Файл: Электронная структуры атомов и ПС элементов.doc

Электронная структура атомов и периодическая система элементов: Методические указания к практическим занятиям по дисциплине «Химия» / сост. С.Б.Белова, С.П.Белов, .Д.Гришина ─ М.: МАТИ, 2011 ─ 40 с.

Белов С.П.

Гришина Н.Д.

составление, 2011

Введение

Для понимания химического характера того или иного вещества необходимо знание об электронном строении атомов, его образующих. Согласно Периодическому закону, свойства элементов и образуемых ими соединений определяются зарядом ядер их атомов. Расположение химических элементов в Периодической системе соответствует электронному строению их атомов.

Данные методические указания предназначены для изучения электронного строения атомов и приобретения навыков определения свойств элементов по их расположению в Периодической системе элементов.

Строение атома

рассматривая вопрос об электронном строении атомов, необходимо различать свободные атомы, под которыми понимают атомы настолько удаленные друг от друга, что не взаимодействуют между собой, и атомы в твердых телах, которые взаимодействуют между собой, образуя химические связи. Для того, чтобы понять характер их взаимодействия, необходимо первоначально остановиться на электроном строении свободных атомов.

Ядро и электронная оболочка атома

Каждый атом состоит из ядра и электронной оболочки (рис.1). Электронная оболочка атома – это совокупность элементарных частиц – электронов, каждому из которых присущ корпускулярно-волновой характер.

Электрон как частица обладает массой покоя. M_e=9,1095·10ˉ³¹ кг и несет отрицательный электрический заряд, равный 1,6022·10ˉ¹⁹ Кл. Абсолютное (без учета знака) значение этого заряда является наименьшим и называется элементарным зарядом.

Атом в целом не заряжен (электрически нейтрален). Это обусловлено тем, что сумма отрицательных зарядов электронов компенсирована положительным зарядом ядра атома: в каждом атоме число элементарных отрицательных зарядов в оболочке равно числу элементарных положительных зарядов в ядре.

Между положительно заряженным ядром атома и отрицательно заряженными электронами его оболочки действуют электростатические (кулоновские) силы притяжения. Геометрический размер атома, условно записываемый диаметром его электронной оболочки, имеет порядок 10ˉ¹⁰ м, а диаметр атомного ядра – порядок 10ˉ¹⁴ м, т.е по размеру ядро в 10000 меньше, чем атом. Отсюда следует, что:

масса атома сосредоточена в его ядре.

В легчайшем атоме водорода (имеется в виду атом одного из изотопов водорода – протия, ядро которого состоит из одного протона) ядро обладает массой 1,6726·10ˉ²⁷ кг; электрон легче ядра в 1836 раз (фактически речь идет о сравнении масс электрона и протона).

Рис. 1 Ядро и электронная оболочка

1.2. Строение ядра атома

Ядра атомов имеют сложное строение и состоят из еще более мелких частиц – нуклонов. Существует два вида нуклонов: протон, который несет положительный электрический заряд 1,6022·10ˉ¹⁹ Кл (элементарный заряд) и обладает массой покоя, равной 1,6726 ·10ˉ²⁷ кг; нейтрон, который не имеет электрического заряда и обладает массой покоя, равной 1,6750 ·10ˉ²⁷ кг. Масса атомных ядер элементов определяется числом протонов и нейтронов, а их заряд – только числом протонов.

Поскольку положительный заряд протона и отрицательный заряд электрона совпадают по абсолютному значению и равны элементарному заряду, в нейтральном атоме число электронов в оболочке всегда равно числу протонов в ядре. Таким образом, известный заряд ядра определяет число электронов в оболочке нейтрального атома. Химические свойства элементов в основном зависят от числа электронов, содержащихся в наиболее удаленной от ядра оболочке, следовательно, общий заряд ядра атома является важнейшим признаком индивидуальности химических элементов.

Все атомы одного и того же элемента имеют одинаковый заряд ядра (число протонов в ядре), а атомы разных элементов имеют разный заряд их ядер. К настоящему времени известно 118 химических элементов, т.е. 118 различных по значению заряда атомных ядер. Все известные элементы могут быть расположены в один непрерывный ряд в порядке возрастания заряда ядра их атомов. Число, соответствующее заряду ядра, называется порядковым (атомным) номером элемента (обозначение Z).

