Πώς να προσδιορίσετε την ηλεκτρονική δομή ενός ατόμου. Η δομή των ατόμων των χημικών στοιχείων

Όλη η ύλη αποτελείται από πολύ μικρά σωματίδια που ονομάζονται άτομα . Ένα άτομο είναι το μικρότερο σωματίδιο ενός χημικού στοιχείου που διατηρεί όλες τις χαρακτηριστικές του ιδιότητες. Για να φανταστεί κανείς το μέγεθος ενός ατόμου, αρκεί να πούμε ότι αν μπορούσαν να τοποθετηθούν το ένα κοντά στο άλλο, τότε ένα εκατομμύριο άτομα θα καταλάμβαναν απόσταση μόλις 0,1 mm.

Η περαιτέρω ανάπτυξη της επιστήμης της δομής της ύλης έδειξε ότι το άτομο έχει επίσης πολύπλοκη δομή και αποτελείται από ηλεκτρόνια και πρωτόνια. Έτσι προέκυψε η ηλεκτρονική θεωρία της δομής της ύλης.

Στην αρχαιότητα ανακαλύφθηκε ότι υπάρχουν δύο είδη ηλεκτρισμού: ο θετικός και ο αρνητικός. Η ποσότητα ηλεκτρικής ενέργειας που περιέχεται στο σώμα έφτασε να ονομάζεται φορτίο. Ανάλογα με το είδος του ηλεκτρισμού που διαθέτει το σώμα, το φορτίο μπορεί να είναι θετικό ή αρνητικό.

Καθιερώθηκε επίσης εμπειρικά ότι τα όμοια φορτία απωθούνται μεταξύ τους και τα αντίθετα φορτία έλκονται.

Σκεφτείτε ηλεκτρονική δομή του ατόμου. Τα άτομα αποτελούνται από ακόμη μικρότερα σωματίδια από αυτά που ονομάζονται ηλεκτρόνια.

ΟΡΙΣΜΟΣ:Ένα ηλεκτρόνιο είναι το μικρότερο σωματίδιο της ύλης που έχει το μικρότερο αρνητικό ηλεκτρικό φορτίο.

Τα ηλεκτρόνια περιστρέφονται γύρω από έναν κεντρικό πυρήνα που αποτελείται από έναν ή περισσότερους πρωτόνιακαι νετρόνια, σε ομόκεντρες τροχιές. Τα ηλεκτρόνια είναι αρνητικά φορτισμένα σωματίδια, τα πρωτόνια είναι θετικά και τα νετρόνια είναι ουδέτερα (Εικόνα 1.1).

ΟΡΙΣΜΟΣ:Το πρωτόνιο είναι το μικρότερο σωματίδιο της ύλης που έχει το μικρότερο θετικό ηλεκτρικό φορτίο.

Η ύπαρξη ηλεκτρονίων και πρωτονίων είναι αναμφισβήτητη. Οι επιστήμονες όχι μόνο προσδιόρισαν τη μάζα, το φορτίο και το μέγεθος των ηλεκτρονίων και των πρωτονίων, αλλά τα έκαναν ακόμη και να λειτουργούν σε διάφορες συσκευές ηλεκτρολογίας και ραδιομηχανικής.

Διαπιστώθηκε επίσης ότι η μάζα ενός ηλεκτρονίου εξαρτάται από την ταχύτητα της κίνησής του και ότι το ηλεκτρόνιο όχι μόνο κινείται προς τα εμπρός στο διάστημα, αλλά και περιστρέφεται γύρω από τον άξονά του.

Το πιο απλό στη δομή του είναι το άτομο υδρογόνου (Εικ. 1.1). Αποτελείται από έναν πυρήνα πρωτονίου και ένα ηλεκτρόνιο που περιστρέφονται γύρω από τον πυρήνα με μεγάλη ταχύτητα, σχηματίζοντας το εξωτερικό περίβλημα (τροχία) του ατόμου. Τα πιο πολύπλοκα άτομα έχουν πολλαπλά κελύφη γύρω από τα οποία περιστρέφονται τα ηλεκτρόνια.

Αυτά τα κελύφη γεμίζουν διαδοχικά με ηλεκτρόνια από τον πυρήνα (Εικόνα 1.2).

Τώρα ας αναλύσουμε . Το πιο εξωτερικό κέλυφος ονομάζεται σθένος, και λέγεται ο αριθμός των ηλεκτρονίων που περιέχει σθένος. Όσο πιο μακριά από τον πυρήνα κέλυφος σθένους,Συνεπώς, τόσο μικρότερη είναι η δύναμη έλξης που βιώνει κάθε ηλεκτρόνιο σθένους από την πλευρά του πυρήνα. Έτσι, το άτομο αυξάνει την ικανότητα να προσκολλά ηλεκτρόνια στον εαυτό του εάν το κέλυφος σθένους δεν είναι γεμάτο και βρίσκεται μακριά από τον πυρήνα ή τα χάσει.
Τα ηλεκτρόνια του εξωτερικού κελύφους μπορούν να λάβουν ενέργεια. Εάν τα ηλεκτρόνια στο φλοιό σθένους λάβουν το απαιτούμενο επίπεδο ενέργειας από εξωτερικές δυνάμεις, μπορούν να αποσπαστούν από αυτό και να αφήσουν το άτομο, δηλαδή να γίνουν ελεύθερα ηλεκτρόνια. Τα ελεύθερα ηλεκτρόνια μπορούν να κινούνται αυθαίρετα από ένα άτομο σε άτομο. Όσα υλικά περιέχουν μεγάλο αριθμό ελεύθερων ηλεκτρονίων ονομάζονται αγωγοί .

μονωτές , είναι το αντίθετο των αγωγών. Μπλοκάρουν τη ροή του ηλεκτρικού ρεύματος. Οι μονωτές είναι σταθεροί επειδή τα ηλεκτρόνια σθένους ορισμένων ατόμων γεμίζουν τα κελύφη σθένους άλλων ατόμων, ενώνοντάς τα. Αυτό αποτρέπει το σχηματισμό ελεύθερων ηλεκτρονίων.
Μια ενδιάμεση θέση μεταξύ μονωτών και αγωγών καταλαμβάνεται από ημιαγωγών αλλά θα τα πούμε αργότερα.
Σκεφτείτε ιδιότητες ενός ατόμου. Ένα άτομο που έχει τον ίδιο αριθμό ηλεκτρονίων και πρωτονίων είναι ηλεκτρικά ουδέτερο. Ένα άτομο που δέχεται ένα ή περισσότερα ηλεκτρόνια φορτίζεται αρνητικά και ονομάζεται αρνητικό ιόν. Αν ένα άτομο χάσει ένα ή περισσότερα ηλεκτρόνια, τότε γίνεται θετικό ιόν, δηλαδή φορτίζεται θετικά.

Η έννοια του ατόμου προέκυψε στον αρχαίο κόσμο για να προσδιορίσει τα σωματίδια της ύλης. Στα ελληνικά, άτομο σημαίνει «αδιαίρετο».

Ηλεκτρόνια

Ο Ιρλανδός φυσικός Stoney, με βάση πειράματα, κατέληξε στο συμπέρασμα ότι η ηλεκτρική ενέργεια μεταφέρεται από τα μικρότερα σωματίδια που υπάρχουν στα άτομα όλων των χημικών στοιχείων. Σε $1891 $, ο Stoney πρότεινε να ονομαστούν αυτά τα σωματίδια ηλεκτρόνια, που στα ελληνικά σημαίνει «κεχριμπαρένιο».

Λίγα χρόνια αφότου το ηλεκτρόνιο πήρε το όνομά του, ο Άγγλος φυσικός Joseph Thomson και ο Γάλλος φυσικός Jean Perrin απέδειξαν ότι τα ηλεκτρόνια φέρουν αρνητικό φορτίο. Αυτό είναι το μικρότερο αρνητικό φορτίο, το οποίο στη χημεία λαμβάνεται ως μονάδα $(–1)$. Ο Thomson κατάφερε μάλιστα να προσδιορίσει την ταχύτητα του ηλεκτρονίου (είναι ίση με την ταχύτητα του φωτός - $300.000 $ km/s) και τη μάζα του ηλεκτρονίου (είναι $1836 $ φορές μικρότερη από τη μάζα του ατόμου του υδρογόνου).

Οι Thomson και Perrin συνέδεσαν τους πόλους μιας πηγής ρεύματος με δύο μεταλλικές πλάκες - μια κάθοδο και μια άνοδο, συγκολλημένες σε έναν γυάλινο σωλήνα, από τον οποίο εκκενώθηκε ο αέρας. Όταν εφαρμόστηκε τάση περίπου 10 χιλιάδων βολτ στις πλάκες ηλεκτροδίων, μια φωτεινή εκκένωση έλαμψε στον σωλήνα και τα σωματίδια πέταξαν από την κάθοδο (αρνητικός πόλος) στην άνοδο (θετικός πόλος), την οποία οι επιστήμονες ονόμασαν πρώτοι καθοδικές ακτίνες, και στη συνέχεια ανακάλυψε ότι ήταν ένα ρεύμα ηλεκτρονίων. Τα ηλεκτρόνια, που χτυπούν ειδικές ουσίες που εφαρμόζονται, για παράδειγμα, σε μια οθόνη τηλεόρασης, προκαλούν λάμψη.

Το συμπέρασμα βγήκε: ηλεκτρόνια διαφεύγουν από τα άτομα του υλικού από το οποίο κατασκευάζεται η κάθοδος.

Τα ελεύθερα ηλεκτρόνια ή η ροή τους μπορούν επίσης να ληφθούν με άλλους τρόπους, για παράδειγμα, με θέρμανση ενός μεταλλικού σύρματος ή με πτώση φωτός σε μέταλλα που σχηματίζονται από στοιχεία της κύριας υποομάδας της ομάδας Ι του περιοδικού πίνακα (για παράδειγμα, καίσιο).

Η κατάσταση των ηλεκτρονίων σε ένα άτομο

Η κατάσταση ενός ηλεκτρονίου σε ένα άτομο νοείται ως ένα σύνολο πληροφοριών σχετικά με ενέργειασυγκεκριμένο ηλεκτρόνιο σε χώροςστο οποίο βρίσκεται. Γνωρίζουμε ήδη ότι ένα ηλεκτρόνιο σε ένα άτομο δεν έχει τροχιά κίνησης, δηλ. μπορεί μόνο να μιλήσει για πιθανότητεςβρίσκοντάς το στο χώρο γύρω από τον πυρήνα. Μπορεί να βρίσκεται σε οποιοδήποτε μέρος αυτού του χώρου που περιβάλλει τον πυρήνα και το σύνολο των διαφόρων θέσεων του θεωρείται ως ένα νέφος ηλεκτρονίων με μια ορισμένη αρνητική πυκνότητα φορτίου. Μεταφορικά, αυτό μπορεί να φανταστεί ως εξής: εάν ήταν δυνατό να φωτογραφηθεί η θέση ενός ηλεκτρονίου σε ένα άτομο σε εκατοστά ή εκατομμυριοστά του δευτερολέπτου, όπως σε ένα φινίρισμα φωτογραφίας, τότε το ηλεκτρόνιο σε τέτοιες φωτογραφίες θα αναπαρασταθεί ως ένα σημείο. Η επικάλυψη αμέτρητων τέτοιων φωτογραφιών θα είχε ως αποτέλεσμα μια εικόνα ενός νέφους ηλεκτρονίων με την υψηλότερη πυκνότητα όπου υπάρχουν τα περισσότερα από αυτά τα σημεία.

Το σχήμα δείχνει μια "κοπή" μιας τέτοιας πυκνότητας ηλεκτρονίου σε ένα άτομο υδρογόνου που διέρχεται από τον πυρήνα και η διακεκομμένη γραμμή οριοθετεί τη σφαίρα εντός της οποίας η πιθανότητα εύρεσης ηλεκτρονίου είναι $90%$. Το πιο κοντινό περίγραμμα στον πυρήνα καλύπτει την περιοχή του χώρου στην οποία η πιθανότητα εύρεσης ηλεκτρονίου είναι $10%$, η πιθανότητα να βρεθεί ένα ηλεκτρόνιο μέσα στο δεύτερο περίγραμμα από τον πυρήνα είναι $20%$, μέσα στο τρίτο - $≈30 %$, κ.λπ. Υπάρχει κάποια αβεβαιότητα στην κατάσταση του ηλεκτρονίου. Για να χαρακτηρίσει αυτή την ιδιαίτερη κατάσταση, ο Γερμανός φυσικός W. Heisenberg εισήγαγε την έννοια του αρχή της αβεβαιότητας, δηλ. έδειξε ότι είναι αδύνατο να προσδιοριστεί ταυτόχρονα και ακριβώς η ενέργεια και η θέση του ηλεκτρονίου. Όσο ακριβέστερα προσδιορίζεται η ενέργεια ενός ηλεκτρονίου, τόσο πιο αβέβαιη είναι η θέση του, και αντίστροφα, αφού προσδιορίσετε τη θέση, είναι αδύνατο να προσδιοριστεί η ενέργεια του ηλεκτρονίου. Η περιοχή πιθανότητας ανίχνευσης ηλεκτρονίων δεν έχει σαφή όρια. Ωστόσο, είναι δυνατό να ξεχωρίσουμε το χώρο όπου η πιθανότητα εύρεσης ηλεκτρονίου είναι μέγιστη.

