După cum știți, tot materialul din Univers este format din atomi. Un atom este cea mai mică unitate de materie care își poartă proprietățile. La rândul său, structura unui atom este alcătuită dintr-o trinitate magică de microparticule: protoni, neutroni și electroni.

În plus, fiecare dintre microparticule este universală. Adică nu poți găsi doi protoni, neutroni sau electroni diferiți în lume. Toate sunt absolut asemănătoare între ele. Și proprietățile atomului vor depinde doar de compoziția cantitativă a acestor microparticule din structura generală a atomului.

De exemplu, structura unui atom de hidrogen constă dintr-un proton și un electron. Următorul ca complexitate, atomul de heliu este format din doi protoni, doi neutroni și doi electroni. Un atom de litiu este format din trei protoni, patru neutroni și trei electroni etc.

Structura atomilor (de la stânga la dreapta): hidrogen, heliu, litiu

Atomii se combină în molecule, iar moleculele se combină în substanțe, minerale și organisme. Molecula de ADN, care stă la baza oricărei vieți, este o structură asamblată din aceleași trei blocuri magice ale universului ca piatra aflată pe drum. Deși această structură este mult mai complexă.

Și mai multe fapte uimitoare sunt dezvăluite atunci când încercăm să aruncăm o privire mai atentă asupra proporțiilor și structurii sistemului atomic. Se știe că un atom este format dintr-un nucleu și electroni care se mișcă în jurul lui de-a lungul unei traiectorii care descrie o sferă. Adică nici nu poate fi numită mișcare în sensul obișnuit al cuvântului. Electronul este mai degrabă localizat peste tot și imediat în această sferă, creând un nor de electroni în jurul nucleului și formând un câmp electromagnetic.

Reprezentări schematice ale structurii atomului

Nucleul unui atom este format din protoni și neutroni și aproape întreaga masă a sistemului este concentrată în el. Dar, în același timp, nucleul în sine este atât de mic încât dacă îi creșteți raza la o scară de 1 cm, atunci raza întregii structuri a atomului va ajunge la sute de metri. Astfel, tot ceea ce percepem ca materie densă constă în mai mult de 99% din legăturile energetice dintre particulele fizice singure și mai puțin de 1% din formele fizice în sine.

Dar care sunt aceste forme fizice? Din ce sunt făcute și din ce material sunt? Pentru a răspunde la aceste întrebări, să aruncăm o privire mai atentă asupra structurilor protonilor, neutronilor și electronilor. Deci, coborâm încă o treaptă în adâncurile microcosmosului - la nivelul particulelor subatomice.

Din ce este format un electron?

Cea mai mică particulă a unui atom este un electron. Un electron are masă, dar nu are volum. Din punct de vedere științific, electronul nu constă din nimic, ci este un punct fără structură.

Un electron nu poate fi văzut la microscop. Se observă doar sub forma unui nor de electroni, care arată ca o sferă neclară în jurul nucleului atomic. În același timp, este imposibil să spunem cu exactitate unde se află electronul la un moment dat. Dispozitivele sunt capabile să capteze nu particula în sine, ci doar urma sa de energie. Esența electronului nu este încorporată în conceptul de materie. Este mai degrabă ca o formă goală care există numai în și prin mișcare.

Nu a fost găsită încă nicio structură în electron. Este aceeași particulă punctuală ca și cuantumul energiei. De fapt, un electron este energie, cu toate acestea, aceasta este forma sa mai stabilă decât cea reprezentată de fotonii luminii.

În prezent, electronul este considerat indivizibil. Acest lucru este de înțeles, deoarece este imposibil să împărțiți ceva care nu are volum. Cu toate acestea, există deja evoluții în teorie, conform căreia compoziția unui electron conține o trinitate de cvasiparticule precum:

• Orbiton - conține informații despre poziția orbitală a electronului;
• Spinon - responsabil pentru spin sau cuplu;
• Holon - transportă informații despre sarcina unui electron.

Cu toate acestea, după cum vedem, cvasiparticulele nu au absolut nimic în comun cu materia și poartă doar informații.

Fotografii ale atomilor diferitelor substanțe într-un microscop electronic

Interesant este că un electron poate absorbi cuante de energie, cum ar fi lumina sau căldura. În acest caz, atomul se mută la un nou nivel de energie, iar granițele norului de electroni se extind. De asemenea, se întâmplă că energia absorbită de un electron este atât de mare încât poate sări din sistemul atomic și să își continue mișcarea ca o particulă independentă. În același timp, se comportă ca un foton al luminii, adică pare să înceteze să mai fie o particulă și începe să prezinte proprietățile unei unde. Acest lucru a fost dovedit într-un experiment.

Experimentul lui Young

În cursul experimentului, un flux de electroni a fost direcționat pe un ecran cu două fante tăiate în el. Trecând prin aceste fante, electronii s-au ciocnit cu suprafața altui ecran de proiecție, lăsându-și amprenta pe acesta. Ca urmare a acestui „bombardament” de către electroni, pe ecranul de proiecție a apărut un model de interferență, similar cu cel care ar apărea dacă undele, dar nu particulele, ar trece prin două fante.

Un astfel de model apare datorită faptului că valul, care trece între cele două fante, este împărțit în două valuri. Ca rezultat al mișcării ulterioare, undele se suprapun și în unele zone se anulează reciproc. Ca rezultat, obținem multe dungi pe ecranul de proiecție, în loc de una, așa cum ar fi dacă electronul s-ar comporta ca o particulă.

