Công thức điện tử và sơ đồ cấu tạo của nguyên tử. Cấu trúc của lớp vỏ electron của nguyên tử

Hãy xem cách một nguyên tử được xây dựng. Hãy nhớ rằng chúng tôi sẽ chỉ nói về các mô hình. Trong thực tế, các nguyên tử nhiều hơn cấu trúc phức tạp. Nhưng cảm ơn sự phát triển hiện đại chúng tôi có khả năng giải thích và thậm chí dự đoán thành công các thuộc tính (ngay cả khi không phải tất cả). Vì vậy, cấu trúc của một nguyên tử là gì? Là nó làm bằng gì"?

Mô hình hành tinh của nguyên tử

Nó được đề xuất lần đầu tiên bởi nhà vật lý Đan Mạch N. Bohr vào năm 1913. Đây là lý thuyết đầu tiên về cấu trúc của nguyên tử, dựa trên sự kiện khoa học. Ngoài ra, cô đã đặt nền móng cho thuật ngữ chuyên đề hiện đại. Trong đó, các hạt điện tử tạo ra chuyển động quay xung quanh nguyên tử theo cùng một cách với các hành tinh xung quanh mặt trời. Bohr cho rằng chúng chỉ có thể tồn tại trong các quỹ đạo nằm ở một khoảng cách xác định chặt chẽ từ hạt nhân. Chính xác tại sao, nhà khoa học từ vị trí khoa học không thể giải thích, nhưng một mô hình như vậy đã được xác nhận bởi nhiều thí nghiệm. Số nguyên được dùng để chỉ các quỹ đạo, bắt đầu bằng đơn vị được đánh số gần hạt nhân nhất. Tất cả những quỹ đạo này cũng được gọi là mức. Nguyên tử hydro chỉ có một mức mà trên đó một electron quay. Nhưng nguyên tử phức tạp có nhiều mức hơn. Chúng được chia thành các thành phần liên kết các electron gần nhau về thế năng. Vì vậy, cái thứ hai đã có hai mức độ phân chia lại - 2s và 2p. Cái thứ ba đã có ba - 3s, 3p và 3d. Và như thế. Đầu tiên, các cấp độ gần hạt nhân hơn được “dân cư”, và sau đó là các cấp độ xa hơn. Mỗi loại trong số chúng chỉ có thể giữ một số electron nhất định. Nhưng đây không phải là kết thúc. Mỗi cấp độ phân chia lại được chia thành các obitan. Hãy so sánh với cuộc sống thường ngày. Đám mây electron của một nguyên tử có thể so sánh với một thành phố. Các cấp là đường phố. Cấp lại - một ngôi nhà riêng hoặc một căn hộ. Quỹ đạo - phòng. Mỗi người trong số chúng "sống" một hoặc hai electron. Tất cả chúng đều có địa chỉ cụ thể. Đây là sơ đồ đầu tiên về cấu trúc của nguyên tử. Và cuối cùng, về địa chỉ của các electron: chúng được xác định bởi các bộ số, được gọi là "lượng tử".

mô hình sóng của một nguyên tử

Nhưng theo thời gian, mô hình hành tinh đã được sửa đổi. Một lý thuyết thứ hai về cấu trúc của nguyên tử đã được đề xuất. Nó hoàn hảo hơn và cho phép giải thích kết quả của các thí nghiệm thực tế. Mô hình sóng của nguyên tử, do E. Schrödinger đề xuất, đã thay thế mô hình đầu tiên. Sau đó, người ta đã xác định được rằng một electron có thể tự biểu hiện không chỉ dưới dạng hạt, mà còn ở dạng sóng. Schrödinger đã làm gì? Ông đã áp dụng một phương trình mô tả sự chuyển động của sóng trong Vì vậy, người ta không thể tìm thấy quỹ đạo của một electron trong nguyên tử, mà là xác suất phát hiện ra nó trong điểm nhất định. Cả hai lý thuyết đều thống nhất với nhau bởi thực tế là các hạt cơ bản ở các mức cụ thể, mức phân chia lại và quỹ đạo. Đây là nơi kết thúc sự giống nhau của các mô hình. Hãy để tôi cung cấp cho bạn một ví dụ - lý thuyết sóng Quỹ đạo là vùng có thể tìm thấy electron với xác suất 95%. Phần còn lại của không gian chiếm 5% Nhưng cuối cùng hóa ra các đặc điểm của cấu trúc nguyên tử được mô tả bằng mô hình sóng, mặc dù thuật ngữ được sử dụng là chung chung.

Khái niệm xác suất trong trường hợp này

Tại sao thuật ngữ này được sử dụng? Heisenberg đã xây dựng công thức của nguyên lý bất định vào năm 1927, nguyên lý này ngày nay được sử dụng để mô tả chuyển động của các vi hạt. Nó dựa trên sự khác biệt cơ bản của chúng so với cơ thể vật lý. Nó là gì? Cơ học cổ điển cho rằng một người có thể quan sát các hiện tượng mà không ảnh hưởng đến chúng (quan sát Thiên thể). Dựa trên dữ liệu nhận được, có thể tính toán đối tượng sẽ ở đâu tại một thời điểm nhất định. Nhưng trong mô hình thu nhỏ, mọi thứ nhất thiết phải khác. Vì vậy, ví dụ, để quan sát một electron mà không ảnh hưởng đến nó là không thể bây giờ vì năng lượng của thiết bị và hạt là không thể so sánh được. Điều này dẫn đến thực tế là vị trí của nó thay đổi. hạt cơ bản, trạng thái, hướng, tốc độ di chuyển và các thông số khác. Và không có ý nghĩa gì khi nói về các đặc điểm chính xác. Bản thân nguyên lý bất định cho chúng ta biết rằng không thể tính được quỹ đạo chính xác của electron xung quanh hạt nhân. Bạn chỉ có thể xác định xác suất tìm thấy một hạt trong một vùng không gian nhất định. Đây là đặc thù của cấu trúc của nguyên tử nguyên tố hóa học. Nhưng điều này cần được các nhà khoa học tính đến hoàn toàn trong các thí nghiệm thực tế.

Thành phần của nguyên tử

Nhưng hãy tập trung vào toàn bộ vấn đề. Vì vậy, ngoài lớp vỏ electron được coi là tốt, thành phần thứ hai của nguyên tử là hạt nhân. Nó bao gồm các proton tích điện dương và neutron trung tính. Tất cả chúng ta đều quen thuộc với bảng tuần hoàn. Số lượng của mỗi phần tử tương ứng với số lượng proton mà nó có. Số nơtron bằng hiệu giữa khối lượng của một nguyên tử và số proton của nó. Có thể có sai lệch so với quy tắc này. Sau đó, họ nói rằng một đồng vị của nguyên tố có mặt. Cấu trúc của một nguyên tử là do nó được "bao quanh" bởi một lớp vỏ electron. thường bằng số proton. Khối lượng của cái sau lớn hơn cái trước khoảng 1840 lần và xấp xỉ bằng trọng lượng của nơtron. Bán kính của hạt nhân bằng khoảng 1 / 200.000 đường kính của nguyên tử. Bản thân nó có dạng hình cầu. Nói chung, đây là cấu trúc của nguyên tử các nguyên tố hóa học. Mặc dù có sự khác biệt về khối lượng và tính chất, chúng trông giống nhau.

Quỹ đạo

Nói về sơ đồ cấu trúc của nguyên tử là gì, người ta không thể im lặng về chúng. Vì vậy, có những loại sau:

S. Chúng có dạng hình cầu.
P. Chúng trông giống như hình số tám hoặc một trục quay đồ sộ.
d và f. Có hình dáng phức tạp, điều này rất khó để diễn tả bằng ngôn ngữ trang trọng.