При переходе от элемента к элементу (в последовательности возрастания их порядкового номера) число протонов, а следовательно, и заряд ядра атома увеличивается на единицу, а число нейтронов и тем самым общее число нуклонов в ядрах атомов элементов растет неравномерно.

Число нуклонов в ядре атома элемента равно относительной атомной массе элемента, округленной до целого числа.

Примеры:

Водород Ar = 1,001; 1 нуклон

Углерод Ar = 12,011; 12 нуклонов.

Нуклиды, изотопы, массовое число

Большинство элементов, содержащихся в природе, состоит из нескольких видов атомов, отличающихся значениями относительной атомной массы.

Пример. Хлор в природе встречается как смесь двух видов атомов, один из которых содержит 18, а другой – 20 нейтронов в ядре.

Каждый вид атомов (вид ядер) называется нуклидом. Нуклид – это вид атомов и ядер, отвечающий определенным числам протонов и нейтронов.

Нуклиды, принадлежащие одному элементу и однозначно определяемые числом протонов, но различающиеся по числу нейтронов, называются изотопными нуклидами, или просто изотопами.

Изотопы элемента – это нуклиды, обладающие равным зарядом ядра (числом протонов). Изотопы элемента различаются только числом нейтронов и, следовательно, общим числом нуклонов.

Пример. Ядра двух природных изотопов хлора содержат по 17 протонов, но 18 и 20 нейтронов, т.е. 35 и 37 нуклонов соответственно.

Для нуклидов точные значения относительных атомных масс всегда близки к целочисленным значениям, поэтому массы нуклидов можно сравнивать по этим значениям, называемым массовыми числами.

Массовое число нуклида равно числу содержащихся в нем нуклонов (сумме протонов и нейтронов).

Для обозначения конкретного нуклида применяется специальная символика. Слева от символа химического элемента верхним индексом указывается массовое число, а нижним индексом –заряд ядра (порядковый номер элемента). Например, изотоп хлора-18 записывается как .

Таким образом:

Массовое число = Число нуклонов в ядре.

Порядковый номер = Число протонов в ядре или число электронов в оболочке атома.

Разность между массовым числом и порядковым номером = Число нейтронов в ядре.

Строение электронной оболочки атома. Энергетические уровни

Строение электронной оболочки атома определяется различным запасом энергии E отдельных электронов в атоме. В соответствии с моделью атома Бора электроны могут занимать в атоме положения, которым отвечают точно определенные (квантованные) энергетические состояния.

Число электронов, которые могут находиться на отдельном энергетическом уровне, определяется формулой 2n² , где n – номер уровня, который обозначается арабскими цифрами 1-7; для обозначения энергетических уровней используются также буквы от K до Q. Максимальное заполнение первых четырех энергетических уровней в соответствии с формулой 2n² составляет: для первого уровня К – 2 электрона, для второго L – 8, для третьего M – 18 и для четвертого уровня N – 32 электрона.

2. Квантово - механическое объяснение строения атома

2.1. Орбитальная модель атома

Современные квантово-механические представления о строении электронной оболочки атома исходят из того, что движение электрона в атоме нельзя описать определенной траекторией. Можно рассматривать лишь некоторый объем пространства, в котором находится электрон. Поскольку электрон обладает одновременно свойствами частицы и волны, то подходом к объяснению строения электронной оболочки может быть как корпускулярная теория, так и волновая теория; обе они приводят к одинаковому наглядному представлению, сформулированному как орбитальная модель атома.

1. Обоснование орбитальной модели атома, исходящее из корпускулярного характера электрона, состоит в следующем. Как следует из рис.2, вероятность пребывания электрона в атомном ядре равна нулю, она незначительна вблизи ядра, но быстро возрастает при удалении от ядра. На некотором расстоянии вероятность достигает максимума, а затем медленно уменьшается, ассимптотически приближаясь к нулю на расстоянии, стремящемся к бесконечности. Таким образом, невозможно ограничить то пространство, в котором может находиться электрон, т.е. нельзя (без дополнительных условий) указать размеры атома. Исходя из корпускулярного характера электрона можно говорить о 90 %-ой вероятности его пребывания в ограниченном объеме пространства, которое называется атомная орбиталь.