketika l=1 (p-orbital), m e mengambil nilai -1, 0, 1, dan orientasi orbital bisa berbeda (Gbr. 3).

Beras. 3. Salah satu kemungkinan orientasi dalam ruang orbital p

s adalah bilangan kuantum spin. Mencirikan rotasi elektron sendiri di sekitar sumbu. Dibutuhkan nilai -1/2(↓) dan +1/2(). Dua elektron pada orbital yang sama memiliki spin antiparalel.

Keadaan elektron dalam atom ditentukan Prinsip Pauli: sebuah atom tidak dapat memiliki dua elektron dengan himpunan semua bilangan kuantum yang sama. Urutan pengisian orbital dengan elektron ditentukan oleh: Aturan Klechkovsky: orbital diisi dengan elektron dalam urutan jumlah (n + l) untuk orbital tersebut, jika jumlah (n + l) sama, maka orbital dengan nilai n yang lebih rendah diisi terlebih dahulu.

Namun, sebuah atom biasanya tidak hanya mengandung satu, tetapi beberapa elektron, dan untuk memperhitungkan interaksinya satu sama lain, konsep muatan efektif inti digunakan - elektron tingkat terluar dipengaruhi oleh muatan yang kurang dari muatan inti, akibatnya elektron dalam melindungi elektron terluar.

Karakteristik utama atom: jari-jari atom (kovalen, logam, van der Waals, ionik), afinitas elektron, potensial ionisasi, momen magnetik.

Rumus elektron atom

Semua elektron atom membentuk kulit elektronnya. Struktur kulit elektron digambarkan rumus elektronik, yang menunjukkan distribusi elektron pada tingkat energi dan sublevel. Jumlah elektron dalam sublevel ditunjukkan dengan angka, yang ditulis di kanan atas huruf yang menunjukkan sublevel. Misalnya, atom hidrogen memiliki satu elektron, yang terletak di sublevel s dari tingkat energi pertama: 1s 1. Rumus elektronik helium yang mengandung dua elektron ditulis sebagai berikut: 1s 2.

Untuk unsur-unsur periode kedua, elektron mengisi tingkat energi ke-2, yang dapat berisi tidak lebih dari 8 elektron. Pertama, elektron mengisi sublevel s, kemudian sublevel p. Sebagai contoh:

5 B 1s 2 2s 2 2p 1

Hubungan struktur elektron atom dengan posisi unsur dalam sistem periodik

Rumus elektronik suatu unsur ditentukan oleh posisinya dalam sistem periodik D.I. Mendeleev. Jadi, jumlah periode sesuai dengan unsur-unsur periode kedua, elektron mengisi tingkat energi ke-2, yang dapat berisi tidak lebih dari 8 elektron. Pertama, pengisian elektron Pada unsur-unsur periode kedua, elektron mengisi tingkat energi ke-2, yang dapat berisi tidak lebih dari 8 elektron. Pertama, elektron mengisi sublevel s, kemudian sublevel p. Sebagai contoh:

5 B 1s 2 2s 2 2p 1

Untuk atom dari beberapa unsur, fenomena "kebocoran" elektron dari tingkat energi eksternal ke tingkat kedua dari belakang diamati. Slip elektron terjadi pada atom tembaga, kromium, paladium dan beberapa unsur lainnya. Sebagai contoh:

24 Cr 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 5 4s 1

tingkat energi yang dapat mengandung tidak lebih dari 8 elektron. Pertama, elektron mengisi sublevel s, kemudian sublevel p. Sebagai contoh:

5 B 1s 2 2s 2 2p 1

Nomor golongan untuk unsur-unsur subkelompok utama sama dengan jumlah elektron pada tingkat energi eksternal, elektron semacam itu disebut elektron valensi (mereka berpartisipasi dalam pembentukan ikatan kimia). Elektron valensi dari unsur-unsur subkelompok samping dapat berupa elektron dari tingkat energi terluar dan subtingkat d dari tingkat kedua dari belakang. Jumlah kelompok elemen dari subkelompok samping dari kelompok III-VII, serta untuk Fe, Ru, Os, sesuai dengan jumlah total elektron di sublevel s dari tingkat energi luar dan sublevel d dari tingkat kedua dari belakang

Tugas:

Gambarkan rumus elektronik atom fosfor, rubidium, dan zirkonium. Daftar elektron valensi.

