Compoziția atomului.

Un atom este format din nucleul atomicși învelișul de electroni.

Nucleul unui atom este format din protoni ( p+) și neutroni ( n 0). Majoritatea atomilor de hidrogen au un singur nucleu de proton.

Numărul de protoni N(p+) este egal cu sarcina nucleară ( Z) și numărul ordinal al elementului din seria naturală de elemente (și din sistemul periodic de elemente).

N(p +) = Z

Suma numărului de neutroni N(n 0), notat simplu prin litera N, și numărul de protoni Z numit numar de masași este marcat cu litera DAR.

A = Z + N

Învelișul de electroni a unui atom este format din electroni care se mișcă în jurul nucleului ( e -).

Numărul de electroni N(e-) în învelișul de electroni a unui atom neutru este egal cu numărul de protoni Zîn miezul ei.

Masa unui proton este aproximativ egală cu masa unui neutron și de 1840 de ori masa unui electron, deci masa unui atom este practic egală cu masa nucleului.

Forma unui atom este sferică. Raza nucleului este de aproximativ 100.000 de ori mai mică decât raza atomului.

Element chimic- tip de atomi (mult de atomi) cu aceeași sarcină nucleară (cu același număr de protoni în nucleu).

Izotop- un set de atomi ai unui element cu același număr de neutroni în nucleu (sau un tip de atomi cu același număr de protoni și același număr de neutroni în nucleu).

Diferiții izotopi diferă unul de celălalt prin numărul de neutroni din nucleele atomilor lor.

Desemnarea unui singur atom sau izotop: (E - simbolul elementului), de exemplu: .

Structura învelișului electronic al atomului

orbital atomic este starea unui electron într-un atom. Simbol orbital - . Fiecare orbital corespunde unui nor de electroni.

Orbitalii atomilor reali din starea fundamentală (neexcitată) sunt de patru tipuri: s, p, dși f.

nor electronic- partea de spațiu în care poate fi găsit un electron cu o probabilitate de 90 (sau mai mult) la sută.

Notă: uneori conceptele de „orbital atomic” și „nor de electroni” nu se disting, numindu-le pe ambele „orbital atomic”.

Învelișul de electroni a unui atom este stratificat. Stratul electronic format din nori de electroni de aceeași dimensiune. Se formează orbitalii unui singur strat nivel electronic („energie”), energiile lor sunt aceleași pentru atomul de hidrogen, dar diferite pentru alți atomi.

Orbitalii de același nivel sunt grupați în electronic (energie) subnivele:
s- subnivel (constă dintr-un singur s-orbitali), simbol - .
p subnivel (constă din trei p
d subnivel (constă din cinci d-orbitali), simbol - .
f subnivel (constă din șapte f-orbitali), simbol - .

Energiile orbitalilor aceluiasi subnivel sunt aceleasi.

La desemnarea subnivelurilor, numărul stratului (nivelul electronic) este adăugat simbolului subnivelului, de exemplu: 2 s, 3p, 5d mijloace s- subnivelul celui de-al doilea nivel, p- subnivelul celui de-al treilea nivel, d- subnivelul celui de-al cincilea nivel.

Numărul total de subnivele dintr-un nivel este egal cu numărul nivelului n. Numărul total de orbitali dintr-un nivel este n 2. În consecință, numărul total de nori dintr-un strat este de asemenea n 2 .

Denumiri: - orbital liber (fără electroni), - orbital cu un electron nepereche, - orbital cu o pereche de electroni (cu doi electroni).

Ordinea în care electronii umplu orbitalii unui atom este determinată de trei legi ale naturii (formulările sunt date într-un mod simplificat):

1. Principiul energiei minime - electronii umplu orbitalii în ordinea creșterii energiei orbitalilor.

2. Principiul lui Pauli – nu pot exista mai mult de doi electroni într-un orbital.

3. Regula lui Hund - în cadrul subnivelului, electronii umplu mai întâi orbitalii liberi (câte unul) și abia după aceea formează perechi de electroni.

Numărul total de electroni în nivelul electronic (sau în stratul electronic) este 2 n 2 .

Distribuția subnivelurilor după energie este exprimată în continuare (în ordinea creșterii energiei):

1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p, 5s, 4d, 5p, 6s, 4f, 5d, 6p, 7s, 5f, 6d, 7p ...

Vizual, această secvență este exprimată prin diagrama energetică:

Distribuția electronilor unui atom pe niveluri, subnivele și orbitali (configurația electronică a unui atom) poate fi descrisă ca o formulă electronică, o diagramă energetică sau, mai simplu, ca o diagramă a straturilor electronice ("diagrama electronică") .

Exemple de structura electronică a atomilor:

electroni de valență- electronii unui atom care pot lua parte la formarea legăturilor chimice. Pentru orice atom, aceștia sunt toți electronii exteriori plus acei electroni pre-exteriori a căror energie este mai mare decât cea a celor exteriori. De exemplu: atomul de Ca are 4 electroni exteriori s 2, sunt și valență; atomul de Fe are electroni externi - 4 s 2 dar el are 3 d 6, prin urmare atomul de fier are 8 electroni de valență. Formula electronică de valență a atomului de calciu este 4 s 2 și atomi de fier - 4 s 2 3d 6 .

