Атомная теория

Размещено на http://www.allbest.ru/

Атомная теория

Модель атома азота

атом оболочка электронный

Все тела окружающие нас, несмотря на их разнообразие, состоят из мельчайших частиц -- атомов, состоящих, в свою очередь, из еще меньших частиц -- протонов, нейтронов и электронов. Это стало известно  относительно недавно, атом долгое время считался неделимой частицей, т.е простейшей (см историю развития представлений об атоме).

В основе современной теории строения атома лежат следующие основные положения:

Атом состоит из ядра и электронной оболочки

Электронная оболочка - совокупность движущихся вокруг ядра электронов

Ядра атомов заряжены положительно, они состоят из протонов p и нейтронов n (вместе носят название нуклоны).Заряд ядра равен сумме протонов (обозначены красным цветом на рисунке).

Атом в целом электронейтрален, число электронов е- равно числу протонов p+ , равно порядковому номеру элемента в таблице Менделеева. Именно заряд ядра является основной характеристикой атома и определяет его положение в таблице Менделеева. Химимческийэлемемнт -- совокупность атомов с одинаковым зарядом ядра.

Например, водород, первый элемент таблицы, имеет самое простое строение - его ядро представляет собой одни протон, а электронная оболочка состоит из одного электрона. Атом бора имеет порядковый номер 5, это значит, что заряд ядра атома бора =+5, ядро содержит 5 протонов, электронная оболочка содержит 5 электронов.

Если атом присоединяет или отдает электроны (несущие отрицательный заряд) то его электронейтральность нарушается, он превращается в отрицательно или положительно заряженный ион соответственно.
При образовании положительно заряженного иона количество электронов уменьшается (на величину заряда данного иона), а при образовании отрицательно заряженного иона количество электронов увеличивается (на величину заряда данного иона).

Э0-ne--=Эn+

Э0+ne--=Эn-

В атомах имеются небольшие тяжелые ядра, в состав которых входят протоны и нейтроны и в которых сосредоточена почти вся масса атома. Большая часть атома заполнена электронами и представляет собой почти пустое пространство.

Помимо заряда ядра, ещё одной важной характеристикой атома является его масса или массовое число. Вся масса атома сосредоточена в маленьком ядре, массой электронов пренебрегают, тк масса электрона почти в 2000 раз меньше массы протона.  Массовое число равно сумме числа протонов и нейтронов в ядре. Например, у кислорода, массовое число = 16, тк его ядро содержит 8 протонов (красные кружочки) и 8 нейтронов (белые кружочки).

В природе существуют атомы одного элемента, т.е имеющие одинаковый заряд ядра, но разные массовые числа -- изотопы (от др.-греч. йупт -- «равный», «одинаковый», и фьрпт -- «место», занимают одно и то же «место» в таблице Менделеева). У них число протонов одинаково, но разное число нейтронов.  У элемента водорода существует три изотопа: протий - с массовым числом 1, Дейтерий - с массовым числом 2 (D2O - тяжелая вода), и радиоактивный тритий с массовым числом 3.

В таблице Менделеева приведена относительная атомная масса -- среднее арифметическое масс изотопов с учетом их % содержания в земной коре.

Количество нейтронов не указывается в таблице, поэтому чтобы рассчитать число нейтронов, нужно из массы атома (указывается в задании) вычесть порядковый номер (число протонов).

В химических реакциях состав ядер атомов не изменяется (искл. ядерные реакции - не рассматриваются в данном курсе, область изучения физики), изменяться может только состав электронной оболочки (количество электронов).  Поэтому нам важно знать, каким образом располагаются электроны в атоме, т.е  строение  электронных оболочек  атомов.

Электроны расположены в трехмерном пространстве вокруг ядра атома.  Внутри этого про-странства имеются области, в которых могут располагаться электроны. Эти области называются орбиталями. Каждая орбиталь характеризуется размером, формой и ориентацией внутри атома, и каждой присвоено буквенно-цифровое обозначение.