Ο χώρος γύρω από τον ατομικό πυρήνα, στον οποίο είναι πιο πιθανό να βρεθεί το ηλεκτρόνιο, ονομάζεται τροχιακό.

Περιέχει περίπου $90%$ του νέφους ηλεκτρονίων, που σημαίνει ότι περίπου $90%$ του χρόνου που το ηλεκτρόνιο βρίσκεται σε αυτό το μέρος του διαστήματος. Σύμφωνα με τη μορφή, διακρίνονται $4$ γνωστών επί του παρόντος τύπων τροχιακών, τα οποία συμβολίζονται με τα λατινικά γράμματα $s, p, d$ και $f$. Μια γραφική αναπαράσταση ορισμένων μορφών ηλεκτρονικών τροχιακών φαίνεται στο σχήμα.

Το πιο σημαντικό χαρακτηριστικό της κίνησης ενός ηλεκτρονίου σε μια συγκεκριμένη τροχιά είναι η ενέργεια της σύνδεσής του με τον πυρήνα. Τα ηλεκτρόνια με παρόμοιες ενεργειακές τιμές σχηματίζουν ένα ενιαίο ηλεκτρονικό στρώμα, ή επίπεδο ενέργειας. Τα επίπεδα ενέργειας αριθμούνται ξεκινώντας από τον πυρήνα: $1, 2, 3, 4, 5, 6$ και $7$.

Ένας ακέραιος $n$ που δηλώνει τον αριθμό του ενεργειακού επιπέδου ονομάζεται κύριος κβαντικός αριθμός.

Χαρακτηρίζει την ενέργεια των ηλεκτρονίων που καταλαμβάνουν ένα δεδομένο ενεργειακό επίπεδο. Τα ηλεκτρόνια του πρώτου ενεργειακού επιπέδου, που είναι πιο κοντά στον πυρήνα, έχουν τη χαμηλότερη ενέργεια. Σε σύγκριση με τα ηλεκτρόνια του πρώτου επιπέδου, τα ηλεκτρόνια των επόμενων επιπέδων χαρακτηρίζονται από μεγάλη ποσότητα ενέργειας. Κατά συνέπεια, τα ηλεκτρόνια του εξωτερικού επιπέδου είναι τα λιγότερο ισχυρά συνδεδεμένα με τον πυρήνα του ατόμου.

Ο αριθμός των ενεργειακών επιπέδων (ηλεκτρονικών στρωμάτων) σε ένα άτομο είναι ίσος με τον αριθμό της περιόδου στο σύστημα του D. I. Mendeleev, στο οποίο ανήκει το χημικό στοιχείο: τα άτομα των στοιχείων της πρώτης περιόδου έχουν ένα επίπεδο ενέργειας. η δεύτερη περίοδος - δύο? έβδομη περίοδος - επτά.

Ο μεγαλύτερος αριθμός ηλεκτρονίων στο ενεργειακό επίπεδο προσδιορίζεται από τον τύπο:

όπου $N$ είναι ο μέγιστος αριθμός ηλεκτρονίων. Το $n$ είναι ο αριθμός επιπέδου ή ο κύριος κβαντικός αριθμός. Κατά συνέπεια: το πρώτο ενεργειακό επίπεδο που βρίσκεται πιο κοντά στον πυρήνα μπορεί να περιέχει όχι περισσότερα από δύο ηλεκτρόνια. στο δεύτερο - όχι περισσότερο από 8 $. στο τρίτο - όχι περισσότερο από 18 $. στο τέταρτο - όχι περισσότερο από $32 $. Και πώς, με τη σειρά τους, είναι διατεταγμένα τα ενεργειακά επίπεδα (ηλεκτρονικά στρώματα);

Ξεκινώντας από το δεύτερο ενεργειακό επίπεδο $(n = 2)$, καθένα από τα επίπεδα υποδιαιρείται σε υποεπίπεδα (υποστιβάδες), τα οποία διαφέρουν κάπως μεταξύ τους ως προς την ενέργεια δέσμευσης με τον πυρήνα.

Ο αριθμός των υποεπιπέδων είναι ίσος με την τιμή του κύριου κβαντικού αριθμού:το πρώτο επίπεδο ενέργειας έχει ένα υποεπίπεδο. το δεύτερο - δύο? τρίτο - τρία? το τέταρτο είναι τέσσερα. Τα υποεπίπεδα, με τη σειρά τους, σχηματίζονται από τροχιακά.

Κάθε τιμή $n$ αντιστοιχεί στον αριθμό των τροχιακών ίσο με $n^2$. Σύμφωνα με τα δεδομένα που παρουσιάζονται στον πίνακα, είναι δυνατός ο εντοπισμός της σχέσης μεταξύ του κύριου κβαντικού αριθμού $n$ και του αριθμού των υποεπίπεδων, του τύπου και του αριθμού των τροχιακών και του μέγιστου αριθμού ηλεκτρονίων ανά υποεπίπεδο και επίπεδο.

Κύριος κβαντικός αριθμός, τύποι και αριθμός τροχιακών, μέγιστος αριθμός ηλεκτρονίων σε υποεπίπεδα και επίπεδα.

Επίπεδο ενέργειας $(n)$	Αριθμός υποεπιπέδων ίσος με $n$	Τροχιακός τύπος	Αριθμός τροχιακών		Μέγιστος αριθμός ηλεκτρονίων
			σε υποεπίπεδο	σε επίπεδο ίσο με $n^2$	σε υποεπίπεδο	σε επίπεδο ίσο με $n^2$
$K(n=1)$	$1$	1$$	$1$	$1$	$2$	$2$
$L(n=2)$	$2$	2$$	$1$	$4$	$2$	$8$
		$2p$	$3$		$6$
$M(n=3)$	$3$	$3 δολ. $	$1$	$9$	$2$	$18$
		$3p$	$3$		$6$
		$3d $	$5$		$10$
$N(n=4)$	$4$	4$$	$1$	$16$	$2$	$32$
		$4p$	$3$		$6$
		4$$	$5$		$10$
		$4f$	$7$		$14$

Συνηθίζεται να ορίζονται υποεπίπεδα με λατινικά γράμματα, καθώς και το σχήμα των τροχιακών από τα οποία αποτελούνται: $s, p, d, f$. Ετσι:

$s$-υποεπίπεδο - το πρώτο υποεπίπεδο κάθε ενεργειακού επιπέδου που βρίσκεται πιο κοντά στον ατομικό πυρήνα, αποτελείται από ένα $s$-τροχιακό.
$p$-υποεπίπεδο - το δεύτερο υποεπίπεδο καθενός, εκτός από το πρώτο, ενεργειακό επίπεδο, αποτελείται από τρία $p$-τροχιακά.
$d$-υποεπίπεδο - το τρίτο υποεπίπεδο καθενός, ξεκινώντας από το τρίτο ενεργειακό επίπεδο, αποτελείται από πέντε $d$-τροχιακά.
Το $f$-υποεπίπεδο καθενός, ξεκινώντας από το τέταρτο ενεργειακό επίπεδο, αποτελείται από επτά $f$-τροχιακά.

πυρήνα ατόμου

Αλλά όχι μόνο τα ηλεκτρόνια αποτελούν μέρος των ατόμων. Ο φυσικός Henri Becquerel ανακάλυψε ότι ένα φυσικό ορυκτό που περιέχει άλας ουρανίου εκπέμπει επίσης άγνωστη ακτινοβολία, φωτίζοντας φωτογραφικά φιλμ που είναι κλειστά από το φως. Αυτό το φαινόμενο ονομάστηκε ραδιοενέργεια.

Υπάρχουν τρεις τύποι ραδιενεργών ακτίνων:

$α$-ακτίνες, οι οποίες αποτελούνται από $α$-σωματίδια που έχουν φορτίο $2 $ φορές μεγαλύτερο από το φορτίο ενός ηλεκτρονίου, αλλά με θετικό πρόσημο και μάζα $4 $ φορές μεγαλύτερη από τη μάζα ενός ατόμου υδρογόνου.
Οι $β$-ακτίνες είναι ένα ρεύμα ηλεκτρονίων.
Οι $γ$-ακτίνες είναι ηλεκτρομαγνητικά κύματα με αμελητέα μάζα που δεν φέρουν ηλεκτρικό φορτίο.

Κατά συνέπεια, το άτομο έχει μια πολύπλοκη δομή - αποτελείται από θετικά φορτισμένο πυρήνα και ηλεκτρόνια.

Πώς είναι διατεταγμένο το άτομο;

Το 1910 στο Κέιμπριτζ, κοντά στο Λονδίνο, ο Έρνεστ Ράδερφορντ με τους μαθητές και τους συναδέλφους του μελέτησαν τη διασπορά σωματιδίων $α$ που περνούσαν από λεπτό φύλλο χρυσού και έπεφταν σε μια οθόνη. Τα σωματίδια άλφα συνήθως παρέκκλιναν από την αρχική κατεύθυνση μόνο κατά μία μοίρα, επιβεβαιώνοντας, όπως φαίνεται, την ομοιομορφία και την ομοιομορφία των ιδιοτήτων των ατόμων χρυσού. Και ξαφνικά οι ερευνητές παρατήρησαν ότι κάποια $α$-σωματίδια άλλαξαν απότομα την κατεύθυνση της πορείας τους, σαν να έρχονταν σε κάποιο είδος εμποδίου.

Τοποθετώντας την οθόνη μπροστά από το φύλλο, ο Ράδερφορντ μπόρεσε να ανιχνεύσει ακόμη και εκείνες τις σπάνιες περιπτώσεις όταν σωματίδια $α$, που αντανακλώνται από άτομα χρυσού, πέταξαν προς την αντίθετη κατεύθυνση.

Οι υπολογισμοί έδειξαν ότι τα παρατηρούμενα φαινόμενα θα μπορούσαν να συμβούν εάν ολόκληρη η μάζα του ατόμου και όλο το θετικό φορτίο του συγκεντρώνονταν σε έναν μικροσκοπικό κεντρικό πυρήνα. Η ακτίνα του πυρήνα, όπως αποδείχθηκε, είναι 100.000 φορές μικρότερη από την ακτίνα ολόκληρου του ατόμου, εκείνης της περιοχής στην οποία υπάρχουν ηλεκτρόνια που έχουν αρνητικό φορτίο. Εάν εφαρμόσουμε μια εικονική σύγκριση, τότε ολόκληρος ο όγκος του ατόμου μπορεί να παρομοιαστεί με το στάδιο Luzhniki και ο πυρήνας μπορεί να παρομοιαστεί με μια μπάλα ποδοσφαίρου που βρίσκεται στο κέντρο του γηπέδου.

Ένα άτομο οποιουδήποτε χημικού στοιχείου είναι συγκρίσιμο με ένα μικροσκοπικό ηλιακό σύστημα. Επομένως, ένα τέτοιο μοντέλο του ατόμου, που προτάθηκε από τον Ράδερφορντ, ονομάζεται πλανητικό.

Πρωτόνια και νετρόνια

Αποδεικνύεται ότι ο μικροσκοπικός ατομικός πυρήνας, στον οποίο συγκεντρώνεται ολόκληρη η μάζα του ατόμου, αποτελείται από σωματίδια δύο τύπων - πρωτόνια και νετρόνια.

Πρωτόνιαέχουν φορτίο ίσο με το φορτίο ηλεκτρονίων, αλλά αντίθετο στο πρόσημο $(+1)$, και μάζα ίση με τη μάζα ενός ατόμου υδρογόνου (είναι αποδεκτό στη χημεία ως μονάδα). Τα πρωτόνια συμβολίζονται με $↙(1)↖(1)p$ (ή $р+$). Νετρόνιαδεν φέρουν φορτίο, είναι ουδέτερα και έχουν μάζα ίση με τη μάζα ενός πρωτονίου, δηλ. $1$. Τα νετρόνια συμβολίζονται με $↙(0)↖(1)n$ (ή $n^0$).

