Công thức cấu tạo của nguyên tử. Cấu trúc của lớp vỏ electron của nguyên tử

Atom- hạt nhỏ nhất của một chất không thể phân chia được về mặt hóa học. Vào thế kỷ 20, cấu trúc phức tạp của nguyên tử đã được làm sáng tỏ. Nguyên tử được tạo thành từ các nguyên tử mang điện tích dương hạt nhân và một lớp vỏ được hình thành bởi các electron mang điện tích âm. Tổng điện tích của một nguyên tử tự do bằng 0, vì điện tích của hạt nhân và vỏ điện tử cân bằng lẫn nhau. Trong trường hợp này, điện tích của hạt nhân bằng số thứ tự của nguyên tố trong bảng tuần hoàn ( số nguyên tử) và bằng tổng số electron (điện tích electron là −1).

Hạt nhân nguyên tử được tạo thành từ các hạt tích điện dương proton và các hạt trung tính - nơtron mà không có phí. Các đặc điểm tổng quát của các hạt cơ bản trong cấu tạo của nguyên tử có thể được trình bày dưới dạng bảng:

Do đó, số proton bằng điện tích của hạt nhân, bằng số nguyên tử. Để tìm số nơtron trong nguyên tử, cần phải trừ điện tích hạt nhân (số proton) cho khối lượng nguyên tử (tổng khối lượng của proton và nơtron).

Ví dụ, trong nguyên tử natri 23 Na, số proton là p = 11, và số nơtron là n = 23 - 11 = 12

Số nơtron trong nguyên tử của cùng một nguyên tố có thể khác nhau. Những nguyên tử như vậy được gọi là đồng vị .

Vỏ electron của nguyên tử cũng có cấu trúc phức tạp. Các electron nằm trên các mức năng lượng (lớp điện tử).

Số cấp đặc trưng cho năng lượng của electron. Điều này là do thực tế là các hạt cơ bản có thể truyền và nhận năng lượng không phải với số lượng nhỏ tùy ý, mà ở những phần nhất định - lượng tử. Mức càng cao, năng lượng của electron càng nhiều. Vì năng lượng của hệ càng thấp thì hệ càng ổn định (so sánh độ ổn định thấp của một viên đá trên đỉnh núi với thế năng cao và vị trí ổn định của cùng một viên đá ở đồng bằng bên dưới, khi năng lượng của nó nhiều thấp hơn), các mức có năng lượng electron thấp được lấp đầy trước và chỉ sau đó - cao.

Số lượng electron tối đa mà một mức có thể giữ có thể được tính bằng công thức:
N \ u003d 2n 2, trong đó N là số electron tối đa trong mức,
n - số cấp.

Sau đó, đối với mức đầu tiên N = 2 1 2 = 2,

đối với N = 2 2 2 = 8 thứ hai, v.v.

Số electron ở phân lớp ngoài cùng của các nguyên tố thuộc phân nhóm chính (A) bằng số thứ tự của nhóm.

Trong hầu hết các bảng tuần hoàn hiện đại, sự sắp xếp của các electron theo các mức được chỉ định trong ô có nguyên tố. Rất quan trọng hiểu rằng các cấp độ được đọc trở lên, tương ứng với năng lượng của chúng. Do đó, một cột số trong ô có natri:
1
8
2

ở mức 1 - 2 electron,

ở mức 2 - 8 electron,

ở mức thứ 3 - 1 điện tử
Hãy cẩn thận, một sai lầm rất phổ biến!

Sự phân bố của các electron qua các mức có thể được biểu diễn dưới dạng biểu đồ:
11 Na)))
2 8 1

Nếu bảng tuần hoàn không chỉ ra sự phân bố của các electron theo các cấp, bạn có thể được hướng dẫn bằng cách:

• số electron tối đa: ở bậc 1 không quá 2 e -,
  vào ngày 2 - 8 e -,
  ở cấp độ bên ngoài - 8 e -;
• số electron ở lớp ngoài cùng (đối với 20 nguyên tố đầu tiên bằng số thứ tự của nhóm)

Sau đó, đối với natri, quá trình lập luận sẽ như sau:

1. Tổng số electron là 11 nên bậc thứ nhất được lấp đầy và chứa 2 e -;
2. Cấp độ thứ ba, ngoài cùng chứa 1 e - (nhóm I)
3. Mức thứ hai chứa các electron còn lại: 11 - (2 + 1) = 8 (được lấp đầy hoàn toàn)

* Để phân biệt rõ ràng hơn giữa nguyên tử tự do và nguyên tử trong hợp chất, một số tác giả đề xuất sử dụng thuật ngữ "nguyên tử" chỉ để chỉ nguyên tử tự do (trung tính) và để chỉ tất cả các nguyên tử, kể cả nguyên tử trong hợp chất, họ đề xuất thuật ngữ "hạt nguyên tử". Thời gian sẽ cho biết số phận của những điều khoản này sẽ diễn ra như thế nào. Theo quan điểm của chúng tôi, nguyên tử, theo định nghĩa, là một hạt, do đó, khái niệm "các hạt nguyên tử" có thể được coi là một nguyên tử ("dầu bơ").

2. Nhiệm vụ. Tính khối lượng chất của một trong các sản phẩm phản ứng, nếu biết khối lượng của chất ban đầu.
Thí dụ:

Một lượng hiđro sẽ được giải phóng trong quá trình tương tác của kẽm với axit clohiđric nặng 146 g là bao nhiêu?