Structura nucleului unui atom: protoni și neutroni

Protonii și neutronii formează nucleul unui atom. Și în ciuda faptului că în volumul total miezul ocupă mai puțin de 1%, în această structură este concentrată aproape întreaga masă a sistemului. Dar în detrimentul structurii protonilor și neutronilor, fizicienii sunt împărțiți în păreri, iar în acest moment există două teorii simultan.

• Teoria #1 - Standard

Modelul standard spune că protonii și neutronii sunt formați din trei quarci conectați printr-un nor de gluoni. Quarcii sunt particule punctiforme, la fel ca cuantele și electronii. Și gluonii sunt particule virtuale care asigură interacțiunea cuarcilor. Cu toate acestea, în natură nu s-au găsit nici quarci, nici gluoni, așa că acest model este supus unor critici severe.

• Teoria #2 - Alternativă

Dar, conform teoriei alternative a câmpului unificat dezvoltat de Einstein, protonul, ca și neutronul, ca orice altă particulă a lumii fizice, este un câmp electromagnetic care se rotește cu viteza luminii.

Câmpurile electromagnetice ale omului și ale planetei

Care sunt principiile structurii atomului?

Totul în lume - subtil și dens, lichid, solid și gazos - este doar stările energetice ale nenumăratelor câmpuri care pătrund în spațiul Universului. Cu cât nivelul de energie în câmp este mai mare, cu atât este mai subțire și mai puțin perceptibil. Cu cât nivelul de energie este mai scăzut, cu atât este mai stabil și mai tangibil. În structura atomului, precum și în structura oricărei alte unități a Universului, se află interacțiunea unor astfel de câmpuri - diferite ca densitate energetică. Se dovedește că materia este doar o iluzie a minții.

DEFINIȚIE

Atom este cea mai mică particulă chimică.

Varietatea compușilor chimici se datorează combinației diferite de atomi de elemente chimice în molecule și substanțe nemoleculare. Capacitatea unui atom de a intra în compuși chimici, proprietățile sale chimice și fizice sunt determinate de structura atomului. În acest sens, pentru chimie, structura internă a atomului și, în primul rând, structura învelișului său de electroni este de o importanță capitală.

Modele ale structurii atomului

La începutul secolului al XIX-lea, D. Dalton a reînviat teoria atomistă, bazându-se pe legile fundamentale ale chimiei cunoscute de atunci (constanța compoziției, rapoarte multiple și echivalente). Primele experimente au fost efectuate pentru a studia structura materiei. Totuși, în ciuda descoperirilor făcute (atomii aceluiași element au aceleași proprietăți, iar atomii altor elemente au proprietăți diferite, a fost introdus conceptul de masă atomică), atomul a fost considerat indivizibil.

După ce au primit dovezi experimentale (sfârșitul secolului XIX - începutul secolului XX) ale complexității structurii atomului (efect fotoelectric, catod și raze X, radioactivitate), s-a constatat că atomul este format din particule încărcate negativ și pozitiv care interacționează cu fiecare.

Aceste descoperiri au dat impuls creării primelor modele ale structurii atomului. Unul dintre primele modele a fost propus J. Thomson(1904) (Fig. 1): atomul a fost prezentat ca o „mare de electricitate pozitivă” cu electroni care oscilează în el.

După experimente cu particule α, în 1911. Rutherford a propus așa-numitul model planetar structura atomului (Fig. 1), similară cu structura sistemului solar. Conform modelului planetar, în centrul atomului există un nucleu foarte mic cu o sarcină Z e, a cărui dimensiune este de aproximativ 1.000.000 de ori mai mică decât dimensiunea atomului însuși. Nucleul conține aproape întreaga masă a atomului și are o sarcină pozitivă. Electronii se mișcă pe orbite în jurul nucleului, al căror număr este determinat de sarcina nucleului. Traiectoria exterioară a electronilor determină dimensiunile exterioare ale atomului. Diametrul unui atom este de 10 -8 cm, în timp ce diametrul nucleului este mult mai mic -10 -12 cm.

Orez. 1 Modele ale structurii atomului după Thomson și Rutherford

Experimentele privind studiul spectrelor atomice au arătat imperfecțiunea modelului planetar al structurii atomului, deoarece acest model contrazice structura de linii a spectrelor atomice. Bazat pe modelul Rutherford, teoria lui Einstein a cuantelor de lumină și teoria cuantică a radiației, Planck Niels Bohr (1913) formulate postulate, care contine teoria atomică(Fig. 2): un electron se poate roti în jurul nucleului nu în niciuna, ci doar în unele orbite specifice (staționare), mișcându-se de-a lungul unei astfel de orbite, nu emite energie electromagnetică, radiații (absorbția sau emisia unui cuantum electromagnetic). energie) are loc în timpul tranziției electronului (ca un salt) de la o orbită la alta.

Orez. 2. Modelul structurii atomului după N. Bohr

Materialul experimental acumulat care caracterizează structura atomului a arătat că proprietățile electronilor, precum și ale altor micro-obiecte, nu pot fi descrise pe baza conceptelor mecanicii clasice. Microparticulele respectă legile mecanicii cuantice, care au devenit baza creării modelul modern al structurii atomului.