Menjawab:

15 P 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 3 Elektron valensi 3s 2 3p 3

37 Rb 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 10 4s 2 4p 6 5s 1 Elektron valensi 5s 1

40 Zr 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 10 4s 2 4p 6 4d 2 5s 2 Elektron valensi 4d 2 5s 2

Kuliah: Struktur kulit elektron atom unsur dari empat periode pertama: unsur s-, p- dan d

Struktur atom

Abad ke-20 adalah masa penemuan "model struktur atom". Berdasarkan struktur yang diberikan, hipotesis berikut dapat dikembangkan: di sekitar inti yang volume dan ukurannya cukup kecil, elektron membuat gerakan yang mirip dengan gerakan planet mengelilingi Matahari. Studi atom selanjutnya menunjukkan bahwa atom itu sendiri dan strukturnya jauh lebih kompleks daripada yang telah ditetapkan sebelumnya. Dan saat ini, dengan peluang yang sangat besar di bidang ilmiah, atom belum sepenuhnya dieksplorasi. Komponen seperti atom dan molekul dianggap sebagai objek dari dunia mikro. Karena itu, seseorang tidak dapat mempertimbangkan bagian-bagian ini sendiri. Di dunia ini, hukum dan aturan yang sama sekali berbeda ditetapkan, yang berbeda dari makrokosmos. Berlanjut dari ini, studi tentang atom dilakukan pada modelnya.

Setiap atom diberi nomor seri, ditetapkan dalam Tabel Periodik Mendeleev D.I. Misalnya, nomor seri atom fosfor (P) adalah 15.

Jadi atom terdiri dari proton (p + ) , neutron (n 0 ) dan elektron (e - ). Proton dan neutron membentuk inti atom, ia memiliki muatan positif. Dan elektron yang bergerak di sekitar nukleus "membangun" kulit elektron atom, yang bermuatan negatif.

Berapa banyak elektron dalam atom? Sangat mudah untuk mengetahuinya. Cukup dengan melihat nomor urut elemen dalam tabel.

Jadi, jumlah elektron dalam fosfor adalah 15 . Jumlah elektron yang terkandung dalam kulit atom sama dengan jumlah proton yang terkandung dalam nukleus. Jadi proton dalam inti atom fosfor 15 .

Massa proton dan neutron yang menyusun massa inti atom adalah sama. Dan elektron 2000 kali lebih kecil. Ini berarti bahwa seluruh massa atom terkonsentrasi di inti, massa elektron diabaikan. Kita juga dapat mengetahui massa inti atom dari tabel. Lihatlah gambar fosfor dalam tabel. Di bawah ini kita melihat penunjukan 30.974 - ini adalah massa inti fosfor, massa atomnya. Saat menulis, kami membulatkan angka ini. Berdasarkan hal tersebut di atas, kami menulis struktur atom fosfor sebagai berikut:

(di kiri bawah mereka menulis muatan nukleus - 15, di kiri atas nilai pembulatan massa atom - 31).

Inti atom fosfor:

(di kiri bawah kami menulis muatan: proton memiliki muatan sama dengan +1, dan neutron tidak bermuatan, yaitu muatan 0; di kiri atas, massa proton dan neutron, sama dengan 1, adalah satuan konvensional massa atom; muatan inti atom sama dengan jumlah proton dalam inti, yang berarti p = 15, dan jumlah neutron harus dihitung: kurangi muatan dari massa atom, mis. 31 - 15 = 16).

Kulit elektron atom fosfor adalah 15 elektron bermuatan negatif yang menyeimbangkan proton bermuatan positif. Oleh karena itu, atom adalah partikel yang netral secara listrik.