Dung dịch:

1. Ta viết phương trình phản ứng: Zn + 2HCl \ u003d ZnCl 2 + H 2
2. Tìm khối lượng mol của axit clohiđric: M (HCl) \ u003d 1 + 35,5 \ u003d 36,5 (g / mol)
   (chúng ta nhìn vào khối lượng mol của mỗi nguyên tố, về mặt số bằng khối lượng nguyên tử tương đối, trong bảng tuần hoàn dưới ký hiệu của nguyên tố và làm tròn đến số nguyên, trừ clo, được lấy là 35,5)
3. Tìm khối lượng chất axit clohiđric: n (HCl) \ u003d m / M \ u003d 146 g / 36,5 g / mol \ u003d 4 mol
4. Ta ghi các số liệu có sẵn ở trên phương trình phản ứng và dưới phương trình - số mol theo phương trình (bằng hệ số đứng trước chất):
   4 mol x mol
   Zn + 2HCl \ u003d ZnCl 2 + H 2
   2 mol 1 mol
5. Chúng tôi thực hiện một tỷ lệ:
   4 mol - x nốt ruồi
   2 mol - 1 mol
   (hoặc kèm theo lời giải thích:
   từ 4 mol axit clohiđric bạn nhận được x mol hydro
   và trong số 2 mol - 1 mol)
6. Chúng ta tìm thấy x:
   x= 4 mol 1 mol / 2 mol = 2 mol

Câu trả lời: 2 mol.

ĐỊNH NGHĨA

Atom là hạt hóa học nhỏ nhất.

Sự đa dạng của các hợp chất hóa học là do sự kết hợp khác nhau giữa các nguyên tử của các nguyên tố hóa học thành phân tử và chất phi phân tử. Khả năng của một nguyên tử để tham gia vào các hợp chất hóa học, các tính chất hóa học và vật lý của nó được xác định bởi cấu trúc của nguyên tử. Về vấn đề này, đối với hóa học, cấu trúc bên trong của nguyên tử và trước hết là cấu trúc của lớp vỏ electron của nó là điều tối quan trọng.

Mô hình cấu trúc của nguyên tử

Vào đầu thế kỷ 19, D. Dalton hồi sinh lý thuyết nguyên tử, dựa trên các định luật cơ bản của hóa học được biết đến vào thời điểm đó (hằng số thành phần, nhiều tỷ lệ và tương đương). Những thí nghiệm đầu tiên được thực hiện để nghiên cứu cấu trúc của vật chất. Tuy nhiên, mặc dù có những khám phá được thực hiện (các nguyên tử của cùng một nguyên tố có cùng tính chất, và nguyên tử của các nguyên tố khác có tính chất khác nhau, khái niệm khối lượng nguyên tử đã được đưa ra), nguyên tử vẫn được coi là không thể phân chia.

Sau khi nhận được bằng chứng thực nghiệm (cuối thế kỷ XIX - đầu thế kỷ XX) về mức độ phức tạp của cấu trúc nguyên tử (hiệu ứng quang điện, catốt và tia X, phóng xạ), người ta nhận thấy rằng nguyên tử bao gồm các hạt mang điện âm và dương tương tác với nhau. nhau.

Những khám phá này đã tạo động lực cho việc tạo ra những mô hình đầu tiên về cấu trúc của nguyên tử. Một trong những mô hình đầu tiên được đề xuất J. Thomson(1904) (Hình 1): nguyên tử được trình bày như một "biển điện dương" với các electron dao động trong đó.

Sau các thí nghiệm với hạt α, vào năm 1911. Rutherford đề xuất cái gọi là mô hình hành tinh cấu trúc của nguyên tử (Hình 1), tương tự như cấu trúc của hệ mặt trời. Theo mô hình hành tinh, ở tâm nguyên tử có một hạt nhân rất nhỏ mang điện tích Z e, kích thước của hạt nhân này nhỏ hơn kích thước của nguyên tử xấp xỉ 1.000.000 lần. Hạt nhân chứa gần như toàn bộ khối lượng của nguyên tử và mang điện tích dương. Các electron chuyển động theo quỹ đạo xung quanh hạt nhân, số của quỹ đạo này được xác định bởi điện tích của hạt nhân. Quỹ đạo bên ngoài của các electron xác định kích thước bên ngoài của nguyên tử. Đường kính của nguyên tử là 10 -8 cm, trong khi đường kính của hạt nhân nhỏ hơn nhiều -10 -12 cm.

Cơm. 1 Mô hình cấu trúc của nguyên tử theo Thomson và Rutherford

Các thí nghiệm về nghiên cứu quang phổ nguyên tử cho thấy sự không hoàn hảo của mô hình hành tinh về cấu trúc của nguyên tử, vì mô hình này mâu thuẫn với cấu trúc vạch của quang phổ nguyên tử. Dựa trên mô hình Rutherford, lý thuyết lượng tử ánh sáng của Einstein và lý thuyết lượng tử bức xạ, Planck Niels Bohr (1913) công thức định đề, chứa thuyết nguyên tử(Hình 2): một electron có thể quay xung quanh hạt nhân không theo bất kỳ quỹ đạo nào, mà chỉ theo một số quỹ đạo cụ thể (đứng yên), chuyển động dọc theo một quỹ đạo như vậy, nó không phát ra năng lượng điện từ, bức xạ (hấp thụ hoặc phát xạ một lượng tử điện từ năng lượng) xảy ra trong quá trình chuyển đổi (giống như bước nhảy) electron từ quỹ đạo này sang quỹ đạo khác.

Cơm. 2. Mô hình cấu trúc của nguyên tử theo N. Bohr

Tài liệu thực nghiệm tích lũy đặc trưng cho cấu trúc của nguyên tử cho thấy rằng các tính chất của electron, cũng như các vật thể vi mô khác, không thể được mô tả trên cơ sở các khái niệm của cơ học cổ điển. Các vi hạt tuân theo các định luật của cơ học lượng tử, điều này đã trở thành cơ sở để tạo ra mô hình hiện đại về cấu trúc của nguyên tử.

Các luận điểm chính của cơ học lượng tử:

- năng lượng được phát ra và hấp thụ bởi các vật thể theo những phần riêng biệt - lượng tử, do đó, năng lượng của các hạt thay đổi đột ngột;

- electron và các vi hạt khác có bản chất kép - nó thể hiện các đặc tính của cả hạt và sóng (thuyết nhị nguyên sóng hạt);

- cơ học lượng tử phủ nhận sự hiện diện của một số quỹ đạo đối với vi hạt (không thể xác định chính xác vị trí cho các electron chuyển động, vì chúng chuyển động trong không gian gần hạt nhân, người ta chỉ có thể xác định xác suất tìm thấy một electron trong các phần khác nhau của không gian).

