Строение вещества

Строение атома. Периодическая система Д.И. Менделеева. Состав ядра. Изотопы. Электронная оболочка. Атомная орбиталь. Квантовые числа. Принцип Паули. Принцип наименьшей энергии. Порядок заполнения энергетических уровней, подуровней. Периодическая система элементов Д.И. Менделеева в свете современной теории строения атома. Электронные семейства элементов. Валентные электроны. Периодическое изменение свойств химических элементов. Энергия ионизации и сродство к электрону. Электроотрицательность элементов. Металлические, неметаллические, амфотерные элементы.

Окружающий нас мир состоит из трёх структурных частиц: атом, молекула, ион. Например, медная пластина состоит из атомов (Сu). В водном растворе сульфата меди (СuSO₄) медь присутствует в виде ионов (Сu²⁺). Атомы (Сu), ионы (Сu²⁺) являются структурными частицами химического элемента медь. Газ водород состоит из молекул (Н₂). Раствор хлороводородной кислоты (НСl) содержит ионы (H⁺). Молекулы (Н₂), ионы (H⁺) являются структурными частицами химического элемента водород.

Химический элемент – это вид структурных частиц с одинаковым зарядом ядра.

Атом – это наименьшая частица элемента, имеющая его химические свойства.

Согласно современной теории строения атома, атом состоит из ядра /протоны, нейтроны/ и электронной оболочки /электроны/.

Протон (р): относительный заряд равен +1; относительная масса 1, 0073.

Нейтрон(n): относительный заряд равен 0; относительная масса 1, 0087.

Электрон(е): относительный заряд равен –1; относительная масса 5, 48 · 10^-4

Периодическая система элементов Д.И.Менделеева позволяет определить число фундаментальных частиц (р, n, е) в атоме любого элемента. Английский физик Мозли установил, что «заряд ядра равен порядковому номеру элемента в Периодической системе». Так как заряд протона равен единице, то порядковый номер определяет число протонов. Атом по заряду - нейтральная частица, следовательно, число электронов в атоме равно числу протонов. Относительная атомная масса элемента определяется сумой масс протонов и нейтронов. Поэтому, число нейтронов в атоме равно атомной массе за вычетом числа протонов.

Пример 1. Определить число протонов, нейтронов, электронов в атоме элемента с порядковым номером 92 в Периодической системе элементов Д.И. Менделеева

Элемент Уран

Число протонов (р) равно 92

Число нейтронов (n) равно 238 – 92 = 146

Число электронов (е) равно 92

Изотопы - это структурные частицы, имеющие одинаковое число протонов, но разное число нейтронов (частицы одного и того же элемента с различной массой).

Например -водород, дейтерий, -тритий

При рассмотрении строения электронной оболочки атома учитывается, что из-за корпускулярно-волновой природы электрона существует неопределённость в установлении его места пребывания. Шредингер предложил волновое уравнение для атома. Решение этого уравнения даёт плотность вероятности нахождения электрона в данной области пространства. Область пространства вокруг ядра, для которой вероятность пребывания электрона равна 95%, называется атомной орбиталью. Электрон не движется по орбите, а занимает трёхмерную область в пространстве вокруг ядра – орбиталь. Решения волнового уравнения Шредингера позволяют охарактеризовать орбиталь четырьмя квантовыми числами.

n – главное квантовое число. Может принимать значения 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7…∞. Определяет энергетический уровень, на котором находится электрон, энергию электрона на уровне, размер орбитали. Чем больше значение главного квантового числа, тем больше энергия электрона и больше размер орбитали.

l-орбитальное квантовое число. Может принимать целочисленные значения от 0 до n-1. Если n = 4, то l = 0, 1, 2 и 3. Определяет энергетический подуровень, на котором находится электрон, энергию электрона на подуровне, а так же форму орбитали. Каждое значение l обозначают буквой (чтобы не путать с обозначением n): l = 0 (s), 1 (p), 2 (d), 3 (f) и т.д.

Состояние электрона, характеризуемое значениями l и n, записывается в виде электронной формулы.

Например, еслисостояние электрона характеризуется n = 4, l = 3, то говорят, что это - 4f-электрон.

Возможные следующие сочетания этих двух квантовых чисел:

n = 1 l = 0 1s

n = 2 l = 0, 1 2s2p

n = 3 l = 0, 1, 2 3s3p3d

n = 4 l = 0, 1, 2, 3 4s4p4d4f

и т.д.

В пределах одного энергетического уровня наименьшей энергией обладают электроны на s-подуровне (s-электроны), а затем s< p< d< f< и т.д.

Электроны на s-подуровне (s-электроны) имеют сферическую форму орбитали, p-электроны симметричную гантель, у других орбиталь имеет более сложную конфигурацию.

Рис. 1. Форма электронных облаков s и p - орбиталей

m-магнитное квантовое число. Может принимать значение целых чисел от +l до –l. Определяет возможное число орбиталей на подуровне, а так же пространственное расположение орбиталей.