Tingkat energi

Gambar 1

Selanjutnya, kita perlu menganalisis secara rinci bagaimana elektron didistribusikan dalam sebuah atom. Gerakan mereka tidak kacau, tetapi tunduk pada urutan tertentu. Beberapa elektron yang tersedia tertarik ke inti dengan gaya yang cukup besar, sementara yang lain, sebaliknya, tertarik dengan lemah. Akar penyebab perilaku elektron seperti itu tersembunyi dalam berbagai tingkat keterpencilan elektron dari nukleus. Artinya, elektron yang lebih dekat ke nukleus akan menjadi lebih kuat saling berhubungan dengannya. Elektron ini tidak dapat dilepaskan dari kulit elektron. Semakin jauh elektron dari nukleus, semakin mudah untuk "menariknya" keluar dari kulitnya. Juga, energi elektron meningkat ketika elektron menjauh dari inti atom. Energi elektron ditentukan oleh bilangan kuantum utama n, yang sama dengan bilangan asli apa pun (1,2,3,4…). Elektron yang memiliki nilai n yang sama membentuk satu lapisan elektron, seolah-olah menahan elektron lain yang bergerak pada jarak yang jauh. Gambar 1 menunjukkan lapisan-lapisan elektron yang terdapat pada kulit elektron di pusat inti atom.

Anda dapat melihat bagaimana volume lapisan meningkat saat Anda menjauh dari inti. Oleh karena itu, semakin jauh lapisan dari nukleus, semakin banyak elektron yang dikandungnya.

Lapisan elektron mengandung elektron yang serupa dalam hal energi. Karena itu, lapisan seperti itu sering disebut sebagai tingkat energi. Berapa banyak level yang dapat dikandung atom? Jumlah tingkat energi sama dengan jumlah periode dalam tabel periodik D.I. dimana elemen tersebut berada. Misalnya fosfor (P) berada pada periode ketiga, sehingga atom fosfor memiliki tiga tingkat energi.

Beras. 2

Bagaimana cara mengetahui jumlah elektron maksimum yang terletak pada satu lapisan elektron? Untuk ini kami menggunakan rumus Nmaks = 2n 2 , di mana n adalah nomor level.

Kami mendapatkan bahwa tingkat pertama hanya berisi 2 elektron, yang kedua - 8, yang ketiga - 18, yang keempat - 32.

Setiap tingkat energi mengandung sublevel. Surat-surat mereka adalah: s-, p-, d- dan f-. Lihat gambar. 2:

Tingkat energi ditandai dengan warna yang berbeda, dan sublevel dengan garis-garis dengan ketebalan yang berbeda.

Sublevel tertipis dilambangkan dengan huruf s. 1s adalah sublevel s dari level pertama, 2s adalah sublevel s dari level kedua, dan seterusnya.

Tingkat-p muncul di tingkat energi kedua, tingkat-d muncul di tingkat ketiga, dan subtingkat-f ​​muncul di tingkat keempat.

Ingat apa yang Anda lihat: tingkat energi pertama mencakup satu subtingkat s, dua subtingkat s dan p kedua, tiga subtingkat s-, p- dan d ketiga, dan tingkat keempat empat subtingkat s-, p-, d- dan f .

pada Hanya 2 elektron yang dapat berada di sublevel s, maksimal 6 elektron di sublevel p, 10 elektron di sublevel d, dan hingga 14 elektron di sublevel f.

Orbital elektronik

Area (tempat) di mana elektron dapat ditemukan disebut awan elektron atau orbital. Ingatlah bahwa kita berbicara tentang kemungkinan wilayah di mana elektron berada, karena kecepatan gerakannya ratusan ribu kali lebih besar daripada kecepatan jarum mesin jahit. Secara grafis, area ini ditampilkan sebagai sel:

Satu sel dapat berisi dua elektron. Dilihat oleh Gambar 2, kita dapat menyimpulkan bahwa sublevel s, yang mencakup tidak lebih dari dua elektron, hanya dapat berisi satu orbital s, dilambangkan dengan satu sel; Sublapisan p memiliki tiga orbital p (3 slot), sublapisan d memiliki lima orbital d (5 slot), dan sublapisan f memiliki tujuh orbital f (7 slot).

