Que ce soit un atome. Le monde est merveilleux

Réponse éditoriale

En 1913, les Danois physicien Niels Bohr a proposé sa théorie de la structure de l'atome. Il s'est inspiré du modèle planétaire de l'atome, développé par le physicien Rutherford. Dans ce document, l'atome était comparé aux objets du macrocosme - un système planétaire, où les planètes se déplacent en orbite autour d'une grande étoile. De même, dans le modèle planétaire de l'atome, les électrons se déplacent en orbite autour du noyau lourd situé au centre.

Bohr a introduit l'idée de quantification dans la théorie de l'atome. Selon elle, les électrons ne peuvent se déplacer que sur des orbites fixes correspondant à certains niveaux d'énergie. C'est le modèle de Bohr qui est devenu la base de la création du modèle de mécanique quantique moderne de l'atome. Dans ce modèle, le noyau d'un atome, composé de protons chargés positivement et de neutrons non chargés, est également entouré d'électrons chargés négativement. Cependant, selon la mécanique quantique, il est impossible de déterminer une trajectoire ou une orbite de mouvement exacte pour un électron - il n'y a qu'une région dans laquelle il y a des électrons avec un niveau d'énergie similaire.

Qu'y a-t-il à l'intérieur d'un atome ?

Les atomes sont composés d'électrons, de protons et de neutrons. Les neutrons ont été découverts après que le modèle planétaire de l'atome ait été développé par les physiciens. Ce n'est qu'en 1932, alors qu'il menait une série d'expériences, que James Chadwick découvrit des particules sans charge. L'absence de charge a été confirmée par le fait que ces particules ne réagissaient en aucune manière au champ électromagnétique.

Le noyau d'un atome lui-même est formé de particules lourdes - protons et neutrons : chacune de ces particules est presque deux mille fois plus lourde qu'un électron. Les protons et les neutrons sont également de taille similaire, mais les protons ont une charge positive et les neutrons n'ont aucune charge du tout.

À leur tour, les protons et les neutrons sont constitués de particules élémentaires appelées quarks. En physique moderne, les quarks sont la plus petite particule de base de la matière.

La taille de l'atome lui-même est plusieurs fois supérieure à la taille du noyau. Si un atome est agrandi à la taille d'un terrain de football, alors la taille de son noyau peut être comparable à une balle de tennis au centre d'un tel terrain.

Dans la nature, il existe de nombreux atomes qui diffèrent par leur taille, leur masse et d'autres caractéristiques. Un groupe d'atomes du même type s'appelle un élément chimique. A ce jour, plus d'une centaine éléments chimiques. Leurs atomes diffèrent par leur taille, leur masse et leur structure.

Électrons à l'intérieur d'un atome

Les électrons chargés négativement se déplacent autour du noyau d'un atome, formant une sorte de nuage. Un noyau massif attire les électrons, mais l'énergie des électrons eux-mêmes leur permet de "fuir" plus loin du noyau. Ainsi, plus l'énergie d'un électron est grande, plus il est éloigné du noyau.

La valeur de l'énergie des électrons ne peut être arbitraire, elle correspond à un ensemble bien défini de niveaux d'énergie dans l'atome. Autrement dit, l'énergie d'un électron change progressivement d'un niveau à l'autre. En conséquence, un électron ne peut se déplacer qu'à l'intérieur d'une couche électronique limitée correspondant à un niveau d'énergie particulier - c'est le sens des postulats de Bohr.

Ayant reçu plus d'énergie, l'électron "saute" vers une couche supérieure du noyau, perdant de l'énergie, au contraire, vers une couche inférieure. Ainsi, le nuage d'électrons autour du noyau est ordonné sous la forme de plusieurs couches "coupées".

Histoire des idées sur l'atome

Le mot même « atome » vient du grec « indivisible » et renvoie aux idées anciens philosophes grecs sur la plus petite partie indivisible de la matière. Au Moyen Âge, les chimistes sont devenus convaincus que certaines substances ne pouvaient plus être décomposées en leurs éléments constitutifs. Ces plus petites particules de matière sont appelées atomes. En 1860, lors du congrès international des chimistes en Allemagne, cette définition est officiellement inscrite dans la science mondiale.

DANS fin XIX Au début du XXe siècle, les physiciens ont découvert les particules subatomiques et il est devenu clair que l'atome n'est en fait pas indivisible. Des théories sur la structure interne de l'atome ont été immédiatement avancées, l'une des premières étant le modèle de Thomson ou le modèle du "raisin pudding". Selon ce modèle, de petits électrons se trouvaient à l'intérieur d'un corps massif chargé positivement, comme des raisins secs à l'intérieur d'un pudding. Cependant, les expériences pratiques du chimiste Rutherford ont réfuté ce modèle et l'ont conduit à créer un modèle planétaire de l'atome.

Le développement du modèle planétaire par Bohr, ainsi que la découverte des neutrons en 1932, ont formé la base de théorie moderne sur la structure de l'atome. Les prochaines étapes du développement des connaissances sur l'atome sont déjà liées à la physique des particules élémentaires : quarks, leptons, neutrinos, photons, bosons, etc.

Chaque jour, nous utilisons des objets : nous les prenons dans nos mains, nous effectuons toutes les manipulations sur eux - nous les retournons, les examinons et finalement les cassons. Vous êtes-vous déjà demandé de quoi sont faits ces objets ? "A quoi faut-il penser ? De métal/bois/plastique/tissu !" - beaucoup d'entre nous répondront avec perplexité. C'est en partie la bonne réponse. Et de quoi sont composés ces matériaux - métal, bois, plastique, tissu et bien d'autres substances ? Aujourd'hui, nous allons discuter de cette question.

Molécule et atome : définition

Pour une personne avertie, la réponse est simple et banale : des atomes et des molécules. Mais certaines personnes sont perplexes et commencent à se poser des questions : « Qu'est-ce qu'un atome et une molécule ? À quoi ressemblent-ils ? etc. Répondons à ces questions dans l'ordre. Eh bien, tout d'abord, qu'est-ce qu'un atome et une molécule ? Disons tout de suite que ces définitions ne sont pas la même chose. De plus, ce sont des termes complètement différents. Ainsi, un atome est la plus petite partie d'un élément chimique, qui est le porteur de ses propriétés, une particule de matière de masse et de taille peu abondantes. Une molécule est une particule électriquement neutre formée de plusieurs atomes connectés.