Khoảng không gian gần hạt nhân, trong đó xác suất tìm thấy một electron là đủ cao (90%), được gọi là quỹ đạo.

Số lượng tử. Nguyên tắc Pauli. Quy tắc của Klechkovsky

Trạng thái của một electron trong nguyên tử có thể được mô tả bằng cách sử dụng bốn Số lượng tử.

N là số lượng tử chính. Đặc trưng cho tổng năng lượng của một electron trong nguyên tử và số của mức năng lượng. n nhận các giá trị nguyên từ 1 đến ∞. Electron có năng lượng thấp nhất ở n = 1; với n - năng lượng tăng dần. Trạng thái của nguyên tử, khi các electron của nó ở mức năng lượng mà tổng năng lượng của chúng là nhỏ nhất, được gọi là trạng thái cơ bản. Các trạng thái có giá trị cao hơn được gọi là kích thích. Mức năng lượng được biểu thị bằng chữ số Ả Rập theo giá trị của n. Các electron có thể được sắp xếp theo bảy mức, do đó, trong thực tế, n tồn tại từ 1 đến 7. Số lượng tử chính xác định kích thước của đám mây electron và xác định bán kính trung bình của electron trong nguyên tử.

l là số lượng tử quỹ đạo. Nó đặc trưng cho năng lượng dự trữ của các điện tử trong phân tầng và hình dạng của quỹ đạo (Bảng 1). Chấp nhận các giá trị nguyên từ 0 đến n-1. l phụ thuộc vào n. Nếu n = 1, thì l = 0, có nghĩa là ở mức 1 có mức bán lại thứ nhất.

tôi là số lượng tử từ. Đặc trưng cho định hướng của quỹ đạo trong không gian. Chấp nhận các giá trị nguyên từ –l đến 0 đến + l. Do đó, khi l = 1 (p-orbital), m e nhận các giá trị -1, 0, 1 và hướng của quỹ đạo có thể khác (Hình 3).

Cơm. 3. Một trong những hướng có thể có trong không gian quỹ đạo p

S là số lượng tử spin. Đặc trưng cho chuyển động quay của electron quanh trục. Nó nhận các giá trị -1/2 (↓) và +1/2 (). Hai electron trong cùng một quỹ đạo có spin ngược song song.

Trạng thái của các electron trong nguyên tử được xác định Nguyên tắc Pauli: một nguyên tử không thể có hai electron với cùng một tập hợp tất cả các số lượng tử. Trình tự lấp đầy các obitan bằng các electron được xác định bởi Quy tắc của Klechkovsky: các obitan được lấp đầy bởi các electron theo thứ tự tăng dần của tổng (n + l) đối với các obitan này, nếu tổng (n + l) bằng nhau thì obitan có giá trị nhỏ hơn của n được lấp đầy trước.

Tuy nhiên, một nguyên tử thường không chứa một mà là một số electron, và để tính đến sự tương tác của chúng với nhau, người ta sử dụng khái niệm điện tích hiệu dụng của hạt nhân - một electron ở mức ngoài cùng bị ảnh hưởng bởi một điện tích. nhỏ hơn điện tích của hạt nhân, do đó các electron bên trong che chắn cho các electron bên ngoài.

Các đặc điểm chính của nguyên tử: bán kính nguyên tử (cộng hóa trị, kim loại, van der Waals, ion), ái lực điện tử, thế ion hóa, mômen từ.

Công thức điện tử của nguyên tử

Tất cả các electron của nguyên tử tạo thành lớp vỏ electron của nó. Cấu trúc của lớp vỏ electron được mô tả công thức điện tử, cho thấy sự phân bố của các electron trên các mức năng lượng và mức phân chia lại. Số lượng điện tử trong cấp độ bán lại được biểu thị bằng một số, được viết ở phía trên bên phải của chữ cái biểu thị cấp độ phân chia lại. Ví dụ, một nguyên tử hydro có một điện tử, nằm trên phân chia lại s của mức năng lượng thứ nhất: 1s 1. Công thức điện tử của heli có hai electron được viết như sau: 1s 2.

Đối với các nguyên tố của chu kì 2, các electron lấp đầy mức năng lượng thứ 2 có thể chứa không quá 8 electron. Đầu tiên, các electron lấp đầy cấp độ s-sublevel, sau đó đến cấp độ phân chia lại p. Ví dụ:

5 B 1s 2 2s 2 2p 1

Mối quan hệ về cấu tạo điện tử của nguyên tử với vị trí của nguyên tố trong hệ tuần hoàn

Công thức điện tử của một nguyên tố được xác định bởi vị trí của nó trong hệ thống tuần hoàn của D.I. Mendeleev. Vậy số thứ tự của chu kì tương ứng với các nguyên tố của chu kì 2, các electron điền vào mức năng lượng thứ 2 có thể chứa không quá 8 electron. Thứ nhất, các electron điền Trong các nguyên tố của chu kỳ thứ hai, các electron điền vào mức năng lượng thứ 2, có thể chứa không quá 8 electron. Đầu tiên, các electron lấp đầy cấp độ s-sublevel, sau đó đến cấp độ phân chia lại p. Ví dụ:

5 B 1s 2 2s 2 2p 1

Đối với nguyên tử của một số nguyên tố, người ta quan sát được hiện tượng "rò rỉ" electron từ mức năng lượng bên ngoài đến mức áp chót. Hiện tượng trượt electron xảy ra trong nguyên tử đồng, crom, paladi và một số nguyên tố khác. Ví dụ:

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

mức năng lượng có thể chứa không quá 8 electron. Đầu tiên, các electron lấp đầy cấp độ s-sublevel, sau đó đến cấp độ phân chia lại p. Ví dụ:

5 B 1s 2 2s 2 2p 1

Số nhóm của các nguyên tố trong phân nhóm chính bằng số electron ở mức năng lượng bên ngoài, các electron như vậy được gọi là electron hóa trị (chúng tham gia vào việc hình thành liên kết hóa học). Các electron hóa trị của các nguyên tố thuộc các phân nhóm bên có thể là các electron của mức năng lượng ngoài cùng và phân chia lại d của mức áp chót. Số lượng nhóm các nguyên tố thuộc phân nhóm phụ của các nhóm III-VII, cũng như đối với Fe, Ru, Os, tương ứng với tổng số electron trong phân tầng s của mức năng lượng bên ngoài và cấp phân chia lại d của mức áp chót

Nhiệm vụ:

Vẽ công thức điện tử của nguyên tử photpho, rubidi và zirconi. Liệt kê các electron hóa trị.