Bentuk orbital tergantung pada bilangan kuantum orbital (l - el) atom. Tingkat energi atom berasal dari s- orbital yang memiliki aku= 0. Orbital yang disajikan memiliki bentuk bola. Pada level setelah s- orbital terbentuk p- orbital dengan aku = 1. P Orbital berbentuk seperti dumbbell. Hanya ada tiga orbital dengan bentuk ini. Setiap orbital yang mungkin mengandung tidak lebih dari 2 elektron. Berikutnya adalah struktur yang lebih kompleks. d-orbital ( aku= 2), dan setelahnya f-orbital ( aku = 3).

Beras. 3 Bentuk orbital

Elektron dalam orbital ditunjukkan sebagai panah. Jika orbital masing-masing berisi satu elektron, maka orbital tersebut searah - panah ke atas:

Jika ada dua elektron dalam orbital, maka mereka memiliki dua arah: panah ke atas dan panah ke bawah, mis. elektron berlawanan arah:

Struktur elektron ini disebut valensi.

Ada tiga kondisi untuk mengisi orbital atom dengan elektron:

1 syarat: Prinsip jumlah energi minimum. Pengisian orbital dimulai dari sublevel yang memiliki energi minimum. Menurut prinsip ini, sublevel diisi dengan urutan sebagai berikut: mengambil tempat di sublevel dari level yang lebih tinggi, meskipun sublevel dari level yang lebih rendah tidak diisi. Misalnya, konfigurasi valensi atom fosfor terlihat seperti ini:

Beras. empat

2 kondisi: prinsip pauli. Satu orbital mencakup 2 elektron (pasangan elektron) dan tidak lebih. Tetapi konten hanya satu elektron juga mungkin. Disebut tidak berpasangan.

3 kondisi: Aturan Hund. Setiap orbital dari satu sublevel pertama diisi dengan satu elektron, kemudian elektron kedua ditambahkan ke dalamnya. Dalam kehidupan, kita telah melihat situasi yang sama ketika penumpang bus yang tidak dikenal pertama-tama menempati semua kursi kosong satu per satu, dan kemudian mengambil dua kursi.

Konfigurasi elektron atom dalam keadaan dasar dan keadaan tereksitasi

Energi atom dalam keadaan dasarnya adalah yang terendah. Jika atom mulai menerima energi dari luar, misalnya, ketika suatu zat dipanaskan, maka mereka berpindah dari keadaan dasar ke keadaan tereksitasi. Transisi ini dimungkinkan dengan adanya orbital bebas tempat elektron dapat bergerak. Tapi ini sementara, melepaskan energi, atom yang tereksitasi kembali ke keadaan dasarnya.

Mari kita konsolidasikan pengetahuan kita dengan sebuah contoh. Perhatikan konfigurasi elektronnya, mis. konsentrasi elektron dalam orbital atom fosfor di tanah (keadaan tidak tereksitasi). Mari kita kembali ke Gambar. 4. Jadi, ingat bahwa atom fosfor memiliki tiga tingkat energi, yang diwakili oleh setengah busur: +15)))

Mari kita mendistribusikan 15 elektron yang tersedia ke dalam tiga tingkat energi ini:

Rumus seperti itu disebut konfigurasi elektronik. Ada juga elektronik - grafik, mereka menggambarkan penempatan elektron di dalam tingkat energi. Konfigurasi elektronik-grafik fosfor terlihat seperti ini: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 3 (di sini angka besar adalah jumlah tingkat energi, huruf adalah sublevel, dan angka kecil adalah jumlah elektron di sublevel, jika Anda menambahkannya, Anda mendapatkan angka 15).

Dalam keadaan tereksitasi atom fosfor 1, elektron bergerak dari orbital 3s ke orbital 3d, dan konfigurasinya terlihat seperti ini: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 1 3p 3 3d 1 .

elektron

Konsep atom berasal dari dunia kuno untuk menunjukkan partikel materi. Dalam bahasa Yunani, atom berarti "tidak dapat dibagi".