Хотя в атоме имеется большое число орбиталей, в обычных условиях только сравнительно малая их часть занята электронами. Ниже приводит-ся список общепринятых обозначений первых (т. е. ближайших к ядру) восемнадцати орбиталей. Цифра (номер) характеризует размер или сред-ний диаметр орбитали, а буква -- форму орбитали. s-Орбиталь представ-ляет собой сферу, центр которой совпадает с центром (ядром) атома, а три р-орбитали напоминают объемные восьмерки, оси которых перпендикулярны друг другу. Таким образом, 1s-орбиталь -- сферичес-кая и наименьшая по размерам; 2s-орбиталь -- также сферическая, но боль-шего размера; 2р-орбитали имеют форму восьмерок и по размеру сопоста-вимы с 2s-орбиталью. d-Орбитали имеют более сложную форму.

Орбитали группируются в соответствии с их размерами и эти группы называются слоями или оболочками или энергетическими уровнями. В первой электронной оболочке имеется лишь одна орбиталь -- 1s. На второй оболочке их уже четыре, а на третьей -- девять. Каждая орбиталь может быть свободной (пустой) или занятой одним или двумя электронами. Заметим, что в каждой обо-лочке (кроме первой) существует три р-орбитали и пять d-орбиталей (во всех оболочках, кроме двух первых). Поскольку на каждой орбита-ли может находиться по 2 электрона, группу р-орбиталей могут занимать не более 6  электронов, а группу d-oрбиталей -- 10 электронов.

Электроны сначала занимают орбитали низших слоев и только затем -- орбитали более высо-ких уровней. Легкость заполнения орбиталей уменьшается от начала к концу списка. Иными словами, электроны, занимающие более высокие орбитали, имеют большую энергию.

Ниже приведены электронная конфигурация атомов кислорода и серы.

Строение электронных оболочек атомов

Пройти тест Задания  № 1 ЕГЭ по химии

Атомы, первоначально считавшиеся неделимыми, представляют собой сложные системы.

*Атом состоит из ядра и электронной оболочки

*Электронная оболочка - совокупность движущихся вокруг ядра электронов

*Ядра атомов заряжены положительно, они состоят из протонов (положительно заряженных частиц) p+ и нейтронов (не имеющих заряда) no

*Атом в целом электронейтрален, число электронов е- равно числу протонов p+, равно порядковому номеру элемента в таблице Менделеева.

На рисунке изображена планетарная модель атома, согласно которой электроны движутся по стационарным круговым орбитам. Она очень наглядна, но не отражает сути, т.к в действительности законы микромира подчиняются на классической механике, а квантовой, которая учитывает волновые свойства электрона.

Согласно квантовой механике электрон в атоме не движется по определенным траекториям, а может находиться в любой части околоядерного пространства, однако вероятность его нахождения в разных частях этого пространства неодинакова.

Пространство вокруг ядра, в котором вероятность нахождения электрона достаточно велика, называют орбиталью (не путать с орбитой!)  или электронным облаком.

Т.е у электрона отсутствует понятие «траектория»,  электроны не движутся ни по круговым орбитам, ни по каким-либо другим. Самая большая сложность квантовой механики заключается в том, что это невозможно представить, мы все привыкли к явлениям макромира, подчиняющегося классической механике, где любая движущаяся частица имеет свою траекторию.

Итак, электрон имеет сложное движение, может находится в любом месте пространства около ядра, но с разной вероятностью. Давайте теперь рассмотрим те части пространства, где вероятность нахождения электрона достаточно высока --  орбитали -- их формы и последовательность заполнения орбиталей электронами.

Представим себе трехмерную систему координат, в центре которой находится ядро атома.

Вначале идет заполнение 1s орбитали, она располагается ближе всего к ядру и имеет форму сферы.

Обозначение любой орбитали складывается из цифры и латинской буквы. Цифра показывает уровень энергии, а буква -- форму орбитали.

1s орбиталь имеет наименьшую энергию и электроны находящиеся на этой орбитали имеют наименьшую энергию.

На этой орбитали могут находиться не более двух электронов. Электроны атомов водорода и гелия (первых двух элементов) находятся именно на этой орбитали.

Электронная конфигурация водорода:  1s1

Электронная конфигурация гелия: 1s2

Верхний индекс показывает количество электронов на этой орбитали.

Следующий элемент -- литий, у него 3 электрона, два из которых располагаются на 1s орбитали, а где же располагается третий электрон?

Он занимает следующую по энергии орбиталь -- 2s орбиталь . Она также имеет форму сферы, но большего радиуса (1s орбиталь находится внутри 2s орбитали).