Principalele teze ale mecanicii cuantice:

- energia este emisă și absorbită de corpuri în porțiuni separate - cuante, prin urmare, energia particulelor se modifică brusc;

- electronii și alte microparticule au o natură duală - prezintă proprietățile atât ale particulelor, cât și ale undelor (dualism particule-undă);

— mecanica cuantică neagă existența anumitor orbite pentru microparticule (pentru electronii în mișcare este imposibil să se determine poziția exactă, deoarece se deplasează în spațiu în apropierea nucleului, se poate determina doar probabilitatea de a găsi un electron în diferite părți ale spațiului).

Spațiul din apropierea nucleului, în care probabilitatea de a găsi un electron este suficient de mare (90%), se numește orbital.

numere cuantice. principiul Pauli. Regulile lui Klechkovsky

Starea unui electron într-un atom poate fi descrisă folosind patru numere cuantice.

n este numărul cuantic principal. Caracterizează energia totală a unui electron dintr-un atom și numărul nivelului de energie. n ia valori întregi de la 1 la ∞. Electronul are cea mai mică energie la n=1; cu creșterea n - energie. Starea unui atom, atunci când electronii săi sunt la astfel de niveluri de energie încât energia lor totală este minimă, se numește stare fundamentală. Statele cu valori mai mari se numesc excitate. Nivelurile de energie sunt indicate cu cifre arabe în funcție de valoarea lui n. Electronii pot fi aranjați în șapte niveluri, prin urmare, în realitate, n există de la 1 la 7. Numărul cuantic principal determină dimensiunea norului de electroni și determină raza medie a electronului din atom.

l este numărul cuantic orbital. Caracterizează rezerva de energie a electronilor din subnivel și forma orbitalului (Tabelul 1). Acceptă valori întregi de la 0 la n-1. Eu depind de n. Dacă n=1, atunci l=0, ceea ce înseamnă că la nivelul 1 există un 1 subnivel.

pe mine este numărul cuantic magnetic. Caracterizează orientarea orbitalului în spațiu. Acceptă valori întregi de la –l la 0 la +l. Astfel, când l=1 (p-orbital), m e ia valorile -1, 0, 1, iar orientarea orbitalului poate fi diferită (Fig. 3).

Orez. 3. Una dintre orientările posibile în spațiul p-orbital

s este numărul cuantic de spin. Caracterizează rotația proprie a electronului în jurul axei. Ia valorile -1/2(↓) și +1/2 (). Doi electroni din același orbital au spin antiparalel.

Se determină starea electronilor din atomi principiul Pauli: un atom nu poate avea doi electroni cu același set de numere cuantice. Secvența de umplere a orbitalilor cu electroni este determinată de regulile lui Klechkovsky: orbitalii sunt umpluți cu electroni în ordinea crescătoare a sumei (n + l) pentru acești orbitali, dacă suma (n + l) este aceeași, atunci se umple mai întâi orbitalul cu valoarea inferioară a lui n.

Cu toate acestea, un atom conține de obicei nu unul, ci mai mulți electroni și, pentru a ține cont de interacțiunea lor între ele, se utilizează conceptul de încărcare efectivă a nucleului - un electron de la nivelul exterior este afectat de o sarcină care este mai mică decât sarcina nucleului, drept urmare electronii interiori îi ecranează pe cei exteriori.

Principalele caracteristici ale unui atom: raza atomică (covalentă, metalică, van der Waals, ionică), afinitatea electronică, potențialul de ionizare, momentul magnetic.

Formule electronice ale atomilor

Toți electronii unui atom formează învelișul său de electroni. Este descrisă structura învelișului de electroni formula electronica, care arată distribuția electronilor pe niveluri și subniveluri de energie. Numărul de electroni dintr-un subnivel este indicat printr-un număr, care este scris în dreapta sus a literei care indică subnivelul. De exemplu, un atom de hidrogen are un electron, care este situat la subnivelul s al primului nivel de energie: 1s 1. Formula electronică a heliului care conține doi electroni se scrie după cum urmează: 1s 2.

Pentru elementele din a doua perioadă, electronii umplu al 2-lea nivel de energie, care nu poate conține mai mult de 8 electroni. În primul rând, electronii umplu subnivelul s, apoi subnivelul p. De exemplu:

5 B 1s 2 2s 2 2p 1

Relația structurii electronice a atomului cu poziția elementului în sistemul periodic

Formula electronică a unui element este determinată de poziția acestuia în sistemul periodic al D.I. Mendeleev. Deci, numărul perioadei corespunde elementelor celei de-a doua perioade, electronii umplu al 2-lea nivel de energie, care nu poate conține mai mult de 8 electroni. În primul rând, electronii umplu în elementele celei de-a doua perioade, electronii umplu al 2-lea nivel de energie, care nu poate conține mai mult de 8 electroni. În primul rând, electronii umplu subnivelul s, apoi subnivelul p. De exemplu:

5 B 1s 2 2s 2 2p 1

Pentru atomii unor elemente se observă fenomenul de „scurgere” a unui electron de la un nivel de energie extern la penultimul. Alunecarea electronilor are loc în atomi de cupru, crom, paladiu și alte elemente. De exemplu:

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

nivel de energie care nu poate conține mai mult de 8 electroni. În primul rând, electronii umplu subnivelul s, apoi subnivelul p. De exemplu:

5 B 1s 2 2s 2 2p 1

Numărul grupului pentru elementele subgrupurilor principale este egal cu numărul de electroni din nivelul de energie externă, astfel de electroni se numesc electroni de valență (ei participă la formarea unei legături chimice). Electronii de valență ai elementelor subgrupurilor laterale pot fi electroni ai nivelului energetic exterior și subnivelul d al penultimului nivel. Numărul grupului de elemente ale subgrupurilor laterale ale grupurilor III-VII, precum și pentru Fe, Ru, Os, corespunde numărului total de electroni din subnivelul s al nivelului de energie exterior și subnivelul d al penultimul nivel

Sarcini:

Desenați formulele electronice ale atomilor de fosfor, rubidiu și zirconiu. Enumerați electronii de valență.

