Строение атома

Способность атома образовывать химические связи с другими атомами зависят от его строения.

Атом состоит из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженной электронной оболочки вокруг него.

Ядро атома содержит элементарные частицы: протоны и нейтроны.
          протон:   заряд = +1, масса = 1 условных единиц (у.е.)
          нейтрон: заряд = 0,   масса = 1 у.е.

Любой атом характеризуется зарядом ядра и массовым числом. Заряд ядра равен числу протонов. Массовое число – сумма протонов и нейтронов.

Химический элемент – определенный вид атомов, характеризующийся одним и тем же зарядом ядра. Например, химический элемент «кислород» - это атомы, имеющие заряд +8, т.е. содержащие в ядре 8 протонов.

Изотопы - это атомы одного и того же химического элемента, имеющие разные массовые числа. Например, существуют атомы кислорода, содержащие 8, 9 и 10 нейтронов в ядре; их массовые числа равны соответственно 16, 17 и 18.

При химических реакциях ядра атомов не изменяются, поэтому химические свойства элементов полностью определяются свойствами электронов, т.е. строением электронной оболочки атома.

Электрон  - элементарная частица с зарядом -1 и массой, равной 1/1840 у.е.
 

Строение электронной оболочки атома:


Электроны вокруг ядра располагаются на определенных энергетических уровнях. При переходе с одного уровня на другой они испускают или поглощают квант энергии.

Электрон обладает двойственной природой, являясь одновременно частицей и волной. Невозможно одновременно определить и скорость и положение электрона (принцип неопределенности Гейзенберга). Для отражения этой особенности поведения электрона в атоме вводится понятие электронной орбитали.

Орбиталь – это область в пространстве, в котором вероятность нахождения электрона максимальна.

Орбитали отличаются по форме и ориентации в пространстве. Любую орбиталь и электрон, находящийся на этой орбитали, можно однозначно описать с помощью набора квантовых чисел.
 

Квантовые числа:

Главное квантовое число (n) характеризует энергетическое состояние электрона; может принимать значения целых чисел: 1, 2, 3 и т. д. Энергетический слой со значением n = 1 соответствует самому низкому уровню энергии электрона; этот электрон находится ближе всего к ядру атома.
Побочное (орбитальное) квантовое число (l) определяет форму электронной орбитали; может принимать значения от 0 до (n -1). Если n = 1, то l = 0; если n =2, то l = 0, 1; если n = 3, то l = 0, 1, 2 и т.д.
Орбитали с одинаковым побочным квантовым числом объединяются в электронные подуровни: s–подуровень (l = 0), р–подуровень (l = 1), d–подуровень (l = 2), f–подуровень (l = 2). s-Подуровень соответствует самому низкому значению энергии в пределах энергетического уровня.
s–орбиталь имеет сферическую форму; р-орбиталь – форму правильной вытянутой восьмерки; d- и f-орбитали имеют еще более сложное строение.
Магнитное квантовое число (ml) определяет ориентацию электронных орбиталей в пространстве; может принимать значения от –l через 0 до +l.
Если l = 0, то ml = 0; s-орбитали имеют шарообразную форму и возможна только одна ориентация электронного облака, чему соответствует одна квантовая ячейка в электронной формуле атома.
Если l = 1, то ml = -1, 0, +1; р-орбитали имеют форму правильной вытянутой восьмерки и возможны три различных ориентации электронного облака в пространстве: по оси x, y, z, чему соответствуют три квантовые ячейки с одинаковой энергией.
Если l = 2, то ml = -2, -1, 0, +1, +2; у d-орбиталей возможны пять разрешенных ориентаций, следовательно пять квантовых ячеек с одинаковой энергией.
Если l = 3, то ml = -3, -2, -1, 0, +1, +2, +3; у f-орбиталей возможны семь разрешенных ориентаций, следовательно семь квантовых ячеек с одинаковой энергией.
Спиновое квантовое число (ms) характеризует собственное вращение электрона вокруг своей оси. Каждый электрон может совершать такое вращение в одном из двух противоположных направлений, поэтому численные значения спина имеет два возможных значения: +1/2 и -1/2. Иначе спины обозначаются стрелками, имеющими разное направление ↑↓.