Câu trả lời:

15 P 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 3 Các điện tử hóa trị 3s 2 3p 3

37 Rb 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 10 4s 2 4p 6 5s 1 Các điện tử hóa trị 5s 1

40 Zr 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 10 4s 2 4p 6 4d 2 5s 2 Các điện tử hóa trị 4d 2 5s 2

Điện tử

Khái niệm nguyên tử bắt nguồn từ thế giới cổ đại để chỉ 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". Vài năm sau khi electron được đặt tên, nhà vật lý người Anh Joseph Thomson và nhà vật lý người Pháp Jean Perrin đã chứng minh rằng 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. Việc chồng lên nhau vô số bức ảnh như vậy sẽ tạo ra một bức ảnh về đám mây electron với mật độ cao 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 vẽ biểu diễn đồ họa của một số dạng obitan điện tử.

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.

Theo thông lệ, người ta thường chỉ định các cấp độ lại bằng các chữ cái Latinh, cũng như hình dạng của các obitan mà chúng bao gồm: s, p, d, f.

Proton và neutron

Một nguyên tử của bất kỳ nguyên tố hóa học nào cũng có thể so sánh với một hệ mặt trời nhỏ bé. 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 có khối lượng bằng khối lượng của 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 của 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 nơtron, bạn có thể tìm số nơtron (N) bằng cách sử dụng 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; oxi - ba đồng vị có khối lượng 16, 17, 18, ... Nguyên tử khối tương đối của một nguyên tố hóa học thường được cho trong Hệ thống tuần hoàn là giá trị trung bình của các nguyên tử khối của hỗn hợp tự nhiên gồm các đồng vị của một nguyên tố nhất định, lấy có tính đến nội dung tương đối của chúng trong tự nhiên. Tính chất hóa học của các đồng 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.

Lớp ngoài cùng (thứ tư) của nguyên tử krypton là hoàn chỉnh và 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 của số lượng tử spin của các electron của lớp con này 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, có hai điện tử có spin bán nguyên trái dấu trong một quỹ đạo, chúng ghép đôi (tạo thành đám mây hai điện tử) và kết quả là tổng spin của quỹ đạo trở thành bằng không.

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

1. Tính đa dạng là tối đa
2. Khi các bội số trùng nhau thì tổng động lượng quỹ đạo L là cực đại.

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

Hóa chất là thứ tạo nên thế giới xung quanh chúng ta.

Tính chất của mỗi chất hóa học được chia thành hai loại: là chất hóa học đặc trưng cho khả năng hình thành chất khác của chất này và đặc tính vật lý, được quan sát khách quan và có thể được xem xét tách biệt khỏi các biến đổi hóa học. Vì vậy, ví dụ, các tính chất vật lý của một chất là trạng thái tập hợp của nó (rắn, lỏng hoặc khí), dẫn nhiệt, nhiệt dung, khả năng hòa tan trong các môi trường khác nhau (nước, rượu, v.v.), mật độ, màu sắc, mùi vị, v.v. .

Sự biến đổi của một số chất hoá học thành chất khác gọi là hiện tượng hoá học hay phản ứng hoá học. Cần lưu ý rằng cũng có những hiện tượng vật lý, hiển nhiên, đi kèm với sự thay đổi bất kỳ tính chất vật lý nào của một chất mà không chuyển nó thành các chất khác. Các hiện tượng vật lý, ví dụ, bao gồm sự tan chảy của băng, sự đóng băng hoặc bay hơi của nước, v.v.

Thực tế là trong bất kỳ quá trình nào, một hiện tượng hóa học diễn ra có thể được kết luận bằng cách quan sát các dấu hiệu đặc trưng của phản ứng hóa học, chẳng hạn như sự thay đổi màu sắc, lượng mưa, sự biến đổi khí, sự biến đổi nhiệt và / hoặc ánh sáng.

Vì vậy, ví dụ, có thể đưa ra kết luận về quá trình phản ứng hóa học bằng cách quan sát:

Sự hình thành cặn khi đun sôi nước, được gọi là cặn trong cuộc sống hàng ngày;

Sự tỏa nhiệt và ánh sáng trong quá trình đốt cháy;

Thay đổi màu sắc của một lát táo tươi trong không khí;

Sự hình thành các bọt khí trong quá trình lên men của bột nhào, v.v.

Những phần tử nhỏ nhất của vật chất mà trong quá trình phản ứng hóa học thực tế không trải qua những biến đổi mà chỉ liên kết với nhau theo một cách mới được gọi là nguyên tử.

Ý tưởng về sự tồn tại của những đơn vị vật chất như vậy đã nảy sinh từ thời Hy Lạp cổ đại trong tâm trí các nhà triết học cổ đại, điều này thực sự giải thích nguồn gốc của thuật ngữ "nguyên tử", vì "nguyên tử" được dịch theo nghĩa đen từ tiếng Hy Lạp có nghĩa là "không thể phân chia".

Tuy nhiên, trái với ý tưởng của các nhà triết học Hy Lạp cổ đại, nguyên tử không phải là tối thiểu tuyệt đối của vật chất, tức là chúng có cấu trúc phức tạp.

Mỗi nguyên tử bao gồm cái gọi là các hạt hạ nguyên tử - proton, neutron và electron, được ký hiệu tương ứng bằng các ký hiệu p +, n o và e -. Ký hiệu trên trong ký hiệu được sử dụng chỉ ra rằng proton có điện tích dương một đơn vị, electron có điện tích âm đơn vị và nơtron không có điện tích.

Về cấu trúc định tính của nguyên tử, mỗi nguyên tử có tất cả các proton và neutron tập trung trong cái gọi là hạt nhân, xung quanh đó các electron tạo thành một lớp vỏ electron.