Răspuns:

15 P 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 3 Electroni de valență 3s 2 3p 3

37 Rb 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 10 4s 2 4p 6 5s 1 Electroni de valență 5s 1

40 Zr 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 10 4s 2 4p 6 4d 2 5s 2 Electroni de valență 4d 2 5s 2

Lectura: Structura învelișurilor de electroni ale atomilor elementelor primelor patru perioade: elementele s-, p- și d-

Structura atomului

Secolul XX este momentul inventării „modelului structurii atomului”. Pe baza structurii furnizate, a fost posibilă elaborarea următoarei ipoteze: în jurul unui nucleu suficient de mic ca volum și dimensiune, electronii fac mișcări similare mișcării planetelor în jurul Soarelui. Studiul ulterior al atomului a arătat că atomul în sine și structura lui sunt mult mai complexe decât s-a stabilit anterior. Și în prezent, cu oportunități enorme în domeniul științific, atomul nu este pe deplin explorat. Componentele precum un atom și molecule sunt considerate obiecte ale microlumii. Prin urmare, o persoană nu este capabilă să ia în considerare aceste părți singură. În această lume, se stabilesc legi și reguli complet diferite, care diferă de macrocosmos. Pornind de aici, studiul atomului se realizează pe modelul său.

Orice atom i se atribuie un număr de serie, fixat în Tabelul periodic al lui Mendeleev D.I. De exemplu, numărul de serie al atomului de fosfor (P) este 15.

Deci un atom este alcătuit din protoni (p + ) , neutroni (n 0 ) și electroni (e - ). Protonii și neutronii formează nucleul unui atom, acesta are o sarcină pozitivă. Iar electronii care se deplasează în jurul nucleului „construiesc” învelișul de electroni a atomului, care are o sarcină negativă.

Câți electroni sunt într-un atom? Este ușor de știut. Este suficient să ne uităm la numărul ordinal al elementului din tabel.

Deci, numărul de electroni din fosfor este 15 . Numărul de electroni conținute în învelișul unui atom este strict egal cu numărul de protoni conținuti în nucleu. Deci protonii din nucleul atomului de fosfor 15 .

Masa protonilor și neutronilor care formează masa nucleului unui atom este aceeași. Iar electronii sunt de 2000 de ori mai mici. Aceasta înseamnă că întreaga masă a atomului este concentrată în nucleu, masa electronilor este neglijată. De asemenea, putem afla masa nucleului unui atom din tabel. Priviți imaginea fosforului din tabel. Mai jos vedem denumirea 30, 974 - aceasta este masa nucleului de fosfor, masa sa atomică. Când scriem, rotunjim această cifră. Pe baza celor de mai sus, scriem structura atomului de fosfor după cum urmează:

(în stânga jos au scris sarcina nucleului - 15, în stânga sus valoarea rotunjită a masei atomului - 31).

Nucleul unui atom de fosfor:

(în stânga jos scriem sarcina: protonii au o sarcină egală cu +1, iar neutronii nu sunt încărcați, adică sarcina este 0; în stânga sus, masa unui proton și a unui neutron, egală cu 1 , este o unitate convențională de masă a unui atom; sarcina nucleului unui atom este egală cu numărul de protoni din nucleu, ceea ce înseamnă p = 15, iar numărul de neutroni trebuie calculat: scădeți sarcina din masa atomică , adică 31 - 15 = 16).

Învelișul de electroni a atomului de fosfor este 15 electroni încărcați negativ care echilibrează protonii încărcați pozitiv. Prin urmare, un atom este o particulă neutră din punct de vedere electric.

Niveluri de energie

Fig.1

În continuare, trebuie să analizăm în detaliu modul în care electronii sunt distribuiți într-un atom. Mișcarea lor nu este haotică, ci este supusă unei anumite ordine. Unii dintre electronii disponibili sunt atrași de nucleu cu o forță suficient de mare, în timp ce alții, dimpotrivă, sunt atrași slab. Cauza principală a unui astfel de comportament al electronilor este ascunsă în diferite grade de îndepărtare a electronilor de nucleu. Adică, un electron mai aproape de nucleu va deveni mai puternic interconectat cu acesta. Acești electroni pur și simplu nu pot fi detașați de învelișul de electroni. Cu cât electronul este mai departe de nucleu, cu atât este mai ușor să-l „trageți” din înveliș. De asemenea, energia unui electron crește pe măsură ce se îndepărtează de nucleul unui atom. Energia electronului este determinată de numărul cuantic principal n, care este egal cu orice număr natural (1,2,3,4...). Electronii care au aceeași valoare a lui n formează un strat de electroni, ca și cum ar îngrădi alți electroni care se mișcă la distanță îndepărtată. Figura 1 prezintă straturile de electroni conținute în învelișul de electroni din centrul nucleului atomului.

Puteți observa cum crește volumul stratului pe măsură ce vă îndepărtați de miez. Prin urmare, cu cât stratul este mai departe de nucleu, cu atât conține mai mulți electroni.