Một electron của mỗi loại có thể được tìm thấy với xác suất 95% trong lãnh thổ của quỹ đạo tương ứng. Thông tin được trình bày phải được xem nhẹ, vì nó là một bản tóm tắt mô hình toán học hơn thể chất tình huống thật sự sự việc. Nhưng với tất cả những điều này, nó có khả năng dự đoán tốt về các tính chất hóa học của nguyên tử và thậm chí cả phân tử. Vị trí càng xa hạt nhân mức thì càng có thể đặt được nhiều êlectron lên đó. Vì vậy, số lượng các obitan có thể được tính bằng một công thức đặc biệt: x 2. Ở đây x bằng số cấp độ. Và vì tối đa hai electron có thể được đặt trong một quỹ đạo, nên cuối cùng, công thức của chúng tìm kiếm số sẽ có dạng như sau: 2x2.

Quỹ đạo: dữ liệu kỹ thuật

Nếu chúng ta nói về cấu trúc của nguyên tử flo, thì nó sẽ có ba obitan. Tất cả chúng sẽ được lấp đầy. Năng lượng của các obitan trong cùng một cấp độ phân chia lại là như nhau. Để chỉ định chúng, hãy thêm số lớp: 2s, 4p, 6d. Chúng ta trở lại cuộc trò chuyện về cấu trúc của nguyên tử flo. Nó sẽ có hai s- và một p-sublevel. Nó có chín proton và cùng số electron. Một cấp s đầu tiên. Đây là hai electron. Sau đó là cấp s thứ hai. Thêm hai electron. Và 5 điền vào mức p. Đây là cấu trúc của anh ấy. Sau khi đọc tiêu đề phụ sau, bạn có thể tự thực hiện các thao tác cần thiết và tự xem. Nếu chúng ta nói về flo cũng thuộc nhóm nào, thì cần lưu ý rằng, mặc dù chúng ở cùng một nhóm nhưng chúng hoàn toàn khác nhau về đặc điểm của chúng. Vì vậy, nhiệt độ sôi của chúng dao động từ -188 đến 309 độ C. Vậy tại sao chúng lại được hợp nhất? Tất cả là nhờ các tính chất hóa học. Tất cả các halogen và trong hầu hết các hơn flo có tính oxi hóa cao nhất. Chúng phản ứng với kim loại và có thể tự bốc cháy ở nhiệt độ phòng mà không gặp bất kỳ vấn đề gì.

Các quỹ đạo được lấp đầy như thế nào?

Các electron được sắp xếp theo những quy luật và nguyên tắc nào? Chúng tôi khuyên bạn nên tự làm quen với ba từ chính, từ ngữ đã được đơn giản hóa để hiểu rõ hơn:

Nguyên tắc ít năng lượng nhất. Các electron có xu hướng lấp đầy các obitan theo thứ tự tăng dần năng lượng.
Nguyên tắc Pauli. Một quỹ đạo không thể chứa nhiều hơn hai điện tử.
Quy tắc của Hund. Trong một cấp độ phân chia lại, các electron đầu tiên lấp đầy các obitan tự do, và chỉ sau đó tạo thành các cặp.

Trong vấn đề điền đầy, cấu trúc của nguyên tử cũng sẽ giúp trong trường hợp này, nó sẽ trở nên dễ hiểu hơn về mặt hình ảnh. Do đó, khi công việc thực tế với việc xây dựng các mạch của các phần tử, nó là cần thiết để giữ nó trong tầm tay.

Thí dụ

Để tóm tắt tất cả những gì đã nói trong khuôn khổ bài viết, bạn có thể làm một mẫu về cách các electron của một nguyên tử được phân bố qua các mức, mức phân chia lại và obitan của chúng (nghĩa là cấu hình mức là gì). Nó có thể được hiển thị dưới dạng công thức, biểu đồ năng lượng hoặc biểu đồ lớp. Có những hình ảnh minh họa rất hay ở đây, khi xem xét kỹ càng, sẽ giúp hiểu được cấu trúc của nguyên tử. Vì vậy, cấp độ đầu tiên được điền trước. Nó chỉ có một tầng bán lại, trong đó chỉ có một quỹ đạo. Tất cả các cấp độ đều được điền tuần tự, bắt đầu từ cấp độ nhỏ nhất. Đầu tiên, trong một cấp độ phân chia lại, một điện tử được đặt trong mỗi quỹ đạo. Sau đó, các cặp được tạo ra. Và nếu có những cái miễn phí, nó chuyển sang môn điền khác. Và bây giờ bạn có thể độc lập tìm ra cấu trúc của nguyên tử nitơ hoặc flo (đã được xem xét trước đó). Thoạt đầu có thể hơi phức tạp, nhưng bạn có thể điều hướng bằng cách nhìn vào hình ảnh. Để rõ hơn, chúng ta hãy nhìn vào cấu trúc của nguyên tử nitơ. Nó có 7 proton (cùng với neutron tạo nên hạt nhân) và cùng số electron (tạo nên lớp vỏ electron). Cấp s đầu tiên được điền trước. Nó có 2 electron. Sau đó đến cấp s thứ hai. Nó cũng có 2 electron. Và ba cái còn lại được đặt ở mức p, nơi mỗi cái chiếm một quỹ đạo.

Sự kết luận

Như bạn có thể thấy, cấu trúc của nguyên tử không chủ đề khó(nếu bạn tiếp cận nó từ một vị trí khóa học ở trường hóa học, tất nhiên). Va hieu chủ đề này không khó. Cuối cùng, tôi muốn thông báo cho bạn về một số tính năng. Ví dụ, nói về cấu trúc của nguyên tử oxy, chúng ta biết rằng nó có 8 proton và 8-10 neutron. Và vì mọi thứ trong tự nhiên đều có xu hướng cân bằng, hai nguyên tử oxy tạo thành một phân tử, nơi hai electron chưa ghép đôi tạo thành liên kết cộng hóa trị. Tương tự, một phân tử oxy ổn định khác, ozon (O 3), được hình thành. Biết được cấu tạo của nguyên tử oxi, bạn có thể soạn công thức một cách chính xác phản ứng oxy hóa, liên quan đến chất phổ biến nhất trên Trái đất.

Kể từ lúc phản ứng hoá học hạt nhân của các nguyên tử tham gia phản ứng không thay đổi (trừ biến đổi phóng xạ), khi đó tính chất hóa học của nguyên tử phụ thuộc vào cấu trúc của lớp vỏ electron của chúng. Học thuyết cấu trúc điện tử của nguyên tử dựa trên bộ máy của cơ học lượng tử. Do đó, cấu trúc các mức năng lượng của nguyên tử có thể thu được trên cơ sở các tính toán cơ học lượng tử về xác suất tìm thấy các electron trong không gian xung quanh hạt nhân nguyên tử (cơm. 4,5).

Cơm. 4,5. Sơ đồ phân khu mức năng lượngđể cấp lại

Các nguyên tắc cơ bản của lý thuyết về cấu trúc điện tử của nguyên tử được rút gọn thành các quy định sau: trạng thái của mỗi electron trong nguyên tử được đặc trưng bởi bốn số lượng tử: số lượng tử chính n = 1, 2, 3,; quỹ đạo (phương vị) l = 0,1,2, n – 1; từ tính m l = –L, –1,0,1,  l; quay m S = -1/2, 1/2 .

Dựa theo Nguyên tắc Pauli, trong cùng một nguyên tử không thể có hai electron có cùng bộ bốn Số lượng tửn, l, m l , m S; tập hợp các electron có cùng số lượng tử chính n tạo thành các lớp electron, hoặc mức năng lượng của nguyên tử, được đánh số từ hạt nhân và được ký hiệu là K, L, M, N, O, P, Q, Hơn nữa, trong lớp năng lượng với giá trị đã cho N không thể nhiều hơn 2n 2 các electron. Tập hợp các electron có cùng số lượng tử N và l, Tạo thành các cấp độ lại, được biểu thị khi chúng di chuyển ra khỏi cốt lõi như s, p, d, f.