Fisikawan Irlandia Stoney, berdasarkan eksperimen, sampai pada kesimpulan bahwa listrik dibawa oleh partikel terkecil yang ada di atom semua unsur kimia. Pada tahun 1891, Stoney mengusulkan untuk menyebut partikel ini elektron, yang dalam bahasa Yunani berarti "kuning". Beberapa tahun setelah elektron mendapatkan namanya, fisikawan Inggris Joseph Thomson dan fisikawan Prancis Jean Perrin membuktikan bahwa elektron membawa muatan negatif. Ini adalah muatan negatif terkecil, yang dalam kimia dianggap sebagai satu unit (-1). Thomson bahkan berhasil menentukan kecepatan elektron (kecepatan elektron dalam orbit berbanding terbalik dengan nomor orbit n. Jari-jari orbit tumbuh sebanding dengan kuadrat nomor orbit. Pada orbit pertama hidrogen atom (n=1; Z=1), kecepatannya adalah ≈ 2,2 106 m / c, yaitu sekitar seratus kali lebih kecil dari kecepatan cahaya c=3 108 m/s.) dan massa elektron ( itu hampir 2000 kali lebih kecil dari massa atom hidrogen).

Keadaan elektron dalam atom

Keadaan elektron dalam atom adalah satu set informasi tentang energi elektron tertentu dan ruang di mana ia berada. Elektron dalam atom tidak memiliki lintasan gerak, yaitu, seseorang hanya dapat berbicara tentang probabilitas menemukannya di ruang di sekitar nukleus.

Itu dapat ditempatkan di bagian mana pun dari ruang yang mengelilingi nukleus ini, dan totalitas dari berbagai posisinya dianggap sebagai awan elektron dengan kerapatan muatan negatif tertentu. Secara kiasan, ini dapat dibayangkan sebagai berikut: jika memungkinkan untuk memotret posisi elektron dalam atom dalam seperseratus atau sepersejuta detik, seperti pada foto akhir, maka elektron dalam foto tersebut akan direpresentasikan sebagai titik. Melapisi foto-foto seperti itu yang tak terhitung jumlahnya akan menghasilkan gambar awan elektron dengan kepadatan tertinggi di mana akan ada sebagian besar titik-titik ini.

Ruang di sekitar inti atom, di mana elektron paling mungkin ditemukan, disebut orbital. Ini berisi sekitar 90% e-cloud, dan ini berarti bahwa sekitar 90% dari waktu elektron berada di bagian ruang ini. Dibedakan berdasarkan bentuk 4 jenis orbital yang diketahui saat ini, yang dilambangkan dengan bahasa Latin huruf s, p, d dan f. Sebuah representasi grafis dari beberapa bentuk orbital elektronik ditunjukkan pada gambar.

Sifat paling penting dari gerak elektron pada orbit tertentu adalah energi hubungannya dengan nukleus. Elektron dengan nilai energi yang sama membentuk lapisan elektron tunggal, atau tingkat energi. Tingkat energi diberi nomor mulai dari inti - 1, 2, 3, 4, 5, 6 dan 7.

Bilangan bulat n, yang menunjukkan jumlah tingkat energi, disebut bilangan kuantum utama. Ini mencirikan energi elektron yang menempati tingkat energi tertentu. Elektron dari tingkat energi pertama, yang paling dekat dengan inti, memiliki energi terendah. Dibandingkan dengan elektron tingkat pertama, elektron tingkat berikutnya akan dicirikan oleh sejumlah besar energi. Akibatnya, elektron dari tingkat terluar adalah yang paling tidak terikat kuat pada inti atom.

Jumlah elektron terbesar dalam tingkat energi ditentukan oleh rumus:

N = 2n2,

di mana N adalah jumlah elektron maksimum; n adalah nomor level, atau bilangan kuantum utama. Akibatnya, tingkat energi pertama yang paling dekat dengan nukleus dapat mengandung tidak lebih dari dua elektron; pada yang kedua - tidak lebih dari 8; pada yang ketiga - tidak lebih dari 18; pada yang keempat - tidak lebih dari 32.

Dimulai dari tingkat energi kedua (n = 2), masing-masing tingkat dibagi lagi menjadi subtingkat (sublayers), yang agak berbeda satu sama lain dalam energi ikat dengan inti. Jumlah sublevel sama dengan nilai bilangan kuantum utama: tingkat energi pertama memiliki satu sublevel; yang kedua - dua; ketiga - tiga; keempat - empat sublevel. Sublevel, pada gilirannya, dibentuk oleh orbital. Setiap nilain sesuai dengan jumlah orbital yang sama dengan n.