Thực tế, proton và neutron có cùng khối lượng, tức là m p ≈ m n, và khối lượng electron nhỏ hơn gần 2000 lần so với khối lượng của mỗi chúng, tức là m p / m e ≈ m n / m e ≈ 2000.

Vì tính chất cơ bản của nguyên tử là tính trung hòa về điện và điện tích của một electron bằng điện tích của một proton, từ đó có thể kết luận rằng số electron trong bất kỳ nguyên tử nào cũng bằng số proton.

Vì vậy, ví dụ, bảng dưới đây cho thấy thành phần có thể có của các nguyên tử:

Loại nguyên tử có cùng điện tích hạt nhân, tức là với cùng số proton trong hạt nhân của chúng được gọi là nguyên tố hóa học. Như vậy, từ bảng trên, chúng ta có thể kết luận rằng nguyên tử1 và nguyên tử2 thuộc về một nguyên tố hóa học, còn nguyên tử3 và nguyên tử4 thuộc về nguyên tố hóa học khác.

Mỗi nguyên tố hóa học có tên riêng và ký hiệu riêng, được đọc theo một cách nhất định. Vì vậy, ví dụ, nguyên tố hóa học đơn giản nhất, các nguyên tử chỉ chứa một proton trong hạt nhân, có tên là "hydro" và được ký hiệu bằng ký hiệu "H", được đọc là "tro", và nguyên tố hóa học với điện tích hạt nhân +7 (tức là chứa 7 proton) - "nitơ", có ký hiệu "N", được đọc là "en".

Như bạn có thể thấy từ bảng trên, các nguyên tử của một nguyên tố hóa học có thể khác nhau về số lượng neutron trong hạt nhân.

Các nguyên tử thuộc cùng một nguyên tố hóa học, nhưng có số nơtron khác nhau và kết quả là khối lượng được gọi là đồng vị.

Vì vậy, ví dụ, nguyên tố hóa học hydro có ba đồng vị - 1 H, 2 H và 3 H. Các chỉ số 1, 2 và 3 phía trên ký hiệu H có nghĩa là tổng số nơtron và proton. Những thứ kia. khi biết rằng hiđrô là một nguyên tố hóa học, được đặc trưng bởi thực tế là có một proton trong hạt nhân của các nguyên tử của nó, chúng ta có thể kết luận rằng không có nơtron nào trong đồng vị 1 H (1-1 = 0), trong đồng vị 2 H - 1 nơtron (2-1 = 1) và đồng vị 3 H - hai nơtron (3-1 = 2). Vì, như đã đề cập ở trên, một nơtron và một proton có cùng khối lượng, và khối lượng của một êlectron không đáng kể so với chúng, điều này có nghĩa là đồng vị 2 H nặng gần gấp đôi đồng vị 1 H và 3 H. đồng vị nặng gấp ba lần. Liên quan đến sự lan truyền lớn như vậy trong khối lượng của các đồng vị hydro, các đồng vị 2 H và 3 H thậm chí còn được gán các tên và ký hiệu riêng biệt, không đặc trưng cho bất kỳ nguyên tố hóa học nào khác. Đồng vị 2 H được đặt tên là đơteri và ký hiệu D, đồng vị 3 H được đặt tên là triti và ký hiệu T.

Nếu chúng ta coi khối lượng của proton và neutron là thống nhất, và bỏ qua khối lượng của electron, trên thực tế, chỉ số phía trên bên trái, ngoài tổng số proton và neutron trong nguyên tử, có thể được coi là khối lượng của nó, và do đó chỉ số này được gọi là số khối và được ký hiệu là A. Vì điện tích của hạt nhân của bất kỳ proton nào tương ứng với nguyên tử và điện tích của mỗi proton có điều kiện là bằng +1, nên số proton trong hạt nhân được gọi là số điện tích (Z). Ký hiệu số nơtron trong nguyên tử bằng chữ N, về mặt toán học, mối quan hệ giữa số khối, số điện tích và số nơtron có thể được biểu thị như sau:

Theo các khái niệm hiện đại, electron có bản chất kép (sóng hạt). Nó có các đặc tính của cả hạt và sóng. Giống như một hạt, một điện tử có khối lượng và điện tích, nhưng đồng thời, dòng chuyển động của các điện tử, giống như một làn sóng, được đặc trưng bởi khả năng nhiễu xạ.

Để mô tả trạng thái của electron trong nguyên tử, người ta sử dụng các khái niệm cơ học lượng tử, theo đó, electron không có quỹ đạo chuyển động cụ thể và có thể nằm ở bất kỳ điểm nào trong không gian, nhưng với các xác suất khác nhau.

Vùng không gian xung quanh hạt nhân nơi có nhiều khả năng tìm thấy electron nhất được gọi là quỹ đạo nguyên tử.

Một quỹ đạo nguyên tử có thể có hình dạng, kích thước và hướng khác nhau. Một quỹ đạo nguyên tử còn được gọi là đám mây electron.

Về mặt đồ họa, một quỹ đạo nguyên tử thường được biểu thị là một ô vuông:

Cơ học lượng tử có một bộ máy toán học cực kỳ phức tạp, do đó, trong khuôn khổ của một môn học hóa học ở trường, chỉ xem xét các hệ quả của lý thuyết cơ lượng tử.

Theo những hệ quả này, bất kỳ quỹ đạo nguyên tử nào và một điện tử nằm trên nó hoàn toàn được đặc trưng bởi 4 số lượng tử.

• Số lượng tử chính - n - xác định tổng năng lượng của một electron trong một quỹ đạo nhất định. Phạm vi giá trị của số lượng tử chính là tất cả các số tự nhiên, tức là n = 1,2,3,4, 5, v.v.
• Số lượng tử quỹ đạo - l - đặc trưng cho hình dạng của quỹ đạo nguyên tử và có thể nhận bất kỳ giá trị nguyên nào từ 0 đến n-1, trong đó n, gọi lại, là số lượng tử chính.