Sistem periodic de elemente chimice a lui D. I. Mendeleev
(sistemul natural de elemente chimice)

Legea periodică a elementelor chimice(formulare modernă): proprietățile elementelor chimice, precum și substanțele simple și complexe formate de acestea, sunt într-o dependență periodică de valoarea sarcinii din nucleele atomice.

Sistem periodic- exprimarea grafică a legii periodice.

Gama naturală de elemente chimice- un număr de elemente chimice, dispuse în funcție de creșterea numărului de protoni din nucleele atomilor lor, sau, ceea ce este la fel, în funcție de creșterea sarcinilor nucleelor ​​acestor atomi. Numărul de serie al unui element din această serie este egal cu numărul de protoni din nucleul oricărui atom al acestui element.

Tabelul elementelor chimice este construit prin „decuparea” seriei naturale de elemente chimice în perioade(rânduri orizontale ale tabelului) și grupări (coloane verticale ale tabelului) de elemente cu o structură electronică similară a atomilor.

În funcție de modul în care elementele sunt combinate în grupuri, un tabel poate fi perioada lunga(se colectează în grupuri elemente cu același număr și tip de electroni de valență) și Pe termen scurt(elementele cu același număr de electroni de valență sunt colectate în grupuri).

Grupurile din tabelul cu perioade scurte sunt împărțite în subgrupe ( principalși efecte secundare), care coincid cu grupurile tabelului cu perioade lungi.

Toți atomii elementelor aceleiași perioade au același număr de straturi de electroni, egal cu numărul perioadei.

Numărul de elemente din perioade: 2, 8, 8, 18, 18, 32, 32. Majoritatea elementelor perioadei a opta au fost obținute artificial, ultimele elemente din această perioadă nefiind încă sintetizate. Toate perioadele, cu excepția primei, încep cu un element de formare a metalelor alcaline (Li, Na, K etc.) și se termină cu un element de formare a gazului nobil (He, Ne, Ar, Kr etc.).

În tabelul cu perioade scurte - opt grupuri, fiecare dintre ele împărțit în două subgrupe (principal și secundar), în tabelul cu perioade lungi - șaisprezece grupuri, care sunt numerotate cu cifre romane cu literele A sau B, de exemplu: IA, IIIB, VIA, VIIB. Grupa IA a tabelului cu perioade lungi corespunde subgrupului principal al primului grup al tabelului cu perioade scurte; grupa VIIB - subgrupul secundar al celui de-al șaptelea grup: restul - în mod similar.

Caracteristicile elementelor chimice se schimbă în mod natural în grupuri și perioade.

În perioade (cu numărul de serie din ce în ce mai mare)

• sarcina nucleară crește
• numărul de electroni exteriori crește,
• raza atomilor scade,
• puterea de legătură a electronilor cu nucleul crește (energie de ionizare),
• electronegativitatea crește.
• proprietățile oxidante ale substanțelor simple sunt îmbunătățite ("non-metalicitatea"),
• proprietățile reducătoare ale substanțelor simple ("metalicitatea") slăbesc,
• slăbește caracterul de bază al hidroxizilor și al oxizilor corespunzători,
• caracterul acid al hidroxizilor și al oxizilor corespunzători crește.

În grupuri (cu numărul de serie din ce în ce mai mare)

• sarcina nucleară crește
• raza atomilor crește (numai în grupele A),
• puterea legăturii dintre electroni și nucleu scade (energia de ionizare; numai în grupele A),
• electronegativitatea scade (numai în grupele A),
• slăbesc proprietățile oxidante ale substanțelor simple („non-metalicitate”; numai în grupele A),
• proprietățile reducătoare ale substanțelor simple sunt îmbunătățite („metalicitate”; numai în grupele A),
• caracterul de bază al hidroxizilor și al oxizilor corespunzători crește (numai în grupele A),
• natura acidă a hidroxizilor și a oxizilor corespunzători slăbește (numai în grupele A),
• stabilitatea compușilor cu hidrogen scade (activitatea lor reducătoare crește; numai în grupele A).

Sarcini și teste pe tema „Tema 9. „Structura atomului. Legea periodică și sistemul periodic al elementelor chimice ale lui D. I. Mendeleev (PSCE)"."

• Legea periodică - Legea periodică și structura atomilor Clasa 8–9
  Ar trebui să știți: legile umplerii orbitalilor cu electroni (principiul energiei minime, principiul lui Pauli, regula lui Hund), structura sistemului periodic de elemente.