Πρωτόνια και νετρόνια ονομάζονται συλλογικά νουκλεόνια(από λατ. πυρήνας- πυρήνας).

Το άθροισμα του αριθμού των πρωτονίων και των νετρονίων σε ένα άτομο ονομάζεται μαζικός αριθμός. Για παράδειγμα, ο αριθμός μάζας ενός ατόμου αλουμινίου:

Εφόσον η μάζα του ηλεκτρονίου, που είναι αμελητέα, μπορεί να παραμεληθεί, είναι προφανές ότι ολόκληρη η μάζα του ατόμου συγκεντρώνεται στον πυρήνα. Τα ηλεκτρόνια συμβολίζονται ως εξής: $e↖(-)$.

Δεδομένου ότι το άτομο είναι ηλεκτρικά ουδέτερο, είναι επίσης προφανές ότι ότι ο αριθμός των πρωτονίων και των ηλεκτρονίων σε ένα άτομο είναι ο ίδιος. Είναι ίσος με τον ατομικό αριθμό του χημικού στοιχείουπου του ανατίθενται στον Περιοδικό Πίνακα. Για παράδειγμα, ο πυρήνας ενός ατόμου σιδήρου περιέχει πρωτόνια $26$ και ηλεκτρόνια $26$ περιστρέφονται γύρω από τον πυρήνα. Και πώς να προσδιορίσετε τον αριθμό των νετρονίων;

Όπως γνωρίζετε, η μάζα ενός ατόμου είναι το άθροισμα της μάζας των πρωτονίων και των νετρονίων. Γνωρίζοντας τον τακτικό αριθμό του στοιχείου $(Z)$, δηλ. τον αριθμό των πρωτονίων και τον αριθμό μάζας $(A)$, ίσο με το άθροισμα των αριθμών των πρωτονίων και των νετρονίων, μπορείτε να βρείτε τον αριθμό των νετρονίων $(N)$ χρησιμοποιώντας τον τύπο:

Για παράδειγμα, ο αριθμός των νετρονίων σε ένα άτομο σιδήρου είναι:

$56 – 26 = 30$.

Ο πίνακας δείχνει τα κύρια χαρακτηριστικά των στοιχειωδών σωματιδίων.

Βασικά χαρακτηριστικά στοιχειωδών σωματιδίων.

ισότοπα

Οι ποικιλίες των ατόμων του ίδιου στοιχείου που έχουν το ίδιο πυρηνικό φορτίο αλλά διαφορετικούς αριθμούς μάζας ονομάζονται ισότοπα.

Λέξη ισότοποαποτελείται από δύο ελληνικές λέξεις: isos- το ίδιο και τόπος- τόπος, σημαίνει «κατάληψη μιας θέσης» (κελί) στο Περιοδικό σύστημα στοιχείων.

Τα χημικά στοιχεία που βρίσκονται στη φύση είναι ένα μείγμα ισοτόπων. Έτσι, ο άνθρακας έχει τρία ισότοπα με μάζα $12, 13, 14 $. οξυγόνο - τρία ισότοπα με μάζα $16, 17, 18 $, κ.λπ.

Συνήθως δίνεται στο Περιοδικό σύστημα, η σχετική ατομική μάζα ενός χημικού στοιχείου είναι η μέση τιμή των ατομικών μαζών ενός φυσικού μείγματος ισοτόπων ενός δεδομένου στοιχείου, λαμβάνοντας υπόψη τη σχετική αφθονία τους στη φύση, επομένως, οι τιμές του Οι ατομικές μάζες είναι αρκετά συχνά κλασματικές. Για παράδειγμα, τα φυσικά άτομα χλωρίου είναι ένα μείγμα δύο ισοτόπων - $35$ (υπάρχουν $75%$ στη φύση) και $37$ (υπάρχουν $25%$). Επομένως, η σχετική ατομική μάζα του χλωρίου είναι $35,5 $. Τα ισότοπα του χλωρίου γράφονται ως εξής:

$↖(35)↙(17)(Cl)$ και $↖(37)↙(17)(Cl)$

Οι χημικές ιδιότητες των ισοτόπων του χλωρίου είναι ακριβώς οι ίδιες, όπως και τα ισότοπα των περισσότερων χημικών στοιχείων, όπως το κάλιο, το αργό:

$↖(39)↙(19)(K)$ και $↖(40)↙(19)(K)$, $↖(39)↙(18)(Ar)$ και $↖(40)↙(18 )(Αρ)$

Ωστόσο, τα ισότοπα υδρογόνου διαφέρουν σε μεγάλο βαθμό ως προς τις ιδιότητες λόγω της δραματικής αναδίπλωσης της σχετικής ατομικής τους μάζας. Τους δόθηκαν ακόμη και μεμονωμένα ονόματα και χημικά σημάδια: protium - $↖(1)↙(1)(H)$; δευτέριο - $↖(2)↙(1)(H)$ ή $↖(2)↙(1)(D)$; τρίτιο - $↖(3)↙(1)(H)$ ή $↖(3)↙(1)(T)$.

Τώρα είναι δυνατό να δοθεί ένας σύγχρονος, πιο αυστηρός και επιστημονικός ορισμός ενός χημικού στοιχείου.

Ένα χημικό στοιχείο είναι μια συλλογή ατόμων με το ίδιο πυρηνικό φορτίο.

Η δομή των κελυφών ηλεκτρονίων των ατόμων των στοιχείων των τεσσάρων πρώτων περιόδων

Εξετάστε την αντιστοίχιση των ηλεκτρονικών διαμορφώσεων των ατόμων των στοιχείων κατά τις περιόδους του συστήματος του D. I. Mendeleev.

Στοιχεία της πρώτης περιόδου.

Τα σχήματα της ηλεκτρονικής δομής των ατόμων δείχνουν την κατανομή των ηλεκτρονίων σε ηλεκτρονικά στρώματα (ενεργειακά επίπεδα).

Οι ηλεκτρονικοί τύποι των ατόμων δείχνουν την κατανομή των ηλεκτρονίων σε ενεργειακά επίπεδα και υποεπίπεδα.

Οι γραφικοί ηλεκτρονικοί τύποι ατόμων δείχνουν την κατανομή των ηλεκτρονίων όχι μόνο σε επίπεδα και υποεπίπεδα, αλλά και σε τροχιακά.

Σε ένα άτομο ηλίου, το πρώτο στρώμα ηλεκτρονίων έχει ολοκληρωθεί - έχει ηλεκτρόνια $2 $.

Το υδρογόνο και το ήλιο είναι $s$-στοιχεία, αυτά τα άτομα έχουν $s$-τροχιακά γεμάτα με ηλεκτρόνια.

Στοιχεία της δεύτερης περιόδου.

Για όλα τα στοιχεία της δεύτερης περιόδου, το πρώτο στρώμα ηλεκτρονίων γεμίζει και τα ηλεκτρόνια γεμίζουν τα τροχιακά $s-$ και $p$ του δεύτερου στρώματος ηλεκτρονίων σύμφωνα με την αρχή της ελάχιστης ενέργειας (πρώτα $s$ και μετά $p$) και τους κανόνες του Pauli και του Hund.

Στο άτομο νέον, το δεύτερο στρώμα ηλεκτρονίων έχει ολοκληρωθεί - έχει ηλεκτρόνια $8 $.

Στοιχεία τρίτης περιόδου.

Για τα άτομα των στοιχείων της τρίτης περιόδου, η πρώτη και η δεύτερη στοιβάδα ηλεκτρονίων συμπληρώνονται, άρα γεμίζεται η τρίτη στοιβάδα ηλεκτρονίων, στην οποία τα ηλεκτρόνια μπορούν να καταλάβουν υποεπίπεδα 3s-, 3p- και 3d.

Η δομή των κελυφών ηλεκτρονίων των ατόμων των στοιχείων της τρίτης περιόδου.

Στο άτομο του μαγνησίου ολοκληρώνεται ένα τροχιακό ηλεκτρονίου $3,5 $. Το $Na$ και το $Mg$ είναι στοιχεία $s$.

Για το αλουμίνιο και τα επόμενα στοιχεία, το υποεπίπεδο $3d$ είναι γεμάτο με ηλεκτρόνια.

$↙(18)(Ar)$ Argon

$1s^2(2)s^2(2)p^6(3)s^2(3)p^6$

Σε ένα άτομο αργού, το εξωτερικό στρώμα (το τρίτο στρώμα ηλεκτρονίων) έχει ηλεκτρόνια $8 $. Καθώς η εξωτερική στιβάδα έχει ολοκληρωθεί, αλλά συνολικά, στην τρίτη στιβάδα ηλεκτρονίων, όπως ήδη γνωρίζετε, μπορεί να υπάρχουν 18 ηλεκτρόνια, που σημαίνει ότι τα στοιχεία της τρίτης περιόδου έχουν $3d$-τροχιακά που έχουν μείνει απλήρωτα.

Όλα τα στοιχεία από $Al$ έως $Ar$ - $p$ -στοιχεία.

$s-$ και $r$ -στοιχείαμορφή κύριες υποομάδεςστο Περιοδικό σύστημα.

Στοιχεία της τέταρτης περιόδου.

Τα άτομα καλίου και ασβεστίου έχουν ένα τέταρτο στρώμα ηλεκτρονίων, το υποεπίπεδο $4s$ είναι γεμάτο, επειδή έχει λιγότερη ενέργεια από το υποεπίπεδο $3d$. Για να απλοποιήσουμε τους γραφικούς ηλεκτρονικούς τύπους των ατόμων των στοιχείων της τέταρτης περιόδου:

δηλώνουμε υπό όρους τον γραφικό ηλεκτρονικό τύπο του αργού ως εξής: $Ar$;
δεν θα απεικονίσουμε τα υποεπίπεδα που δεν είναι γεμάτα για αυτά τα άτομα.

$K, Ca$ - $s$ -στοιχεία,περιλαμβάνονται στις κύριες υποομάδες. Για άτομα από $Sc$ έως $Zn$, το 3d υποεπίπεδο είναι γεμάτο με ηλεκτρόνια. Αυτά είναι $3d$-στοιχεία. Περιλαμβάνονται σε πλευρικές υποομάδες,γεμίζεται η προ-εξωτερική στοιβάδα ηλεκτρονίων τους, αναφέρονται μεταβατικά στοιχεία.

Δώστε προσοχή στη δομή των κελυφών ηλεκτρονίων των ατόμων χρωμίου και χαλκού. Μια "αστοχία" ενός ηλεκτρονίου από το $4s-$ στο υποεπίπεδο $3d$ συμβαίνει σε αυτά, η οποία εξηγείται από τη μεγαλύτερη ενεργειακή σταθερότητα των ηλεκτρονικών διαμορφώσεων $3d^5$ και $3d^(10)$ που προκύπτουν:

$↙(24)(Cr)$1s^(2)2s^(2)2p^(6)3s^(2)3p^(6)3d^(4) 4s^(2)…$

$↙(29)(Cu)$1s^(2)2s^(2)2p^(6)3s^(2)3p^(6)3d^(9)4s^(2)…$

Σύμβολο στοιχείου, σειριακός αριθμός, όνομα	Διάγραμμα της ηλεκτρονικής δομής	Ηλεκτρονική φόρμουλα	Γραφικός ηλεκτρονικός τύπος
$↙(19)(K)$ Κάλιο		$1s^2(2)s^2(2)p^6(3)p^6(4)s^1$
$↙(20)(C)$ Ασβέστιο		$1s^2(2)s^2(2)p^6(3)p^6(4)s^2$
$↙(21)(Sc)$ Scandium		$1s^2(2)s^2(2)p^6(3)p^6(4)s^1(3)d^1$ ή $1s^2(2)s^2(2)p ^6(3)p^6(3)d^1(4)s^1$
$↙(22)(Ti)$ Τιτάνιο		$1s^2(2)s^2(2)p^6(3)p^6(4)s^2(3)d^2$ ή $1s^2(2)s^2(2)p ^6(3)p^6(3)d^2(4)s^2$
$↙(23)(V)$ Βανάδιο		$1s^2(2)s^2(2)p^6(3)p^6(4)s^2(3)d^3$ ή $1s^2(2)s^2(2)p ^6(3)p^6(3)d^3(4)s^2$
$↙(24)(Cr)$ Chrome		$1s^2(2)s^2(2)p^6(3)p^6(4)s^1(3)d^5$ ή $1s^2(2)s^2(2)p ^6(3)p^6(3)d^5(4)s^1$
$↙(29)(Сu)$ Chromium		$1s^2(2)s^2(2)p^6(3)p^6(4)s^1(3)d^(10)$ ή $1s^2(2)s^2(2 )p^6(3)p^6(3)d^(10)(4)s^1$
$↙(30)(Zn)$ Ψευδάργυρος		$1s^2(2)s^2(2)p^6(3)p^6(4)s^2(3)d^(10)$ ή $1s^2(2)s^2(2 )p^6(3)p^6(3)d^(10)(4)s^2$
$↙(31)(Ga)$ Γάλλιο		$1s^2(2)s^2(2)p^6(3)p^6(4)s^2(3)d^(10)4p^(1)$ ή $1s^2(2) s^2(2)p^6(3)p^6(3)d^(10)(4)s^(2)4p^(1)$
$↙(36)(Kr)$ Κρύπτον		$1s^2(2)s^2(2)p^6(3)p^6(4)s^2(3)d^(10)4p^6$ ή $1s^2(2)s^ 2(2)p^6(3)p^6(3)d^(10)(4)s^(2)4p^6$

Στο άτομο ψευδαργύρου, το τρίτο στρώμα ηλεκτρονίων έχει ολοκληρωθεί - όλα τα υποεπίπεδα $3, 3p$ και $3d$ είναι γεμάτα σε αυτό, συνολικά υπάρχουν 18 $ ηλεκτρόνια σε αυτά.