Các quỹ đạo có l = 0 được gọi là S-ghi nợ. obitan s là hình cầu và không có hướng trong không gian:

Các quỹ đạo có l = 1 được gọi là P-ghi nợ. Các quỹ đạo này có hình dạng của một hình số tám ba chiều, tức là hình dạng thu được bằng cách xoay hình số tám quanh trục đối xứng và bề ngoài giống một quả tạ:

Các quỹ đạo có l = 2 được gọi là d-ghi nợ và với l = 3 - f-ghi nợ. Cấu trúc của chúng phức tạp hơn nhiều.

3) Số lượng tử từ - m l - xác định hướng trong không gian của một quỹ đạo nguyên tử cụ thể và biểu thị hình chiếu của mômen động lượng của quỹ đạo lên hướng của từ trường. Số lượng tử từ m l tương ứng với hướng của quỹ đạo so với hướng của vectơ cường độ từ trường ngoài và có thể nhận bất kỳ giá trị nguyên nào từ –l đến + l, bao gồm 0, tức là tổng số giá trị có thể có là (2l + 1). Vì vậy, ví dụ, với l = 0 m l = 0 (một giá trị), với l = 1 m l = -1, 0, +1 (ba giá trị), với l = 2 m l = -2, -1, 0, + 1, +2 (năm giá trị của số lượng tử từ tính), v.v.

Vì vậy, ví dụ, các obitan p, tức là các obitan có số lượng tử quỹ đạo l = 1, có hình dạng "hình tám ba chiều", tương ứng với ba giá trị của số lượng tử từ (-1, 0, +1), tương ứng với đến ba phương trong không gian vuông góc với nhau.

4) Số lượng tử spin (hay đơn giản là spin) - m s - có thể được coi là có điều kiện chịu trách nhiệm về hướng quay của một electron trong nguyên tử, nó có thể nhận các giá trị. Các electron có spin khác nhau được biểu thị bằng các mũi tên thẳng đứng chỉ theo các hướng khác nhau: ↓ và.

Tập hợp tất cả các obitan trong nguyên tử có cùng giá trị của số lượng tử chính được gọi là mức năng lượng hay lớp vỏ electron. Một mức năng lượng bất kỳ với số n nào đó bao gồm n 2 obitan.

Tập hợp các obitan có cùng giá trị của số lượng tử chính và số lượng tử quỹ đạo là một mức phân chia lại năng lượng.

Mỗi mức năng lượng, tương ứng với số lượng tử chính n, chứa n cấp độ chính xác. Lần lượt, mỗi mức phân chia lại năng lượng với số lượng tử quỹ đạo l bao gồm (2l + 1) obitan. Do đó, lớp con s bao gồm một quỹ đạo s, lớp con p - ba quỹ đạo p, lớp con d - năm quỹ đạo d và lớp con f - bảy quỹ đạo f. Vì, như đã đề cập, một quỹ đạo nguyên tử thường được ký hiệu bằng một ô vuông, các cấp độ s-, p-, d- và f có thể được mô tả bằng đồ thị như sau:

Mỗi quỹ đạo tương ứng với một bộ ba số lượng tử n, l và m l được xác định chặt chẽ riêng lẻ.

Sự phân bố của các electron trong các obitan được gọi là cấu hình điện tử.

Sự lấp đầy các obitan nguyên tử bằng các electron xảy ra phù hợp với ba điều kiện:

• Nguyên lý năng lượng tối thiểu: Các electron lấp đầy các obitan bắt đầu từ mức năng lượng thấp nhất. Trình tự cấp lại theo thứ tự tăng dần năng lượng như sau: 1s<2s<2p<3s<3p<4s≤3d<4p<5s≤4d<5p<6s…;

Để giúp dễ dàng ghi nhớ trình tự điền các cấp độ điện tử này, minh họa đồ họa sau đây rất thuận tiện:

• Nguyên tắc Pauli: Mỗi obitan có thể chứa nhiều nhất hai electron.

Nếu có một electron trong quỹ đạo, thì nó được gọi là chưa ghép đôi, và nếu có hai, thì chúng được gọi là một cặp electron.

• Quy tắc của Hund: trạng thái ổn định nhất của nguyên tử là trạng thái trong đó, trong một cấp độ phân chia lại, nguyên tử có số electron chưa ghép đôi tối đa có thể. Trạng thái bền nhất này của nguyên tử được gọi là trạng thái cơ bản.

Trên thực tế, điều trên có nghĩa là, ví dụ, vị trí của các electron thứ 1, 2, 3 và 4 trên ba obitan của phân tầng p sẽ được thực hiện như sau:

Việc điền các obitan nguyên tử từ hydro, có số điện tích là 1, thành krypton (Kr) với số điện tích là 36, sẽ được thực hiện như sau:

Một biểu diễn tương tự về thứ tự lấp đầy các obitan nguyên tử được gọi là giản đồ năng lượng. Dựa trên sơ đồ điện tử của các phần tử riêng lẻ, bạn có thể viết ra cái gọi là công thức điện tử (cấu hình) của chúng. Vì vậy, ví dụ, một nguyên tố có 15 proton và kết quả là 15 electron, tức là photpho (P) sẽ có sơ đồ năng lượng như sau:

Khi được dịch sang công thức điện tử, nguyên tử photpho sẽ có dạng:

15 P = 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 3

Các số có kích thước bình thường ở bên trái của biểu tượng cấp độ lại hiển thị số lượng của mức năng lượng và các ký hiệu siêu ở bên phải của biểu tượng cấp độ phân chia lại hiển thị số lượng điện tử trong cấp độ phân chia lại tương ứng.

Dưới đây là công thức điện tử của 36 nguyên tố đầu tiên của D.I. Mendeleev.