  Ar trebui să fiți capabil să: determinați compoziția unui atom după poziția unui element în sistemul periodic și, dimpotrivă, să găsiți un element în sistemul periodic, cunoscându-i compoziția; descrieți diagrama structurii, configurația electronică a unui atom, ion și, invers, determinați poziția unui element chimic în PSCE din diagramă și configurația electronică; caracterizează elementul și substanțele pe care le formează în funcție de poziția sa în PSCE; determina modificările razei atomilor, proprietățile elementelor chimice și substanțele pe care le formează într-o perioadă și un subgrup principal al sistemului periodic.

  Exemplul 1 Determinați numărul de orbitali din al treilea nivel electronic. Care sunt acești orbitali?
  Pentru a determina numărul de orbitali, folosim formula N orbitali = n 2, unde n- numărul nivelului. N orbitali = 3 2 = 9. Unu 3 s-, trei 3 p- și cinci 3 d-orbitali.

  Exemplul 2 Determinați atomul al cărui element are formula electronică 1 s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 1 .
  Pentru a determina ce element este, trebuie să aflați numărul său de serie, care este egal cu numărul total de electroni din atom. În acest caz: 2 + 2 + 6 + 2 + 1 = 13. Acesta este aluminiu.

  După ce v-ați asigurat că tot ce aveți nevoie este învățat, treceți la sarcini. Vă dorim succes.

  
  Literatura recomandata:
  • O. S. Gabrielyan și alții.Chimie, clasa a XI-a. M., Butarda, 2002;
  • G. E. Rudzitis, F. G. Feldman. Chimie 11 celule. M., Educație, 2001.

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 până 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 reciproc.

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 deplasează 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) formulat 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 (ca sărituri) electronului 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 prezența anumitor orbite pentru microparticule (este imposibil de determinat poziția exactă a electronilor în mișcare, deoarece aceștia se mișcă 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 un nivel de energie atât de mare 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. 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 unul cu celălalt, 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 protejează 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 doilea 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 extern, 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

Un atom este cea mai mică particulă de materie. Studiul său a început în Grecia antică, când atenția nu numai a oamenilor de știință, ci și a filozofilor a fost concentrată asupra structurii atomului. Care este structura electronică a unui atom și ce informații de bază se cunosc despre această particulă?

Structura atomului

Oamenii de știință greci antici au ghicit deja existența celor mai mici particule chimice care alcătuiesc orice obiect și organism. Iar dacă în secolele XVII-XVIII. chimiștii erau siguri că atomul este o particulă elementară indivizibilă, apoi la începutul secolelor XIX-XX, au reușit să demonstreze experimental că atomul nu este indivizibil.

Un atom, fiind o particulă microscopică de materie, este format dintr-un nucleu și electroni. Nucleul este de 10.000 de ori mai mic decât un atom, dar aproape toată masa sa este concentrată în nucleu. Principala caracteristică a nucleului atomic este că are o sarcină pozitivă și este format din protoni și neutroni. Protonii sunt încărcați pozitiv, în timp ce neutronii nu au sarcină (sunt neutri).

Ele sunt conectate între ele prin forța nucleară puternică. Masa unui proton este aproximativ egală cu masa unui neutron, dar în același timp este de 1840 de ori mai mare decât masa unui electron. Protonii și neutronii au un nume comun în chimie - nucleoni. Atomul însuși este neutru din punct de vedere electric.

Un atom al oricărui element poate fi notat printr-o formulă electronică și o formulă grafică electronică:

Orez. 1. Formula electron-grafică a atomului.

Singurul element din Tabelul Periodic care nu conține neutroni este hidrogenul ușor (protium).

Un electron este o particulă încărcată negativ. Învelișul de electroni este format din electroni care se mișcă în jurul nucleului. Electronii au proprietăți de a fi atrași de nucleu, iar între ei sunt influențați de interacțiunea Coulomb. Pentru a depăși atracția nucleului, electronii trebuie să primească energie dintr-o sursă externă. Cu cât electronul este mai departe de nucleu, cu atât este nevoie de mai puțină energie pentru aceasta.

Modele atomice

Multă vreme, oamenii de știință au căutat să înțeleagă natura atomului. Într-un stadiu incipient, filozoful grec antic Democrit a adus o mare contribuție. Deși acum teoria lui ni se pare banală și prea simplă, într-o perioadă în care ideile despre particulele elementare abia începeau să apară, teoria lui despre bucățile de materie a fost luată destul de în serios. Democrit credea că proprietățile oricărei substanțe depind de forma, masa și alte caracteristici ale atomilor. Deci, de exemplu, lângă foc, credea el, există atomi ascuțiți - prin urmare, focul arde; apa are atomi netezi, deci poate curge; în obiectele solide, în opinia lui, atomii erau aspri.

Democrit credea că absolut totul este format din atomi, chiar și sufletul uman.

În 1904, J. J. Thomson și-a propus modelul atomului. Principalele prevederi ale teoriei s-au rezumat la faptul că atomul era reprezentat ca un corp încărcat pozitiv, în interiorul căruia se aflau electroni cu sarcină negativă. Mai târziu această teorie a fost infirmată de E. Rutherford.

Orez. 2. Modelul lui Thomson al atomului.

