Lecția este dedicată formării de idei despre structura complexă a atomului. Se ia în considerare starea electronilor dintr-un atom, se introduc conceptele de „orbital atomic și nor de electroni”, se introduc formele orbitalilor (orbitali s--, p-, d-). De asemenea, sunt luate în considerare aspecte precum numărul maxim de electroni la niveluri și subniveluri energetice, distribuția electronilor pe niveluri de energie și subniveluri în atomii elementelor primelor patru perioade, electronii de valență ai elementelor s-, p- și d-elementelor. Este prezentată o diagramă grafică a structurii straturilor electronice de atomi (formula electrografică).

Subiect: Structura atomului. Dreptul periodic D.I. Mendeleev

Lecția: Structura atomului

Tradus din greacă, cuvântul „ atom"înseamnă „indivizibil”. S-au descoperit însă fenomene care demonstrează posibilitatea împărțirii sale. Acestea sunt emisia de raze X, emisia de raze catodice, fenomenul efectului fotoelectric, fenomenul de radioactivitate. Electronii, protonii și neutronii sunt particulele care alcătuiesc un atom. Sunt chemați particule subatomice.

Tab. unu

Pe lângă protoni, nucleul majorității atomilor conține neutroni care nu poartă nicio taxă. După cum se vede din tabel. 1, masa neutronului practic nu diferă de masa protonului. Protonii și neutronii formează nucleul unui atom și se numesc nucleonii (nucleu - nucleu). Sarcinile și masele lor în unități de masă atomică (a.m.u.) sunt prezentate în Tabelul 1. Când se calculează masa unui atom, masa unui electron poate fi neglijată.

Masa unui atom ( numar de masa) este egală cu suma maselor protonilor și neutronilor care formează nucleul său. Numărul de masă este notat cu literă DAR. Din denumirea acestei mărimi, se poate observa că este strâns legată de masa atomică a elementului rotunjit la un număr întreg. A=Z+N

Aici A- numărul de masă al unui atom (suma protonilor și neutronilor); Z- sarcina nucleara (numarul de protoni din nucleu), N este numărul de neutroni din nucleu. Conform doctrinei izotopilor, conceptului de „element chimic” i se poate da următoarea definiție:

element chimic Se numește un grup de atomi cu aceeași sarcină nucleară.

Unele elemente există ca multiple izotopi. „Izotopi” înseamnă „ocupând același loc”. Izotopii au același număr de protoni, dar diferă ca masă, adică numărul de neutroni din nucleu (numărul N). Deoarece neutronii au efect puțin sau deloc asupra proprietăților chimice ale elementelor, toți izotopii aceluiași element nu se pot distinge chimic.

Izotopii sunt numiți varietăți de atomi ai aceluiași element chimic cu aceeași sarcină nucleară (adică cu același număr de protoni), dar cu un număr diferit de neutroni în nucleu.

Izotopii diferă unul de celălalt doar prin numărul de masă. Acest lucru este indicat fie printr-un superscript în colțul din dreapta, fie într-o linie: 12 C sau C-12 . Dacă un element conține mai mulți izotopi naturali, atunci în tabelul periodic D.I. Mendeleev indică masa atomică medie, ținând cont de prevalență. De exemplu, clorul conține 2 izotopi naturali 35 Cl și 37 Cl, al căror conținut este de 75%, respectiv 25%. Astfel, masa atomică a clorului va fi egală cu:

DARr(Cl)=0,75 . 35+0,25 . 37=35,5

Pentru atomii grei sintetizați artificial, o valoare a masei atomice este dată între paranteze drepte. Aceasta este masa atomică a celui mai stabil izotop al acelui element.

Modele de bază ale structurii atomului

Din punct de vedere istoric, modelul Thomson al atomului a fost primul în 1897.

