Строение атома

Атом – в переводе с древнегреческого – неделимый – это наименьшая частица химического элемента, являющаяся носителем его свойств. Современные представления о строении атома требуют для понимания знаний основ квантовой механики, поэтому мы ограничимся упрощенной моделью.

Атом состоит из ядра (в составе которого протоны и нейтроны) и электронов. Несмотря на то, что ядро составляет большую часть массы атома, оно очень мало.

	Заряд z	Масса m
Протон p+	+1	1
Нейтрон n0	0	1
Электрон e-	-1	0

Количество протонов равно количеству электронов и равно номеру атома в периодической таблице. Число нейтронов равно разности атомной массы и номера элемента.

Бор – пятый элемент периодической таблицы, в его атоме 5 протонов и 5 электронов. Атомная масса ≈ 11, количество нейтронов равно 11 – 5 = 6.

Элементы, имеющие одинаковое количество протонов в ядре, но различающиеся числом нейтронов, называются изотопами.

Например, 35Cl и 37Cl – изотопы, различающиеся атомной массой и количеством нейтронов.

	Число протонов	Число нейтронов	Число электронов
35Cl	17	18	17
37Cl	17	20	17

Вокруг ядра по различным траекториям – орбиталям движутся электроны. Каждой орбитали соответствует определенный уровень энергии, чем ближе орбиталь к ядру, тем меньшей энергией должен обладать электрон, чтобы находиться на ней.

Порядок заполнения орбиталей:

Электроны располагаются на орбиталях в соответствии со следующими правилами:

• Принцип наименьшей энергии: в первую очередь электроны заполняют наиболее низкие по энергии уровни (ближайшие к ядру).

Энергия орбиталей на уровнях и подуровнях изменяется следующим образом: 1s < 2s < 2р < Зs < Зр < 4s < 3d < 4р < 5s <4d < 5р < 6s < 4f ≈ 5d < 6p < 7s < 5f ≈6d < 7p . (●)

Тип орбитали	Число орбиталей на энергетическом уровне	Максимальное количество электронов на этих орбиталях
s	1	2
p	3	6
d	5	10
f	7	14

Перед оставшимися двумя принципами введем понятие спина электрона. Спин – характеристика самого электрона, представить его (это упрощенная модель, а ненастоящий физический смысл понятия спин!) можно как направление движения электрона вокруг своей оси: по или против часовой стрелки. Возможных значений всего два: +1/2 и -1/2.

• Принцип Паули: на каждой орбитали может быть не более двух электронов, причем их спины должны быть различными.
• Правило Хунда: суммарный спин системы должен быть максимально возможным.

Рассмотрим заполнение орбиталей электронами на нескольких примерах. У каждого следующего элемента таблицы Менделеева на один протон и один электрон больше, чем у предыдущего. У элементов n-го периода заполнены предыдущие n-1 электронные уровни.

– магний – двенадцатый элемент, имеет по 12 протонов и электронов. Распределим эти электроны в соответствии с (●), не забывая, что на каждом подуровне может быть не более двух электронов.

Магний – элемент третьего периода, следовательно, первый и второй энергетические уровни полностью заполнены – 1s22s22p6.Магний находится во второй группе, значит, на третьем уровне у него два электрона –  3s2. Итого получаем1s22s22p63s2.

В атоме магния в основном состоянии нет неспаренных электронов.

Если атому сообщили дополнительную энергию (например, нагрели), то электронная пара может распарится и один из электронов переходит на свободную орбиталь того же энергетического уровня. В возбужденном состоянии атом магния имеет два неспаренных электрона и может образовать две связи (валентность II).

– фосфор – пятнадцатый элемент, распределяем 15 электронов: Фосфор – элемент третьего периода, следовательно, первый и второй энергетические уровни полностью заполнены – 1s22s22p6.Фосфор находится в пятой группе, значит, на третьем уровне у него пять электронов –  3s23p3. Итого получаем1s22s22p63s23p3.

В атоме фосфора в основном состоянии 3 неспаренных электрона. В возбужденном состоянии атом фосфора имеет пять неспаренных электронов и может образовать пять связей (валентность V).

– цирконий – сороковой элемент, распределяем 40 электронов. Цирконий – элемент пятого периода, следовательно, первые четыре энергетических уровня полностью заполнены – 1s22s22p63s23p64s23d104p6.Заполнение пятого уровня начинается с 5s2. Цирконий – второй d – элемент в пятом периоде, значит, он содержит 2 электрона на 4d – подуровне. Итого получаем: 1s22s22p63s23p64s23d104p65s24d2.

В атоме циркония в основном состоянии 2 неспаренных электрона.

В возбужденном состоянии цирконий имеет четыре неспаренных электрона.

Исключениями из общего порядка заполнения электронных подуровней являются хром, марганец, медь, серебро и золото – у них наблюдается «провал» электрона с внешного s – подуровня на предвнешний d. Например, электронные конфигурации хрома и меди вместо 4s23d4 и 4s23d9 имеют вид 4s13d5 и 4s13d10.

Задания для тренировки:

1. Сколько протонов и электронов содержит ион NO2-
   1) 46p, 46e                    
   2) 23p, 24e
   3) 23р, 23e                      
   4) 46p, 47e
2. Чем отличаются изотопы одного и того же химического элемента?
   1) Числом протонов                         
   2) Числом электронов
   3) Зарядом ядра                      
   4) Массовым числом
3. Укажите атом, в котором больше всего электронов:
   1) 2Н  
   2) 40Аr     
   3) 41Ar 
   4) 39К
4. Изобразить электронно-графическую схему атома хлора в основном и всех возможных возбужденных состояниях. Какие валентности способен проявлять хлор?
5.  Объяснить, почему сера проявляет валентность VI, а кислород – не проявляет, хотя оба эти элемента содержат по 6 электронов на внешнем слое.