Việc tìm ra xác suất về vị trí của một electron trong không gian xung quanh hạt nhân nguyên tử tương ứng với nguyên lý bất định Heisenberg. Theo khái niệm cơ học lượng tử, một electron trong nguyên tử không có quỹ đạo chuyển động cụ thể và có thể nằm ở bất kỳ phần nào của không gian xung quanh hạt nhân, và các vị trí khác nhau của nó được coi như một đám mây electron với mật độ nhất định. điện tích âm. Không gian xung quanh hạt nhân, trong đó điện tử có nhiều khả năng được tìm thấy nhất, được gọi là quỹ đạo. Nó chứa khoảng 90% đám mây electron. Mỗi cấp độ lại 1 giây, 2 giây, 2p vân vân. tương ứng với một số obitan có hình dạng nhất định. Ví dụ, 1 giây- và 2 giây- Các quỹ đạo có hình cầu và 2p-ghi nợ ( 2p x , 2p y , 2p z-orbitals) được định hướng theo các phương vuông góc với nhau và có hình dạng của một quả tạ ( cơm. 4,6).

Cơm. 4,6. Hình dạng và hướng của các obitan electron.

Trong các phản ứng hóa học, hạt nhân nguyên tử không thay đổi, chỉ có lớp vỏ electron của nguyên tử thay đổi, cấu trúc của nó giải thích nhiều tính chất của nguyên tố hóa học. Trên cơ sở lý thuyết về cấu tạo điện tử của nguyên tử đã xác lập ý nghĩa vật lý sâu sắc của định luật tuần hoàn các nguyên tố hóa học Mendeleev và ra đời thuyết liên kết hóa học.

Cơ sở lý thuyết của hệ thống tuần hoàn các nguyên tố hóa học bao gồm dữ liệu về cấu trúc của nguyên tử, xác nhận sự tồn tại của mối quan hệ giữa tính tuần hoàn của sự thay đổi tính chất của các nguyên tố hóa học và sự lặp lại tuần hoàn của các dạng cấu hình điện tử tương tự của nguyên tử chúng.

Dưới ánh sáng của học thuyết về cấu trúc của nguyên tử, việc Mendeleev phân chia tất cả các nguyên tố thành bảy thời kỳ trở nên hợp lý: số chu kỳ tương ứng với số mức năng lượng của nguyên tử chứa đầy electron. Trong thời gian ngắn, với sự gia tăng điện tích dương của hạt nhân nguyên tử, số electron mỗi cấp độ bên ngoài(từ 1 đến 2 ở kì 1 và từ 1 đến 8 ở kì 2 và kì 3), giải thích sự thay đổi tính chất của các nguyên tố: ở đầu kì (trừ kì 1) có một chất kiềm. kim loại, sau đó tính kim loại yếu dần và tính phi kim tăng dần. Sự đều đặn này có thể được theo dõi cho các yếu tố của thời kỳ thứ hai trong bảng 4.2.

Bảng 4.2.

Trong các chu kỳ lớn, với sự gia tăng điện tích của các hạt nhân, việc lấp đầy các mức bằng các electron khó khăn hơn, điều này giải thích sự thay đổi tính chất của các nguyên tố phức tạp hơn so với các nguyên tố ở các chu kì nhỏ.

Bản chất giống nhau về tính chất của các nguyên tố hóa học trong các phân nhóm được giải thích bằng cấu trúc tương tự của mức năng lượng bên ngoài, như thể hiện trong chuyển hướng. 4.3 minh họa trình tự điền vào các mức năng lượng bằng các electron cho các phân nhóm kim loại kiềm.

Bảng 4.3.

Số nhóm, theo quy luật, cho biết số electron trong nguyên tử có thể tham gia vào việc hình thành liên kết hóa học. Đây là ý nghĩa vật lý của số nhóm. ở bốn nơi hệ thống tuần hoàn Các nguyên tố không theo thứ tự tăng dần về khối lượng nguyên tử: Ar và K,co và Ni,Te và Tôi,Thứ tự và Bố. Những sai lệch này được coi là thiếu sót của bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học. Học thuyết về cấu trúc của nguyên tử đã giải thích những sai lệch này. Thực nghiệm xác định điện tích hạt nhân cho thấy sự sắp xếp của các nguyên tố này tương ứng với sự gia tăng điện tích hạt nhân của chúng. Ngoài ra, thực nghiệm xác định điện tích của hạt nhân nguyên tử giúp xác định được số lượng nguyên tố giữa hydro và uranium, cũng như số lượng lanthanide. Bây giờ tất cả các vị trí trong hệ thống tuần hoàn được điền vào khoảng từ Z = 1 trước Z = 114, tuy nhiên, bảng tuần hoàn vẫn chưa hoàn chỉnh, việc phát hiện ra các nguyên tố transuranium mới là hoàn toàn có thể.

Điện tử

Khái niệm về nguyên tử bắt nguồn từ thế giới cổ đạiđể biểu thị các hạt vật chất. Trong tiếng Hy Lạp, nguyên tử có nghĩa là "không thể phân chia".

Nhà vật lý người Ireland Stoney, trên cơ sở các thí nghiệm, đã đưa ra kết luận rằng điện được mang bởi các hạt nhỏ nhất tồn tại trong nguyên tử của tất cả các nguyên tố hóa học. Năm 1891, Stoney đề xuất gọi các hạt này là electron, trong tiếng Hy Lạp có nghĩa là "hổ phách". Một vài năm sau khi electron có tên, Nhà vật lý người Anh Joseph Thomson và nhà vật lý người Pháp Jean Perrin đã chứng minh rằng các electron mang điện tích âm. Đây là điện tích âm nhỏ nhất, trong hóa học được coi là đơn vị (-1). Thomson thậm chí còn xác định được tốc độ của điện tử (tốc độ của điện tử trên quỹ đạo tỷ lệ nghịch với số quỹ đạo n. Bán kính của quỹ đạo tăng tỷ lệ với bình phương của số quỹ đạo. Trong quỹ đạo đầu tiên của hydro nguyên tử (n = 1; Z = 1), tốc độ là ≈ 2,2 106 m / c, tức là nhỏ hơn một trăm lần tốc độ ánh sáng c = 3 108 m / s.) và khối lượng của một electron ( nó nhỏ hơn gần 2000 lần so với khối lượng của một nguyên tử hydro).

Trạng thái của các electron trong nguyên tử

Trạng thái của một electron trong nguyên tử là một tập hợp thông tin về năng lượng của một electron cụ thể và không gian mà nó nằm ở đó. Một electron trong nguyên tử không có quỹ đạo chuyển động, tức là người ta chỉ có thể nói về xác suất tìm thấy nó trong không gian xung quanh hạt nhân.

Nó có thể nằm ở bất kỳ phần nào của không gian này xung quanh hạt nhân, và tổng thể các vị trí khác nhau của nó được coi như một đám mây điện tử với mật độ điện tích âm nhất định. Về mặt hình tượng, điều này có thể được hình dung như sau: nếu có thể chụp ảnh vị trí của một electron trong nguyên tử trong một phần trăm hoặc phần triệu của giây, như trong một bức ảnh hoàn thiện, thì electron trong những bức ảnh như vậy sẽ được biểu diễn dưới dạng điểm. Khi được AP dụng vô số những bức ảnh như vậy sẽ dẫn đến một bức ảnh về một đám mây electron với mật độ lớn nhất, nơi sẽ có hầu hết các điểm này.

Không gian xung quanh hạt nhân nguyên tử, trong đó electron có nhiều khả năng được tìm thấy nhất, được gọi là quỹ đạo. Nó chứa khoảng 90% đám mây điện tử, và điều này có nghĩa là khoảng 90% thời gian electron ở trong phần này của không gian. Phân biệt theo hình dạng 4 loại obitan hiện được biết đến, được ký hiệu bằng tiếng Latinh các chữ cái s, p, d và f. Hình ảnh đồ họa một số dạng của obitan electron được thể hiện trong hình.

Đặc điểm quan trọng nhất của chuyển động của êlectron trên một quỹ đạo nhất định là năng lượng của liên kết của nó với hạt nhân. Các điện tử có giá trị năng lượng tương tự nhau tạo thành một lớp điện tử duy nhất, hay mức năng lượng. Các mức năng lượng được đánh số bắt đầu từ hạt nhân - 1, 2, 3, 4, 5, 6 và 7.