Στα στοιχεία που ακολουθούν τον ψευδάργυρο, το τέταρτο στρώμα ηλεκτρονίων, το υποεπίπεδο $4p$, συνεχίζει να γεμίζει. Στοιχεία από $Ga$ έως $Kr$ - $r$ -στοιχεία.

Η εξωτερική (τέταρτη) στιβάδα ενός ατόμου κρυπτών έχει ολοκληρωθεί, έχει 8 $ ηλεκτρόνια. Αλλά μόνο στο τέταρτο στρώμα ηλεκτρονίων, όπως γνωρίζετε, μπορεί να υπάρχουν 32 $ ηλεκτρόνια. το άτομο κρυπτόν εξακολουθεί να έχει μη συμπληρωμένα υποεπίπεδα $4d-$ και $4f$.

Τα στοιχεία της πέμπτης περιόδου γεμίζουν τα υποεπίπεδα με την ακόλουθη σειρά: $5s → 4d → 5р$. Και υπάρχουν επίσης εξαιρέσεις που σχετίζονται με την "αστοχία" ηλεκτρονίων, για $↙(41)Nb$, $↙(42)Mo$, $↙(44)Ru$, $↙(45)Rh$, $↙( 46) Pd$, $↙(47)Ag$. Το $f$ εμφανίζεται στην έκτη και έβδομη περίοδο -στοιχεία, δηλ. στοιχεία των οποίων τα υποεπίπεδα $4f-$ και $5f$-του τρίτου εξωτερικού ηλεκτρονικού στρώματος συμπληρώνονται, αντίστοιχα.

$4f$ -στοιχείαπου ονομάζεται λανθανίδες.

$5f$ -στοιχείαπου ονομάζεται ακτινίδες.

Η σειρά πλήρωσης των ηλεκτρονικών υποεπιπέδων στα άτομα των στοιχείων της έκτης περιόδου: $↙(55)Cs$ και $↙(56)Ba$ - $6s$-στοιχεία. $↙(57)La ... 6s^(2)5d^(1)$ - $5d$-στοιχείο; $↙(58)Ce$ – $↙(71)Lu - 4f$-στοιχεία; $↙(72)Hf$ – $↙(80)Hg - 5d$-στοιχεία; $↙(81)Т1$ – $↙(86)Rn - 6d$-στοιχεία. Αλλά και εδώ υπάρχουν στοιχεία στα οποία παραβιάζεται η σειρά πλήρωσης των τροχιακών ηλεκτρονίων, η οποία, για παράδειγμα, σχετίζεται με μεγαλύτερη ενεργειακή σταθερότητα μισών και πλήρως γεμισμένων $f$-υποεπιπέδων, δηλ. $nf^7$ και $nf^(14)$.

Ανάλογα με το τελευταίο υποεπίπεδο του ατόμου που είναι γεμάτο με ηλεκτρόνια, όλα τα στοιχεία, όπως ήδη καταλάβατε, χωρίζονται σε τέσσερις ηλεκτρονικές οικογένειες ή μπλοκ:

$s$ -στοιχεία;το $s$-υποεπίπεδο του εξωτερικού επιπέδου του ατόμου είναι γεμάτο με ηλεκτρόνια. Τα $s$-στοιχεία περιλαμβάνουν υδρογόνο, ήλιο και στοιχεία των κύριων υποομάδων των ομάδων I και II.
$r$ -στοιχεία;το $p$-υποεπίπεδο του εξωτερικού επιπέδου του ατόμου είναι γεμάτο με ηλεκτρόνια. Τα στοιχεία $p$ περιλαμβάνουν στοιχεία των κύριων υποομάδων των ομάδων III–VIII.
$d$ -στοιχεία;το $d$-υποεπίπεδο του προεξωτερικού επιπέδου του ατόμου είναι γεμάτο με ηλεκτρόνια. Τα στοιχεία $d$ περιλαμβάνουν στοιχεία δευτερευουσών υποομάδων των ομάδων I–VIII, δηλ. στοιχεία παρεμβαλλόμενων δεκαετιών μεγάλων περιόδων που βρίσκονται μεταξύ $s-$ και $p-$στοιχείων. Καλούνται επίσης μεταβατικά στοιχεία.
$f$ -στοιχεία;$f-$υποεπίπεδο του τρίτου επιπέδου του ατόμου έξω είναι γεμάτο με ηλεκτρόνια. Αυτά περιλαμβάνουν λανθανίδες και ακτινίδες.

Η ηλεκτρονική διαμόρφωση του ατόμου. Εδαφικές και διεγερμένες καταστάσεις ατόμων

Ο Ελβετός φυσικός W. Pauli στα $1925 $ το διαπίστωσε αυτό Ένα άτομο μπορεί να έχει το πολύ δύο ηλεκτρόνια σε ένα τροχιακό.έχοντας αντίθετες (αντιπαράλληλες) περιστροφές (μεταφράζεται από τα αγγλικά ως άξονας), δηλ. έχει τέτοιες ιδιότητες που μπορεί να φανταστεί υπό όρους ως η περιστροφή ενός ηλεκτρονίου γύρω από τον νοητό άξονά του δεξιόστροφα ή αριστερόστροφα. Αυτή η αρχή ονομάζεται την αρχή Pauli.

Αν υπάρχει ένα ηλεκτρόνιο σε ένα τροχιακό, τότε ονομάζεται ασύζευκτος, αν δύο, τότε αυτό ζευγαρωμένα ηλεκτρόνια, δηλ. ηλεκτρόνια με αντίθετα σπιν.

Το σχήμα δείχνει ένα διάγραμμα της διαίρεσης των ενεργειακών επιπέδων σε υποεπίπεδα.

$s-$ Τροχιάς, όπως ήδη γνωρίζετε, έχει σφαιρικό σχήμα. Το ηλεκτρόνιο του ατόμου υδρογόνου $(n = 1)$ βρίσκεται σε αυτό το τροχιακό και είναι ασύζευκτο. Σύμφωνα με αυτό το δικό του ηλεκτρονική φόρμουλα, ή ηλεκτρονική διαμόρφωση, γράφεται ως εξής: $1s^1$. Σε ηλεκτρονικούς τύπους, ο αριθμός της ενεργειακής στάθμης υποδεικνύεται από τον αριθμό μπροστά από το γράμμα $ (1 ...) $, το λατινικό γράμμα υποδηλώνει το υποεπίπεδο (τροχιακός τύπος) και τον αριθμό που αναγράφεται στα δεξιά του το γράμμα (ως εκθέτης) δείχνει τον αριθμό των ηλεκτρονίων στο υποεπίπεδο.

Για ένα άτομο ηλίου He, το οποίο έχει δύο ζευγαρωμένα ηλεκτρόνια στο ίδιο τροχιακό $s-$, αυτός ο τύπος είναι: $1s^2$. Το ηλεκτρονικό κέλυφος του ατόμου ηλίου είναι πλήρες και πολύ σταθερό. Το ήλιο είναι ένα ευγενές αέριο. Το δεύτερο ενεργειακό επίπεδο $(n = 2)$ έχει τέσσερα τροχιακά, ένα $s$ και τρία $p$. Τα ηλεκτρόνια $s$-τροχιακά δεύτερου επιπέδου ($2s$-τροχιακά) έχουν υψηλότερη ενέργεια, επειδή βρίσκονται σε μεγαλύτερη απόσταση από τον πυρήνα από τα ηλεκτρόνια του $1s$-τροχιακού $(n = 2)$. Γενικά, για κάθε τιμή $n$ υπάρχει ένα $s-$τροχιακό, αλλά με αντίστοιχη ποσότητα ενέργειας ηλεκτρονίων πάνω του και, επομένως, με αντίστοιχη διάμετρο, που αυξάνεται ως η τιμή $n$.$s- Οι αυξήσεις $Orbital, όπως ήδη γνωρίζετε , έχουν σφαιρικό σχήμα. Το ηλεκτρόνιο του ατόμου υδρογόνου $(n = 1)$ βρίσκεται σε αυτό το τροχιακό και είναι ασύζευκτο. Επομένως, ο ηλεκτρονικός τύπος του, ή η ηλεκτρονική του διαμόρφωση, γράφεται ως εξής: $1s^1$. Σε ηλεκτρονικούς τύπους, ο αριθμός της ενεργειακής στάθμης υποδεικνύεται από τον αριθμό μπροστά από το γράμμα $ (1 ...) $, το λατινικό γράμμα υποδηλώνει το υποεπίπεδο (τροχιακός τύπος) και τον αριθμό που αναγράφεται στα δεξιά του το γράμμα (ως εκθέτης) δείχνει τον αριθμό των ηλεκτρονίων στο υποεπίπεδο.

Για ένα άτομο ηλίου $He$, το οποίο έχει δύο ζευγαρωμένα ηλεκτρόνια στο ίδιο τροχιακό $s-$, αυτός ο τύπος είναι: $1s^2$. Το ηλεκτρονικό κέλυφος του ατόμου ηλίου είναι πλήρες και πολύ σταθερό. Το ήλιο είναι ένα ευγενές αέριο. Το δεύτερο ενεργειακό επίπεδο $(n = 2)$ έχει τέσσερα τροχιακά, ένα $s$ και τρία $p$. Τα ηλεκτρόνια των $s-$τροχιακών του δεύτερου επιπέδου ($2s$-τροχιακά) έχουν υψηλότερη ενέργεια, επειδή βρίσκονται σε μεγαλύτερη απόσταση από τον πυρήνα από τα ηλεκτρόνια του $1s$-τροχιακού $(n = 2)$. Γενικά, για κάθε τιμή $n$ υπάρχει ένα $s-$τροχιακό, αλλά με αντίστοιχη ποσότητα ενέργειας ηλεκτρονίων πάνω του και, επομένως, με αντίστοιχη διάμετρο, που αυξάνεται καθώς αυξάνεται η τιμή των $n$.

$r-$ ΤροχιάςΈχει το σχήμα αλτήρα, ή τόμο όγδοο. Και τα τρία $p$-τροχιακά βρίσκονται στο άτομο αμοιβαία κάθετα κατά μήκος των χωρικών συντεταγμένων που χαράσσονται μέσω του πυρήνα του ατόμου. Θα πρέπει να τονιστεί ξανά ότι κάθε επίπεδο ενέργειας (ηλεκτρονικό στρώμα), ξεκινώντας από $n= 2$, έχει τρία $p$-τροχιακά. Καθώς η τιμή του $n$ αυξάνεται, τα ηλεκτρόνια καταλαμβάνουν $p$-τροχιακά που βρίσκονται σε μεγάλες αποστάσεις από τον πυρήνα και κατευθύνονται κατά μήκος των αξόνων $x, y, z$.