Stratul de electroni conține electroni care sunt similari din punct de vedere al energiei. Din această cauză, astfel de straturi sunt adesea denumite niveluri de energie. Câte niveluri poate conține un atom? Numărul de niveluri de energie este egal cu numărul perioadei din tabelul periodic D.I. în care se află elementul. De exemplu, fosforul (P) se află în a treia perioadă, deci atomul de fosfor are trei niveluri de energie.

Orez. 2

Cum să aflați numărul maxim de electroni situati pe un strat de electroni? Pentru aceasta folosim formula Nmax = 2n 2 , unde n este numărul nivelului.

Obținem că primul nivel conține doar 2 electroni, al doilea - 8, al treilea - 18, al patrulea - 32.

Fiecare nivel de energie conține subniveluri. Scrisorile lor sunt: s-, p-, d-și f-. Uită-te la fig. 2:

Nivelurile de energie sunt marcate cu culori diferite, iar subnivelurile cu dungi de diferite grosimi.

Subnivelul cel mai subțire este notat cu litera s. 1s este subnivelul s al primului nivel, 2s este subnivelul s al celui de-al doilea nivel și așa mai departe.

Subnivelul p a apărut la al doilea nivel de energie, subnivelul d a apărut la al treilea, iar subnivelul f a apărut la al patrulea.

Amintește-ți ce ai văzut: primul nivel de energie include un subnivel s, al doilea două subniveluri s și p, al treilea trei subniveluri s, p și d și al patrulea nivel patru subniveluri s, p, d și f .

Pe Doar 2 electroni pot fi în subnivelul s, maximum 6 electroni în subnivelul p, 10 electroni în subnivelul d și până la 14 electroni în subnivelul f.

Orbitali electronici

Zona (locul) în care poate fi localizat un electron se numește nor de electroni sau orbital. Rețineți că vorbim despre regiunea probabilă în care se află electronul, deoarece viteza de mișcare a acestuia este de sute de mii de ori mai mare decât viteza acului unei mașini de cusut. Grafic, această zonă este afișată ca o celulă:

O celulă poate conține doi electroni. Judecând după figura 2, putem concluziona că subnivelul s, care nu include mai mult de doi electroni, poate conține doar un orbital s, este notat cu o celulă; Substratul p are trei orbitali p (3 sloturi), substratul d are cinci orbitali d (5 sloturi), iar substratul f are șapte orbitali f (7 sloturi).

Forma orbitalului depinde de număr cuantic orbital (l - el) atom. Nivelul energiei atomice provine din s- un orbital care are l= 0. Orbitalul prezentat are formă sferică. La nivelurile de după s- se formează orbitali p- orbitali cu l = 1. P Orbitalii au forma unor gantere. Există doar trei orbitali cu această formă. Fiecare orbital posibil conține nu mai mult de 2 electroni. Urmează structuri mai complexe. d-orbitali ( l= 2), iar după ele f-orbitali ( l = 3).

Orez. 3 Forma orbitalilor

Electronii din orbitali sunt prezentați sub formă de săgeți. Dacă orbitalii conțin câte un electron fiecare, atunci ei sunt unidirecționali - săgeată în sus:

Dacă există doi electroni în orbital, atunci aceștia au două direcții: o săgeată în sus și o săgeată în jos, adică. electronii sunt în direcții opuse:

Această structură de electroni se numește valență.

Există trei condiții pentru umplerea orbitalilor atomici cu electroni:

1 conditie: Principiul cantității minime de energie. Umplerea orbitalilor incepe de la subnivelul care are energia minima. Conform acestui principiu, subnivelurile sunt completate în următoarea ordine: ocupați un loc într-un subnivel de un nivel superior, deși subnivelul unui nivel inferior nu este completat. De exemplu, configurația de valență a unui atom de fosfor arată astfel:

Orez. 4

2 condiție: principiul Pauli. Un orbital include 2 electroni (pereche de electroni) și nu mai mult. Dar este posibil și conținutul unui singur electron. Se numește neîmperecheat.

3 condiție: regula lui Hund. Fiecare orbital al unui subnivel este mai întâi umplut cu un electron, apoi li se adaugă un al doilea electron. În viață, am văzut o situație similară când pasagerii necunoscuți din autobuz ocupă mai întâi toate locurile libere pe rând, apoi ocupă două locuri.

Configurația electronică a unui atom în starea fundamentală și excitată

Energia unui atom în starea sa fundamentală este cea mai scăzută. Dacă atomii încep să primească energie din exterior, de exemplu, atunci când o substanță este încălzită, atunci ei trec de la starea fundamentală la una excitată. Această tranziție este posibilă în prezența orbitalilor liberi către care se pot deplasa electronii. Dar aceasta este temporară, eliberând energie, atomul excitat revine la starea sa fundamentală.

Să ne consolidăm cunoștințele cu un exemplu. Luați în considerare configurația electronică, de ex. concentrația de electroni în orbitalii atomului de fosfor din pământ (stare neexcitată). Să ne întoarcem din nou la Fig. 4. Deci, amintiți-vă că atomul de fosfor are trei niveluri de energie, care sunt reprezentate de semiarce: +15)))

Să distribuim cei 15 electroni disponibili în aceste trei niveluri de energie:

Astfel de formule se numesc configurații electronice. Există și electronice - grafice, ele ilustrează plasarea electronilor în interiorul nivelurilor de energie. Configurația electronic-grafică a fosforului arată astfel: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 3 (aici numerele mari sunt numerele nivelurilor de energie, literele sunt subnivelurile, iar cifrele mici sunt numărul de electroni din subnivel, dacă le adunăm, obțineți numărul 15).