Merupakan kebiasaan untuk menunjuk sublevel dalam huruf Latin, serta bentuk orbital yang terdiri dari: s, p, d, f.

Proton dan neutron

Sebuah atom dari setiap unsur kimia sebanding dengan tata surya kecil. Oleh karena itu, model atom seperti itu, yang diusulkan oleh E. Rutherford, disebut planet.

Inti atom, di mana seluruh massa atom terkonsentrasi, terdiri dari partikel dari dua jenis - proton dan neutron.

Proton memiliki muatan yang sama dengan muatan elektron, tetapi berlawanan tanda (+1), dan massa yang sama dengan massa atom hidrogen (diterima dalam kimia sebagai satu unit). Neutron tidak membawa muatan, mereka netral dan memiliki massa yang sama dengan proton.

Proton dan neutron secara kolektif disebut nukleon (dari bahasa Latin nukleus - nukleus). Jumlah proton dan neutron dalam suatu atom disebut nomor massa. Misalnya, nomor massa atom aluminium:

13 + 14 = 27

jumlah proton 13, jumlah neutron 14, nomor massa 27

Karena massa elektron, yang dapat diabaikan, dapat diabaikan, jelaslah bahwa seluruh massa atom terkonsentrasi di dalam nukleus. Elektron mewakili e - .

Karena atom netral secara listrik, juga jelas bahwa jumlah proton dan elektron dalam suatu atom adalah sama. Ini sama dengan nomor seri unsur kimia yang ditetapkan padanya dalam sistem periodik. Massa atom terdiri dari massa proton dan neutron. Mengetahui nomor urut unsur (Z), yaitu jumlah proton, dan nomor massa (A), sama dengan jumlah jumlah proton dan neutron, Anda dapat menemukan jumlah neutron (N) menggunakan rumus:

N=A-Z

Misalnya, jumlah neutron dalam atom besi adalah:

56 — 26 = 30

isotop

Variasi atom dari unsur yang sama yang memiliki muatan inti sama tetapi nomor massa berbeda disebut isotop. Unsur kimia yang ditemukan di alam adalah campuran isotop. Jadi, karbon memiliki tiga isotop dengan massa 12, 13, 14; oksigen - tiga isotop dengan massa 16, 17, 18, dll. Massa atom relatif dari unsur kimia biasanya diberikan dalam Sistem Periodik adalah nilai rata-rata massa atom dari campuran alami isotop dari unsur tertentu, dengan mengambil memperhitungkan konten relatif mereka di alam. Sifat kimia isotop sebagian besar unsur kimia persis sama. Namun, sifat isotop hidrogen sangat berbeda karena peningkatan lipat dramatis dalam massa atom relatifnya; mereka bahkan telah diberi nama individu dan simbol kimia.

Unsur periode pertama

Skema struktur elektronik atom hidrogen:

Skema struktur elektronik atom menunjukkan distribusi elektron di atas lapisan elektronik (tingkat energi).

Rumus elektronik grafis atom hidrogen (menunjukkan distribusi elektron pada tingkat energi dan sublevel):

Rumus elektronik grafis atom menunjukkan distribusi elektron tidak hanya di level dan sublevel, tetapi juga di orbit.

Dalam atom helium, lapisan elektron pertama selesai - ia memiliki 2 elektron. Hidrogen dan helium adalah elemen-s; untuk atom-atom ini, orbital s diisi dengan elektron.

Semua elemen periode kedua lapisan elektron pertama terisi, dan elektron mengisi orbital s dan p dari lapisan elektron kedua sesuai dengan prinsip energi terkecil (pertama s, lalu p) dan aturan Pauli dan Hund.

Dalam atom neon, lapisan elektron kedua selesai - ia memiliki 8 elektron.

Untuk atom unsur periode ketiga, lapisan elektron pertama dan kedua selesai, sehingga lapisan elektron ketiga terisi, di mana elektron dapat menempati sublevel 3s-, 3p- dan 3d.