Για στοιχεία της δεύτερης περιόδου $(n = 2)$, πρώτα συμπληρώνεται ένα $s$-τροχιακό και μετά τρία $p$-τροχιακά. ηλεκτρονικός τύπος $Li: 1s^(2)2s^(1)$. Το ηλεκτρόνιο $2s^1$ είναι λιγότερο συνδεδεμένο με τον ατομικό πυρήνα, επομένως ένα άτομο λιθίου μπορεί εύκολα να το δώσει μακριά (όπως ίσως θυμάστε, αυτή η διαδικασία ονομάζεται οξείδωση), μετατρέποντας σε ιόν λιθίου $Li^+$.

Στο άτομο του βηρυλλίου Be, το τέταρτο ηλεκτρόνιο τοποθετείται επίσης στο τροχιακό $2s$: $1s^(2)2s^(2)$. Τα δύο εξωτερικά ηλεκτρόνια του ατόμου του βηρυλλίου αποσπώνται εύκολα - το $B^0$ οξειδώνεται στο κατιόν $Be^(2+)$.

Το πέμπτο ηλεκτρόνιο του ατόμου του βορίου καταλαμβάνει το τροχιακό $2p$: $1s^(2)2s^(2)2p^(1)$. Στη συνέχεια, γεμίζονται τα $2p$-τροχιακά των ατόμων $C, N, O, F$, τα οποία τελειώνουν με το ευγενές αέριο νέον: $1s^(2)2s^(2)2p^(6)$.

Για στοιχεία της τρίτης περιόδου, συμπληρώνονται τα τροχιακά $3s-$ και $3p$, αντίστοιχα. Πέντε $d$-τροχιακά του τρίτου επιπέδου παραμένουν ελεύθερα:

$↙(11)Na 1s^(2)2s^(2)2p^(6)3s^(1)$,

$↙(17)Cl 1s^(2)2s^(2)2p^(6)3s^(2)3p^(5)$,

$↙(18)Ar 1s^(2)2s^(2)2p^(6)3s^(2)3p^(6)$.

Μερικές φορές, σε διαγράμματα που απεικονίζουν την κατανομή των ηλεκτρονίων στα άτομα, υποδεικνύεται μόνο ο αριθμός των ηλεκτρονίων σε κάθε ενεργειακό επίπεδο, δηλ. γράψτε συντομευμένους ηλεκτρονικούς τύπους ατόμων χημικών στοιχείων, σε αντίθεση με τους παραπάνω πλήρεις ηλεκτρονικούς τύπους, για παράδειγμα:

$↙(11)Na 2, 8, 1;$ $↙(17)Cl 2, 8, 7;$ $↙(18)Ar 2, 8, 8$.

Για στοιχεία μεγάλων περιόδων (τέταρτη και πέμπτη), τα δύο πρώτα ηλεκτρόνια καταλαμβάνουν αντίστοιχα τροχιακά $4s-$ και $5s$: $↙(19)K 2, 8, 8, 1;$ $↙(38)Sr 2 , 8, 18, 8, 2$. Ξεκινώντας από το τρίτο στοιχείο κάθε μεγάλης περιόδου, τα επόμενα δέκα ηλεκτρόνια θα πάνε στα προηγούμενα $3d-$ και $4d-$ τροχιακά, αντίστοιχα (για στοιχεία δευτερευουσών υποομάδων): $↙(23)V 2, 8, 11 , 2;$ $↙( 26)Fr 2, 8, 14, 2;$ $↙(40)Zr 2, 8, 18, 10, 2;$ $↙(43)Tc 2, 8, 18, 13, 2$. Κατά κανόνα, όταν γεμίσει το προηγούμενο υποεπίπεδο $d$, θα αρχίσει να συμπληρώνεται το εξωτερικό (αντίστοιχα $4p-$ και $5p-$) $p-$$: $↙(33)Σαν 2, 8, 18, 5;$ $ ↙(52)Te 2, 8, 18, 18, 6$.

Για στοιχεία μεγάλων περιόδων - η έκτη και η ατελής έβδομη - τα ηλεκτρονικά επίπεδα και τα υποεπίπεδα γεμίζουν με ηλεκτρόνια, κατά κανόνα, ως εξής: τα δύο πρώτα ηλεκτρόνια εισέρχονται στο εξωτερικό υποεπίπεδο $s-$: $↙(56)Ba 2, 8 , 18, 18, 8, 2;$ $↙(87)Fr 2, 8, 18, 32, 18, 8, 1$; το επόμενο ηλεκτρόνιο (για $La$ και $Ca$) στο προηγούμενο $d$-υποεπίπεδο: $↙(57)La 2, 8, 18, 18, 9, 2$ και $↙(89)Ac 2, 8, 18, 32, 18, 9, 2$.

Τότε τα επόμενα ηλεκτρόνια $14$ θα εισέλθουν στο τρίτο ενεργειακό επίπεδο από το εξωτερικό, τα τροχιακά $4f$ και $5f$ των λαντονιδών και των ακτινιδών, αντίστοιχα: $↙(64)Gd 2, 8, 18, 25, 9, 2 ;$ $↙(92 )U 2, 8, 18, 32, 21, 9, 2$.

Στη συνέχεια, το δεύτερο επίπεδο ενέργειας από το εξωτερικό ($d$-υποεπίπεδο) θα αρχίσει να δημιουργείται ξανά για τα στοιχεία των πλευρικών υποομάδων: $↙(73)Ta 2, 8, 18, 32, 11, 2;$ $↙( 104)Rf 2, 8, 18, 32, 32, 10, 2$. Και, τέλος, μόνο αφού το $d$-υποεπίπεδο γεμίσει πλήρως με δέκα ηλεκτρόνια, το $p$-υποεπίπεδο θα γεμίσει ξανά: $↙(86)Rn 2, 8, 18, 32, 18, 8$.

Πολύ συχνά, η δομή των κελυφών ηλεκτρονίων των ατόμων απεικονίζεται χρησιμοποιώντας ενέργεια ή κβαντικά κύτταρα - γράφουν τα λεγόμενα γραφικοί ηλεκτρονικοί τύποι. Για αυτήν την εγγραφή, χρησιμοποιείται ο ακόλουθος συμβολισμός: κάθε κβαντικό κύτταρο συμβολίζεται με ένα κελί που αντιστοιχεί σε ένα τροχιακό. κάθε ηλεκτρόνιο υποδεικνύεται με ένα βέλος που αντιστοιχεί στην κατεύθυνση του σπιν. Όταν γράφετε έναν γραφικό ηλεκτρονικό τύπο, πρέπει να θυμάστε δύο κανόνες: Αρχή Pauli, σύμφωνα με την οποία ένα κύτταρο (τροχιακό) δεν μπορεί να έχει περισσότερα από δύο ηλεκτρόνια, αλλά με αντιπαράλληλα σπιν, και Ο κανόνας του F. Hund, σύμφωνα με την οποία τα ηλεκτρόνια καταλαμβάνουν ελεύθερα κύτταρα πρώτα ένα κάθε φορά και ταυτόχρονα έχουν την ίδια τιμή σπιν και μόνο τότε ζευγαρώνουν, αλλά τα σπιν σε αυτή την περίπτωση, σύμφωνα με την αρχή Pauli, θα έχουν ήδη αντίθετη κατεύθυνση.

(Σημειώσεις διάλεξης)

Η δομή του ατόμου. Εισαγωγή.

Αντικείμενο μελέτης στη χημεία είναι τα χημικά στοιχεία και οι ενώσεις τους. χημικό στοιχείοΜια ομάδα ατόμων με το ίδιο θετικό φορτίο ονομάζεται. Ατομοείναι το μικρότερο σωματίδιο ενός χημικού στοιχείου που το συγκρατεί Χημικές ιδιότητες. Συνδέοντας μεταξύ τους, άτομα ενός ή διαφορετικών στοιχείων σχηματίζουν πιο πολύπλοκα σωματίδια - μόρια. Μια συλλογή ατόμων ή μορίων σχηματίζει χημικές ουσίες. Κάθε μεμονωμένη χημική ουσία χαρακτηρίζεται από ένα σύνολο επιμέρους φυσικών ιδιοτήτων, όπως σημεία βρασμού και τήξης, πυκνότητα, ηλεκτρική και θερμική αγωγιμότητα κ.λπ.

1. Η δομή του ατόμου και το Περιοδικό σύστημα στοιχείων

DI. Μεντελέεφ.

Γνώση και κατανόηση των κανονικοτήτων της σειράς πλήρωσης του Περιοδικού συστήματος στοιχείων Δ.Ι. Ο Mendeleev μας επιτρέπει να κατανοήσουμε τα εξής:

1. η φυσική ουσία της ύπαρξης στη φύση ορισμένων στοιχείων,

2. τη φύση του χημικού σθένους του στοιχείου,

3. την ικανότητα και την «ευκολία» ενός στοιχείου να δίνει ή να λαμβάνει ηλεκτρόνια όταν αλληλεπιδρά με ένα άλλο στοιχείο,

4. η φύση των χημικών δεσμών που μπορεί να σχηματίσει ένα δεδομένο στοιχείο όταν αλληλεπιδρά με άλλα στοιχεία, η χωρική δομή απλών και πολύπλοκων μορίων κ.λπ., κ.λπ.

Η δομή του ατόμου.

Ένα άτομο είναι ένα πολύπλοκο μικροσύστημα στοιχειωδών σωματιδίων που κινούνται και αλληλεπιδρούν μεταξύ τους.

Στα τέλη του 19ου και στις αρχές του 20ου αιώνα, διαπιστώθηκε ότι τα άτομα αποτελούνται από μικρότερα σωματίδια: νετρόνια, πρωτόνια και ηλεκτρόνια.Τα δύο τελευταία σωματίδια είναι φορτισμένα σωματίδια, το πρωτόνιο φέρει θετικό φορτίο, το ηλεκτρόνιο είναι αρνητικό. Δεδομένου ότι τα άτομα ενός στοιχείου στη θεμελιώδη κατάσταση είναι ηλεκτρικά ουδέτερα, αυτό σημαίνει ότι ο αριθμός των πρωτονίων σε ένα άτομο οποιουδήποτε στοιχείου είναι ίσος με τον αριθμό των ηλεκτρονίων. Η μάζα των ατόμων καθορίζεται από το άθροισμα των μαζών των πρωτονίων και των νετρονίων, ο αριθμός των οποίων είναι ίσος με τη διαφορά μεταξύ της μάζας των ατόμων και του αύξοντα αριθμού του στο περιοδικό σύστημα του D.I. Μεντελέεφ.

Το 1926, ο Schrodinger πρότεινε να περιγράψει την κίνηση των μικροσωματιδίων στο άτομο ενός στοιχείου χρησιμοποιώντας την κυματική εξίσωση που εξήγαγε. Κατά την επίλυση της κυματικής εξίσωσης Schrödinger για το άτομο του υδρογόνου, εμφανίζονται τρεις ακέραιοι κβαντικοί αριθμοί: n, ℓ και Μ ℓ , που χαρακτηρίζουν την κατάσταση ενός ηλεκτρονίου σε τρισδιάστατο χώρο στο κεντρικό πεδίο του πυρήνα. κβαντικούς αριθμούς n, ℓ και Μ ℓ πάρτε ακέραιες τιμές. Κυματική συνάρτηση που ορίζεται από τρεις κβαντικούς αριθμούς n, ℓ και Μ ℓ και λαμβάνεται ως αποτέλεσμα της επίλυσης της εξίσωσης Schrödinger ονομάζεται τροχιακό. Ένα τροχιακό είναι μια περιοχή του χώρου στην οποία είναι πιο πιθανό να βρεθεί ένα ηλεκτρόνιο.που ανήκει σε ένα άτομο ενός χημικού στοιχείου. Έτσι, η λύση της εξίσωσης Schrödinger για το άτομο του υδρογόνου οδηγεί στην εμφάνιση τριών κβαντικών αριθμών, η φυσική σημασία των οποίων είναι ότι χαρακτηρίζουν τρεις διαφορετικούς τύπους τροχιακών που μπορεί να έχει ένα άτομο. Ας ρίξουμε μια πιο προσεκτική ματιά σε κάθε κβαντικό αριθμό.

Κύριος κβαντικός αριθμόςΤο n μπορεί να πάρει οποιεσδήποτε θετικές ακέραιες τιμές: n = 1,2,3,4,5,6,7… Χαρακτηρίζει την ενέργεια του ηλεκτρονικού επιπέδου και το μέγεθος του ηλεκτρονικού «νέφους». Είναι χαρακτηριστικό ότι ο αριθμός του κύριου κβαντικού αριθμού συμπίπτει με τον αριθμό της περιόδου στην οποία βρίσκεται το δεδομένο στοιχείο.

