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