Tot în 1904, fizicianul japonez H. Nagaoka a propus un model planetar timpuriu al atomului prin analogie cu planeta Saturn. Conform acestei teorii, electronii sunt uniți în inele și se învârt în jurul unui nucleu încărcat pozitiv. Această teorie s-a dovedit a fi greșită.

În 1911, E. Rutherford, după ce a făcut o serie de experimente, a ajuns la concluzia că atomul din structura sa este similar cu sistemul planetar. La urma urmei, electronii, ca și planetele, se mișcă pe orbite în jurul unui nucleu greu încărcat pozitiv. Cu toate acestea, această descriere a contrazis electrodinamica clasică. Atunci fizicianul danez Niels Bohr a introdus în 1913 postulatele, a căror esență era că electronul, aflându-se în unele stări speciale, nu radiază energie. Astfel, postulatele lui Bohr au arătat că mecanica clasică este inaplicabilă atomilor. Modelul planetar descris de Rutherford și completat de Bohr a fost numit modelul planetar Bohr-Rutherford.

Orez. 3. Modelul planetar Bohr-Rutherford.

Studiul suplimentar al atomului a dus la crearea unei astfel de secțiuni precum mecanica cuantică, cu ajutorul căreia au fost explicate multe fapte științifice. Ideile moderne despre atom s-au dezvoltat din modelul planetar Bohr-Rutherford.Evaluarea raportului

Rata medie: 4.4. Evaluări totale primite: 469.

(Note de curs)

Structura atomului. Introducere.

Obiectul de studiu în chimie îl reprezintă elementele chimice și compușii acestora. element chimic Se numește un grup de atomi cu aceeași sarcină pozitivă. Atom este cea mai mică particulă a unui element chimic care o reține Proprietăți chimice. Conectându-se între ei, atomii unuia sau ai diferitelor elemente formează particule mai complexe - molecule. O colecție de atomi sau molecule formează substanțe chimice. Fiecare substanță chimică individuală este caracterizată de un set de proprietăți fizice individuale, cum ar fi punctele de fierbere și de topire, densitatea, conductivitatea electrică și termică etc.

1. Structura atomului și sistemul periodic de elemente

DI. Mendeleev.

Cunoașterea și înțelegerea regularităților ordinii de umplere a Sistemului periodic de elemente D.I. Mendeleev ne permite să înțelegem următoarele:

1. esența fizică a existenței în natură a anumitor elemente,

2. natura valenței chimice a elementului,

3. capacitatea și „ușurința” unui element de a da sau primi electroni atunci când interacționează cu un alt element,

4. natura legăturilor chimice pe care le poate forma un element dat atunci când interacționează cu alte elemente, structura spațială a moleculelor simple și complexe etc., etc.

Structura atomului.

Un atom este un microsistem complex de particule elementare aflate în mișcare și care interacționează între ele.

La sfârșitul secolului al XIX-lea și începutul secolului XX, s-a constatat că atomii sunt formați din particule mai mici: neutroni, protoni și electroni.Ultimele două particule sunt particule încărcate, protonul poartă o sarcină pozitivă, electronul este negativ. Deoarece atomii unui element în starea fundamentală sunt neutri din punct de vedere electric, aceasta înseamnă că numărul de protoni dintr-un atom al oricărui element este egal cu numărul de electroni. Masa atomilor este determinată de suma maselor de protoni și neutroni, al căror număr este egal cu diferența dintre masa atomilor și numărul său de serie în sistemul periodic al D.I. Mendeleev.

În 1926, Schrodinger a propus să descrie mișcarea microparticulelor în atomul unui element folosind ecuația de undă pe care a derivat-o. Când se rezolvă ecuația de undă Schrödinger pentru atomul de hidrogen, apar trei numere cuantice întregi: n, ℓ și m ℓ , care caracterizează starea unui electron în spațiul tridimensional din câmpul central al nucleului. numere cuantice n, ℓ și m ℓ iau valori întregi. Funcția de undă definită de trei numere cuantice n, ℓ și m ℓ și obținută ca urmare a rezolvării ecuației Schrödinger se numește orbital. Un orbital este o regiune a spațiului în care este cel mai probabil să se găsească un electron. aparținând unui atom al unui element chimic. Astfel, soluția ecuației Schrödinger pentru atomul de hidrogen duce la apariția a trei numere cuantice, al căror sens fizic este că ele caracterizează trei tipuri diferite de orbitali pe care îi poate avea un atom. Să aruncăm o privire mai atentă asupra fiecărui număr cuantic.

Numărul cuantic principal n poate lua orice valori întregi pozitive: n = 1,2,3,4,5,6,7... Caracterizează energia nivelului electronic și dimensiunea „norului” electronic. Este caracteristic că numărul numărului cuantic principal coincide cu numărul perioadei în care se află elementul dat.