Αζιμουθιακός ή τροχιακός κβαντικός αριθμόςΤο ℓ μπορεί να πάρει ακέραιες τιμές από ℓ = 0….έως n – 1 και καθορίζει τη ροπή κίνησης των ηλεκτρονίων, δηλ. τροχιακό σχήμα. Για διάφορες αριθμητικές τιμές του ℓ, χρησιμοποιείται ο ακόλουθος συμβολισμός: ℓ = 0, 1, 2, 3 και συμβολίζονται με σύμβολα μικρό, Π, ρε, φά, αντίστοιχα για ℓ = 0, 1, 2 και 3. Στον περιοδικό πίνακα στοιχείων δεν υπάρχουν στοιχεία με αριθμό περιστροφής ℓ = 4.

Μαγνητικός κβαντικός αριθμόςΜ ℓ χαρακτηρίζει τη χωρική διάταξη των τροχιακών ηλεκτρονίων και, κατά συνέπεια, τις ηλεκτρομαγνητικές ιδιότητες του ηλεκτρονίου. Μπορεί να πάρει τιμές από - ℓ σε + ℓ , συμπεριλαμβανομένου του μηδενός.

Το σχήμα ή, πιο συγκεκριμένα, οι ιδιότητες συμμετρίας των ατομικών τροχιακών εξαρτώνται από τους κβαντικούς αριθμούς ℓ και Μ ℓ . «ηλεκτρονικό σύννεφο», που αντιστοιχεί σε μικρό- τα τροχιακά έχουν, έχουν σχήμα μπάλας (ταυτόχρονα ℓ = 0).

Εικ.1. 1s τροχιακό

Τα τροχιακά που ορίζονται από τους κβαντικούς αριθμούς ℓ = 1 και m ℓ = -1, 0 και +1 ονομάζονται p-τροχιακά. Εφόσον το m ℓ σε αυτή την περίπτωση έχει τρεις διαφορετικές τιμές, τότε το άτομο έχει τρία ενεργειακά ισοδύναμα p-τροχιακά (ο κύριος κβαντικός αριθμός για αυτά είναι ο ίδιος και μπορεί να έχει την τιμή n = 2,3,4,5,6 ή 7) . Τα p-τροχιακά έχουν αξονική συμμετρία και έχουν τη μορφή τρισδιάστατων οκτώ, προσανατολισμένων κατά μήκος των αξόνων x, y και z σε ένα εξωτερικό πεδίο (Εικ. 1.2). Εξ ου και η προέλευση των συμβόλων p x , p y και p z .

Εικ.2. p x, p y και p z -τροχιακά

Επιπλέον, υπάρχουν d- και f-ατομικά τροχιακά, για τα πρώτα ℓ = 2 και m ℓ = -2, -1, 0, +1 και +2, δηλ. πέντε ΑΟ, για το δεύτερο ℓ = 3 και m ℓ = -3, -2, -1, 0, +1, +2 και +3, δηλ. 7 ΑΟ.

τέταρτο κβαντικό Μ μικρόπου ονομάζεται κβαντικός αριθμός σπιν, εισήχθη για να εξηγήσει ορισμένες ανεπαίσθητες επιδράσεις στο φάσμα του ατόμου υδρογόνου από τους Goudsmit και Uhlenbeck το 1925. Το σπιν ενός ηλεκτρονίου είναι η γωνιακή ορμή ενός φορτισμένου στοιχειώδους σωματιδίου ενός ηλεκτρονίου, ο προσανατολισμός του οποίου είναι κβαντισμένος, δηλ. περιορίζεται αυστηρά σε ορισμένες γωνίες. Αυτός ο προσανατολισμός καθορίζεται από την τιμή του σπιν μαγνητικού κβαντικού αριθμού (s), που για ένα ηλεκτρόνιο είναι ½ , επομένως, για ένα ηλεκτρόνιο, σύμφωνα με τους κανόνες κβαντισμού Μ μικρό = ± ½. Από αυτή την άποψη, στο σύνολο των τριών κβαντικών αριθμών, θα πρέπει να προστεθεί ο κβαντικός αριθμός Μ μικρό . Τονίζουμε για άλλη μια φορά ότι τέσσερις κβαντικοί αριθμοί καθορίζουν τη σειρά με την οποία κατασκευάζεται ο περιοδικός πίνακας στοιχείων του Mendeleev και εξηγούν γιατί υπάρχουν μόνο δύο στοιχεία στην πρώτη περίοδο, οκτώ στη δεύτερη και τρίτη, 18 στην τέταρτη κ.λπ. , για να εξηγήσουμε τη δομή του πολυηλεκτρονίου των ατόμων, τη σειρά πλήρωσης των ηλεκτρονικών επιπέδων καθώς αυξάνεται το θετικό φορτίο ενός ατόμου, δεν αρκεί να έχουμε μια ιδέα για τους τέσσερις κβαντικούς αριθμούς που «κυβερνούν» τη συμπεριφορά των ηλεκτρονίων όταν γεμίζοντας ηλεκτρονικά τροχιακά, αλλά πρέπει να γνωρίζετε μερικούς πιο απλούς κανόνες, δηλαδή, Η αρχή του Pauli, ο κανόνας του Gund και οι κανόνες του Klechkovsky.

Σύμφωνα με την αρχή Pauli στην ίδια κβαντική κατάσταση, που χαρακτηρίζεται από ορισμένες τιμές τεσσάρων κβαντικών αριθμών, δεν μπορεί να υπάρχουν περισσότερα από ένα ηλεκτρόνια.Αυτό σημαίνει ότι ένα ηλεκτρόνιο μπορεί, καταρχήν, να τοποθετηθεί σε οποιοδήποτε ατομικό τροχιακό. Δύο ηλεκτρόνια μπορούν να βρίσκονται στο ίδιο ατομικό τροχιακό μόνο εάν έχουν διαφορετικούς κβαντικούς αριθμούς σπιν.

Όταν γεμίζετε τρία p-AO, πέντε d-AO και επτά f-AOs με ηλεκτρόνια, θα πρέπει να καθοδηγείται όχι μόνο από την αρχή Pauli αλλά και από τον κανόνα Hund: Η πλήρωση των τροχιακών ενός υποκοίλου στη θεμελιώδη κατάσταση συμβαίνει με ηλεκτρόνια με τα ίδια σπιν.

Όταν γεμίζετε υποκελύφη (Π, ρε, φά) η απόλυτη τιμή του αθροίσματος των περιστροφών πρέπει να είναι μέγιστη.

Ο κανόνας του Κλετσκόφσκι. Σύμφωνα με τον κανόνα Klechkovsky, κατά το γέμισμαρε και φάτροχιακό από ηλεκτρόνια πρέπει να τηρηθείαρχή της ελάχιστης ενέργειας. Σύμφωνα με αυτή την αρχή, τα ηλεκτρόνια στη θεμελιώδη κατάσταση γεμίζουν τις τροχιές με ελάχιστα ενεργειακά επίπεδα. Η ενέργεια ενός υποεπίπεδου καθορίζεται από το άθροισμα των κβαντικών αριθμώνn + ℓ = Ε .

Ο πρώτος κανόνας του Κλετσκόφσκι: συμπληρώστε πρώτα εκείνα τα υποεπίπεδα για τα οποίαn + ℓ = Ε ελάχιστος.

Ο δεύτερος κανόνας του Κλετσκόφσκι: σε περίπτωση ισότηταςn + ℓ για πολλά υποεπίπεδα, το υποεπίπεδο για το οποίοn ελάχιστος .

Επί του παρόντος, είναι γνωστά 109 στοιχεία.

2. Ενέργεια ιοντισμού, συγγένεια ηλεκτρονίων και ηλεκτραρνητικότητα.

Τα πιο σημαντικά χαρακτηριστικά της ηλεκτρονικής διαμόρφωσης ενός ατόμου είναι η ενέργεια ιονισμού (EI) ή το δυναμικό ιοντισμού (IP) και η συγγένεια ηλεκτρονίων του ατόμου (SE). Η ενέργεια ιοντισμού είναι η μεταβολή της ενέργειας κατά τη διαδικασία αποκόλλησης ενός ηλεκτρονίου από ένα ελεύθερο άτομο σε 0 K: A = + + ē . Η εξάρτηση της ενέργειας ιοντισμού από τον ατομικό αριθμό Z του στοιχείου, το μέγεθος της ατομικής ακτίνας έχει έντονο περιοδικό χαρακτήρα.

Η συγγένεια ηλεκτρονίων (SE) είναι η μεταβολή της ενέργειας που συνοδεύει την προσθήκη ενός ηλεκτρονίου σε ένα απομονωμένο άτομο με το σχηματισμό ενός αρνητικού ιόντος σε 0 K: A + ē = A - (το άτομο και το ιόν βρίσκονται στη βασική τους κατάσταση).Σε αυτή την περίπτωση, το ηλεκτρόνιο καταλαμβάνει το χαμηλότερο ελεύθερο ατομικό τροχιακό (LUAO) εάν το VZAO καταλαμβάνεται από δύο ηλεκτρόνια. Η SE εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από την τροχιακή ηλεκτρονική τους διαμόρφωση.

Οι αλλαγές στο EI και SE συσχετίζονται με αλλαγές σε πολλές ιδιότητες των στοιχείων και των ενώσεων τους, το οποίο χρησιμοποιείται για την πρόβλεψη αυτών των ιδιοτήτων από τις τιμές των EI και SE. Τα αλογόνα έχουν την υψηλότερη απόλυτη συγγένεια ηλεκτρονίων. Σε κάθε ομάδα του περιοδικού πίνακα στοιχείων, το δυναμικό ιονισμού ή ΕΙ μειώνεται με την αύξηση του αριθμού των στοιχείων, που σχετίζεται με την αύξηση της ατομικής ακτίνας και με την αύξηση του αριθμού των στιβάδων ηλεκτρονίων, και η οποία συσχετίζεται καλά με την αύξηση του μειωτική δύναμη του στοιχείου.

Ο Πίνακας 1 του Περιοδικού Πίνακα των Στοιχείων δίνει τις τιμές των EI και SE σε eV/Atom. Σημειώστε ότι οι ακριβείς τιμές SE είναι γνωστές μόνο για μερικά άτομα· οι τιμές τους υπογραμμίζονται στον Πίνακα 1.

Τραπέζι 1

Η πρώτη ενέργεια ιοντισμού (EI), η συγγένεια ηλεκτρονίων (SE) και η ηλεκτραρνητικότητα χ) των ατόμων στο περιοδικό σύστημα.

0.747

2. 1 0

0, 3 7

1,2 2

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

0. 7 4

1. 89

-0.3

1 . 3 1

1 . 6 0

0. 6

1.63

0.7

2.07

3.61

2.3 6

- 0 .6

1.26(α)

-0.9

1 . 39

0. 18

1.2

0. 6

2.07

3.36

2.4 8

-0.6

1 . 56

0. 2

2.2

2.6 7

2, 2 1

Ομικρό

χ - Ηλεκτραρνητικότητα Pauling

r- ατομική ακτίνα, (από «Εργαστηριακά και σεμινάρια μαθήματα γενικής και ανόργανης χημείας», N.S. Akhmetov, M.K. Azizova, L.I. Badygina)

Το μάθημα είναι αφιερωμένο στο σχηματισμό ιδεών σχετικά με τη σύνθετη δομή του ατόμου. Εξετάζεται η κατάσταση των ηλεκτρονίων σε ένα άτομο, εισάγονται οι έννοιες «ατομικό τροχιακό και ηλεκτρονιακό νέφος», οι μορφές τροχιακών (s--, p-, d-τροχιακά). Εξετάζονται επίσης πτυχές όπως ο μέγιστος αριθμός ηλεκτρονίων σε ενεργειακά επίπεδα και υποεπίπεδα, η κατανομή ηλεκτρονίων σε ενεργειακά επίπεδα και υποεπίπεδα σε άτομα στοιχείων των πρώτων τεσσάρων περιόδων, ηλεκτρόνια σθένους των στοιχείων s, p και d. Δίνεται ένα γραφικό σχήμα της δομής των ηλεκτρονικών στοιβάδων των ατόμων (ηλεκτρονικός-γραφικός τύπος).