Возможное число орбиталей для подуровней:

l = 0 (s) m = 0 одна s-орбиталь

l = 1 (p) m = 1, 0, -1 три p-орбитали

l = 2 (d) m = 2, 1, 0, -1, -2 пять d-орбиталей и т. д.

Рис. 2. Пространственное расположение р-орбиталей

S-спиновое квантовое число. Определяет вращение электрона вокруг собственной оси. Может принимать значения +1/2 (предполагает вращение по часовой стрелке) и –1/2 (вращение против часовой стрелки). Во многоэлектронных атомах электроны располагаются по энергетическим уровням (n), подуровням (l) и орбиталям (m). Если орбиталь изобразить в виде ячейки □, то структура электронной оболочки будет иметь вид:

1

s

2

s p

3

s p d

4 и т.д.

s p d f

В соответствии с принципом Паули «в атоме не может быть двух электронов, которые имеют одинаковые наборы четырёх квантовых чисел». Таким образом, на одной орбитали могут находиться только два электрона с противоположными спинами.

Отсюда следует, что:

на n=1 уровне находится 2 электрона 1s²

на n=2 уровне находится 8 электронов 2s²2р⁶

на n=3 уровне находится 18 электронов 3s²3р⁶3d¹⁰

на n=4 уровне находится 32 электрона 4s²4р⁶4d¹⁰4f¹⁴ и т.д.

Заполнение электронной оболочки атома электронами происходит по принципу наименьшей энергии (правило Клечковского):

1. В первую очередь заполняется энергетическое состояние с наименьшей суммой главного и орбитального квантовых чисел(n+l). Последующее заполнение происходит в порядке увеличения суммы n+l.

2. При равных значениях суммы n + l заполняется энергетический уровень с меньшим значением главного квантового числа.

Пример 2. Определить порядок заполнения электронами уровней и подуровней 5d, 6p, 6s.

5d = 5 + 2 = 7; 6p = 6 + 1 = 7; 6s = 6 + 0 = 6.

Порядок заполнения 6s, 5d, 6р.

Заполнение орбиталей внутри одного подуровня происходит по правилу Хунда «каждая орбиталь заполняется вначале одним электроном, а затем происходит их заполнение вторыми электронами».

Например, р⁴:

Электронные оболочки записываются в виде электронных формул.

Напимер, 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²3d¹⁰4p⁶5s²4d¹⁰5p⁶6s²4f¹⁴5d¹⁰6p²

Если сопоставить строение электронной оболочки атома и Периодическую систему элементов Д.И. Менделеева, то видно, что Периодическая система элементов Д.И. Менделеева представляет собой классификацию элементов по структуре заполненных электронных оболочек атомов.

Период – последовательный ряд элементов с одинаковым числом заполняемых энергетических уровней, причём номер периода показывает номер внешнего энергетического уровня.

Группа – последовательный ряд элементов, имеющих однотипную электронную конфигурацию.

Например, элемент находится в 3 периоде, электронная формула: 1s²2s²2p⁶3s²3p²

Элемент ₅₂Sn находится в 5 периоде, электронная формула: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²3d¹⁰4p⁶5s²4d¹⁰5p²

В зависимости от подуровня, который заполняет последний электрон, все элементы можно сгруппировать в четыре электронных семейства.

s – элементы – достраивается s - подуровень

p – элементы – достраивается p - подуровень

d – элементы – достраивается d - подуровень

f – элементы – достраивается f – подуровень

В Периодической системе элементов Д.И. Менделеева s- и р - элементы расположены в главных подгруппах, у этих элементов достраивается внешний энергетический уровень (соответствует номеру периода). d- и f-элементы расположены в побочных подгруппах, у этих элементов достраиваются предвнешние уровни.

Учитывая периодичность заполнения электронами энергетических уровней и взаимосвязь заряда ядра и количества электронов в атоме, Периодический закон Д.И Менделеева может быть сформулирован следующим образом: «свойства простых тел, а также соединений элементов находятся в периодической зависимости от заряда ядра атома».

Начинается период (со II периода) элементом, в атоме которого появился на внешнем уровне s-электрон (активный металл). Заканчивается период элементом в атоме, которого на внешнем уровне s²p⁶ – электроны (благородный газ). Все элементы в соответствии с электронным строением атома можно подразделить на металлические и неметаллические. Металлические свойства элементов определяются способностью атомов «отдавать» электроны (восстановительные свойства). Неметаллические свойства элементов определяются способностью атомов «принимать» электроны (окислительные свойства). Изменение свойств элементов в Периодической системе можно проследить в горизонтальном направлении (в периоде) и вертикальном направлении (в группе). С увеличением порядкового номера элементов по периоду (слева на право) происходит нарастание неметаллических свойств. Сверху вниз по подгруппам возрастают металлические свойства. Эти свойства связаны с атомными радиусами, а в конечном счете - с электроотрицательностью. Элементы, для которых электроотрицательность меньше двух относят к металлическим элементам (атомы только отдают электроны). Элементы, для которых электроотрицательность больше двух, относят к неметаллическим элементам. Чем ниже электроотрицательность, тем выше металлические свойства элемента и наоборот, чем выше электроотрицательность, тем выше неметаллические свойства.