În starea excitată a atomului de fosfor 1, electronul se deplasează de la orbitalul 3s la orbitalul 3d, iar configurația arată astfel: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 1 3p 3 3d 1 .

Electronii

Conceptul de atom a apărut în lumea antică pentru a desemna particulele de materie. În greacă, atom înseamnă „indivizibil”.

Fizicianul irlandez Stoney, pe baza unor experimente, a ajuns la concluzia că electricitatea este transportată de cele mai mici particule care există în atomii tuturor elementelor chimice. În 1891, Stoney a propus să numească aceste particule electroni, care în greacă înseamnă „chihlimbar”. La câțiva ani după ce electronul și-a primit numele, fizicianul englez Joseph Thomson și fizicianul francez Jean Perrin au demonstrat că electronii poartă o sarcină negativă. Aceasta este cea mai mică sarcină negativă, care în chimie este luată ca unitate (-1). Thomson a reușit chiar să determine viteza electronului (viteza unui electron pe orbită este invers proporțională cu numărul orbitei n. Razele orbitelor cresc proporțional cu pătratul numărului orbitei. În prima orbită a hidrogenului atom (n=1; Z=1), viteza este ≈ 2,2 106 m/c, adică de aproximativ o sută de ori mai mică decât viteza luminii c=3 108 m/s.) și masa unui electron ( este de aproape 2000 de ori mai mică decât masa unui atom de hidrogen).

Starea electronilor într-un atom

Starea unui electron într-un atom este un set de informații despre energia unui anumit electron și spațiul în care se află. Un electron dintr-un atom nu are o traiectorie de mișcare, adică se poate vorbi doar despre probabilitatea de a-l găsi în spațiul din jurul nucleului.

Poate fi situat în orice parte a acestui spațiu care înconjoară nucleul, iar totalitatea diferitelor sale poziții este considerată ca un nor de electroni cu o anumită densitate de sarcină negativă. Figurat, acest lucru poate fi imaginat după cum urmează: dacă ar fi posibil să se fotografieze poziția unui electron într-un atom în sutimi sau milionatimi de secundă, ca într-un finisaj foto, atunci electronul din astfel de fotografii ar fi reprezentat ca puncte. Suprapunerea a nenumărate astfel de fotografii ar avea ca rezultat o imagine a unui nor de electroni cu cea mai mare densitate, acolo unde vor exista majoritatea acestor puncte.

Spațiul din jurul nucleului atomic, în care electronul este cel mai probabil să se găsească, se numește orbital. Conține aproximativ 90% e-cloud, și asta înseamnă că aproximativ 90% din timp electronul se află în această parte a spațiului. Se disting prin formă 4 tipuri de orbitali cunoscute în prezent, care sunt notate prin latină literele s, p, d și f. O reprezentare grafică a unor forme de orbitali electronici este prezentată în figură.

Cea mai importantă caracteristică a mișcării unui electron pe o anumită orbită este energia conexiunii sale cu nucleul. Electronii cu valori energetice similare formează un singur strat de electroni, sau nivel de energie. Nivelurile de energie sunt numerotate începând de la nucleu - 1, 2, 3, 4, 5, 6 și 7.

Un număr întreg n, care indică numărul nivelului de energie, se numește număr cuantic principal. Caracterizează energia electronilor care ocupă un anumit nivel de energie. Electronii din primul nivel energetic, cel mai aproape de nucleu, au cea mai mică energie.În comparație cu electronii primului nivel, electronii nivelurilor următoare vor fi caracterizați de o cantitate mare de energie. În consecință, electronii de la nivelul exterior sunt cei mai puțin puternic legați de nucleul atomului.

Cel mai mare număr de electroni din nivelul de energie este determinat de formula:

N = 2n2,

unde N este numărul maxim de electroni; n este numărul de nivel sau numărul cuantic principal. În consecință, primul nivel de energie cel mai apropiat de nucleu nu poate conține mai mult de doi electroni; pe al doilea - nu mai mult de 8; pe a treia - nu mai mult de 18; pe a patra - nu mai mult de 32.

Începând de la al doilea nivel energetic (n = 2), fiecare dintre niveluri este subdivizat în subniveluri (substraturi), care diferă oarecum unele de altele prin energia de legare cu nucleul. Numărul de subniveluri este egal cu valoarea numărului cuantic principal: primul nivel de energie are un subnivel; al doilea - doi; a treia - trei; al patrulea - patru subniveluri. Subnivelurile, la rândul lor, sunt formate din orbitali. Fiecare valoaren corespunde numărului de orbitali egal cu n.

Se obișnuiește să se desemneze subnivelurile cu litere latine, precum și forma orbitalilor din care constau: s, p, d, f.

Protoni și neutroni

Un atom al oricărui element chimic este comparabil cu un sistem solar minuscul. Prin urmare, se numește un astfel de model al atomului, propus de E. Rutherford planetar.

Nucleul atomic, în care este concentrată întreaga masă a atomului, este format din particule de două tipuri - protoni si neutroni.

Protonii au o sarcină egală cu sarcina electronilor, dar opus în semn (+1), și o masă egală cu masa unui atom de hidrogen (este acceptată în chimie ca unitate). Neutronii nu poartă nicio sarcină, sunt neutri și au masa egală cu cea a unui proton.