Правила написания электронной конфигурации атомов:


1. Общее число электронов в электронной оболочке атома равно числу протонов в ядре (т.е. заряду ядра). Заряд ядра равен порядковому номеру химического элемента в периодической таблице элементов (ПСЭ).

2. Число заполняемых энергетических уровней равно номеру периода в ПСЭ, в котором находится химический элемент.

3. Каждый энергетический уровень содержит определенное количество орбиталей (энергетических ячеек):

n=1 (элементы 1 периода)   1s   __

n=2 (элементы 2 периода)    2p __  __  __
                                                       2s __
                                                       1s __

n=3 (элементы 3 периода)   3d __  __  __  __   __
                                                      3p __  __  __
                                                       3s __
                                                       2p __  __  __
                                                       2s __
                                                       1s __
   
n=4 и больше                              4f  __  __  __  __  __  __  __
                                                        4d __  __  __  __  __
                                                        4p __  __  __
                                                        4s __

                                                         3d __  __  __  __   __
                                                         3p __  __  __
                                                         3s __
                                                         2p __  __  __
                                                         2s __
                                                         1s __

4. Орбитали заполняются электронами в порядке увеличения их энергии. Энергия орбиталей увеличивается в ряду:

1s<2s<2p<3s<3p<4s<3d<4p<5s<4d<5р<6s<4f<5d<6p<
<7s<5f<6d<7p

5.Согласно принципа Паули, в атоме не может быть двух электронов, у которых значения всех четырех квантовых чисел были бы одинаковыми. Следовательно, на одной орбитали не может быть больше двух электронов.

6. Правило Хунда: устойчивому состоянию атома соответствует максимальной число неспаренных электронов. Следовательно, при заполнении квантовых ячеек с одинаковой энергией в подуровне в каждую ячейку следует помещать сначала по одному электрону и только после заполнения всех ячеек подуровня спаривать электроны с противоположными спинами в одной ячейке.

Пример:
            написать электронную формулу ванадия
                                   порядковый номер в ПСЭ - 23
                                   номер периода - 4

Распределим 23 электрона  по орбиталям четырех энергетических уровней, соблюдая порядок заполнения орбиталей (правило 4), принцип Паули и правило Хунда.
пример распределения электронов

При распределении электронов по энергетическим ячейкам следует помнить о возможности  так называемого "проскока" электронов, обусловленного стабилизацией более симметричного соcтояния атома.  Например,   у элементов четвертого периода нет электронных конфигураций  3d4 и 3d9. При переходе от ванадия к хрому и от никеля к меди энергетически выгоднее одному из электронов 4s -орбитали переместиться на 3d-подуровень. Поэтому атом ванадия имеет электронную конфигурацию  1s22s22p63s23p63d34s2,  а следующий за ним химический элемент   хром -    1s22s22p63s23p63d54s1; атом никеля - 1s22s22p63s23p63d84s1 , а следующий    за ним атом меди - 1s22s22p63s23p63d104s1.  

Пример:  Определить квантовые числа валентных электронов  и валентных орбиталей атома ванадия.

Валентные электроны -
это электроны последнего энергетического уровня, а для d- и f-элементов  - и часть электронов предпоследнего уровня, находящихся на d- или f- подуровнях.
У ванадия пять валентных электронов - два на 4s-подуровне и три на 3d-подуровне. Их квантовые числа равны:
  электроны 4s-подуровня
                             n=4, l=0, ml
=0, ms=+1/2;
                             n=4, l=0, ml=0, ms=-1/2;
  электроны 3d-подуровня
                             n=3, l=2, ml=+2, ms=+1/2;
                             n=3, l=2, ml=+1, ms=+1/2;
                             n=3, l=2, ml=0,    ms=+1/2.
У ванадия шесть валентных орбиталей - одна 4s-орбиталь и пять 3d-орбитали. Их квантовые числа равны:
  4s-орбиталь     n=4, l=0, ml=0;
  3d-орбитали     n=3, l=2, ml=+2;
                               n=3, l=2, ml=+1;
                               n=3, l=2, ml= 0;
                               n=3, l=2, ml=-1;
                               n=3, l=2, ml=-2.