Qu'est-ce qu'un atome: structure

Un atome est constitué d'une couche d'électrons et (photo). À son tour, le noyau est constitué de protons et de neutrons, et la coquille - d'électrons. Dans un atome, les protons sont chargés positivement, les électrons sont chargés négativement et les neutrons ne sont pas chargés du tout. Si le nombre de protons correspond, alors l'atome est électriquement neutre, c'est-à-dire si nous touchons une substance formée de molécules avec de tels atomes, nous ne ressentirons pas la moindre impulsion électrique. Et même les ordinateurs lourds ne l'attraperont pas en raison de l'absence de ce dernier. Mais il arrive qu'il y ait plus de protons que d'électrons, et inversement. Il serait alors plus correct d'appeler ces atomes des ions. S'il contient plus de protons, il est électriquement positif, mais si les électrons prédominent, il est électriquement négatif. Chaque atome spécifique a un nombre strict de protons, de neutrons et d'électrons. Et ça se calcule. Le modèle pour résoudre les problèmes de recherche du nombre de ces particules ressemble à ceci :

Chim. élément - R (insérer le nom de l'élément)
Protons (p) - ?
Électrons (e) - ?
Neutrons (n) - ?
Solution:
p = numéro de série du chem. élément R dans le système périodique nommé d'après D.I. Mendeleïev
e = p
n \u003d A r (R) - Non R

Qu'est-ce qu'une molécule: structure

Une molécule est la plus petite particule d'une substance chimique, c'est-à-dire qu'elle est déjà directement incluse dans sa composition. Une molécule d'une certaine substance est constituée de plusieurs atomes identiques ou différents. Les caractéristiques structurelles des molécules dépendent des propriétés physiques de la substance dans laquelle elles sont présentes. Les molécules sont constituées d'électrons et d'atomes. L'emplacement de ce dernier peut être trouvé à l'aide de formule structurelle. permet de déterminer le déroulement d'une réaction chimique. Ils sont généralement neutres charge électrique), et ils n'ont pas d'électrons non appariés (toutes les valences sont saturées). Cependant, ils peuvent également être chargés, alors ils Nom correct- des ions. Les molécules peuvent également avoir des électrons non appariés et des valences insaturées - dans ce cas, elles sont appelées radicaux.

Conclusion

Vous savez maintenant ce qu'est un atome et toutes les substances, sans exception, sont composées de molécules, et ces dernières, à leur tour, sont constituées d'atomes. Les propriétés physiques d'une substance déterminent l'arrangement et la liaison des atomes et des molécules qu'elle contient.

ATOME [Français atome, du latin atomus, du grec ?τομος (ουσ?α) - indivisible (essence)], particule de matière, plus petite partie d'un élément chimique, qui est le porteur de ses propriétés. Les atomes de chaque élément ont une structure et des propriétés individuelles et sont désignés par les symboles chimiques des éléments (par exemple, un atome d'hydrogène est H, le fer est Fe, le mercure est Hg, l'uranium est U, etc.). Les atomes peuvent exister à la fois à l'état libre et à l'état lié (voir Liaison chimique ). Toute la variété des substances est due diverses combinaisons atomes les uns aux autres. Propriétés des gaz, liquides et solides dépendent des propriétés de leurs atomes constitutifs. Toutes les propriétés physiques et chimiques d'un atome sont déterminées par sa structure et obéissent aux lois quantiques. (Sur l'histoire du développement de la doctrine de l'atome, voir l'article Physique atomique.)

Caractéristiques générales de la structure des atomes. Un atome est constitué d'un noyau lourd avec une charge électrique positive et d'électrons légers qui l'entourent avec des charges électriques négatives qui forment les couches d'électrons de l'atome. Les dimensions d'un atome sont déterminées par les dimensions de sa couche électronique externe et sont grandes par rapport aux dimensions du noyau atomique. Ordres caractéristiques de diamètres, aires la Coupe transversale et les volumes de l'atome et du noyau sont :

Atome 10 -8 cm 10 -16 cm 2 10 -24 cm 3

Noyau 10 -12 cm 10 -24 cm 2 10 -36 cm 3

Les coquilles d'électrons d'un atome n'ont pas de frontières strictement définies et les valeurs des dimensions d'un atome dépendent plus ou moins des méthodes de leur détermination.

La charge du noyau est la principale caractéristique de l'atome, qui détermine son appartenance à un certain élément. La charge du noyau est toujours un multiple entier de la charge électrique élémentaire positive, égale en valeur absolue à la charge de l'électron -e. La charge du noyau est +Ze, où Z est le numéro de série (numéro atomique). Z \u003d 1, 2, 3, ... pour les atomes d'éléments successifs dans le système périodique des éléments chimiques, c'est-à-dire pour les atomes H, He, Li, .... Dans un atome neutre, un noyau avec une charge +Ze contient Z électrons avec une charge totale - Ze. Un atome peut perdre ou gagner des électrons et devenir un ion positif ou négatif (k = 1, 2, 3, ... - la multiplicité de son ionisation). Un atome d'un certain élément est souvent appelé ses ions. A l'écriture, les ions se distinguent d'un atome neutre par l'indice k + et k - ; par exemple, O est un atome d'oxygène neutre, O +, O 2+, O 3+, ..., O 8+, O -, O 2- - ses ions positifs et négatifs. La combinaison d'un atome neutre et d'ions d'autres éléments avec le même nombre d'électrons forme une série isoélectronique, par exemple une série d'atomes de type hydrogène H, He +, Li 2+, Be 3+, ....

La multiplicité de la charge du noyau d'un atome à la charge élémentaire e a été expliquée sur la base d'idées sur la structure du noyau : Z est égal au nombre de protons dans le noyau, la charge du proton est +e. La masse d'un atome augmente avec l'augmentation de Z. La masse du noyau d'un atome est approximativement proportionnelle au nombre de masse A - le nombre total de protons et de neutrons dans le noyau. La masse d'un électron (0,91 10 -27 g) est bien inférieure (environ 1840 fois) à la masse d'un proton ou d'un neutron (1,67 × 10 -24 g), de sorte que la masse d'un atome est principalement déterminée par la masse de son noyau.