Θέμα: Η δομή του ατόμου. Περιοδικός νόμος Δ.Ι. Μεντελέεφ

Μάθημα: Η δομή του ατόμου

Μετάφραση από τα ελληνικά, η λέξη " άτομο"σημαίνει «αδιαίρετος». Ωστόσο, έχουν ανακαλυφθεί φαινόμενα που καταδεικνύουν τη δυνατότητα διαίρεσης του. Αυτά είναι η εκπομπή ακτίνων Χ, η εκπομπή καθοδικών ακτίνων, το φαινόμενο του φωτοηλεκτρικού φαινομένου, το φαινόμενο της ραδιενέργειας. Τα ηλεκτρόνια, τα πρωτόνια και τα νετρόνια είναι τα σωματίδια που αποτελούν ένα άτομο. Καλούνται υποατομικά σωματίδια.

Αυτί. ένας

Εκτός από τα πρωτόνια, ο πυρήνας των περισσότερων ατόμων περιέχει νετρόνιαπου δεν έχουν καμία επιβάρυνση. Όπως φαίνεται από τον Πίνακα. 1, η μάζα του νετρονίου πρακτικά δεν διαφέρει από τη μάζα του πρωτονίου. Τα πρωτόνια και τα νετρόνια αποτελούν τον πυρήνα ενός ατόμου και ονομάζονται νουκλεόνια (πυρήνας – πυρήνας). Τα φορτία και οι μάζες τους σε μονάδες ατομικής μάζας (a.m.u.) φαίνονται στον Πίνακα 1. Κατά τον υπολογισμό της μάζας ενός ατόμου, η μάζα ενός ηλεκτρονίου μπορεί να αγνοηθεί.

Μάζα ενός ατόμου ( μαζικός αριθμός)είναι ίσο με το άθροισμα των μαζών των πρωτονίων και των νετρονίων που αποτελούν τον πυρήνα του. Ο μαζικός αριθμός συμβολίζεται με το γράμμα ΑΛΛΑ. Από το όνομα αυτής της ποσότητας, μπορεί να φανεί ότι σχετίζεται στενά με την ατομική μάζα του στοιχείου που στρογγυλοποιείται σε έναν ακέραιο. Α=Ζ+Ν

Εδώ ΕΝΑ- μαζικός αριθμός ατόμου (το άθροισμα πρωτονίων και νετρονίων), Ζ- πυρηνικό φορτίο (αριθμός πρωτονίων στον πυρήνα), Νείναι ο αριθμός των νετρονίων στον πυρήνα. Σύμφωνα με το δόγμα των ισοτόπων, η έννοια του "χημικού στοιχείου" μπορεί να δοθεί ο ακόλουθος ορισμός:

χημικό στοιχείο Μια ομάδα ατόμων με το ίδιο πυρηνικό φορτίο ονομάζεται.

Ορισμένα στοιχεία υπάρχουν ως πολλαπλά ισότοπα. «Ισότοπα» σημαίνει «καταλαμβάνουν την ίδια θέση». Τα ισότοπα έχουν τον ίδιο αριθμό πρωτονίων, αλλά διαφέρουν ως προς τη μάζα, δηλαδή τον αριθμό των νετρονίων στον πυρήνα (αριθμός N). Επειδή τα νετρόνια έχουν μικρή έως καθόλου επίδραση στις χημικές ιδιότητες των στοιχείων, όλα τα ισότοπα του ίδιου στοιχείου είναι χημικά δυσδιάκριτα.

Ισότοπα ονομάζονται ποικιλίες ατόμων του ίδιου χημικού στοιχείου με το ίδιο πυρηνικό φορτίο (δηλαδή με τον ίδιο αριθμό πρωτονίων), αλλά με διαφορετικό αριθμό νετρονίων στον πυρήνα.

Τα ισότοπα διαφέρουν μεταξύ τους μόνο σε μαζικό αριθμό. Αυτό υποδεικνύεται είτε με έναν εκθέτη στη δεξιά γωνία, είτε σε μια γραμμή: 12 C ή C-12 . Εάν ένα στοιχείο περιέχει πολλά φυσικά ισότοπα, τότε στον περιοδικό πίνακα D.I. Ο Mendeleev υποδεικνύει τη μέση ατομική του μάζα, λαμβάνοντας υπόψη τον επιπολασμό. Για παράδειγμα, το χλώριο περιέχει 2 φυσικά ισότοπα 35 Cl και 37 Cl, η περιεκτικότητα των οποίων είναι 75% και 25%, αντίστοιχα. Έτσι, η ατομική μάζα του χλωρίου θα είναι ίση με:

ΑΛΛΑr(Cl)=0,75 . 35+0,25 . 37=35,5

Για τα τεχνητά συντιθέμενα βαρέα άτομα, δίνεται μία τιμή ατομικής μάζας σε αγκύλες. Αυτή είναι η ατομική μάζα του πιο σταθερού ισοτόπου αυτού του στοιχείου.

Βασικά μοντέλα της δομής του ατόμου

Ιστορικά, το μοντέλο Thomson του ατόμου ήταν το πρώτο το 1897.

Ρύζι. 1. Μοντέλο της δομής του ατόμου από τον J. Thomson

Ο Άγγλος φυσικός J. J. Thomson πρότεινε ότι τα άτομα αποτελούνται από μια θετικά φορτισμένη σφαίρα στην οποία παρεμβάλλονται ηλεκτρόνια (Εικ. 1). Το μοντέλο αυτό ονομάζεται μεταφορικά «plum pudding», ένα κουλούρι με σταφίδες (όπου «σταφίδες» είναι ηλεκτρόνια), ή «καρπούζι» με «σπόρους» - ηλεκτρόνια. Ωστόσο, αυτό το μοντέλο εγκαταλείφθηκε, καθώς προέκυψαν πειραματικά δεδομένα που το αντέκρουαν.

Ρύζι. 2. Μοντέλο της δομής του ατόμου από τον E. Rutherford

Το 1910, ο Άγγλος φυσικός Ernst Rutherford, με τους μαθητές του Geiger και Marsden, πραγματοποίησαν ένα πείραμα που έδωσε εκπληκτικά αποτελέσματα που ήταν ανεξήγητα από τη σκοπιά του μοντέλου Thomson. Ο Ernst Rutherford απέδειξε εμπειρικά ότι στο κέντρο του ατόμου υπάρχει ένας θετικά φορτισμένος πυρήνας (Εικ. 2), γύρω από τον οποίο περιστρέφονται, όπως οι πλανήτες γύρω από τον Ήλιο, τα ηλεκτρόνια. Το άτομο ως σύνολο είναι ηλεκτρικά ουδέτερο και τα ηλεκτρόνια συγκρατούνται στο άτομο λόγω των δυνάμεων της ηλεκτροστατικής έλξης (δυνάμεις Coulomb). Αυτό το μοντέλο είχε πολλές αντιφάσεις και, το πιο σημαντικό, δεν εξηγούσε γιατί δεν πέφτουν ηλεκτρόνια στον πυρήνα, καθώς και τη δυνατότητα απορρόφησης και εκπομπής ενέργειας από αυτόν.

Ο Δανός φυσικός N. Bohr το 1913, λαμβάνοντας ως βάση το μοντέλο του ατόμου του Rutherford, πρότεινε ένα μοντέλο του ατόμου στο οποίο τα σωματίδια ηλεκτρονίων περιστρέφονται γύρω από τον ατομικό πυρήνα με τον ίδιο τρόπο που περιστρέφονται οι πλανήτες γύρω από τον Ήλιο.

Ρύζι. 3. Πλανητικό μοντέλο του N. Bohr

Ο Bohr πρότεινε ότι τα ηλεκτρόνια σε ένα άτομο μπορούν να υπάρχουν σταθερά μόνο σε τροχιές σε αυστηρά καθορισμένες αποστάσεις από τον πυρήνα. Αυτές τις τροχιές τις ονόμασε ακίνητες. Ένα ηλεκτρόνιο δεν μπορεί να υπάρχει εκτός σταθερών τροχιών. Γιατί συμβαίνει αυτό, ο Bohr δεν μπορούσε να εξηγήσει εκείνη τη στιγμή. Αλλά έδειξε ότι ένα τέτοιο μοντέλο (Εικ. 3) καθιστά δυνατή την εξήγηση πολλών πειραματικών γεγονότων.

Επί του παρόντος χρησιμοποιείται για να περιγράψει τη δομή του ατόμου κβαντική μηχανική.Αυτή είναι μια επιστήμη, η κύρια πτυχή της οποίας είναι ότι το ηλεκτρόνιο έχει τις ιδιότητες ενός σωματιδίου και ενός κύματος ταυτόχρονα, δηλαδή, δυαδικότητα κύματος-σωματιδίου. Σύμφωνα με την κβαντική μηχανική, ονομάζεται η περιοχή του χώρου στην οποία είναι μεγαλύτερη η πιθανότητα εύρεσης ηλεκτρονίουτροχιάς. Όσο πιο μακριά είναι το ηλεκτρόνιο από τον πυρήνα, τόσο μικρότερη είναι η ενέργεια αλληλεπίδρασής του με τον πυρήνα. Σχηματίζονται ηλεκτρόνια με παρόμοιες ενέργειες επίπεδο ενέργειας. Αριθμός ενεργειακών επιπέδωνισοδυναμεί αριθμός περιόδου, στον οποίο βρίσκεται το στοιχείο αυτό στον πίνακα Δ.Ι. Μεντελέεφ. Υπάρχουν διάφορα σχήματα ατομικών τροχιακών. (Εικ. 4). Το d-τροχιακό και το f-τροχιακό έχουν πιο πολύπλοκο σχήμα.

Ρύζι. 4. Σχήματα ατομικών τροχιακών

Υπάρχουν ακριβώς τόσα ηλεκτρόνια στο ηλεκτρονιακό κέλυφος οποιουδήποτε ατόμου όσα πρωτόνια στον πυρήνα του, επομένως το άτομο ως σύνολο είναι ηλεκτρικά ουδέτερο. Τα ηλεκτρόνια σε ένα άτομο είναι διατεταγμένα έτσι ώστε η ενέργειά τους να είναι ελάχιστη. Όσο πιο μακριά είναι το ηλεκτρόνιο από τον πυρήνα, τόσο περισσότερα τροχιακά και πιο πολύπλοκα έχουν το σχήμα τους. Κάθε επίπεδο και υποεπίπεδο μπορεί να χωρέσει μόνο έναν ορισμένο αριθμό ηλεκτρονίων. Τα υποεπίπεδα, με τη σειρά τους, αποτελούνται από τροχιακά.

Στο πρώτο ενεργειακό επίπεδο, πιο κοντά στον πυρήνα, μπορεί να υπάρχει ένα σφαιρικό τροχιακό ( 1 μικρό). Στο δεύτερο ενεργειακό επίπεδο - ένα σφαιρικό τροχιακό, μεγάλου μεγέθους και τρία p-τροχιακά: 2 μικρό2 ppp. Στο τρίτο επίπεδο: 3 μικρό3 ppp3 δδδ.

Εκτός από την κίνηση γύρω από τον πυρήνα, τα ηλεκτρόνια έχουν επίσης κίνηση, η οποία μπορεί να αναπαρασταθεί ως η κίνησή τους γύρω από τον άξονά τους. Αυτή η περιστροφή ονομάζεται περιστροφή (στη λωρίδα από τα Αγγλικά. "άτρακτος"). Μόνο δύο ηλεκτρόνια με αντίθετα (αντιπαράλληλα) σπιν μπορούν να βρίσκονται σε ένα τροχιακό.

Το μέγιστοαριθμός ηλεκτρονίων ανά επίπεδο ενέργειαςκαθορίζεται από τον τύπο Ν=2 n 2.

Όπου n είναι ο κύριος κβαντικός αριθμός (αριθμός ενεργειακού επιπέδου). Βλέπε πίνακα. 2

Αυτί. 2

Ανάλογα με το σε ποιο τροχιακό βρίσκεται το τελευταίο ηλεκτρόνιο, διακρίνονται μικρό-, Π-, ρε-στοιχεία.Στοιχεία των κύριων υποομάδων ανήκουν σε μικρό-, Π-στοιχεία.Στις πλαϊνές υποομάδες βρίσκονται ρε-στοιχεία

Γραφικό διάγραμμα δομής των ηλεκτρονικών στρωμάτων ατόμων (ηλεκτρονικός γραφικός τύπος).

Για να περιγραφεί η διάταξη των ηλεκτρονίων στα ατομικά τροχιακά, χρησιμοποιείται η ηλεκτρονική διαμόρφωση. Για να το γράψετε σε μια γραμμή, τα τροχιακά γράφονται στο υπόμνημα ( μικρό--, Π-, ρε-,φά-τροχιακά), και μπροστά τους υπάρχουν αριθμοί που δείχνουν τον αριθμό του ενεργειακού επιπέδου. Όσο μεγαλύτερος είναι ο αριθμός, τόσο πιο μακριά βρίσκεται το ηλεκτρόνιο από τον πυρήνα. Σε κεφαλαία, πάνω από τον προσδιορισμό του τροχιακού, αναγράφεται ο αριθμός των ηλεκτρονίων σε αυτό το τροχιακό (Εικ. 5).