Giai đoạn	Mục số	Biểu tượng	Tiêu đề	công thức điện tử
Tôi	1	H	hydro	1s 1
	2	Anh ta	helium	1s2
II	3	Li	liti	1s2 2s1
	4	Thì là ở	berili	1s2 2s2
	5	B	boron	1s 2 2s 2 2p 1
	6	C	carbon	1s 2 2s 2 2p 2
	7	N	nitơ	1s 2 2s 2 2p 3
	8	O	ôxy	1s 2 2s 2 2p 4
	9	F	flo	1s 2 2s 2 2p 5
	10	Ne	đèn neon	1s 2 2s 2 2p 6
III	11	Na	natri	1s 2 2s 2 2p 6 3s 1
	12	mg	magiê	1s 2 2s 2 2p 6 3s 2
	13	Al	nhôm	1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 1
	14	Si	silicon	1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 2
	15	P	phốt pho	1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 3
	16	S	lưu huỳnh	1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 4
	17	Cl	clo	1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 5
	18	Ar	argon	1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6
IV	19	K	kali	1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 1
	20	Ca	canxi	1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2
	21	sc	scandium	1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 1
	22	Ti	titan	1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 2
	23	V	vanadium	1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 3
	24	Cr	crom	1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 1 3d 5 S trên d cấp lại
	25	Mn	mangan	1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 5
	26	Fe	sắt	1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 6
	27	co	coban	1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 7
	28	Ni	niken	1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 8
	29	Cu	đồng	1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 1 3d 10 S trên d cấp lại
	30	Zn	kẽm	1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 10
	31	Ga	gali	1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 10 4p 1
	32	Ge	gecmani	1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 10 4p 2
	33	Như	thạch tín	1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 10 4p 3
	34	Se	selen	1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 10 4p 4
	35	Br	brôm	1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 10 4p 5
	36	kr	krypton	1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 10 4p 6

Như đã đề cập, ở trạng thái cơ bản của chúng, các electron trong các obitan nguyên tử được sắp xếp theo nguyên tắc ít năng lượng nhất. Tuy nhiên, với sự hiện diện của các obitan p trống ở trạng thái cơ bản của nguyên tử, thông thường, khi năng lượng dư thừa được truyền vào nó, nguyên tử có thể được chuyển sang trạng thái được gọi là trạng thái kích thích. Vì vậy, ví dụ, một nguyên tử bo ở trạng thái cơ bản của nó có cấu hình điện tử và giản đồ năng lượng ở dạng sau:

5 B = 1s 2 2s 2 2p 1

Và ở trạng thái kích thích (*), tức là khi truyền một số năng lượng cho nguyên tử bo, cấu hình điện tử và giản đồ năng lượng của nó sẽ như sau:

5 B * = 1s 2 2s 1 2p 2

Tùy thuộc vào mức độ phân chia lại trong nguyên tử được điền sau cùng, các nguyên tố hóa học được chia thành s, p, d hoặc f.

Tìm các nguyên tố s, p, d và f trong bảng D.I. Mendeleev:

• s-element có s-sublevel cuối cùng được lấp đầy. Các phần tử này bao gồm các phần tử của phân nhóm chính (ở bên trái trong ô bảng) thuộc nhóm I và II.
• Đối với phần tử p, cấp độ bán lại p được lấp đầy. Các nguyên tố p bao gồm sáu nguyên tố cuối cùng của mỗi thời kỳ, ngoại trừ nguyên tố thứ nhất và thứ bảy, cũng như các nguyên tố thuộc các phân nhóm chính của nhóm III-VIII.
• nguyên tố d nằm giữa nguyên tố s và p trong chu kỳ lớn.
• Các nguyên tố f được gọi là lanthanides và actinides. Chúng được xếp cuối bảng bởi D.I. Mendeleev.

Như bạn đã biết, mọi vật chất trong Vũ trụ đều bao gồm các nguyên tử. Nguyên tử là đơn vị vật chất nhỏ nhất mang các đặc tính của nó. Đổi lại, cấu trúc của một nguyên tử được tạo thành từ bộ ba kỳ diệu của vi hạt: proton, neutron và electron.

Hơn nữa, mỗi vi hạt là phổ quát. Có nghĩa là, bạn không thể tìm thấy hai proton, neutron hoặc electron khác nhau trên thế giới. Tất cả chúng đều hoàn toàn giống nhau. Và các đặc tính của nguyên tử sẽ chỉ phụ thuộc vào thành phần định lượng của các vi hạt này trong cấu trúc chung của nguyên tử.

Ví dụ, cấu trúc của nguyên tử hydro bao gồm một proton và một electron. Tiếp theo về độ phức tạp, nguyên tử heli được tạo thành từ hai proton, hai neutron và hai electron. Một nguyên tử liti được tạo thành từ ba proton, bốn neutron và ba electron, v.v.

Cấu trúc của nguyên tử (từ trái sang phải): hydro, heli, lithium

Nguyên tử kết hợp thành phân tử, và phân tử kết hợp thành chất, khoáng chất và sinh vật. Phân tử DNA, là cơ sở của mọi sự sống, là một cấu trúc được ghép từ ba khối xây dựng kỳ diệu của vũ trụ giống như viên đá nằm trên đường. Mặc dù cấu trúc này phức tạp hơn nhiều.

Sự thật thậm chí còn đáng kinh ngạc hơn được tiết lộ khi chúng ta cố gắng xem xét kỹ hơn tỷ lệ và cấu trúc của hệ thống nguyên tử. Người ta biết rằng một nguyên tử bao gồm một hạt nhân và các electron chuyển động xung quanh nó theo một quỹ đạo mô tả một hình cầu. Đó là, nó thậm chí không thể được gọi là một chuyển động theo nghĩa thông thường của từ này. Electron nằm ở khắp mọi nơi và ngay trong quả cầu này, tạo ra một đám mây electron xung quanh hạt nhân và tạo thành một trường điện từ.

Sơ đồ biểu diễn cấu trúc của nguyên tử

Hạt nhân của một nguyên tử bao gồm proton và neutron, và gần như toàn bộ khối lượng của hệ thống đều tập trung trong đó. Nhưng đồng thời, bản thân hạt nhân cũng nhỏ đến mức nếu bạn tăng bán kính của nó lên tỉ lệ 1 cm, thì bán kính của toàn bộ cấu trúc của nguyên tử sẽ lên tới hàng trăm mét. Do đó, mọi thứ mà chúng ta coi là vật chất đặc bao gồm hơn 99% liên kết năng lượng giữa các hạt vật chất đơn thuần và ít hơn 1% các dạng vật chất tự nó.