Les atomes d'un élément donné peuvent différer par la masse du noyau (le nombre de protons Z est constant, le nombre de neutrons A-Z peut varier) ; ces variétés d'atomes d'un même élément sont appelées isotopes. La différence de masse du noyau n'a pratiquement aucun effet sur la structure des couches électroniques d'un atome donné, qui dépend de Z, et sur les propriétés de l'atome. Les plus grandes différences de propriétés (effets isotopiques) sont obtenues pour les isotopes de l'hydrogène (Z = 1) en raison de grande différence dans les masses d'un atome d'hydrogène léger ordinaire (A = 1), de deutérium (A = 2) et de tritium (A = 3).

La masse d'un atome varie de 1,67 × 10 -24 g (pour l'isotope principal un atome d'hydrogène, Z = 1, A = 1) à environ 4 × 10 -22 g (pour les atomes d'éléments transuraniens). Plus valeurs exactes les masses d'atomes peuvent être déterminées par des méthodes de spectroscopie de masse. La masse d'un atome n'est pas exactement égale à la somme de la masse du noyau et des masses d'électrons, mais un peu moins - au défaut de masse ΔM = W / c 2, où W est l'énergie de formation d'un atome à partir de le noyau et les électrons (énergie de liaison), c est la vitesse de la lumière. Cette correction est de l'ordre de la masse électronique m e pour les atomes lourds, et pour les atomes légers elle est négligeable (de l'ordre de 10 -4 m e).

L'énergie de l'atome et sa quantification. En raison de sa petite taille et de sa grande masse, le noyau atomique peut être approximativement considéré comme un point et reposant au centre de masse de l'atome (le centre de masse commun du noyau et des électrons est situé près du noyau, et la vitesse de le noyau par rapport au centre de masse de l'atome est petit devant les vitesses des électrons). Ainsi, un atome peut être considéré comme un système dans lequel N électrons de charges -e se déplacent autour d'un centre attractif immobile. Le mouvement des électrons dans un atome se produit dans un volume limité, c'est-à-dire qu'il est lié. L'énergie interne totale d'un atome E est égale à la somme des énergies cinétiques T de tous les électrons et de l'énergie potentielle U - l'énergie d'attraction par leur noyau et de répulsion les uns des autres.

Selon la théorie de l'atome, proposée en 1913 par Niels Bohr, dans un atome d'hydrogène un électron de charge -e se déplace autour d'un centre fixe de charge +e. Conformément à la mécanique classique, l'énergie cinétique d'un tel électron est égale à

où v est la vitesse, p = m e v est la quantité de mouvement (momentum) de l'électron. L'énergie potentielle (ramenée à l'énergie de l'attraction coulombienne d'un électron par le noyau) est égale à

et ne dépend que de la distance r de l'électron au noyau. Graphiquement, la fonction U(r) est représentée par une courbe qui diminue indéfiniment lorsque r diminue, c'est-à-dire lorsque l'électron se rapproche du noyau. La valeur de U(r) en r→∞ est prise nulle. À valeurs négativesénergie totale E = T + U< 0 движение электрона является связанным: оно ограничено в пространстве значениями r=r мaкc . При положительных значениях полной энергии Е = Т + U >0 le mouvement d'un électron est libre - il peut aller à l'infini avec l'énergie E = T = (1/2)m e v 2 , ce qui correspond à un atome d'hydrogène ionisé H + . Ainsi, un atome d'hydrogène neutre est un système de noyaux liés électrostatiquement et un électron d'énergie E< 0.

Compléter énergie interne atome E - sa caractéristique principale en tant que système quantique (voir Mécanique quantique). Un atome ne peut rester longtemps que dans des états avec une certaine énergie - états stationnaires (invariants dans le temps). L'énergie interne d'un système quantique constitué de microparticules liées (y compris un atome) peut prendre l'une des séries discrètes (discontinues) de valeurs

Chacune de ces valeurs d'énergie "admissibles" correspond à un ou plusieurs états quantiques stationnaires. Le système ne peut pas avoir des valeurs d'énergie intermédiaires (par exemple, comprises entre E 1 et E 2, E 2 et E 3, etc.), un tel système est dit quantifié. Tout changement de E est associé à une transition quantique (ressemblant à un saut) du système d'un état quantique stationnaire à un autre (voir ci-dessous).

Les valeurs discrètes possibles (3) de l'énergie d'un atome peuvent être représentées graphiquement par analogie avec l'énergie potentielle d'un corps élevé à différentes hauteurs (à différents niveaux), sous la forme d'un diagramme de niveaux d'énergie, où chaque énergie correspond à une droite tracée à une hauteur de E i , i= 1 , 2, 3, ... (Fig. 1). Le niveau le plus bas E 1 , correspondant à l'énergie la plus basse possible de l'atome, est appelé niveau fondamental, et tous les autres (E i > E 1), i = 2, 3, 4, ...) sont appelés excités, car pour y aller (passage aux états excités stationnaires correspondants depuis le sol) il faut exciter le système - pour l'informer de l'extérieur de l'énergie E i -E 1 .

La quantification de l'énergie d'un atome est une conséquence des propriétés ondulatoires des électrons. Selon le principe du dualisme des ondes corpusculaires, le mouvement d'une microparticule de masse m avec une vitesse v correspond à une longueur d'onde λ = h/mv, où h est la constante de Planck. Pour un électron dans un atome, λ est de l'ordre de 10 -8 cm, c'est-à-dire de l'ordre des dimensions linéaires de l'atome, et la prise en compte des propriétés ondulatoires d'un électron dans un atome est nécessaire. Mouvement associé d'un électron dans un atome est similaire à une onde stationnaire et ne doit pas être considérée comme un mouvement point matériel le long de la trajectoire, mais quelle complexité processus ondulatoire. Pour une onde stationnaire dans un volume limité, seules certaines valeurs de la longueur d'onde λ (et, par conséquent, de la fréquence d'oscillation v) sont possibles. Selon la mécanique quantique, l'énergie d'un atome E est liée à v par la relation E = hν et ne peut donc prendre que certaines valeurs. Le mouvement de translation libre d'une microparticule, non limité dans l'espace, par exemple le mouvement d'un électron détaché d'un atome (d'énergie E > 0), s'apparente à la propagation d'une onde progressive dans un volume illimité, pour laquelle tout des valeurs de λ (et v) sont possibles. L'énergie d'une telle microparticule libre peut prendre n'importe quelle valeur (elle n'est pas quantifiée, elle a un spectre d'énergie continu). Une telle séquence continue correspond à un atome ionisé. La valeur de E ∞ = 0 correspond à la frontière d'ionisation ; la différence E ∞ -E 1 \u003d E ion est appelée énergie d'ionisation (voir l'article Potentiel d'ionisation); pour un atome d'hydrogène, elle est égale à 13,6 eV.