Număr cuantic azimutal sau orbitalℓ poate lua valori întregi de la ℓ = 0….până la n – 1 și determină momentul mișcării electronilor, adică formă orbitală. Pentru diferite valori numerice ale ℓ, se utilizează următoarea notație: ℓ = 0, 1, 2, 3 și sunt notate prin simboluri s, p, d, f, respectiv pentru ℓ = 0, 1, 2 și 3. În tabelul periodic al elementelor nu există elemente cu număr de spin ℓ = 4.

Numărul cuantic magneticm ℓ caracterizează aranjarea spațială a orbitalilor electronilor și, în consecință, proprietățile electromagnetice ale electronului. Poate lua valori de la - ℓ la + ℓ , inclusiv zero.

Forma sau, mai precis, proprietățile de simetrie ale orbitalilor atomici depind de numerele cuantice ℓ și m ℓ . „nor electronic”, corespunzător s- orbitalii are, are forma unei bile (în același timp ℓ = 0).

Fig.1. orbital 1s

Orbitalii definiți prin numere cuantice ℓ = 1 și m ℓ = -1, 0 și +1 se numesc p-orbitali. Deoarece m ℓ în acest caz are trei valori diferite, atunci atomul are trei orbitali p echivalenti energetic (numărul cuantic principal pentru ei este același și poate avea valoarea n = 2,3,4,5,6 sau 7) . p-Orbitalii au simetrie axială și au forma unor opturi tridimensionale, orientați de-a lungul axelor x, y și z într-un câmp extern (Fig. 1.2). De aici și originea simbolurilor p x , p y și p z .

Fig.2. p x , p y și p z -orbitali

În plus, există orbitali atomici d- și f, pentru primul ℓ = 2 și m ℓ = -2, -1, 0, +1 și +2, adică. cinci AO, pentru al doilea ℓ = 3 și m ℓ = -3, -2, -1, 0, +1, +2 și +3, i.e. 7 AO.

a patra cuantă m s numit număr cuantic de spin, a fost introdus pentru a explica unele efecte subtile în spectrul atomului de hidrogen de către Goudsmit și Uhlenbeck în 1925. Spinul unui electron este momentul unghiular al unei particule elementare încărcate a unui electron, a cărei orientare este cuantificată, adică limitată strict la anumite unghiuri. Această orientare este determinată de valoarea numărului cuantic magnetic de spin (s), care este pentru un electron ½ , deci, pentru un electron, conform regulilor de cuantizare m s = ± ½. În acest sens, la setul de trei numere cuantice, trebuie adăugat numărul cuantic m s . Subliniem încă o dată că patru numere cuantice determină ordinea în care este construit tabelul periodic al elementelor lui Mendeleev și explicăm de ce există doar două elemente în prima perioadă, opt în a doua și a treia, 18 în a patra și așa mai departe. , pentru a explica structura multielectronului atomilor, ordinea în care nivelurile electronice sunt umplute pe măsură ce sarcina pozitivă a unui atom crește, nu este suficient să avem o idee despre cele patru numere cuantice care „guvernează” comportamentul electronilor. atunci când umpleți orbitalii electronilor, dar trebuie să cunoașteți câteva reguli mai simple, și anume, Principiul lui Pauli, regula lui Gund și regulile lui Klechkovsky.

Conform principiului Pauli în aceeași stare cuantică, caracterizată prin anumite valori a patru numere cuantice, nu poate exista mai mult de un electron. Aceasta înseamnă că un electron poate fi, în principiu, plasat în orice orbital atomic. Doi electroni pot fi în același orbital atomic numai dacă au numere cuantice de spin diferite.

Când umpleți trei p-AO-uri, cinci d-AO-uri și șapte f-AO-uri cu electroni, ar trebui să vă ghidați nu numai de principiul Pauli, ci și de regula Hund: Umplerea orbitalilor unui subshell în starea fundamentală are loc cu electroni cu aceiași spini.

La umplerea subcociilor (p, d, f) valoarea absolută a sumei rotirilor trebuie să fie maximă.

regula lui Klechkovsky. Conform regulii Klechkovsky, la umplered și forbital de electroni trebuie respectatprincipiul energiei minime. Conform acestui principiu, electronii în starea fundamentală umplu orbitele cu niveluri minime de energie. Energia de subnivel este determinată de suma numerelor cuanticen + ℓ = E .

Prima regulă a lui Klechkovsky: mai întâi umple acele subniveluri pentru caren + ℓ = E minim.

A doua regulă a lui Klechkovsky: în caz de egalitaten + ℓ pentru mai multe subniveluri, subnivelul pentru caren minim .

În prezent, sunt cunoscute 109 elemente.

2. Energia de ionizare, afinitatea electronică și electronegativitatea.

Cele mai importante caracteristici ale configurației electronice a unui atom sunt energia de ionizare (EI) sau potențialul de ionizare (IP) și afinitatea electronică (SE) a atomului. Energia de ionizare este schimbarea energiei în procesul de desprindere a unui electron de un atom liber la 0 K: A = + + ē . Dependența energiei de ionizare de numărul atomic Z al elementului, dimensiunea razei atomice are un caracter periodic pronunțat.