Ρύζι. 5

Γραφικά, η κατανομή των ηλεκτρονίων στα ατομικά τροχιακά μπορεί να αναπαρασταθεί ως κύτταρα. Κάθε κύτταρο αντιστοιχεί σε ένα τροχιακό. Θα υπάρχουν τρία τέτοια κελιά για το p-τροχιακό, πέντε για το d-τροχιακό και επτά για το f-τροχιακό. Ένα κύτταρο μπορεί να περιέχει 1 ή 2 ηλεκτρόνια. Σύμφωνα με Ο κανόνας του Gund, τα ηλεκτρόνια κατανέμονται σε τροχιακά της ίδιας ενέργειας (για παράδειγμα, σε τρία τροχιακά p), πρώτα ένα κάθε φορά, και μόνο όταν υπάρχει ήδη ένα ηλεκτρόνιο σε κάθε τέτοιο τροχιακό, αρχίζει η πλήρωση αυτών των τροχιακών με δεύτερα ηλεκτρόνια. Τέτοια ηλεκτρόνια ονομάζονται ζευγαρώσει.Αυτό εξηγείται από το γεγονός ότι στα γειτονικά κύτταρα, τα ηλεκτρόνια απωθούν το ένα το άλλο λιγότερο, ως παρόμοια φορτισμένα σωματίδια.

Βλέπε εικ. 6 για το άτομο 7 N.

Ρύζι. 6

Η ηλεκτρονική διαμόρφωση του ατόμου του σκανδίου

21 sc: 1 μικρό 2 2 μικρό 2 2 Π 6 3 μικρό 2 3 Π 6 4 μικρό 2 3 ρε 1

Τα ηλεκτρόνια στο εξωτερικό επίπεδο ενέργειας ονομάζονται ηλεκτρόνια σθένους. 21 scαναφέρεται σε ρε-στοιχεία.

Συνοψίζοντας το μάθημα

Στο μάθημα εξετάστηκε η δομή του ατόμου, η κατάσταση των ηλεκτρονίων στο άτομο, εισήχθη η έννοια του "ατομικού τροχιακού και ηλεκτρονιακού νέφους". Οι μαθητές έμαθαν ποιο είναι το σχήμα των τροχιακών ( μικρό-, Π-, ρε-τροχιακά), ποιος είναι ο μέγιστος αριθμός ηλεκτρονίων σε ενεργειακά επίπεδα και υποεπίπεδα, η κατανομή των ηλεκτρονίων στα ενεργειακά επίπεδα, ποιος είναι μικρό-, Π- και ρε-στοιχεία. Δίνεται γραφικό διάγραμμα της δομής των ηλεκτρονικών στοιβάδων των ατόμων (ηλεκτρονικός-γραφικός τύπος).

Βιβλιογραφία

1. Ρουτζίτης Γ.Ε. Χημεία. Βασικές αρχές Γενικής Χημείας. 11η τάξη: εγχειρίδιο για εκπαιδευτικά ιδρύματα: βασικό επίπεδο / Γ.Ε. Ρουτζίτης, Φ.Γ. Φέλντμαν. - 14η έκδ. - Μ.: Εκπαίδευση, 2012.

2. Πόπελ Π.Π. Χημεία: 8η τάξη: εγχειρίδιο για γενικά εκπαιδευτικά ιδρύματα / Π.Π. Popel, L.S. Krivlya. - Κ .: Κέντρο Πληροφόρησης "Ακαδημία", 2008. - 240 σελ.: ill.

3. A.V. Manuilov, V.I. Ροντιονόφ. Βασικές αρχές της χημείας. Εκμάθηση Διαδικτύου.

Εργασία για το σπίτι

1. Αρ. 5-7 (σελ. 22) Ρουτζίτης Γ.Ε. Χημεία. Βασικές αρχές Γενικής Χημείας. 11η τάξη: εγχειρίδιο για εκπαιδευτικά ιδρύματα: βασικό επίπεδο / Γ.Ε. Ρουτζίτης, Φ.Γ. Φέλντμαν. - 14η έκδ. - Μ.: Εκπαίδευση, 2012.

2. Γράψτε ηλεκτρονικούς τύπους για τα ακόλουθα στοιχεία: 6 C, 12 Mg, 16 S, 21 Sc.

3. Τα στοιχεία έχουν τους ακόλουθους ηλεκτρονικούς τύπους: α) 1s 2 2s 2 2p 4 .β) 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 1. γ) 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 6 4s 2 . Ποια είναι αυτά τα στοιχεία;

Ένα άτομο είναι το μικρότερο σωματίδιο της ύλης. Η μελέτη του ξεκίνησε στην αρχαία Ελλάδα, όταν η προσοχή όχι μόνο επιστημόνων, αλλά και φιλοσόφων στράφηκε στη δομή του ατόμου. Ποια είναι η ηλεκτρονική δομή ενός ατόμου και ποιες βασικές πληροφορίες είναι γνωστές για αυτό το σωματίδιο;

Η δομή του ατόμου

Ήδη οι αρχαίοι Έλληνες επιστήμονες μάντευαν την ύπαρξη των μικρότερων χημικών σωματιδίων που αποτελούν οποιοδήποτε αντικείμενο και οργανισμό. Και αν στους XVII-XVIII αιώνες. Οι χημικοί ήταν σίγουροι ότι το άτομο είναι ένα αδιαίρετο στοιχειώδες σωματίδιο, στη συνέχεια, στο γύρισμα του 19ου-20ου αιώνα, κατάφεραν να αποδείξουν πειραματικά ότι το άτομο δεν είναι αδιαίρετο.

Ένα άτομο, όντας ένα μικροσκοπικό σωματίδιο ύλης, αποτελείται από έναν πυρήνα και ηλεκτρόνια. Ο πυρήνας είναι 10.000 φορές μικρότερος από ένα άτομο, αλλά σχεδόν όλη η μάζα του είναι συγκεντρωμένη στον πυρήνα. Το κύριο χαρακτηριστικό του ατομικού πυρήνα είναι ότι έχει θετικό φορτίο και αποτελείται από πρωτόνια και νετρόνια. Τα πρωτόνια είναι θετικά φορτισμένα, ενώ τα νετρόνια δεν έχουν φορτίο (είναι ουδέτερα).

Συνδέονται μεταξύ τους με την ισχυρή πυρηνική δύναμη. Η μάζα ενός πρωτονίου είναι περίπου ίση με τη μάζα ενός νετρονίου, αλλά ταυτόχρονα είναι 1840 φορές μεγαλύτερη από τη μάζα ενός ηλεκτρονίου. Τα πρωτόνια και τα νετρόνια έχουν ένα κοινό όνομα στη χημεία - νουκλεόνια. Το ίδιο το άτομο είναι ηλεκτρικά ουδέτερο.

Ένα άτομο οποιουδήποτε στοιχείου μπορεί να υποδηλωθεί με έναν ηλεκτρονικό τύπο και έναν ηλεκτρονικό γραφικό τύπο:

Ρύζι. 1. Ηλεκτρονικός-γραφικός τύπος του ατόμου.

Το μόνο στοιχείο στον Περιοδικό Πίνακα που δεν περιέχει νετρόνια είναι το ελαφρύ υδρογόνο (πρώτιο).

Ένα ηλεκτρόνιο είναι ένα αρνητικά φορτισμένο σωματίδιο. Το ηλεκτρονιακό κέλυφος αποτελείται από ηλεκτρόνια που κινούνται γύρω από τον πυρήνα. Τα ηλεκτρόνια έχουν ιδιότητες που πρέπει να έλκονται από τον πυρήνα και μεταξύ τους επηρεάζονται από την αλληλεπίδραση Coulomb. Για να ξεπεραστεί η έλξη του πυρήνα, τα ηλεκτρόνια πρέπει να λαμβάνουν ενέργεια από μια εξωτερική πηγή. Όσο πιο μακριά είναι το ηλεκτρόνιο από τον πυρήνα, τόσο λιγότερη ενέργεια χρειάζεται για αυτό.

Μοντέλα Atom

Για πολύ καιρό, οι επιστήμονες προσπαθούσαν να κατανοήσουν τη φύση του ατόμου. Σε πρώιμο στάδιο, ο αρχαίος Έλληνας φιλόσοφος Δημόκριτος είχε μεγάλη συμβολή. Αν και τώρα η θεωρία του μας φαίνεται κοινότοπη και πολύ απλή, σε μια εποχή που η έννοια των στοιχειωδών σωματιδίων μόλις άρχιζε να αναδύεται, η θεωρία του για τα κομμάτια της ύλης λήφθηκε αρκετά σοβαρά υπόψη. Ο Δημόκριτος πίστευε ότι οι ιδιότητες κάθε ουσίας εξαρτώνται από το σχήμα, τη μάζα και άλλα χαρακτηριστικά των ατόμων. Έτσι, για παράδειγμα, κοντά στη φωτιά, πίστευε, υπάρχουν αιχμηρά άτομα - επομένως, η φωτιά καίει. Το νερό έχει λεία άτομα, έτσι μπορεί να ρέει. στα στερεά αντικείμενα, κατά την άποψή του, τα άτομα ήταν τραχιά.

Ο Δημόκριτος πίστευε ότι απολύτως τα πάντα αποτελούνται από άτομα, ακόμη και η ανθρώπινη ψυχή.

Το 1904, ο J. J. Thomson πρότεινε το μοντέλο του ατόμου. Οι κύριες διατάξεις της θεωρίας συνοψίζονται στο γεγονός ότι το άτομο παριστάνεται ως ένα θετικά φορτισμένο σώμα, μέσα στο οποίο υπήρχαν ηλεκτρόνια με αρνητικό φορτίο. Αργότερα αυτή η θεωρία διαψεύστηκε από τον E. Rutherford.

Ρύζι. 2. Το μοντέλο του ατόμου του Thomson.

Επίσης το 1904, ο Ιάπωνας φυσικός H. Nagaoka πρότεινε ένα πρώιμο πλανητικό μοντέλο του ατόμου κατ' αναλογία με τον πλανήτη Κρόνο. Σύμφωνα με αυτή τη θεωρία, τα ηλεκτρόνια είναι ενωμένα σε δακτυλίους και περιστρέφονται γύρω από έναν θετικά φορτισμένο πυρήνα. Αυτή η θεωρία αποδείχθηκε λάθος.

Το 1911, ο E. Rutherford, έχοντας κάνει μια σειρά πειραμάτων, κατέληξε στο συμπέρασμα ότι το άτομο στη δομή του είναι παρόμοιο με το πλανητικό σύστημα. Εξάλλου, τα ηλεκτρόνια, όπως και οι πλανήτες, κινούνται σε τροχιές γύρω από έναν βαρύ θετικά φορτισμένο πυρήνα. Ωστόσο, αυτή η περιγραφή έρχεται σε αντίθεση με την κλασική ηλεκτροδυναμική. Στη συνέχεια, ο Δανός φυσικός Niels Bohr το 1913 εισήγαγε τα αξιώματα, η ουσία των οποίων ήταν ότι το ηλεκτρόνιο, όντας σε ορισμένες ειδικές καταστάσεις, δεν ακτινοβολεί ενέργεια. Έτσι, τα αξιώματα του Bohr έδειξαν ότι η κλασική μηχανική δεν μπορεί να εφαρμοστεί στα άτομα. Το πλανητικό μοντέλο που περιγράφεται από τον Rutherford και συμπληρώθηκε από τον Bohr ονομάστηκε πλανητικό μοντέλο Bohr-Rutherford.

Ρύζι. 3. Πλανητικό μοντέλο Bohr-Rutherford.

Περαιτέρω μελέτη του ατόμου οδήγησε στη δημιουργία ενός τέτοιου τμήματος όπως η κβαντική μηχανική, με τη βοήθεια του οποίου εξηγήθηκαν πολλά επιστημονικά δεδομένα. Σύγχρονες ιδέες για το άτομο έχουν αναπτυχθεί από το πλανητικό μοντέλο Bohr-Rutherford. Αξιολόγηση της έκθεσης

Μέση βαθμολογία: 4.4. Συνολικές βαθμολογίες που ελήφθησαν: 469.