Orbital elektron 3s diselesaikan pada atom magnesium. Na dan Mg adalah elemen-s.

Untuk aluminium dan unsur-unsur berikutnya, sublevel 3p diisi dengan elektron.

Unsur-unsur periode ketiga memiliki orbital 3d yang tidak terisi.

Semua elemen dari Al hingga Ar adalah elemen p. s- dan p-elemen membentuk subkelompok utama dalam sistem periodik.

Elemen periode keempat - ketujuh

Lapisan elektron keempat muncul pada atom kalium dan kalsium, sublevel 4s terisi, karena memiliki energi lebih sedikit daripada sublevel 3d.

K, Ca - s-elemen termasuk dalam subkelompok utama. Untuk atom dari Sc sampai Zn, sublevel 3d diisi dengan elektron. Ini adalah elemen 3d. Mereka termasuk dalam subkelompok sekunder, mereka memiliki lapisan elektron pra-eksternal yang terisi, mereka disebut sebagai elemen transisi.

Perhatikan struktur kulit elektron atom krom dan tembaga. Di dalamnya, "kegagalan" satu elektron dari sublevel 4s- ke 3d terjadi, yang dijelaskan oleh stabilitas energi yang lebih besar dari konfigurasi elektronik yang dihasilkan 3d 5 dan 3d 10:

Dalam atom seng, lapisan elektron ketiga selesai - semua sublevel 3s, 3p dan 3d diisi di dalamnya, total ada 18 elektron pada mereka. Dalam unsur-unsur berikut seng, lapisan elektron keempat terus diisi, sublevel 4p.

Unsur dari Ga sampai Kr adalah unsur-p.

Lapisan terluar (keempat) atom kripton adalah lengkap dan memiliki 8 elektron. Tapi hanya ada 32 elektron di lapisan elektron keempat; sublevel 4d dan 4f atom kripton masih belum terisi Unsur-unsur periode kelima mengisi sublevel dengan urutan sebagai berikut: 5s - 4d - 5p. Dan ada juga pengecualian terkait dengan " kegagalan» elektron, y 41 Nb, 42 Mo, 44 ​​Ru, 45 Rh, 46 Pd, 47 Ag.

Pada periode keenam dan ketujuh, elemen-f muncul, yaitu, elemen-elemen di mana sublevel 4f dan 5f dari lapisan elektronik luar ketiga diisi, masing-masing.

Unsur 4f disebut lantanida.

Unsur 5f disebut aktinida.

Urutan pengisian sublevel elektronik dalam atom unsur periode keenam: 55 Cs dan 56 Ba - 6s-elemen; 57 La … 6s 2 5d x - elemen 5d; 58 Ce - 71 Lu - elemen 4f; 72 Hf - 80 Hg - elemen 5d; 81 T1 - 86 Rn - elemen 6d. Tetapi bahkan di sini ada elemen di mana urutan pengisian orbital elektronik "dilanggar", yang, misalnya, dikaitkan dengan stabilitas energi yang lebih besar dari sublevel f setengah dan terisi penuh, yaitu nf 7 dan nf 14. Bergantung pada sublevel atom mana yang terakhir diisi dengan elektron, semua elemen dibagi menjadi empat keluarga elektronik, atau blok:

• elemen-s. Sublevel s dari tingkat terluar atom diisi dengan elektron; s-elemen termasuk hidrogen, helium dan unsur-unsur dari subkelompok utama kelompok I dan II.

• elemen-p. P-sublevel dari tingkat terluar atom diisi dengan elektron; elemen-p termasuk elemen-elemen dari subkelompok utama kelompok III-VIII.

• d-elemen. Sublevel d dari level praeksternal atom diisi dengan elektron; d-elemen termasuk elemen subkelompok sekunder kelompok I-VIII, yaitu, elemen dekade kabisat periode besar yang terletak di antara s- dan p-elemen. Mereka juga disebut elemen transisi.

• elemen-f. F-sublevel dari tingkat luar ketiga atom diisi dengan elektron; ini termasuk lantanida dan antinoid.