Một số nguyên n, biểu thị số của mức năng lượng, được gọi là số lượng tử chính. Nó đặc trưng cho năng lượng của các electron chiếm một mức năng lượng nhất định. Các electron của mức năng lượng thứ nhất, gần hạt nhân nhất, có năng lượng thấp nhất. So với các điện tử của mức đầu tiên, các điện tử của các mức tiếp theo sẽ được đặc trưng bởi một lượng lớn năng lượng. Do đó, các electron ở cấp độ ngoài cùng ít liên kết mạnh nhất với hạt nhân của nguyên tử.

Số electron lớn nhất trong mức năng lượng được xác định theo công thức:

N = 2n2,

với N là số electron tối đa; n là số cấp, hoặc số lượng tử chính. Do đó, mức năng lượng đầu tiên gần hạt nhân nhất có thể chứa không quá hai điện tử; trên thứ hai - không quá 8; trên thứ ba - không quá 18; vào ngày thứ tư - không quá 32.

Bắt đầu từ mức năng lượng thứ hai (n = 2), mỗi mức được chia nhỏ thành các mức phân chia lại (lớp con), khác biệt đôi chút về năng lượng liên kết với hạt nhân. Số lượng cấp lại bằng giá trị của số lượng tử chính: mức năng lượng đầu tiên có một mức bán lại; cái thứ hai - hai cái; thứ ba - ba; thứ tư - bốn cấp độ lại. Đến lượt mình, các cấp độ lại được hình thành bởi các obitan. Mỗi giá trịn tương ứng với số obitan bằng n.

Các cấp lại thường được ký hiệu là với các chữ cái Latinh, cũng như hình dạng của các obitan mà chúng được cấu tạo: s, p, d, f.

Proton và neutron

Một nguyên tử của bất kỳ nguyên tố hóa học nào có thể so sánh với một hệ mặt trời. Do đó, một mô hình nguyên tử như vậy, do E. Rutherford đề xuất, được gọi là hành tinh.

Hạt nhân nguyên tử, trong đó tập trung toàn bộ khối lượng của nguyên tử, bao gồm các hạt có hai loại - proton và neutron.

Các proton có điện tích bằng điện tích của các electron, nhưng ngược dấu (+1) và khối lượng, bằng khối lượng nguyên tử hydro (nó được chấp nhận trong hóa học như một đơn vị). Nơtron không mang điện tích, chúng trung hòa và có khối lượng bằng proton.

Các proton và neutron được gọi chung là nucleon (từ tiếng Latinh - hạt nhân). Tổng số proton và nơtron trong nguyên tử được gọi là số khối. Ví dụ, số khối nguyên tử nhôm:

13 + 14 = 27

số proton 13, số nơtron 14, số khối 27

Vì khối lượng của êlectron không đáng kể, có thể bỏ qua nên hiển nhiên toàn bộ khối lượng của nguyên tử đều tập trung ở hạt nhân. Electron đại diện cho e -.

Bởi vì nguyên tử điện trung tính, điều hiển nhiên là số proton và electron trong nguyên tử là như nhau. Nó bằng số thứ tự của nguyên tố hóa học được gán cho nó trong Hệ thống tuần hoàn. Khối lượng của một nguyên tử được tạo thành từ khối lượng của proton và neutron. Biết số thứ tự của nguyên tố (Z), tức là số proton và số khối (A), bằng tổng số proton và neutron, bạn có thể tìm số neutron (N) bằng công thức:

N = A-Z

Ví dụ, số nơtron trong nguyên tử sắt là:

56 — 26 = 30

đồng vị

Các nguyên tử của cùng một nguyên tố có cùng điện tích hạt nhân nhưng số khối khác nhau được gọi là đồng vị. Các nguyên tố hóa học được tìm thấy trong tự nhiên là một hỗn hợp của các đồng vị. Vậy cacbon có ba đồng vị với khối lượng là 12, 13, 14; oxy - ba đồng vị có khối lượng 16, 17, 18, v.v. Thường được cho trong hệ tuần hoàn, tương đối khối lượng nguyên tử của một nguyên tố hóa học là giá trị trung bình của khối lượng nguyên tử của hỗn hợp tự nhiên gồm các đồng vị của một nguyên tố nhất định, có tính đến độ phong phú tương đối của chúng trong tự nhiên. Tính chất hóa họcĐồng vị của hầu hết các nguyên tố hóa học là hoàn toàn giống nhau. Tuy nhiên, các đồng vị hydro khác nhau rất nhiều về tính chất do khối lượng nguyên tử tương đối của chúng tăng lên gấp nhiều lần; chúng thậm chí còn được đặt tên riêng và ký hiệu hóa học.

Các yếu tố của thời kỳ đầu tiên

Sơ đồ cấu trúc điện tử của nguyên tử hydro:

Lược đồ cấu trúc điện tử của nguyên tử cho thấy sự phân bố của các electron trên các lớp điện tử (mức năng lượng).

Công thức điện tử đồ họa của nguyên tử hydro (cho thấy sự phân bố của các điện tử trên các mức năng lượng và mức phân chia lại):

Các công thức điện tử đồ họa của nguyên tử cho thấy sự phân bố của các electron không chỉ theo mức và mức phân chia lại, mà còn theo quỹ đạo.

Trong nguyên tử heli, lớp electron đầu tiên đã hoàn thành - nó có 2 electron. Hydro và heli là nguyên tố s; đối với các nguyên tử này, quỹ đạo s chứa đầy các electron.

Tất cả các yếu tố của thời kỳ thứ hai lớp electron đầu tiên được lấp đầy, và các electron lấp đầy các obitan s và p của lớp electron thứ hai phù hợp với nguyên tắc năng lượng ít nhất (s đầu tiên và sau đó là p) và các quy tắc của Pauli và Hund.

Trong nguyên tử neon, lớp electron thứ hai đã hoàn thành - nó có 8 electron.

Đối với nguyên tử của các nguyên tố thuộc chu kỳ thứ ba, lớp electron thứ nhất và thứ hai được hoàn thiện nên lớp electron thứ ba được lấp đầy, trong đó các điện tử có thể chiếm các phân chia 3s-, 3p- và 3d-.

Một quỹ đạo điện tử 3s được hoàn thành tại nguyên tử magiê. Na và Mg là nguyên tố s.

Đối với nhôm và các nguyên tố tiếp theo, phân tầng 3p chứa đầy các điện tử.

Các nguyên tố của chu kỳ thứ ba có các obitan 3d chưa được lấp đầy.

Tất cả các nguyên tố từ Al đến Ar đều là nguyên tố p. Các nguyên tố s- và p tạo thành các phân nhóm chính trong hệ thống tuần hoàn.

Các yếu tố của thời kỳ thứ tư - thứ bảy

Một lớp electron thứ tư xuất hiện tại các nguyên tử kali và canxi, mức phân chia lại 4s được lấp đầy, vì nó có ít năng lượng hơn so với mức phân chia lại 3d.

K, Ca - nguyên tố s có trong các phân nhóm chính. Đối với các nguyên tử từ Sc đến Zn, phân tầng 3d chứa đầy các điện tử. Đây là các yếu tố 3d. Chúng được bao gồm trong các phân nhóm thứ cấp, chúng có một lớp electron trước bên ngoài được lấp đầy, chúng được gọi là các nguyên tố chuyển tiếp.

Chú ý đến cấu tạo của các lớp vỏ electron của nguyên tử crom và đồng. Trong đó, xảy ra “sự cố” của một điện tử từ cấp 4s- đến cấp độ phân chia lại 3d, điều này được giải thích là do sự ổn định năng lượng lớn hơn của các cấu hình điện tử 3d 5 và 3d 10:

Trong nguyên tử kẽm, lớp electron thứ ba được hoàn thành - tất cả các cấp độ 3s, 3p và 3d được điền vào đó, tổng cộng có 18 electron trên chúng. Trong các nguyên tố sau kẽm, lớp electron thứ tư tiếp tục được lấp đầy, phân chia lại 4p.