Orez. 1. Model al structurii atomului de J. Thomson

Fizicianul englez J. J. Thomson a sugerat că atomii constau dintr-o sferă încărcată pozitiv în care electronii sunt intercalate (Fig. 1). Acest model se numește figurativ „budincă de prune”, o chiflă cu stafide (unde „stafidele” sunt electroni) sau „pepenele verde” cu „semințe” - electroni. Cu toate acestea, acest model a fost abandonat, deoarece s-au obținut date experimentale care l-au contrazis.

Orez. 2. Modelul structurii atomului de E. Rutherford

În 1910, fizicianul englez Ernst Rutherford, împreună cu studenții săi Geiger și Marsden, au condus un experiment care a dat rezultate uimitoare care erau inexplicabile din punctul de vedere al modelului Thomson. Ernst Rutherford a dovedit prin experiență că în centrul atomului se află un nucleu încărcat pozitiv (Fig. 2), în jurul căruia, ca planetele în jurul Soarelui, se învârt electronii. Atomul în ansamblu este neutru din punct de vedere electric, iar electronii sunt ținuți în atom datorită forțelor de atracție electrostatică (forțele Coulomb). Acest model a avut multe contradicții și, cel mai important, nu a explicat de ce electronii nu cad pe nucleu, precum și posibilitatea de absorbție și emisie de energie de către acesta.

Fizicianul danez N. Bohr în 1913, luând ca bază modelul atomului lui Rutherford, a propus un model al atomului în care particulele de electroni se învârt în jurul nucleului atomic în aproape același mod în care planetele se învârt în jurul Soarelui.

Orez. 3. Modelul planetar al lui N. Bohr

Bohr a sugerat că electronii dintr-un atom pot exista stabil doar pe orbite la distanțe strict definite de nucleu. Aceste orbite le-a numit staționare. Un electron nu poate exista în afara orbitelor staționare. De ce este așa, Bohr nu a putut explica la momentul respectiv. Dar el a arătat că un astfel de model (Fig. 3) face posibilă explicarea multor fapte experimentale.

Folosit în prezent pentru a descrie structura atomului mecanica cuantică. Aceasta este o știință, al cărei aspect principal este că electronul are proprietățile unei particule și ale unei unde în același timp, adică dualitate undă-particulă. Conform mecanicii cuantice, regiunea spațiului în care probabilitatea de a găsi un electron este cea mai mare se numeșteorbital. Cu cât electronul este mai departe de nucleu, cu atât energia sa de interacțiune cu nucleul este mai mică. Se formează electroni cu energii apropiate nivel de energie. Numărul de niveluri de energie egală numărul perioadei, în care acest element este situat în tabelul D.I. Mendeleev. Există diferite forme de orbitali atomici. (Fig. 4). Orbitalul d și orbitalul f au o formă mai complexă.

Orez. 4. Formele orbitalilor atomici

Există exact la fel de mulți electroni în învelișul de electroni al oricărui atom cât de protoni există în nucleul său, astfel încât atomul în ansamblu este neutru din punct de vedere electric. Electronii dintr-un atom sunt aranjați astfel încât energia lor să fie minimă. Cu cât electronul este mai departe de nucleu, cu atât mai mulți orbitali și forma lor sunt mai complexe. Fiecare nivel și subnivel poate conține doar un anumit număr de electroni. Subnivelurile, la rândul lor, constau în orbitali.

La primul nivel de energie, cel mai aproape de nucleu, poate exista un orbital sferic ( 1 s). La al doilea nivel de energie - un orbital sferic, de dimensiuni mari și trei orbitali p: 2 s2 ppp. La al treilea nivel: 3 s3 ppp3 dddd.

Pe lângă mișcarea în jurul nucleului, electronii au și mișcare, care poate fi reprezentată ca mișcarea lor în jurul propriei axe. Această rotație se numește a învârti (în bandă din engleza. "ax"). Doar doi electroni cu spini opuși (antiparaleli) pot fi într-un orbital.