Электроны, находящиеся на этой орбитали имеют большую энергию, по сравнению с 1s орбиталью, т.к они расположены дальше от ядра. Максимум на этой орбитали может находится также 2 электрона.
Электронная конфигурация лития: 1s2 2s1
Электронная конфигурация бериллия: 1s2 2s2

У следующего элемента -- бора -- уже 5 электронов, и пятый электрон будет заполнять орбиталь, обладающую ещё большей энергией- 2р орбиталь. Р-орбитали имеют форму гантели или восьмерки и располагаются вдоль координатных осей перпендикулярно друг другу.

На каждой р-орбитали может находится не более двух электронов, таким образом на трех р-орбиталях -- не более шести. Валентные электроны следующих шести элементов заполняют р-орбитали, поэтому их относят к р-элементам.Электронная конфигурация атома бора: 1s2 2s2 2р1
Электронная конфигурация атома углерода: 1s2 2s2 2р2
Электронная конфигурация атома азота: 1s2 2s2 2р3
Электронная конфигурация атома кислорода: 1s2 2s2 2р4
Электронная конфигурация атома фтора: 1s2 2s2 2р5
Электронная конфигурация атома неона: 1s2 2s2 2р6

Графически электронные формулы этих атомов изображены ниже:

Квадратик -- это орбиталь или квантовая ячейка, стрелочкой обозначается электрон, направление стрелочки -- это особая характеристика движения электрона -- спин (упрощенно можно представить как вращение электрона вокруг своей оси по часовой и против часовой стрелки). Нужно знать то, что на одной орбитали не может быть двух электронов с одинаковыми спинами (в одном квадратике нельзя рисовать две стрелочки в одном направлении!).  Это и есть принцип запрета В.Паули: «В атоме не может быть даже двух электронов, у которых все четыре квантовых числа были бы одинаковыми»

 Существует ещё одно правило (правило Гунда), по которому электроны расселяются на одинаковых по энергии орбиталях сначала по одиночке, и лишь когда в каждой такой орбитали уже находится по одному электрону, начинается заполнение этих орбиталей вторыми электронами. Когда орбиталь заселяется двумя электронами, такие электроны называют спаренными.

Атом неона имеет завершенный внешний уровень из восьми электронов (2 s-электрона+6 p-электронов =8 электронов на втором энергетическом уровне), такая конфигурация является энергетически выгодной, и её стремятся приобрести все другие атомы. Именно поэтому элементы 8 А группы -- благородные газы -- столь инертны в химическом отношении.

Следующий элемент -- натрий, порядковый номер 11, первый элемент третьего периода, у него появляется ещё один энергетический уровень -- третий. Одиннадцатый электрон будет заселять следующую по энергии орбиталь -3s орбиталь.

Электронная конфигурация атома натрия: 1s2 2s2 2р6 3s1

Далее происходит заполнение орбиталей элементов третьего периода, сначала заполняется 3s подуровень с двумя электронами, а потом 3р подуровень с шестью электронами (аналогично второму периоду) до благородного газа аргона, имеющего,  подобно неону, завершенный восьмиэлектронный внешний уровень. Электронная конфигурация атома аргона (18 электронов): 1s2 2s2 2р6 3s2 3р6

Четвертый период начинается с элемента калия (порядковый номер 19), последний внешний электрон которого располагается на 4s орбитали. Двадцатый электрон кальция также заполняет 4s орбиталь.За кальцием идет ряд из 10 d-элементов, начиная со скандия (порядковый номер 21)  и заканчивая цинком (порядковый номер 30).  Электроны этих атомов заполняют 3d орбитали, внешний вид которых представлен на рисунке ниже.

Далее идут шесть р-элементов (происходит заполнение 4р орбиталей). Заканчивается четвертый период инертным газом криптоном, электронная конфигурация которого 1s2 2s22р6 3s2 3p6  4s2 3d10 4р6

Итак, подведем итоги:

Энергетические уровни соответствуют номеру периода. Энергетические уровни делятся на подуровни (первый уровень состоит из одного подуровня, второй уровень из двух подуровней, третий -- из трех и т.д).

s подуровень состоит из одной s орбитали, p подуровень -- из трех р орбиталей, d подуровень из 5 d орбиталей.

На каждой орбитали может находится не более двух электронов.

Размещено на Allbest.ru