Distribution de la densité électronique. La position exacte d'un électron dans un atome ce moment le temps ne peut être établi en raison des incertitudes du rapport. L'état d'un électron dans un atome est déterminé par sa fonction d'onde, qui d'une certaine manière dépend de ses coordonnées ; le carré du module de la fonction d'onde caractérise la densité de probabilité de trouver un électron en un point donné de l'espace. La fonction d'onde est explicitement une solution de l'équation de Schrödinger.

Ainsi, l'état d'un électron dans un atome peut être caractérisé par la distribution de sa charge électrique dans l'espace avec une certaine densité - la distribution de la densité électronique. Les électrons sont, pour ainsi dire, "étalés" dans l'espace et forment un "nuage d'électrons". Un tel modèle caractérise les électrons dans un atome plus correctement que le modèle d'un électron ponctuel se déplaçant le long d'orbites strictement définies (dans la théorie de l'atome de Bohr). En même temps, chacune de ces orbites de Bohr peut être associée à une distribution de densité électronique spécifique. Pour le niveau d'énergie fondamentale E 1, la densité électronique est concentrée près du noyau ; pour les niveaux d'énergie excités E 2 , E 3 , E 4 ... elle se répartit à des distances moyennes de plus en plus grandes du noyau. Dans un atome multi-électron, les électrons sont regroupés en coquilles qui entourent le noyau à différentes distances et sont caractérisés par certaines distributions de densité électronique. La force de liaison des électrons avec le noyau dans les coques externes est inférieure à celle des coques internes, et les électrons sont liés le plus faiblement dans la coque la plus externe, qui a les plus grandes dimensions.

Prise en compte du spin électronique et du spin nucléaire. Dans la théorie de l'atome, il est très important de prendre en compte le spin de l'électron - son propre moment (de spin) d'impulsion, d'un point de vue visuel correspondant à la rotation de l'électron autour de son propre axe (si le l'électron est considéré comme une petite particule). Cent propres moments magnétiques (de spin) sont associés au spin d'un électron. Ainsi, dans un atome, il est nécessaire de prendre en compte, outre les interactions électrostatiques, les interactions magnétiques déterminées par le moment magnétique de spin et le moment magnétique orbital associés au mouvement d'un électron autour du noyau ; les interactions magnétiques sont faibles par rapport aux interactions électrostatiques. L'influence du spin dans les atomes multiélectrons est la plus importante : le remplissage des couches d'électrons de l'atome avec un certain nombre d'électrons dépend du spin des électrons.

Le noyau d'un atome peut également avoir son propre moment mécanique - le spin nucléaire, qui est associé à un moment magnétique nucléaire des centaines et des milliers de fois plus petit que le moment électronique. L'existence de spins conduit à de très petites interactions supplémentaires entre le noyau et les électrons (voir ci-dessous).

États quantiques de l'atome d'hydrogène. Le rôle le plus important dans la théorie quantique de l'atome est joué par la théorie de l'atome à un électron le plus simple, consistant en un noyau avec une charge +Ze et un électron avec une charge -e, c'est-à-dire la théorie de l'hydrogène l'atome H et les ions de type hydrogène He+, Li 2+, Be 3+, ..., communément appelée théorie de l'atome d'hydrogène. Méthodes mécanique quantique vous pouvez être précis et descriptif completétats d'un électron dans un atome à un électron. Le problème d'un atome à plusieurs électrons n'est résolu qu'approximativement; dans ce cas, ils procèdent des résultats de la résolution du problème d'un atome à un électron.

L'énergie d'un atome à un électron dans l'approximation non relativiste (sans tenir compte du spin de l'électron) est égale à

l'entier n = 1, 2, 3, ... détermine les valeurs d'énergie discrètes possibles - niveaux d'énergie - et est appelé le nombre quantique principal, R est la constante de Rydberg, égale à 13,6 eV. Les niveaux d'énergie de l'atome convergent (se condensent) vers la frontière d'ionisation Å ∞ = 0 correspondant à n =∞. Pour les ions de type hydrogène, seule l'échelle des valeurs d'énergie change (d'un facteur Z2). L'énergie d'ionisation d'un atome de type hydrogène (énergie de liaison des électrons) est (en eV)

ce qui donne pour H, He+, Li 2+, ... les valeurs 13,6 eV, 54,4 eV, 122,4 eV, ... .

La formule de base (4) correspond à l'expression U(r) = -Ze 2 /r pour l'énergie potentielle d'un électron dans champ électrique noyaux de charge +Ze. Cette formule a été dérivée pour la première fois par N. Bohr en considérant le mouvement d'un électron autour du noyau dans une orbite circulaire de rayon r et est la solution exacte de l'équation de Schrödinger pour un tel système. Les niveaux d'énergie (4) correspondent à des orbites de rayon

où la constante a 0 \u003d 0,529 10 -8 cm \u003d \u003d 0,529 A est le rayon de la première orbite circulaire de l'atome d'hydrogène correspondant à son niveau au sol (ce rayon de Bohr est souvent utilisé comme unité pratique pour mesurer des longueurs dans physique atomique). Le rayon des orbites est proportionnel au carré du nombre quantique principal n 2 et inversement proportionnel à Z ; pour les ions de type hydrogène, l'échelle des dimensions linéaires diminue d'un facteur Z par rapport à l'atome d'hydrogène. La description relativiste de l'atome d'hydrogène, compte tenu du spin de l'électron, est donnée par l'équation de Dirac.