Các nguyên tố từ Ga đến Kr là nguyên tố p.

Tại nguyên tử krypton lớp ngoài(thứ tư) hoàn thành, có 8 electron. Nhưng chỉ có thể có 32 electron ở lớp electron thứ tư; cấp 4d và 4f của nguyên tử krypton vẫn chưa được lấp đầy. Các nguyên tố của chu kỳ thứ 5 đang điền vào các mức phụ theo thứ tự sau: 5s - 4d - 5p. Và cũng có những ngoại lệ liên quan đến " thất bại»Electron, y 41 Nb, 42 Mo, 44 Ru, 45 Rh, 46 Pd, 47 Ag.

Trong giai đoạn thứ sáu và thứ bảy, các phần tử f lần lượt xuất hiện, tức là, các phần tử trong đó các cấp độ 4f và 5f của lớp điện tử bên ngoài thứ ba được lấp đầy tương ứng.

Các phần tử 4f được gọi là lanthanides.

Các phần tử 5f được gọi là actinides.

Thứ tự lấp đầy các mức phân chia lại điện tử trong nguyên tử của các nguyên tố thuộc chu kỳ thứ sáu: 55 nguyên tố C và 56 nguyên tố Ba - 6; 57 La… 6 phần tử 5d x - 5d; 58 Ce - 71 Lu - 4f phần tử; 72 Hf - 80 Hg - 5d nguyên tố; 81 phần tử T1 - 86 Rn - 6d. Nhưng ngay cả ở đây cũng có những phần tử mà thứ tự lấp đầy của các obitan điện tử bị “vi phạm”, ví dụ, có liên quan đến độ ổn định năng lượng lớn hơn của một nửa và cấp f hoàn toàn được lấp đầy, tức là nf 7 và nf 14. Tùy thuộc vào cấp độ phân chia lại của nguyên tử được lấp đầy bởi các electron cuối cùng, tất cả các nguyên tố được chia thành bốn họ điện tử, hoặc các khối:

phần tử s. Cấp s-sublevel của cấp độ ngoài cùng của nguyên tử chứa đầy các electron; nguyên tố s bao gồm hydro, heli và các nguyên tố thuộc phân nhóm chính của nhóm I và II.

phần tử p. Phân cấp p của cấp độ ngoài cùng của nguyên tử chứa đầy các điện tử; nguyên tố p gồm các nguyên tố thuộc phân nhóm chính nhóm III-VIII.

d-phần tử. Mức d-sublevel của mức bên ngoài của nguyên tử chứa đầy các electron; Nguyên tố d bao gồm các nguyên tố thuộc phân nhóm thứ cấp của nhóm I-VIII, tức là các nguyên tố của các thập kỷ liên vùng của các giai đoạn lớn nằm giữa nguyên tố s và p. Chúng còn được gọi là các yếu tố chuyển tiếp.

phần tử f. Cấp độ f của cấp độ bên ngoài thứ ba của nguyên tử chứa đầy các điện tử; chúng bao gồm các chất chống oxy hóa và chất chống oxy hóa.

Nhà vật lý người Thụy Sĩ W. Pauli vào năm 1925 đã xác định rằng trong một nguyên tử trong một quỹ đạo không thể có nhiều hơn hai điện tử có spin ngược chiều (phản song song) (dịch từ tiếng Anh - "spindle"), tức là có những đặc tính như vậy có thể được hình dung một cách có điều kiện như chuyển động quay của một electron quanh trục tưởng tượng của nó: theo chiều kim đồng hồ hoặc ngược chiều kim đồng hồ.

Nguyên tắc này được gọi là Nguyên tắc Pauli. Nếu có một điện tử trong quỹ đạo, thì nó được gọi là không ghép đôi, nếu có hai, thì đây là các điện tử đã ghép đôi, tức là các điện tử có spin trái dấu. Hình bên cho thấy sơ đồ phân chia các mức năng lượng thành các mức phân chia lại và thứ tự chúng được lấp đầy.

Thông thường, cấu trúc của lớp vỏ electron của nguyên tử được mô tả bằng cách sử dụng năng lượng hoặc ô lượng tử - chúng viết ra cái gọi là công thức điện tử đồ họa. Đối với bản ghi này, ký hiệu sau được sử dụng: mỗi ô lượng tử được ký hiệu bằng một ô tương ứng với một quỹ đạo; mỗi electron được biểu thị bằng một mũi tên tương ứng với hướng của spin. Khi viết một công thức điện tử đồ họa, cần nhớ hai quy tắc: Nguyên tắc Pauli và quy tắc F. Hund, theo đó các điện tử chiếm các ô tự do, đầu tiên tại một thời điểm và đồng thời có cùng giá trị spin, và sau đó chỉ ghép đôi, nhưng các spin, theo nguyên tắc Pauli, sẽ có hướng đối lập nhau.

Quy tắc của Hund và nguyên tắc của Pauli

Quy tắc của Hund- quy tắc hóa học lượng tử, xác định thứ tự lấp đầy các obitan của một lớp con nhất định và được xây dựng như sau: Tổng giá trị số lượng tử spin của electron của một lớp con nhất định phải là cực đại. Công thức của Friedrich Hund vào năm 1925.

Điều này có nghĩa là trong mỗi obitan của lớp con, một điện tử được lấp đầy đầu tiên và chỉ sau khi các obitan chưa được lấp đầy hết, một điện tử thứ hai mới được thêm vào quỹ đạo này. Trong trường hợp này, hai electron có spin bán nguyên nằm trong cùng một quỹ đạo dấu hiệu ngược lại, cặp nào (tạo thành đám mây hai điện tử) và kết quả là tổng spin của quỹ đạo trở nên bằng không.

Từ ngữ khác: Dưới đây trong năng lượng là thuật ngữ nguyên tử thỏa mãn hai điều kiện.

Tính đa dạng là tối đa
Nếu các phép nhân trùng nhau, tổng thời điểm quỹ đạo L tối đa.

Hãy phân tích quy tắc này bằng cách sử dụng ví dụ về việc lấp đầy các obitan của p-sublevel P- các nguyên tố của chu kỳ thứ hai (nghĩa là từ bo đến neon (trong sơ đồ dưới đây, các đường ngang biểu thị các obitan, các mũi tên dọc biểu thị các electron và hướng của mũi tên chỉ định hướng của spin).

Quy tắc của Klechkovsky

Quy tắc của Klechkovsky - khi tổng số electron trong nguyên tử tăng lên (với sự gia tăng điện tích của hạt nhân của chúng, hoặc số thứ tự của các nguyên tố hóa học), các obitan nguyên tử được tạo thành theo cách mà sự xuất hiện của các electron trong các obitan năng lượng cao hơn chỉ phụ thuộc vào số lượng tử chính n và không phụ thuộc vào tất cả các số lượng tử khác. các số, kể cả những số từ l. Về mặt vật lý, điều này có nghĩa là trong một nguyên tử giống hiđrô (không có lực đẩy Finchron), năng lượng quỹ đạo của một điện tử chỉ được xác định bởi độ xa không gian của mật độ điện tích điện tử từ hạt nhân và không phụ thuộc vào các đặc điểm chuyển động của nó. trong trường của hạt nhân.

Quy tắc thực nghiệm của Klechkovsky và trình tự của chuỗi năng lượng thực có phần mâu thuẫn của các obitan nguyên tử chỉ phát sinh từ nó trong hai trường hợp cùng loại: đối với các nguyên tử Cr, Cu, Nb, Mo, Ru, Rh, Pd, Ag, Pt, Au, có sự “hỏng hóc” của một electron có phân chia lại s của lớp ngoài cùng với phân chia lại d của lớp trước, dẫn đến trạng thái ổn định hơn về mặt năng lượng của nguyên tử, cụ thể là: sau khi lấp đầy quỹ đạo 6 bằng hai điện tử S

Tất cả vật chất đều được tạo thành từ các hạt rất nhỏ gọi là nguyên tử . Nguyên tử là hạt nhỏ nhất nguyên tố hóa học giữ lại tất cả tính chất đặc trưng. Để hình dung kích thước của một nguyên tử, có thể nói rằng nếu chúng có thể được đặt gần nhau, thì một triệu nguyên tử sẽ chiếm khoảng cách chỉ 0,1 mm.