Fisikawan Swiss W. Pauli pada tahun 1925 menetapkan bahwa dalam sebuah atom dalam satu orbital tidak boleh ada lebih dari dua elektron yang memiliki putaran berlawanan (antiparalel) (diterjemahkan dari bahasa Inggris - "spindle"), yaitu memiliki sifat yang dapat dibayangkan secara kondisional sebagai rotasi elektron di sekitar sumbu imajinernya: searah jarum jam atau berlawanan arah jarum jam.

Prinsip ini disebut Prinsip Pauli. Jika ada satu elektron di orbital, maka itu disebut tidak berpasangan, jika ada dua, maka ini adalah elektron berpasangan, yaitu elektron dengan spin yang berlawanan. Gambar tersebut menunjukkan diagram pembagian tingkat energi menjadi sublevel dan urutan pengisiannya.

Sangat sering, struktur kulit elektron atom digambarkan menggunakan energi atau sel kuantum - mereka menuliskan apa yang disebut rumus elektronik grafis. Untuk catatan ini, notasi berikut digunakan: setiap sel kuantum dilambangkan dengan sel yang sesuai dengan satu orbital; setiap elektron ditunjukkan oleh panah yang sesuai dengan arah putaran. Saat menulis rumus elektronik grafis, dua aturan harus diingat: Prinsip Pauli dan aturan F. Hund, yang menurutnya elektron menempati sel bebas, pertama satu per satu dan pada saat yang sama memiliki nilai putaran yang sama, dan baru kemudian berpasangan, tetapi putaran, menurut prinsip Pauli, sudah akan diarahkan secara berlawanan.

Aturan Hund dan Prinsip Pauli

Aturan Hund- aturan kimia kuantum, yang menentukan urutan pengisian orbital sublapisan tertentu dan dirumuskan sebagai berikut: nilai total spin jumlah elektron kuantum sublapisan ini harus maksimum. Diformulasikan oleh Friedrich Hund pada tahun 1925.

Ini berarti bahwa di setiap orbital sublapisan, satu elektron pertama diisi, dan hanya setelah orbital yang tidak terisi habis, elektron kedua ditambahkan ke orbital ini. Dalam hal ini, ada dua elektron dengan putaran setengah bilangan bulat dari tanda yang berlawanan dalam satu orbital, yang berpasangan (membentuk awan dua elektron) dan, sebagai hasilnya, putaran total orbital menjadi sama dengan nol.

Kata-kata lainnya: Di bawah energi terletak istilah atom yang memenuhi dua kondisi.

1. Multiplisitas adalah maksimum
2. Ketika multiplisitas bertepatan, momentum orbital total L adalah maksimum.

Mari kita analisis aturan ini menggunakan contoh pengisian orbital dari sublevel-p p- elemen periode kedua (yaitu, dari boron ke neon (dalam diagram di bawah, garis horizontal menunjukkan orbital, panah vertikal menunjukkan elektron, dan arah panah menunjukkan orientasi putaran).

Aturan Klechkovsky

Aturan Klechkovsky - ketika jumlah total elektron dalam atom meningkat (dengan peningkatan muatan inti mereka, atau jumlah ordinal unsur kimia), orbital atom diisi sedemikian rupa sehingga penampilan elektron dalam orbital berenergi lebih tinggi hanya bergantung pada bilangan kuantum utama n dan tidak bergantung pada semua bilangan kuantum lainnya, termasuk bilangan dari l. Secara fisik, ini berarti bahwa dalam atom mirip hidrogen (tanpa adanya gaya tolak antarelektron) energi orbital elektron hanya ditentukan oleh jarak spasial kerapatan muatan elektron dari nukleus dan tidak bergantung pada fitur geraknya. di bidang nukleus.

Aturan empiris Klechkovsky dan urutan urutan energi nyata yang agak kontradiktif dari orbital atom yang muncul darinya hanya dalam dua kasus dari jenis yang sama: untuk atom Cr, Cu, Nb, Mo, Ru, Rh, Pd, Ag, Pt, Au, ada "kegagalan" elektron dengan s - sublevel dari lapisan luar ke d-sublevel dari lapisan sebelumnya, yang mengarah ke keadaan atom yang lebih stabil secara energetik, yaitu: setelah mengisi orbital 6 dengan dua elektron s