Selon la mécanique quantique, l'état de l'atome d'hydrogène est entièrement déterminé par les valeurs discrètes de quatre grandeurs physiques : l'énergie E ; moment orbital M l (moment d'impulsion d'un électron par rapport au noyau); projections M lz de la quantité de mouvement orbitale sur une direction z arbitrairement choisie ; projections M sz de l'impulsion de spin (impulsion intrinsèque de l'impulsion de l'électron M s). Les valeurs possibles de ces grandeurs physiques, à leur tour, sont déterminées par les nombres quantiques n, l, m l , m s, respectivement. Dans l'approximation lorsque l'énergie d'un atome d'hydrogène est décrite par la formule (4), elle n'est déterminée que par le nombre quantique principal n, qui prend des valeurs entières 1, 2, 3, ... . Un niveau d'énergie avec un n donné correspond à plusieurs états qui diffèrent par les valeurs du nombre quantique orbital (azimutal) l = 0, 1, ..., n-1. Les états avec des valeurs données de n et l sont généralement désignés par 1s, 2s, 2p, 3s, ..., où les nombres indiquent la valeur de n, et les lettres s, p, d, f (ci-après en latin alphabet) - respectivement, les valeurs l \u003d 0, 1, 2, 3. Pour n et l donnés, le nombre d'états différents est égal à 2(2l + 1) - le nombre de combinaisons de valeurs de le nombre quantique orbital magnétique ml du nombre de spin magnétique ms (le premier prend 2l + 1 valeurs, le second - 2 valeurs). Le nombre total d'états différents avec n et l donnés est 2n 2 . Ainsi, chaque niveau d'énergie d'un atome d'hydrogène correspond à 2,8, 18,…2n 2 (à n= 1, 2, 3, ...) différents états quantiques stationnaires. Si un seul état quantique correspond à un niveau d'énergie, alors il est appelé non dégénéré, si deux ou plus - dégénéré (voir Dégénérescence en théorie quantique), et le nombre de ces états g est appelé degré ou multiplicité de dégénérescence (pour niveaux d'énergie non dégénérés g = 1). Les niveaux d'énergie de l'atome d'hydrogène sont dégénérés et leur degré de dégénérescence est g n = 2n 2 .

Pour différents états de l'atome d'hydrogène, une distribution différente de la densité électronique est également obtenue. Elle dépend des nombres quantiques n, l et En même temps, la densité électronique pour les états s (l=0) est différente de zéro au centre, c'est-à-dire à l'emplacement du noyau, et ne dépend pas de la direction (symétrie sphérique), et pour les états de repos (l>0) il est égal à zéro au centre et dépend de la direction. La distribution de la densité électronique pour les états de l'atome d'hydrogène avec n = 1, 2, 3 est représentée sur la figure 2 ; les dimensions du "nuage d'électrons" croissent conformément à la formule (6) proportionnellement à n2 (l'échelle de la figure 2 diminue lorsqu'on passe de n = 1 à n = 2 et de n = 2 à n = 3). Les états quantiques d'un électron dans les ions de type hydrogène sont caractérisés par les quatre mêmes nombres quantiques n, l, m l et m s que dans l'atome d'hydrogène. La distribution de la densité électronique est également conservée, seulement elle augmente d'un facteur Z.

Action sur l'atome des champs extérieurs. atome comme système électrique dans les champs électriques et magnétiques externes acquiert de l'énergie supplémentaire. Le champ électrique polarise l'atome - il déplace les nuages d'électrons par rapport au noyau (voir Polarisabilité des atomes, des ions et des molécules), et le champ magnétique oriente d'une certaine manière le moment magnétique de l'atome, associé au mouvement d'un électron autour le noyau (d'impulsion orbitale M l) et son spin. Différents états d'un atome d'hydrogène de même énergie E n dans un champ extérieur correspondent à différentes significations l'énergie supplémentaire ΔЕ, et le niveau d'énergie dégénéré E n est divisé en un certain nombre de sous-niveaux. La division des niveaux d'énergie dans un champ électrique - l'effet Stark - et leur division dans un champ magnétique - l'effet Zeeman - sont proportionnelles aux intensités des champs correspondants.

De petites interactions magnétiques à l'intérieur de l'atome conduisent également à la division des niveaux d'énergie. Pour l'atome d'hydrogène et les ions de type hydrogène, il existe une interaction spin-orbite - l'interaction du spin et des moments orbitaux de l'électron; il provoque la structure dite fine des niveaux d'énergie - le découpage des niveaux excités E n (pour n>1) en sous-niveaux. Pour tous les niveaux d'énergie de l'atome d'hydrogène, une structure hyperfine est également observée, due aux très petites interactions magnétiques du spin nucléaire avec les moments électroniques.

Coquilles électroniques d'atomes multiélectroniques. La théorie d'un atome contenant 2 électrons ou plus est fondamentalement différente de la théorie d'un atome d'hydrogène, car dans un tel atome, il y a des particules identiques interagissant les unes avec les autres - des électrons. La répulsion mutuelle des électrons dans un atome multiélectronique réduit considérablement la force de leur liaison avec le noyau. Par exemple, l'énergie de détachement d'un seul électron dans un ion hélium (He +) est de 54,4 eV, tandis que dans un atome d'hélium neutre, en raison de la répulsion des électrons, l'énergie de détachement de l'un d'eux diminue à 24,6 eV. Pour les électrons externes des atomes plus lourds, la diminution de leur force de liaison due à la répulsion par les électrons internes est encore plus importante. Un rôle important dans les atomes à plusieurs électrons est joué par les propriétés des électrons en tant que microparticules identiques (voir principe d'identité) avec spin s = 1/2, pour lesquelles le principe de Pauli est valable. Selon ce principe, dans un système d'électrons, il ne peut y avoir plus d'un électron dans chaque état quantique, ce qui conduit à la formation de couches d'électrons d'un atome, remplies strictement certains nombresélectrons.

Compte tenu de l'indiscernabilité des électrons en interaction, il est logique de ne parler que des états quantiques de l'atome dans son ensemble. Cependant, on peut approximativement considérer les états quantiques des électrons individuels et caractériser chacun d'eux par un ensemble de nombres quantiques n, l, m l et m s , de la même manière qu'un électron dans un atome d'hydrogène. Dans ce cas, l'énergie des électrons s'avère dépendre non seulement de n, comme dans l'atome d'hydrogène, mais aussi de l ; elle ne dépend toujours pas de m l et m s. Les électrons avec n et l donnés dans un atome multi-électron ont la même énergie et forment une certaine couche d'électrons. Ces électrons équivalents et les couches formées par eux sont désignés, ainsi que les états quantiques et les niveaux d'énergie avec n et l donnés, par les symboles ns, np, nd, nf, ... (pour 1 = 0, 1, 2, 3, ...) et ils parlent d'électrons 2p, de couches 3s, etc.