Protonii și neutronii sunt numiți colectiv nucleoni (din latinescul nucleus - nucleus). Suma numărului de protoni și neutroni dintr-un atom se numește număr de masă. De exemplu, numărul de masă al unui atom de aluminiu:

13 + 14 = 27

numărul de protoni 13, numărul de neutroni 14, numărul de masă 27

Deoarece masa electronului, care este neglijabilă, poate fi neglijată, este evident că întreaga masă a atomului este concentrată în nucleu. Electronii reprezintă e - .

Pentru că atomul neutru din punct de vedere electric, este, de asemenea, evident că numărul de protoni și electroni dintr-un atom este același. Este egal cu numărul de serie al elementului chimic atribuit acestuia în sistemul periodic. Masa unui atom este formată din masa de protoni și neutroni. Cunoscând numărul de serie al elementului (Z), adică numărul de protoni și numărul de masă (A), egal cu suma numerelor de protoni și neutroni, puteți găsi numărul de neutroni (N) folosind formula :

N=A-Z

De exemplu, numărul de neutroni dintr-un atom de fier este:

56 — 26 = 30

izotopi

Sunt numite varietăți de atomi ai aceluiași element care au aceeași sarcină nucleară, dar numere de masă diferite izotopi. Elementele chimice găsite în natură sunt un amestec de izotopi. Deci, carbonul are trei izotopi cu o masă de 12, 13, 14; oxigen - trei izotopi cu o masă de 16, 17, 18 etc. De obicei, dată în sistemul periodic, masa atomică relativă a unui element chimic este valoarea medie a maselor atomice ale unui amestec natural de izotopi ai unui element dat, ţinând cont de abundenţa lor relativă în natură. Proprietățile chimice ale izotopilor majorității elementelor chimice sunt exact aceleași. Cu toate acestea, izotopii de hidrogen diferă foarte mult în proprietăți datorită creșterii dramatice a masei lor atomice relative; li s-au dat chiar nume individuale și simboluri chimice.

Elemente ale primei perioade

Schema structurii electronice a atomului de hidrogen:

Schemele structurii electronice a atomilor arată distribuția electronilor peste straturile electronice (nivelurile de energie).

Formula electronică grafică a atomului de hidrogen (arată distribuția electronilor pe niveluri și subniveluri de energie):

Formulele electronice grafice ale atomilor arată distribuția electronilor nu numai în niveluri și subnivele, ci și în orbite.

Într-un atom de heliu, primul strat de electroni este completat - are 2 electroni. Hidrogenul și heliul sunt elemente s; pentru acești atomi, orbitalul s este umplut cu electroni.

Toate elementele celei de-a doua perioade primul strat de electroni este umplut, iar electronii umplu orbitalii s și p ai celui de-al doilea strat de electroni în conformitate cu principiul energiei minime (întâi s, apoi p) și cu regulile lui Pauli și Hund.

În atomul de neon, al doilea strat de electroni este completat - are 8 electroni.

Pentru atomii elementelor din a treia perioadă, primul și al doilea strat de electroni sunt completați, astfel încât al treilea strat de electroni este umplut, în care electronii pot ocupa subnivelurile 3s, 3p și 3d.

Un orbital de electroni 3s este completat la atomul de magneziu. Na și Mg sunt elemente s.

Pentru aluminiu și elementele ulterioare, subnivelul 3p este umplut cu electroni.

Elementele din a treia perioadă au orbitali 3d neumpluți.

Toate elementele de la Al la Ar sunt elemente p. Elementele s- și p formează principalele subgrupe din sistemul periodic.

Elemente ale perioadei a patra - a șaptea

Un al patrulea strat de electroni apare la atomii de potasiu și calciu, subnivelul 4s este umplut, deoarece are mai puțină energie decât subnivelul 3d.

K, Ca - s-elemente incluse în principalele subgrupe. Pentru atomii de la Sc la Zn, subnivelul 3d este umplut cu electroni. Acestea sunt elemente 3D. Sunt incluse în subgrupurile secundare, au un strat de electroni pre-extern umplut, sunt denumite elemente de tranziție.

Acordați atenție structurii învelișurilor de electroni ale atomilor de crom și cupru. În ele, are loc o „eșec” a unui electron de la nivelul 4s la subnivelul 3d, care se explică prin stabilitatea energetică mai mare a configurațiilor electronice rezultate 3d 5 și 3d 10:

În atomul de zinc, al treilea strat de electroni este completat - toate subnivelurile 3s, 3p și 3d sunt umplute în el, în total sunt 18 electroni pe ele. În elementele care urmează zincului, al patrulea strat de electroni continuă să fie umplut, subnivelul 4p.

Elementele de la Ga la Kr sunt elemente p.

Stratul exterior (al patrulea) al atomului de cripton este complet și are 8 electroni. Dar pot fi doar 32 de electroni în al patrulea strat de electroni; subnivelurile 4d și 4f ale atomului de cripton rămân încă neumplute Elementele perioadei a cincea umplu subnivelurile în următoarea ordine: 5s - 4d - 5p. Și există și excepții legate de " eșec» electroni, y 41 Nb, 42 Mo, 44 ​​​​Ru, 45 Rh, 46 Pd, 47 Ag.

În perioadele a șasea și a șaptea, apar elemente f, adică elemente în care sunt umplute subnivelurile 4f și, respectiv, 5f ale celui de-al treilea strat electronic exterior.

Elementele 4f se numesc lantanide.

Elementele 5f se numesc actinide.