Nhưng những dạng vật chất này là gì? Chúng được làm bằng gì, và chất liệu của chúng như thế nào? Để trả lời những câu hỏi này, chúng ta hãy xem xét kỹ hơn cấu trúc của proton, neutron và electron. Vì vậy, chúng ta tiến thêm một bước nữa vào độ sâu của mô hình thu nhỏ - đến cấp độ của các hạt hạ nguyên tử.

Electron được làm bằng gì?

Hạt nhỏ nhất của nguyên tử là electron. Một electron có khối lượng nhưng không có khối lượng. Theo quan điểm khoa học, electron không bao gồm bất cứ thứ gì, nhưng là một điểm vô cấu trúc.

Một điện tử không thể được nhìn thấy dưới kính hiển vi. Nó chỉ được quan sát dưới dạng một đám mây electron, trông giống như một quả cầu mờ xung quanh hạt nhân nguyên tử. Đồng thời, không thể nói chính xác vị trí của electron tại một thời điểm. Các thiết bị không có khả năng thu nhận bản thân hạt mà chỉ ghi lại dấu vết năng lượng của nó. Bản chất của electron không được nhúng trong khái niệm vật chất. Nó giống như một dạng rỗng chỉ tồn tại trong và thông qua chuyển động.

Chưa tìm thấy cấu trúc nào trong electron. Nó là một hạt điểm giống như lượng tử năng lượng. Trên thực tế, một electron là năng lượng, tuy nhiên, đây là dạng ổn định hơn của nó so với dạng được biểu thị bằng các photon ánh sáng.

Tại thời điểm này, electron được coi là không thể phân chia. Điều này là dễ hiểu, bởi vì không thể phân chia một cái gì đó không có khối lượng. Tuy nhiên, đã có những phát triển trong lý thuyết, theo đó thành phần của một electron có chứa một bộ ba của các quasipar là:

• Orbiton - chứa thông tin về vị trí quỹ đạo của electron;
• Spinon - chịu trách nhiệm về spin hoặc mô-men xoắn;
• Holon - mang thông tin về điện tích của một electron.

Tuy nhiên, như chúng ta thấy, các hạt gần như hoàn toàn không có điểm chung nào với vật chất, và chỉ mang thông tin.

Ảnh chụp các nguyên tử của các chất khác nhau trong kính hiển vi điện tử

Điều thú vị là một electron có thể hấp thụ các lượng tử năng lượng, chẳng hạn như ánh sáng hoặc nhiệt. Trong trường hợp này, nguyên tử chuyển sang một mức năng lượng mới, và ranh giới của đám mây electron mở rộng. Nó cũng xảy ra rằng năng lượng được hấp thụ bởi một điện tử lớn đến mức nó có thể nhảy ra khỏi hệ thống nguyên tử và tiếp tục chuyển động như một hạt độc lập. Đồng thời, nó hoạt động giống như một photon ánh sáng, có nghĩa là, nó dường như không còn là một hạt và bắt đầu thể hiện các đặc tính của sóng. Điều này đã được chứng minh trong một cuộc thử nghiệm.

Thử nghiệm của Young

Trong quá trình của thí nghiệm, một dòng electron được dẫn vào một màn hình có hai khe cắt vào nó. Đi qua các khe này, các electron va chạm với bề mặt của một màn chiếu khác, để lại dấu vết của chúng trên đó. Kết quả của sự “bắn phá” này bởi các electron, một hình ảnh giao thoa xuất hiện trên màn hình chiếu, tương tự như hình ảnh sẽ xuất hiện nếu sóng, chứ không phải hạt, truyền qua hai khe.

Dạng như vậy xảy ra do sóng truyền giữa hai khe được chia thành hai sóng. Do chuyển động xa hơn, các sóng chồng lên nhau, và ở một số khu vực, chúng triệt tiêu lẫn nhau. Kết quả là, chúng ta nhận được nhiều sọc trên màn hình chiếu, thay vì một, như nếu electron hoạt động giống như một hạt.

Cấu trúc của hạt nhân nguyên tử: proton và neutron

Proton và neutron tạo nên hạt nhân của nguyên tử. Và mặc dù thực tế là trong tổng khối lượng, lõi chiếm ít hơn 1%, nhưng trong cấu trúc này, gần như toàn bộ khối lượng của hệ thống được tập trung. Nhưng với cái giá của cấu trúc của proton và neutron, các nhà vật lý đang chia rẽ về quan điểm, và hiện tại có hai lý thuyết cùng một lúc.

• Lý thuyết số 1 - Tiêu chuẩn

Mô hình Chuẩn nói rằng proton và neutron được tạo thành từ ba hạt quark được kết nối bởi một đám mây gluon. Quark là các hạt điểm, giống như lượng tử và electron. Và gluon là những hạt ảo đảm bảo sự tương tác của các quark. Tuy nhiên, cả quark và gluon đều không được tìm thấy trong tự nhiên, vì vậy mô hình này đang bị chỉ trích dữ dội.

• Lý thuyết số 2 - Thay thế

Nhưng theo lý thuyết trường thống nhất thay thế do Einstein phát triển, proton, giống như neutron, giống như bất kỳ hạt nào khác của thế giới vật chất, là một trường điện từ quay với tốc độ ánh sáng.

Trường điện từ của con người và hành tinh

Nguyên tắc cấu tạo của nguyên tử là gì?

Mọi thứ trên thế giới - tinh tế và đậm đặc, lỏng, rắn và khí - chỉ là các trạng thái năng lượng của vô số trường tràn ngập không gian của Vũ trụ. Mức năng lượng trong trường càng cao, nó càng mỏng và ít cảm nhận được. Mức năng lượng càng thấp, nó càng ổn định và hữu hình. Trong cấu trúc của nguyên tử, cũng như trong cấu trúc của bất kỳ đơn vị nào khác của Vũ trụ, có sự tương tác của các trường như vậy - khác nhau về mật độ năng lượng. Hóa ra vật chất chỉ là ảo ảnh của đầu óc.