Selon le principe de Pauli, 2 électrons quelconques dans un atome doivent être dans des états quantiques différents et, par conséquent, différer dans au moins un des quatre nombres quantiques n, l, ml et ms, et pour des électrons équivalents (n et l sont les mêmes) - ml et ms . Le nombre de paires ml , ms , c'est-à-dire le nombre d'états quantiques différents d'un électron avec n et l donnés, est le degré de dégénérescence de son niveau d'énergie gl = 2 (2l+1) = 2, 6, 10, 14, ... . Il détermine le nombre d'électrons dans des couches d'électrons complètement remplies. Ainsi, les couches s-, p-, d-, f-, ... sont remplies de 2, 6, 10, 14, ... électrons, quelle que soit la valeur de n. Les électrons avec n donné forment une couche constituée de couches avec l = 0, 1, 2, ..., n - 1 et remplies de 2n 2 électrons, la couche dite K-, L-, M, N-. A l'achèvement complet, nous avons :

Dans chaque couche, les coquilles avec un l plus petit sont caractérisées par une densité électronique plus élevée. La force de la liaison entre l'électron et le noyau diminue avec une augmentation de n, et pour un n donné, avec une augmentation de l. Plus l'électron lié dans la couche correspondante est faible, plus son niveau d'énergie est élevé. Un noyau avec un Z donné attache des électrons par ordre décroissant de force de leur liaison : d'abord deux électrons 1s, puis deux électrons 2s, six électrons 2p, etc. Un atome de chaque élément chimique a une certaine distribution d'électrons sur les coquilles - son électronique configuration, par exemple :

(le nombre d'électrons dans une couche donnée est indiqué par l'index en haut à droite). La périodicité des propriétés des éléments est déterminée par la similitude des couches électroniques externes de l'atome. Par exemple, les atomes neutres P, As, Sb, Bi (Z = 15, 33, 51, 83) ont trois électrons p dans la couche électronique externe, comme l'atome N, et lui sont similaires en termes de propriétés chimiques et physiques. .

Chaque atome est caractérisé par une configuration électronique normale, obtenue lorsque tous les électrons de l'atome sont le plus fortement liés, et des configurations électroniques excitées, lorsqu'un ou plusieurs électrons sont plus faiblement liés - sont à des niveaux d'énergie plus élevés. Par exemple, pour un atome d'hélium, en plus du 1s2 normal, des configurations électroniques excitées sont possibles : 1s2s, 1s2p, ... (un électron est excité), 2s 2, 2s2p, ... (les deux électrons sont excités). Une certaine configuration électronique correspond à un niveau d'énergie de l'atome dans son ensemble, si les couches d'électrons sont complètement remplies (par exemple, la configuration normale de l'atome est Ne 1s 2 2s 2 2р 6), et un certain nombre de niveaux d'énergie, s'il y a des coquilles partiellement remplies (par exemple, la configuration normale de l'atome d'azote est 1s 2 2s 2 2p 3 pour laquelle la coquille 2p est à moitié remplie). En présence de coquilles d et f partiellement remplies, le nombre de niveaux d'énergie correspondant à chaque configuration peut atteindre plusieurs centaines, de sorte que le schéma des niveaux d'énergie d'un atome à coquilles partiellement remplies est très complexe. Le niveau d'énergie de base d'un atome est le niveau le plus bas de la configuration électronique normale.

Transitions quantiques dans l'atome. Dans les transitions quantiques, un atome passe d'un état stationnaire à un autre - d'un niveau d'énergie à un autre. Lors du passage d'un niveau d'énergie supérieur E i à un niveau inférieur Е à l'atome dégage de l'énergie E i - E k , lors de la transition inverse il en reçoit. Comme pour tout système quantique, les transitions quantiques pour un atome peuvent être de deux types : avec rayonnement (transitions optiques) et sans rayonnement (transitions radiatives ou non optiques). La caractéristique la plus importante d'une transition quantique est sa probabilité, qui détermine la fréquence à laquelle cette transition peut se produire.

Lors des transitions quantiques avec rayonnement, un atome absorbe (transition E vers → E i) ou émet (transition E i → E vers) un rayonnement électromagnétique. L'énergie électromagnétique est absorbée et émise par un atome sous la forme d'un quantum de lumière - un photon - caractérisé par une certaine fréquence d'oscillation v, selon la relation :

où hv est l'énergie du photon. La relation (7) est la loi de conservation de l'énergie pour les processus microscopiques associés au rayonnement.

Un atome à l'état fondamental ne peut qu'absorber des photons, tandis que dans des états excités, il peut à la fois les absorber et les émettre. Un atome libre dans l'état fondamental peut exister indéfiniment. La durée de séjour d'un atome dans un état excité (la durée de vie de cet état) est limitée, l'atome perd spontanément (spontanément), partiellement ou complètement l'énergie d'excitation, émettant un photon et passant à un niveau d'énergie inférieur ; Parallèlement à cette émission spontanée, une émission stimulée est également possible, qui se produit, comme l'absorption, sous l'action de photons de même fréquence. La durée de vie d'un atome excité est d'autant plus courte que la probabilité de transition spontanée est grande, pour un atome d'hydrogène elle est de l'ordre de 10 -8 s.

L'ensemble des fréquences v des transitions possibles avec le rayonnement détermine le spectre atomique de l'atome correspondant : l'ensemble des fréquences des transitions des niveaux inférieurs vers les niveaux supérieurs est son spectre d'absorption, l'ensemble des fréquences des transitions des niveaux supérieurs vers les niveaux inférieurs est le spectre d'émission . Chacune de ces transitions dans le spectre atomique correspond à une certaine raie spectrale de fréquence v.

Dans les transitions quantiques non radiatives, un atome reçoit ou dégage de l'énergie lorsqu'il interagit avec d'autres particules avec lesquelles il entre en collision dans un gaz ou est lié à long terme dans une molécule, un liquide ou corps solide. Dans un gaz, un atome peut être considéré comme libre dans les intervalles de temps entre collisions ; lors d'une collision (impact), un atome peut passer à un niveau inférieur ou haut niveauénergie. Une telle collision est dite inélastique (par opposition à une collision élastique, dans laquelle seule l'énergie cinétique du mouvement de translation de l'atome change, tandis que son énergie interne reste inchangée). Un cas particulier important est la collision d'un atome libre avec un électron ; généralement un électron se déplace plus vite qu'un atome, le temps de collision est très court et on peut parler d'impact électronique. L'excitation d'un atome par impact électronique est l'une des méthodes permettant de déterminer ses niveaux d'énergie.