Maxim numărul de electroni pe nivel de energie este determinat de formula N=2 n 2.

Unde n este numărul cuantic principal (numărul nivelului energetic). Vezi tabelul. 2

Tab. 2

În funcție de orbital în care se află ultimul electron, se disting s-, p-, d-elemente. Elementelor principalelor subgrupe aparțin s-, p-elemente.În subgrupele laterale sunt d-elemente

Schema grafică a structurii straturilor electronice de atomi (formula grafică electronică).

Pentru a descrie dispunerea electronilor în orbitalii atomici, se utilizează configurația electronică. Pentru a o scrie într-o linie, orbitalii sunt scrieți în legendă ( s--, p-, d-,f-orbitali), iar în fața lor sunt numere care indică numărul nivelului de energie. Cu cât numărul este mai mare, cu atât electronul este mai departe de nucleu. În litere mari, deasupra desemnării orbitalului, este scris numărul de electroni din acest orbital (Fig. 5).

Orez. 5

Grafic, distribuția electronilor în orbitalii atomici poate fi reprezentată ca celule. Fiecare celulă corespunde unui orbital. Vor exista trei astfel de celule pentru orbitalul p, cinci pentru orbitalul d și șapte pentru orbitalul f. O celulă poate conține 1 sau 2 electroni. Conform regula lui Gund, electronii sunt distribuiți în orbitali de aceeași energie (de exemplu, în trei orbitali p), primul câte unul și numai atunci când există deja un electron în fiecare astfel de orbital, începe umplerea acestor orbitali cu al doilea electroni. Astfel de electroni se numesc pereche. Acest lucru se explică prin faptul că în celulele învecinate, electronii se resping reciproc mai puțin, ca particule încărcate similar.

Vezi fig. 6 pentru atomul 7 N.

Orez. 6

Configurația electronică a atomului de scandiu

21 sc: 1 s 2 2 s 2 2 p 6 3 s 2 3 p 6 4 s 2 3 d 1

Electronii din nivelul energetic exterior se numesc electroni de valență. 21 sc se refera la d-elemente.

Rezumând lecția

La lecție s-a luat în considerare structura atomului, starea electronilor din atom, a fost introdus conceptul de „orbital atomic și nor de electroni”. Elevii au învățat care este forma orbitalilor ( s-, p-, d-orbitali), care este numărul maxim de electroni la niveluri și subniveluri de energie, distribuția electronilor pe niveluri de energie, ce este s-, p- și d-elemente. Este prezentată o diagramă grafică a structurii straturilor electronice de atomi (formula electrografică).

Bibliografie

1. Rudzitis G.E. Chimie. Fundamentele Chimiei Generale. Clasa a 11-a: manual pentru institutii de invatamant: nivel de baza / G.E. Rudzitis, F.G. Feldman. - Ed. a XIV-a. - M.: Educație, 2012.

2. Popel P.P. Chimie: clasa a VIII-a: un manual pentru instituţiile de învăţământ general / P.P. Popel, L.S. Krivlya. - K .: Centrul de informare „Academia”, 2008. - 240 p.: ill.

3. A.V. Manuilov, V.I. Rodionov. Fundamentele chimiei. Tutorial pe internet.

Teme pentru acasă

1. Nr 5-7 (p. 22) Rudzitis G.E. Chimie. Fundamentele Chimiei Generale. Clasa a 11-a: manual pentru institutii de invatamant: nivel de baza / G.E. Rudzitis, F.G. Feldman. - Ed. a XIV-a. - M.: Educație, 2012.

2. Scrieți formule electronice pentru următoarele elemente: 6 C, 12 Mg, 16 S, 21 Sc.

3. Elementele au următoarele formule electronice: a) 1s 2 2s 2 2p 4 .b) 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 1. c) 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 6 4s 2 . Care sunt aceste elemente?

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

Orbitalul 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.

(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 limitat 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)

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.