Sự phát triển hơn nữa của khoa học về cấu trúc của vật chất cho thấy rằng nguyên tử cũng có cấu trúc phức tạp và được tạo thành từ các electron và proton. Đây là cách lý thuyết điện tử về cấu trúc của vật chất hình thành.

Vào thời cổ đại, người ta đã phát hiện ra rằng có hai loại điện: điện dương và điện âm. Lượng điện chứa trong cơ thể được gọi là điện tích. Tùy thuộc vào loại điện mà cơ thể sở hữu, điện tích có thể là dương hoặc âm.

Theo kinh nghiệm, nó cũng được thiết lập giống như các điện tích đẩy nhau, và các điện tích trái dấu hút nhau.

Xem xét cấu trúc điện tử nguyên tử. Nguyên tử được tạo thành từ các hạt thậm chí còn nhỏ hơn chính chúng, được gọi là điện tử.

ĐỊNH NGHĨA:Electron là hạt nhỏ nhất chất có điện tích âm ít nhất.

Các electron xoay quanh lõi trung tâm bao gồm một hoặc nhiều proton và nơtron, theo quỹ đạo đồng tâm. Electron là các hạt mang điện tích âm, proton là dương và neutron là trung hòa (Hình 1.1).

ĐỊNH NGHĨA:Proton là hạt nhỏ nhất của vật chất có điện tích dương nhỏ nhất.

Sự tồn tại của các electron và proton là điều không thể nghi ngờ. Các nhà khoa học không chỉ xác định khối lượng, điện tích và kích thước của các electron và proton, mà thậm chí còn làm cho chúng hoạt động trong các thiết bị kỹ thuật điện và vô tuyến khác nhau.

Người ta cũng nhận thấy rằng khối lượng của một electron phụ thuộc vào tốc độ chuyển động của nó và electron không chỉ chuyển động tịnh tiến trong không gian mà còn quay quanh trục của nó.

Đơn giản nhất trong cấu trúc của nó là nguyên tử hydro (Hình 1.1). Nó bao gồm một hạt nhân proton và quay với tốc độ nhanh xung quanh hạt nhân của êlectron tạo thành lớp vỏ ngoài cùng (quỹ đạo) của nguyên tử. Các nguyên tử phức tạp hơn có nhiều lớp vỏ mà các electron quay xung quanh.

Các lớp vỏ này tuần tự được lấp đầy bởi các electron từ hạt nhân (Hình 1.2).

Bây giờ chúng ta hãy phân tích . Lớp vỏ ngoài cùng được gọi là hóa trị, và số electron mà nó chứa được gọi là lễ tình nhân. Càng xa lõi vỏ hóa trị, do đó, lực hút của mỗi điện tử hóa trị phải trải qua từ phía hạt nhân càng nhỏ. Như vậy, nguyên tử tăng khả năng tự gắn electron nếu lớp vỏ hóa trị không được lấp đầy và nằm xa hạt nhân, hoặc mất chúng.
Các electron ở lớp vỏ ngoài cùng có thể nhận năng lượng. Nếu các electron ở lớp vỏ hóa trị nhận được mức năng lượng cần thiết từ các lực lượng bên ngoài, chúng có thể tách ra khỏi nó và rời khỏi nguyên tử, tức là, trở thành các electron tự do. Các êlectron tự do có khả năng chuyển động tùy ý từ nguyên tử này sang nguyên tử khác. Các vật liệu có chứa con số lớn điện tử tự do, được gọi là dây dẫn .

chất cách điện , ngược lại với chất dẫn điện. Chúng ngăn chặn sự rò rỉ dòng điện. Chất cách điện bền vì các electron hóa trị của một số nguyên tử lấp đầy các lớp vỏ hóa trị của các nguyên tử khác, tham gia cùng chúng. Điều này ngăn cản sự hình thành các electron tự do.
Vị trí trung gian giữa chất cách điện và chất dẫn điện bị chiếm bởi chất bán dẫn nhưng chúng ta sẽ nói về chúng sau.
Xem xét thuộc tính của một nguyên tử. một nguyên tử có Cùng một số electron và proton, trung hòa về điện. Một nguyên tử nhận một hoặc nhiều electron trở nên mang điện âm và được gọi là ion âm. Nếu một nguyên tử mất một hoặc nhiều electron, thì nó sẽ trở thành một ion dương, tức là nó trở nên tích điện dương.

Được viết dưới dạng cái gọi là công thức điện tử. Trong công thức điện tử, các chữ cái s, p, d, f biểu thị các mức năng lượng của các electron; các số phía trước các chữ cái cho biết mức năng lượng mà electron đã cho nằm trong đó và chỉ số ở trên cùng bên phải là số lượng electron trong cấp phân chia lại này. Để lập công thức điện tử của nguyên tử của bất kỳ nguyên tố nào, chỉ cần biết số thứ tự của nguyên tố này trong hệ thống tuần hoàn là đủ và thực hiện các quy định cơ bản chi phối sự phân bố của các electron trong nguyên tử.

Cấu trúc của lớp vỏ electron của nguyên tử cũng có thể được mô tả dưới dạng sự sắp xếp của các electron trong các ô năng lượng.

Đối với nguyên tử sắt, sơ đồ như vậy có dạng sau:

Sơ đồ này cho thấy rõ ràng việc thực hiện quy tắc của Hund. Trên cấp độ 3D số tiền tối đa, các ô (bốn) chứa đầy các điện tử chưa ghép đôi. Hình ảnh cấu tạo của lớp vỏ electron trong nguyên tử dưới dạng công thức điện tử và dưới dạng sơ đồ không phản ánh rõ ràng tính chất sóngđiện tử.

Từ ngữ của luật định kỳ được sửa đổi VÂNG. Mendeleev : đặc tính cơ thể đơn giản, cũng như hình dạng và thuộc tính của các kết nối của các phần tử trong sự phụ thuộc tuần hoàn khối lượng nguyên tử của các nguyên tố.

Từ ngữ hiện đại Luật định kì : tính chất của các nguyên tố, cũng như dạng và tính chất của các hợp chất của chúng, phụ thuộc tuần hoàn vào độ lớn điện tích của hạt nhân nguyên tử của chúng.

Bằng cách này, nguồn điện dương hạt nhân (chứ không phải khối lượng nguyên tử) hóa ra là một lập luận chính xác hơn mà các thuộc tính của các nguyên tố và hợp chất của chúng phụ thuộc vào

Valence- là số liên kết hóa học mà nguyên tử này liên kết với nguyên tử khác.
Các khả năng hóa trị của nguyên tử được xác định bởi số electron chưa ghép đôi và sự hiện diện của các obitan nguyên tử tự do ở cấp độ ngoài cùng. Cấu trúc các mức năng lượng ngoài cùng của nguyên tử các nguyên tố hóa học chủ yếu quyết định tính chất của nguyên tử chúng. Do đó, các mức này được gọi là mức hóa trị. Các điện tử của các mức này, và đôi khi của các mức trước bên ngoài, có thể tham gia vào việc hình thành các liên kết hóa học. Các điện tử như vậy còn được gọi là các điện tử hóa trị.

Giá trị stoichiometric nguyên tố hóa học - là số lượng đương lượng mà một nguyên tử nhất định có thể gắn vào chính nó, hoặc là số lượng đương lượng trong một nguyên tử.

Đương lượng được xác định bởi số nguyên tử hydro gắn vào hoặc thay thế, do đó, hóa trị phân vị bằng số nguyên tử hydro mà nguyên tử này tương tác. Nhưng không phải tất cả các nguyên tố đều tương tác tự do, mà hầu hết mọi thứ đều tương tác với oxy, vì vậy hóa trị phân vị có thể được định nghĩa bằng hai lần số nguyên tử oxy gắn vào.