Ordinea de umplere a subnivelurilor electronice în atomii elementelor din perioada a șasea: 55 Cs și 56 Ba - 6s-elemente; 57 La … 6s 2 5d x - 5d element; 58 Ce - 71 Lu - 4f elemente; 72 Hf - 80 Hg - 5d elemente; 81 T1 - 86 Rn - 6d elemente. Dar chiar și aici există elemente în care ordinea de umplere a orbitalilor electronici este „încălcată”, ceea ce, de exemplu, este asociat cu o mai mare stabilitate energetică a subnivelurilor f jumătate și complet umplute, adică nf 7 și nf 14. În funcție de subnivelul atomului umplut cu electroni, toate elementele sunt împărțite în patru familii electronice sau blocuri:

• s-elemente. Subnivelul s al nivelului exterior al atomului este umplut cu electroni; Elementele s includ hidrogen, heliu și elemente din principalele subgrupe ale grupelor I și II.

• p-elemente. Subnivelul p al nivelului exterior al atomului este umplut cu electroni; Elementele p includ elemente ale principalelor subgrupe ale grupurilor III-VIII.

• d-elemente. Subnivelul d al nivelului preextern al atomului este umplut cu electroni; Elementele d includ elemente ale subgrupurilor secundare ale grupelor I-VIII, adică elemente ale deceniilor intercalare de perioade mari situate între elementele s și p. Ele sunt numite și elemente de tranziție.

• elemente f. Subnivelul f al celui de-al treilea nivel exterior al atomului este umplut cu electroni; acestea includ lantanidele și antinoidele.

Fizicianul elvețian W. Pauli în 1925 a stabilit că într-un atom dintr-un orbital nu pot exista mai mult de doi electroni având spini opuși (antiparaleli) (tradus din engleză - „fus”), adică având astfel de proprietăți care pot fi imaginate condiționat ca rotația unui electron în jurul axei sale imaginare: în sensul acelor de ceasornic sau în sens invers acelor de ceasornic.

Acest principiu se numește principiul Pauli. Dacă există un electron în orbital, atunci se numește nepereche, dacă sunt doi, atunci aceștia sunt electroni perechi, adică electroni cu spini opuși. Figura prezintă o diagramă a împărțirii nivelurilor de energie în subnivele și ordinea în care sunt umplute.

Foarte des, structura învelișurilor de electroni ale atomilor este descrisă folosind energie sau celule cuantice - ei notează așa-numitele formule electronice grafice. Pentru această înregistrare se folosește următoarea notație: fiecare celulă cuantică este notată cu o celulă care corespunde unui orbital; fiecare electron este indicat printr-o săgeată corespunzătoare direcției spinului. Când scrieți o formulă electronică grafică, trebuie reținute două reguli: Principiul Pauli și regula lui F. Hund, conform căreia electronii ocupă celulele libere întâi pe rând și au în același timp aceeași valoare de spin și abia apoi se împerechează, dar spinii, conform principiului Pauli, vor fi deja direcționați opus.

regula lui Hund și principiul lui Pauli

regula lui Hund- regula chimiei cuantice, care determină ordinea de umplere a orbitalilor unui anumit substrat și se formulează astfel: valoarea totală a numărului cuantic de spin al electronilor acestui substrat să fie maximă. Formulat de Friedrich Hund în 1925.

Aceasta înseamnă că în fiecare dintre orbitalii substratului, un electron este mai întâi umplut și numai după epuizarea orbitalilor neumpluți, un al doilea electron este adăugat la acest orbital. În acest caz, există doi electroni cu spini semiîntregi de semn opus într-un orbital, care pereche (formează un nor cu doi electroni) și, ca urmare, spinul total al orbitalului devine egal cu zero.

Altă formulare: Mai jos în energie se află termenul atomic pentru care sunt îndeplinite două condiții.

1. Multiplicitatea este maximă
2. Când multiplicitățile coincid, impulsul total orbital L este maxim.

Să analizăm această regulă folosind exemplul de umplere a orbitalilor subnivelului p p- elemente din a doua perioadă (adică de la bor la neon (în diagrama de mai jos, liniile orizontale indică orbitali, săgețile verticale indică electronii, iar direcția săgeții indică orientarea spinului).

regula lui Klechkovsky

regula lui Klechkovsky - pe măsură ce numărul total de electroni din atomi crește (cu o creștere a sarcinilor nucleelor ​​lor sau a numerelor ordinale ale elementelor chimice), orbitalii atomici sunt populați în așa fel încât apariția electronilor în orbitalii de energie superioară depinde numai de numărul cuantic principal n și nu depinde de toate celelalte numere cuantice.numerele, inclusiv cele din l. Din punct de vedere fizic, aceasta înseamnă că într-un atom asemănător hidrogenului (în absența repulsiei interelectronilor) energia orbitală a unui electron este determinată numai de distanța spațială a densității de sarcină a electronului față de nucleu și nu depinde de caracteristicile mișcării sale. în câmpul nucleului.

Regula empirică a lui Klechkovsky și succesiunea secvențelor unei secvențe de energie reală oarecum contradictorie a orbitalilor atomici care decurg din aceasta numai în două cazuri de același tip: pentru atomii Cr, Cu, Nb, Mo, Ru, Rh, Pd, Ag, Pt, Au, există o „eșec” a unui electron cu s - subnivelul stratului exterior la subnivelul d al stratului anterior, ceea ce duce la o stare energetic mai stabilă a atomului și anume: după umplerea orbitalului 6 cu două electroni s