Afinitatea electronică (SE) este modificarea energiei care însoțește adăugarea unui electron la un atom izolat cu formarea unui ion negativ la 0 K: A + ē = A - (atomul și ionul sunt în starea lor fundamentală).În acest caz, electronul ocupă cel mai jos orbital atomic liber (LUAO) dacă VZAO este ocupat de doi electroni. SE depinde foarte mult de configurația lor electronică orbitală.

Modificările EI și SE se corelează cu modificările multor proprietăți ale elementelor și compușilor acestora, care este folosit pentru a prezice aceste proprietăți din valorile EI și SE. Halogenii au cea mai mare afinitate electronică absolută. În fiecare grupă a tabelului periodic al elementelor, potențialul de ionizare sau EI scade odată cu creșterea numărului de elemente, ceea ce este asociat cu o creștere a razei atomice și cu o creștere a numărului de straturi de electroni și care se corelează bine cu o creștere a puterea de reducere a elementului.

Tabelul 1 din Tabelul Periodic al Elementelor oferă valorile EI și SE în eV/atom. Rețineți că valorile exacte ale SE sunt cunoscute doar pentru câțiva atomi; valorile lor sunt subliniate în tabelul 1.

tabelul 1

Prima energie de ionizare (EI), afinitatea electronică (SE) și electronegativitatea χ) a atomilor din sistemul periodic.

χ	0.747 2. 1 0 0, 3 7																	1,2 2
χ	0.54 1. 55	-0.3 1. 1 3											0.2 0. 91	1.2 5	-0. 1 0, 55	1.47 0. 59	3.45 0. 64	1 ,60
χ	0. 7 4 1. 89	-0.3 1 . 3 1 1 . 6 0											0. 6	1.63	0.7	2.07	3.61
χ	2.3 6	- 0 .6						1,26(α)				-0.9 1 . 39	0. 18	1.2	0. 6	2.07	3.36
χ	2.4 8											-0.6 1 . 56	0. 2			2.2
χ	2.6 7	2, 2 1						Os

χ - Electronegativitatea Pauling

r- raza atomică, (din „Cursele de laborator și seminarii de chimie generală și anorganică”, N.S. Akhmetov, M.K. Azizova, L.I. Badygina)

Compoziția unei molecule. Adică prin ce atomi este formată molecula, în ce cantitate, prin ce legături sunt legați acești atomi. Toate acestea determină proprietatea moleculei și, în consecință, proprietatea substanței pe care o formează aceste molecule.

De exemplu, proprietățile apei: transparența, fluiditatea, capacitatea de a provoca rugină se datorează tocmai prezenței a doi atomi de hidrogen și a unui atom de oxigen.

Prin urmare, înainte de a trece la studiul proprietăților moleculelor (adică proprietățile substanțelor), este necesar să se ia în considerare „blocurile de construcție” prin care se formează aceste molecule. Înțelegeți structura atomului.

Cum este aranjat un atom?

Atomii sunt particule care, atunci când sunt combinate între ele, formează molecule.

Atomul însuși este alcătuit din nucleu încărcat pozitiv (+)și înveliș de electroni încărcat negativ (-). În general, atomul este neutru din punct de vedere electric. Adică, sarcina nucleului este egală în valoare absolută cu sarcina învelișului de electroni.

Nucleul este format din următoarele particule:

• Protoni. Un proton poartă o sarcină +1. Masa sa este de 1 amu (unitate de masă atomică). Aceste particule sunt în mod necesar prezente în nucleu.

• Neutroni. Neutronul nu are sarcină (sarcină = 0). Masa sa este de 1 amu. Este posibil ca neutronii să nu fie în nucleu. Nu este o componentă necesară a nucleului atomic.

Astfel, protonii sunt responsabili de sarcina totală a nucleului. Deoarece un neutron are o sarcină de +1, sarcina nucleului este egală cu numărul de protoni.

Învelișul de electroni, după cum sugerează și numele, este format din particule numite electroni. Dacă comparăm nucleul unui atom cu o planetă, atunci electronii sunt sateliții săi. Învârtindu-se în jurul nucleului (deocamdată să ne imaginăm că pe orbite, dar de fapt pe orbite), ele formează o înveliș de electroni.

• Electron este o particulă foarte mică. Masa sa este atât de mică încât este luată ca 0. Dar sarcina unui electron este -1. Adică, modulul este egal cu sarcina protonului, diferă în semn. Deoarece un electron poartă o sarcină de -1, sarcina totală a învelișului de electroni este egală cu numărul de electroni din acesta.

O consecință importantă, deoarece un atom este o particulă care nu are încărcătură (sarcina nucleului și sarcina învelișului de electroni sunt egale în valoare absolută, dar semn opus), adică neutră electric, prin urmare, numărul de electroni dintr-un atom este egal cu numărul de protoni.

Cum diferă atomii diferitelor elemente chimice unul de altul?