Chimique et propriétés physiques atome. La plupart des propriétés d'un atome sont déterminées par la structure et les caractéristiques de ses couches électroniques externes, dans lesquelles les électrons sont relativement faiblement liés au noyau (énergies de liaison de plusieurs eV à plusieurs dizaines d'eV). Structure coques intérieures atome, dont les électrons sont beaucoup plus fortement liés (énergies de liaison de centaines, de milliers et de dizaines de milliers d'eV), ne se manifeste que dans les interactions de l'atome avec des particules rapides et des photons de hautes énergies (plus de centaines d'eV) . De telles interactions déterminent les spectres de rayons X de l'atome et la diffusion des particules rapides (voir Diffraction des particules). La masse d'un atome détermine ses propriétés mécaniques lors du mouvement de l'atome dans son ensemble - la quantité de mouvement, l'énergie cinétique. Diverses propriétés résonnantes et autres propriétés physiques de l'atome dépendent des moments mécaniques et magnétiques et électriques associés de l'atome (voir Résonance paramagnétique électronique , Résonance magnétique nucléaire , Résonance quadripolaire nucléaire ).

Les électrons des enveloppes extérieures de l'atome sont facilement exposés aux influences extérieures. Lorsque les atomes se rapprochent, de fortes interactions électrostatiques se produisent, ce qui peut conduire à la formation d'une liaison chimique. Les interactions électrostatiques plus faibles de deux atomes se manifestent dans leur polarisation mutuelle - le déplacement des électrons par rapport aux noyaux, qui est le plus fort pour les électrons externes faiblement liés. Des forces d'attraction de polarisation apparaissent entre les atomes, qui doivent déjà être prises en compte à de grandes distances entre eux. La polarisation de l'atome se produit également dans des champs électriques externes ; en conséquence, les niveaux d'énergie de l'atome sont décalés et, ce qui est particulièrement important, les niveaux d'énergie dégénérés sont divisés (l'effet Stark). La polarisation d'un atome peut se produire sous l'influence de champ électrique onde lumineuse (électromagnétique); elle dépend de la fréquence de la lumière, qui en détermine la dépendance et de l'indice de réfraction (voir Dispersion de la lumière), associé à la polarisabilité de l'atome. Fermer la connexion caractéristiques optiques un atome avec ses propriétés électriques se manifeste particulièrement clairement dans ses spectres optiques.

Les propriétés magnétiques des atomes sont principalement déterminées par la structure de leurs couches électroniques. Le moment magnétique d'un atome dépend de son moment mécanique (voir Rapport magnéto-mécanique), dans un atome avec des couches d'électrons complètement remplies, il zéro, ainsi que le moment mécanique. Les atomes avec des couches d'électrons externes partiellement remplies ont, en règle générale, des moments magnétiques non nuls et sont paramagnétiques. Dans un champ magnétique externe, tous les niveaux d'atomes, dans lesquels le moment magnétique n'est pas égal à zéro, se divisent - l'effet Zeeman se produit. Tous les atomes ont un diamagnétisme, qui est dû à l'apparition d'un moment magnétique en eux sous l'influence d'un champ magnétique(le moment magnétique dit induit, analogue au moment dipolaire électrique de l'atome).

Avec l'ionisation successive d'un atome, c'est-à-dire avec la séparation de ses électrons, en commençant par les plus externes par ordre croissant de force de leur liaison, toutes les propriétés de l'atome déterminées par son enveloppe externe changent en conséquence. Des électrons de plus en plus solidement liés deviennent externes ; de ce fait, la capacité d'un atome à se polariser dans un champ électrique est fortement réduite, les distances entre niveaux d'énergie et les fréquences de transitions optiques entre ces niveaux augmentent (ce qui entraîne un décalage des spectres vers des longueurs d'onde toujours plus courtes). Un certain nombre de propriétés présentent une périodicité: les propriétés des ions avec des électrons externes similaires s'avèrent similaires; par exemple, N 3+ (deux électrons 2s) présentent une similitude avec N 5+ (deux électrons 1s). Cela s'applique aux caractéristiques et à l'arrangement relatif des niveaux d'énergie et aux spectres optiques, aux moments magnétiques de l'atome, etc. Le changement de propriétés le plus spectaculaire se produit lorsque le dernier électron est retiré de coque extérieure, lorsqu'il ne reste que des coques complètement remplies, par exemple lors du passage de N 4+ à N 5+ (configurations électroniques 1s 2 2s et 1s 2). Dans ce cas, l'ion est le plus stable et ses moments mécaniques et magnétiques totaux sont égaux à zéro.

Propriétés d'un atome dans état lié(par exemple, une partie d'une molécule) diffèrent des propriétés d'un atome libre. Les propriétés de l'atome subissent les plus grands changements, déterminés par les électrons les plus externes qui participent à l'addition d'un atome donné à un autre. Dans le même temps, les propriétés déterminées par les électrons des coques internes peuvent rester pratiquement inchangées, comme c'est le cas pour les spectres de rayons X. Certaines propriétés d'un atome peuvent subir des changements relativement faibles, à partir desquels des informations peuvent être obtenues sur la nature des interactions des atomes liés. Un exemple important est la séparation des niveaux d'énergie atomique dans les cristaux et les composés complexes, qui se produit sous l'action des champs électriques créés par les ions environnants.

Les méthodes expérimentales pour étudier la structure d'un atome, ses niveaux d'énergie, ses interactions avec d'autres atomes, particules élémentaires, molécules, champs extérieurs, etc. sont variées, mais l'information principale est contenue dans ses spectres. Les méthodes de spectroscopie atomique dans toutes les gammes de longueurs d'onde, et en particulier les méthodes de spectroscopie laser moderne, permettent d'étudier des effets de plus en plus subtils associés à l'atome. Dès le début du 19ème siècle, l'existence de l'atome était évidente pour les scientifiques, mais une expérience pour prouver la réalité de son existence a été mise en place par J. Perrin au début du 20ème siècle. Avec le développement de la microscopie, il est devenu possible d'obtenir des images d'atomes à la surface des solides. L'atome a été vu pour la première fois par E. Muller (États-Unis, 1955) à l'aide du microscope ionique de champ qu'il a inventé. Les microscopes modernes à force atomique et à effet tunnel permettent d'obtenir des images de la surface des solides avec une bonne résolution à niveau atomique(voir schéma 3).