Ví dụ, hóa trị phân cực của lưu huỳnh trong hydro sunfua H 2 S là 2, trong oxit SO 2 - 4, trong oxit SO 3 -6.

Khi xác định hóa trị phân cực của một nguyên tố bằng công thức kết nối nhị phân người ta phải được hướng dẫn bởi quy tắc: tổng hóa trị của tất cả các nguyên tử của một nguyên tố phải bằng tổng hóa trị của tất cả các nguyên tử của nguyên tố khác.

Trạng thái oxy hóa cũng đặc trưng cho thành phần cấu tạo của chất và bằng hóa trị phân cực bằng dấu cộng (đối với kim loại hoặc nguyên tố có điện tích hơn trong phân tử) hoặc trừ.

1 trong chất đơn giản trạng thái oxi hóa của các nguyên tố bằng không.

2. Trạng thái oxi hóa của flo trong mọi hợp chất là -1. Các halogen còn lại (clo, brom, iot) với kim loại, hiđro và các nguyên tố khác có độ nhiễm điện cao hơn cũng có trạng thái oxi hóa -1, nhưng trong hợp chất với các nguyên tố có độ âm điện lớn hơn thì chúng có trạng thái giá trị tích cực mức độ oxy hóa.

3. Oxi trong các hợp chất có số oxi hóa là -2; các trường hợp ngoại lệ là hydro peroxit H 2 O 2 và các dẫn xuất của nó (Na 2 O 2, BaO 2, v.v., trong đó oxy có trạng thái oxy hóa -1, cũng như oxy florua OF 2, trong đó trạng thái oxy hóa của oxy là +2.

4. Các nguyên tố kiềm (Li, Na, K, v.v.) và các nguyên tố nhóm con chính nhóm thứ hai của hệ tuần hoàn (Be, Mg, Ca, v.v.) luôn có số oxi hóa bằng số thứ tự của nhóm, tương ứng là +1 và +2.

5. Tất cả các nguyên tố của nhóm thứ ba, ngoại trừ thallium, có số oxi hóa không đổi bằng số thứ tự của nhóm, tức là +3.

6. Trạng thái oxi hóa cao nhất của một nguyên tố bằng số nhóm của hệ thống tuần hoàn và thấp nhất là hiệu số: số nhóm - 8. Ví dụ, nhiệt độ cao nhất số oxy hóa nitơ (nó nằm ở nhóm thứ năm) là +5 (trong axit nitric và muối của nó), và thấp nhất là -3 (trong amoniac và muối amoni).

7. Trạng thái oxi hóa của các nguyên tố trong hợp chất bù trừ lẫn nhau để tổng của chúng đối với tất cả các nguyên tử trong phân tử hoặc đơn vị công thức trung hòa bằng 0 và đối với một ion - điện tích của nó.

Các quy tắc này có thể được sử dụng để xác định trạng thái oxi hóa chưa biết của một nguyên tố trong hợp chất, nếu trạng thái oxi hóa của các nguyên tố khác đã biết và để tạo hợp chất đa nguyên tố.

Mức độ oxy hóa (Số ôxy hóa,) — phụ trợ giá trị điều kiệnđể ghi lại các quá trình của phản ứng oxi hóa, khử và phản ứng oxi hóa khử.

ý tưởng trạng thái oxy hóa thường được sử dụng trong hóa học vô cơ thay vì khái niệm hóa trị. Trạng thái oxi hóa của nguyên tử bằng trị số của điện tích do nguyên tử đó gây ra, giả thiết rằng các cặp electron thực hiện liên kết hoàn toàn lệch về phía các nguyên tử có độ âm điện nhiều hơn (nghĩa là dựa trên giả thiết rằng hợp chất bao gồm chỉ của các ion).

Trạng thái oxi hóa tương ứng với số electron phải thêm vào ion dương để khử nó thành nguyên tử trung hòa, hoặc lấy từ ion âm để oxi hóa nó thành nguyên tử trung hòa:

Al 3+ + 3e - → Al
S 2− → S + 2e - (S 2− - 2e - → S)

Tính chất của các nguyên tố, tùy thuộc vào cấu tạo của lớp vỏ electron của nguyên tử, thay đổi theo các chu kỳ và nhóm của hệ thống tuần hoàn. Vì trong một số phần tử tương tự, các cấu trúc điện tử chỉ giống nhau chứ không giống nhau, nên khi chuyển từ phần tử này sang nhóm khác, không phải quan sát thấy sự lặp lại đơn giản của các thuộc tính đối với chúng, nhưng chúng ít nhiều thể hiện rõ ràng sự thay đổi thường xuyên.

Bản chất hóa học của một nguyên tố được xác định bởi khả năng mất hoặc nhận electron của nguyên tố đó. Khả năng này được định lượng bằng các giá trị của năng lượng ion hóa và ái lực của điện tử.

Năng lượng ion hóa (Ei) gọi là số lượng tối thiểu năng lượng cần thiết để tách ra và loại bỏ hoàn toàn một êlectron khỏi nguyên tử trong pha khí ở T = 0

K mà không chuyển cho một điện tử giải phóng động năng với sự biến đổi nguyên tử thành ion mang điện tích dương: E + Ei = E + + e-. Năng lượng ion hóa là dương và có giá trị nhỏ nhấtđối với nguyên tử kim loại kiềm và lớn nhất đối với nguyên tử của khí quý (trơ).

Ái lực electron (Ee) là năng lượng được giải phóng hoặc bị hấp thụ khi một êlectron liên kết với nguyên tử trong pha khí ở T = 0

K với sự biến đổi nguyên tử thành ion mang điện tích âm mà không truyền động năng cho hạt thì:

E + e- = E- + Ee.

Các halogen, đặc biệt là flo, có ái lực điện tử tối đa (Ee = -328 kJ / mol).

Giá trị của Ei và Ee được biểu thị bằng kilojoules trên mol (kJ / mol) hoặc bằng electron vôn trên nguyên tử (eV).

Khả năng của một nguyên tử liên kết để dịch chuyển các electron của các liên kết hóa học về phía chính nó, làm tăng mật độ electron xung quanh chính nó được gọi là độ âm điện.

Khái niệm này được đưa vào khoa học bởi L. Pauling. Độ âm điệnđược ký hiệu bằng ký hiệu ÷ và đặc trưng cho xu hướng gắn electron của một nguyên tử nhất định khi nó tạo thành liên kết hóa học.

Theo R. Maliken, độ âm điện của nguyên tử được ước tính bằng một nửa tổng năng lượng ion hóa và ái lực điện tử của nguyên tử tự do h = (Ee + Ei) / 2

Trong các giai đoạn, năng lượng ion hóa và độ âm điện tăng theo chiều hướng tăng của điện tích hạt nhân nguyên tử; theo nhóm, các giá trị này tăng khi tăng số seri các yếu tố đang giảm dần.

Cần nhấn mạnh rằng nguyên tố không thể được gán một giá trị độ âm điện không đổi, vì nó phụ thuộc vào nhiều yếu tố, đặc biệt là trạng thái hóa trị nguyên tố, loại hợp chất mà nó được bao gồm, số lượng và loại nguyên tử lân cận.

Bán kính nguyên tử và ion. Kích thước của nguyên tử và ion được xác định bởi kích thước của lớp vỏ electron. Theo các khái niệm cơ học lượng tử, lớp vỏ electron không có các ranh giới xác định nghiêm ngặt. Do đó, đối với bán kính của một nguyên tử hoặc ion tự do, chúng ta có thể lấy về mặt lý thuyết được tính toán khoảng cách từ lõi đến vị trí của mật độ cực đại chính của các đám mây electron bên ngoài. Khoảng cách này được gọi là bán kính quỹ đạo. Trong thực tế, người ta thường sử dụng các giá trị bán kính của nguyên tử và ion trong các hợp chất, tính từ số liệu thực nghiệm. Trong trường hợp này, cộng hóa trị và bán kính kim loại của nguyên tử được phân biệt.