Atomii diferitelor elemente chimice diferă între ei în ceea ce privește sarcina nucleului (adică numărul de protoni și, în consecință, numărul de electroni).

Cum să aflați sarcina nucleului unui atom al unui element? Genialul chimist intern D. I. Mendeleev, după ce a descoperit legea periodică și a dezvoltat un tabel numit după el, ne-a oferit ocazia să facem acest lucru. Descoperirea lui a fost cu mult înaintea curbei. Când nu se știa încă despre structura atomului, Mendeleev a aranjat elementele în tabel în ordinea creșterii sarcinii nucleare.

Adică, numărul de serie al unui element din sistemul periodic este sarcina nucleului unui atom al unui element dat. De exemplu, oxigenul are un număr de serie de 8, respectiv, sarcina nucleului atomului de oxigen este +8. În consecință, numărul de protoni este 8, iar numărul de electroni este 8.

Electronii din învelișul de electroni sunt cei care determină proprietățile chimice ale atomului, dar mai multe despre asta mai târziu.

Acum să vorbim despre masă.

Un proton este o unitate de masă, un neutron este, de asemenea, o unitate de masă. Prin urmare, se numește suma neutronilor și protonilor din nucleu numar de masa. (Electronii nu afectează în niciun fel masa, deoarece îi neglijăm masa și o considerăm egală cu zero).

Unitatea de masă atomică (a.m.u.) este o mărime fizică specială pentru a desemna mase mici de particule care formează atomi.

Toți acești trei atomi sunt atomi ai unui element chimic - hidrogen. Pentru că au aceeași încărcătură nucleară.

Cum vor diferi? Acești atomi au numere de masă diferite (datorită numărului diferit de neutroni). Primul atom are un număr de masă de 1, al doilea are 2, iar al treilea are 3.

Sunt numiți atomii aceluiași element care diferă în numărul de neutroni (și, prin urmare, numerele de masă). izotopi.

Izotopii de hidrogen prezentați au chiar propriile nume:

• Primul izotop (numărul de masă 1) se numește protium.
• Al doilea izotop (numărul de masă 2) se numește deuteriu.
• Al treilea izotop (cu un număr de masă de 3) se numește tritiu.

Acum următoarea întrebare rezonabilă este de ce dacă numărul de neutroni și protoni din nucleu este un număr întreg, masa lor este de 1 amu, atunci în sistemul periodic masa unui atom este un număr fracționar. Pentru sulf, de exemplu: 32.066.

Răspuns: un element are mai mulți izotopi, ei diferă unul de celălalt ca număr de masă. Prin urmare, masa atomică din tabelul periodic este valoarea medie a maselor atomice ale tuturor izotopilor unui element, ținând cont de apariția lor în natură. Această masă, dată în sistemul periodic, se numește masa atomică relativă.

Pentru calculele chimice, sunt utilizați indicatori ai unui astfel de „atom mediu”. Masa atomică este rotunjită la cel mai apropiat număr întreg.

Structura învelișului de electroni.

Proprietățile chimice ale unui atom sunt determinate de structura învelișului său de electroni. Electronii din jurul nucleului nu sunt aranjați oricum. Electronii sunt localizați în orbitalii electronilor.

Orbital electronic- spațiul din jurul nucleului atomic, unde probabilitatea de a găsi un electron este cea mai mare.

Un electron are un parametru cuantic numit spin. Dacă luăm definiția clasică din mecanica cuantică, atunci a învârti este momentul unghiular intrinsec al particulei. Într-o formă simplificată, aceasta poate fi reprezentată ca direcția de rotație a unei particule în jurul axei sale.

Un electron este o particulă cu un spin de jumătate întreg, un electron poate avea fie +½, fie -½ spin. În mod convențional, aceasta poate fi reprezentată ca o rotație în sensul acelor de ceasornic și în sens invers acelor de ceasornic.

Nu pot fi mai mult de doi electroni cu spini opuși într-un orbital de electroni.

Denumirea general acceptată a unei locuințe electronice este o celulă sau o liniuță. Electronul este indicat printr-o săgeată: săgeata în sus este un electron cu spin pozitiv +½, săgeata în jos ↓ este un electron cu spin negativ -½.

Un electron care este singur într-un orbital se numește nepereche. Se numesc doi electroni din același orbital pereche.

Orbitalii electronici sunt împărțiți în patru tipuri în funcție de formă: s, p, d, f. Orbitalii de aceeași formă formează un subnivel. Numărul de orbitali la un subnivel este determinat de numărul de locații posibile în spațiu.

1. s orbital.

Orbitalul s este sferic:

În spațiu, orbitalul s poate fi localizat doar într-un singur fel:

Prin urmare, subnivelul s este format dintr-un singur orbital s.

1. p-orbital.

Orbitalul p are forma unei gantere:

În spațiu, orbitalul p poate fi localizat doar în trei moduri:

Prin urmare, subnivelul p este format din trei orbitali p.

1. d-orbital.