Sự phụ thuộc của bán kính nguyên tử và ion vào điện tích của hạt nhân nguyên tử của một nguyên tố và có tính tuần hoàn. Trong các giai đoạn khi chúng tăng lên số nguyên tử bán kính có xu hướng giảm dần. Sự sụt giảm lớn nhất là điển hình cho các phần tử của thời kỳ nhỏ, vì mức điện tử bên ngoài được lấp đầy trong chúng. Trong các giai đoạn lớn trong các họ nguyên tố d và f, sự thay đổi này ít rõ nét hơn, vì sự lấp đầy các electron trong chúng xảy ra ở lớp tiền ngoài. Trong các phân nhóm, bán kính của các nguyên tử và ion cùng loại thường tăng lên.

Bảng tuần hoàn các nguyên tố là ví dụ tốt biểu hiện của các loại tính tuần hoàn khác nhau trong thuộc tính của các nguyên tố, được quan sát theo chiều ngang (trong một khoảng thời gian từ trái sang phải), theo chiều dọc (trong một nhóm, ví dụ, từ trên xuống dưới), theo đường chéo, tức là một số tính chất của nguyên tử tăng hoặc giảm, nhưng tính tuần hoàn được bảo toàn.

Trong khoảng thời gian từ trái sang phải (→), tính oxi hóa và tính chất phi kim loại các nguyên tố, và tính khử và tính kim loại giảm dần. Vì vậy, trong tất cả các nguyên tố của chu kỳ 3, natri sẽ là kim loại hoạt động và là chất khử mạnh nhất, còn clo là chất oxi hóa mạnh nhất.

liên kết hóa học - là liên kết giữa các nguyên tử trong phân tử, hoặc mạng tinh thể, do tác động giữa các nguyên tử lực điện sức hút.

Đây là sự tương tác của tất cả các electron và tất cả các hạt nhân, dẫn đến sự hình thành của một hệ thống đa nguyên tử ổn định (gốc, ion phân tử, phân tử, tinh thể).

Liên kết hóa học do các electron hóa trị thực hiện. Qua ý tưởng hiện đại liên kết hóa học có bản chất là điện tử, nhưng nó được thực hiện theo những cách khác nhau. Do đó, có ba loại liên kết hóa học chính: cộng hóa trị, ion, kim loại.Giữa các phân tử phát sinh liên kết hydro, và xảy ra tương tác van der Waals.

Các đặc điểm chính của liên kết hóa học là:

- chiều dài trái phiếu - là khoảng cách giữa các hạt nhân giữa các nguyên tử có liên kết hóa học.

Nó phụ thuộc vào bản chất của các nguyên tử tương tác và vào tính đa dạng của liên kết. Với sự gia tăng tính đa dạng, độ dài liên kết giảm, và do đó, độ bền của nó tăng lên;

- tính đa liên kết - được xác định bằng số cặp electron liên kết giữa hai nguyên tử. Khi tính đa hiệu tăng lên, năng lượng liên kết tăng lên;

- góc kết nối- góc giữa các đường thẳng tưởng tượng đi qua hạt nhân của hai nguyên tử lân cận liên kết hóa học với nhau;

Năng lượng liên kết E CB - đây là năng lượng được giải phóng trong quá trình hình thành liên kết này và được sử dụng để phá vỡ nó, kJ / mol.

liên kết cộng hóa trị - Liên kết hóa học được hình thành bằng cách chia sẻ một cặp electron với hai nguyên tử.

Việc giải thích liên kết hóa học bằng cách xuất hiện các cặp electron chung giữa các nguyên tử đã hình thành nên cơ sở của thuyết spin hóa trị, công cụ của nó là phương pháp liên kết hóa trị (MVS) , được Lewis phát hiện vào năm 1916. Để mô tả cơ học lượng tử về liên kết hóa học và cấu trúc của phân tử, một phương pháp khác được sử dụng: phương pháp quỹ đạo phân tử (MMO) .

Phương pháp trái phiếu giá trị

Các nguyên tắc cơ bản của sự hình thành liên kết hóa học theo MVS:

1. Liên kết hóa học được hình thành do các electron hóa trị (chưa ghép đôi).

2. Các electron có spin đối song thuộc hai nguyên tử khác nhau trở thành chung.

3. Liên kết hóa học chỉ được hình thành khi hai hoặc nhiều nguyên tử tiến lại gần nhau Tổng năng lượng hệ thống đi xuống.

4. Các lực chính tác dụng trong phân tử có nguồn gốc điện, lực Coulomb.

5. Liên kết càng mạnh thì các đám mây electron tương tác chồng lên nhau càng nhiều.

Có hai cơ chế hình thành liên kết cộng hóa trị:

cơ chế trao đổi. Liên kết được hình thành bằng cách chia sẻ các điện tử hóa trị của hai nguyên tử trung hòa. Mỗi nguyên tử đóng góp một điện tử chưa ghép đôi vào tổng số cặp điện tử:

Cơm. 7. Cơ chế trao đổi để hình thành liên kết cộng hóa trị: một- không phân cực; b- cực

Cơ chế người nhận tài trợ. Một nguyên tử (cho) cung cấp một cặp electron, và một nguyên tử khác (nhận) cung cấp một quỹ đạo trống cho cặp này.

kết nối, có học thức theo cơ chế người nhận tài trợ, thuộc về hợp chất phức tạp

Cơm. 8. Cơ chế cho-nhận của sự hình thành liên kết cộng hóa trị

Một liên kết cộng hóa trị có những đặc điểm nhất định.

Khả năng bão hòa - tính chất của nguyên tử để tạo thành một số liên kết cộng hóa trị được xác định chặt chẽ. Do sự bão hòa của các liên kết, các phân tử có thành phần nhất định.

Định hướng - t . e. liên kết được hình thành theo hướng xen phủ cực đại của các đám mây electron . Đối với đường nối giữa các tâm nguyên tử tạo thành một liên kết, có: σ và π (Hình 9): Liên kết σ - được hình thành bằng cách xen phủ các AO dọc theo đường nối các tâm của các nguyên tử tương tác; Liên kết π là liên kết xảy ra theo phương của trục vuông góc với đường thẳng nối các hạt nhân của nguyên tử. Định hướng của liên kết xác định cấu trúc không gian của các phân tử, tức là hình dạng hình học của chúng.

lai - đó là sự thay đổi hình dạng của một số obitan trong sự hình thành liên kết cộng hóa trị nhằm đạt được sự xen phủ hiệu quả hơn của các obitan. Liên kết hóa học được hình thành với sự tham gia của các electron của các obitan lai hóa mạnh hơn liên kết có sự tham gia của các electron của các obitan lai hóa s và p, vì có nhiều sự xen phủ hơn. Phân biệt các loại sau lai (Hình 10, Bảng 31): lai hóa sp - một quỹ đạo s và một quỹ đạo p biến thành hai obitan lai hóa giống hệt nhau, góc giữa các trục của chúng là 180 °. Các phân tử xảy ra sự lai hóa sp có dạng hình học tuyến tính (BeCl 2).

lai hóa sp 2- một obitan s và hai obitan p biến thành ba obitan lai hóa giống hệt nhau, góc giữa các trục của chúng là 120 °. Các phân tử thực hiện lai hóa sp 2 có dạng hình học phẳng (BF 3, AlCl 3).

sp 3-sự lai tạo- một obitan s và ba obitan p biến thành bốn obitan lai hóa giống hệt nhau, góc giữa các trục của chúng là 109 ° 28 ". Các phân tử trong đó xảy ra sự lai hóa sp 3 có dạng hình học tứ diện (CH 4 , NH3).

Cơm. 10. Các dạng lai hoá của obitan hoá trị: a - sp-tố hóa các obitan hóa trị; b - sp2- sự lai hoá các obitan hoá trị; Trong - sp 3 - lai hóa các obitan hóa trị