Orbitul d are o formă complexă:

În spațiu, orbitalul d poate fi localizat în cinci moduri diferite. Prin urmare, subnivelul d este format din cinci orbitali d.

1. f-orbital

Orbitul f are o formă și mai complexă. În spațiu, orbitalul f poate fi plasat în șapte moduri diferite. Prin urmare, subnivelul f este format din șapte orbitali f.

Învelișul de electroni a unui atom este ca un foietaj. Are și straturi. Electronii aflați pe straturi diferite au energii diferite: pe straturile mai apropiate de nucleu - mai puțin, pe cele îndepărtate de nucleu - mai mult. Aceste straturi se numesc niveluri de energie.

Umplerea orbitalilor de electroni.

Primul nivel de energie are doar subnivelul s:

La al doilea nivel de energie, există un subnivel s și apare un subnivel p:

La al treilea nivel de energie, există un subnivel s, un subnivel p și apare un subnivel d:

La al patrulea nivel de energie, în principiu, se adaugă un subnivel f. Dar în cursul școlii, orbitalii f nu sunt umpluți, așa că nu putem descrie subnivelul f:

Numărul de niveluri de energie dintr-un atom al unui element este numărul perioadei. La umplerea orbitalilor de electroni, trebuie respectate următoarele principii:

1. Fiecare electron încearcă să ocupe poziția în atom în care energia lui va fi minimă. Adică, primul nivel de energie este umplut, apoi al doilea și așa mai departe.

Pentru a descrie structura învelișului de electroni, se folosește și formula electronică. Formula electronică este o scurtă înregistrare pe o linie a distribuției electronilor pe subniveluri.

1. La subnivel, fiecare electron umple mai întâi un orbital liber. Și fiecare are rotire +½ (săgeată sus).

Și numai după ce există un electron în fiecare orbital de subnivel, următorul electron devine pereche - adică ocupă un orbital care are deja un electron:

1. d-sublevel este completat într-un mod special.

Faptul este că energia subnivelului d este mai mare decât energia subnivelului s al stratului energetic NEXT. Și după cum știm, electronul încearcă să ia acea poziție în atom, unde energia sa va fi minimă.

Prin urmare, după completarea subnivelului 3p, se umple mai întâi subnivelul 4s, după care se umple subnivelul 3d.

Și numai după ce subnivelul 3d este complet umplut, subnivelul 4p este umplut.

Este la fel și cu al 4-lea nivel de energie. După ce subnivelul 4p este completat, subnivelul 5s este completat în continuare, urmat de subnivelul 4d. Și după ea doar 5p.

1. Și mai există un punct, o regulă cu privire la umplerea subnivelului d.

Apoi există un fenomen numit eșec. În caz de defecțiune, un electron de la subnivelul s al următorului nivel de energie cade literalmente la electronul d.

Stările fundamentale și excitate ale atomului.

Atomii ale căror configurații electronice le-am construit acum se numesc atomi stare de bază. Adică, aceasta este o stare normală, naturală, dacă doriți.

Când un atom primește energie din exterior, poate apărea excitația.

Excitaţie este tranziția unui electron pereche la un orbital gol, în cadrul nivelului energetic exterior.

De exemplu, pentru un atom de carbon:

Excitația este caracteristică multor atomi. Acest lucru trebuie reținut, deoarece excitația determină capacitatea atomilor de a se lega unul de celălalt. Principalul lucru de reținut este condiția în care poate apărea excitația: un electron pereche și un orbital gol în nivelul de energie exterior.

Există atomi care au mai multe stări excitate:

Configurația electronică a ionului.

Ionii sunt particule în care atomii și moleculele le transformă prin câștigarea sau pierderea de electroni. Aceste particule au o sarcină, pentru că fie „nu suficienți” electroni, fie excesul lor. Se numesc ioni încărcați pozitiv cationi, negativ - anionii.

Atomul de clor (nu are sarcină) câștigă un electron. Electronul are o sarcină de 1- (un minus), respectiv, se formează o particulă care are o sarcină negativă în exces. Anion de clor:

Cl 0 + 1e → Cl –

Atomul de litiu (de asemenea, fără sarcină) pierde un electron. Un electron are o sarcină de 1+ (un plus), se formează o particulă, cu lipsă de sarcină negativă, adică sarcina sa este pozitivă. cation de litiu:

Li 0 – 1e → Li +

Transformându-se în ioni, atomii capătă o astfel de configurație încât nivelul energetic extern devine „frumos”, adică complet umplut. Această configurație este cea mai stabilă termodinamic, deci există un motiv pentru care atomii să se transforme în ioni.

Și, prin urmare, atomii elementelor grupului VIII-A (al optulea grup al subgrupului principal), așa cum se precizează în paragraful următor, sunt gaze nobile, astfel încât sunt inactive din punct de vedere chimic. Ele au următoarea structură în starea fundamentală: nivelul de energie exterior este complet umplut. Alți atomi, așa cum spune, tind să dobândească configurația acestor gaze cele mai nobile și, prin urmare, se transformă în ioni și formează legături chimice.