Riz. 3. Image de la structure atomique de la surface du silicium, obtenue par M. Kapstell, professeur à l'Université d'Oxford, à l'aide d'un microscope à effet tunnel.

Des atomes dits exotiques existent et sont largement utilisés dans diverses études, par exemple les atomes muoniques, c'est à dire des atomes dans lesquels tout ou partie des électrons sont remplacés par des muons négatifs, muonium, positronium, ainsi que des atomes hadroniques, constitués de pions chargés , kaons, protons, deutérons, etc. Les premières observations de l'atome d'antihydrogène ont également été faites (2002) - un atome composé d'un positron et d'un antiproton.

Lit.: Né M. Physique atomique. 3e éd. M., 1970 ; Fano U., Fano L. Physique des atomes et des molécules. M., 1980; Shpolsky E.V. Physique atomique. 7e éd. M., 1984. T. 1-2 ; Elyashevich MA Spectroscopie atomique et moléculaire. 2e éd. M., 2000.

La composition de l'atome.

Un atome est composé de noyau atomique Et coquille d'électrons.

Le noyau d'un atome est constitué de protons ( p+) et neutrons ( n 0). La plupart des atomes d'hydrogène ont un seul noyau de proton.

Nombre de protons N(p+) est égal à la charge nucléaire ( Z) et le nombre ordinal de l'élément dans la série naturelle des éléments (et dans le système périodique des éléments).

N(p +) = Z

La somme du nombre de neutrons N(n 0), désigné simplement par la lettre N, et le nombre de protons Z appelé nombre de masse et est marqué de la lettre MAIS.

UNE = Z + N

La couche d'électrons d'un atome est constituée d'électrons se déplaçant autour du noyau ( e -).

Nombre d'électrons N(e-) dans la couche électronique d'un atome neutre est égal au nombre de protons Z en son coeur.

La masse d'un proton est approximativement égale à la masse d'un neutron et 1840 fois la masse d'un électron, donc la masse d'un atome est pratiquement égale à la masse du noyau.

La forme d'un atome est sphérique. Le rayon du noyau est environ 100 000 fois plus petit que le rayon de l'atome.

Élément chimique- type d'atomes (ensemble d'atomes) de même charge nucléaire (avec le même nombre de protons dans le noyau).

Isotope- un ensemble d'atomes d'un élément avec le même nombre de neutrons dans le noyau (ou un type d'atomes avec le même nombre de protons et le même nombre de neutrons dans le noyau).

Différents isotopes diffèrent les uns des autres par le nombre de neutrons dans le noyau de leurs atomes.

Désignation d'un seul atome ou isotope : (symbole de l'élément E), par exemple : .

La structure de la couche électronique de l'atome

orbitale atomique est l'état d'un électron dans un atome. Symbole orbital - . Chaque orbitale correspond à un nuage d'électrons.

Les orbitales des atomes réels à l'état fondamental (non excité) sont de quatre types : s, p, ré Et F.

nuage électronique- la partie de l'espace dans laquelle un électron peut être trouvé avec une probabilité de 90 (ou plus) pour cent.

Noter: parfois les concepts d'"orbite atomique" et de "nuage d'électrons" ne sont pas distingués, les appelant tous les deux "orbite atomique".

La couche électronique d'un atome est en couches. Couche électronique formé par des nuages d'électrons de même taille. Orbitales d'une forme de couche niveau électronique ("énergie"), leurs énergies sont les mêmes pour l'atome d'hydrogène, mais différentes pour les autres atomes.

Les orbitales de même niveau sont regroupées en électronique (énergie) sous-niveaux :
s- sous-niveau (composé d'un s-orbitales), symbole - .
p sous-niveau (composé de trois p
ré sous-niveau (composé de cinq ré-orbitales), symbole - .
F sous-niveau (se compose de sept F-orbitales), symbole - .

Les énergies des orbitales d'un même sous-niveau sont les mêmes.

Lors de la désignation des sous-niveaux, le numéro de la couche (niveau électronique) est ajouté au symbole du sous-niveau, par exemple : 2 s, 3p, 5ré moyens s- sous-niveau du deuxième niveau, p- sous-niveau du troisième niveau, ré- sous-niveau du cinquième niveau.

Le nombre total de sous-niveaux dans un niveau est égal au nombre de niveaux n. Le nombre total d'orbitales dans un niveau est n 2. En conséquence, le nombre total de nuages dans une couche est également n 2 .

Désignations : - orbitale libre (sans électrons), - orbitale avec un électron non apparié, - orbitale avec une paire d'électrons (avec deux électrons).

L'ordre dans lequel les électrons remplissent les orbitales d'un atome est déterminé par trois lois de la nature (les formulations sont données de manière simplifiée) :

1. Le principe de moindre énergie - les électrons remplissent les orbitales par ordre croissant d'énergie des orbitales.

2. Principe de Pauli - il ne peut y avoir plus de deux électrons dans une orbitale.

3. Règle de Hund - dans le sous-niveau, les électrons remplissent d'abord les orbitales libres (une à la fois), et seulement après cela, ils forment des paires d'électrons.

Le nombre total d'électrons dans le niveau électronique (ou dans la couche électronique) est de 2 n 2 .

La répartition des sous-niveaux par énergie s'exprime ensuite (par ordre croissant d'énergie) :

1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3ré, 4p, 5s, 4ré, 5p, 6s, 4F, 5ré, 6p, 7s, 5F, 6ré, 7p ...

Visuellement, cette séquence est exprimée par le diagramme énergétique :

La répartition des électrons d'un atome par niveaux, sous-niveaux et orbitales (configuration électronique d'un atome) peut être représentée sous la forme d'une formule électronique, d'un diagramme d'énergie, ou, plus simplement, sous la forme d'un diagramme de couches électroniques (" schéma électronique").

Exemples de structure électronique des atomes :

électrons de valence- les électrons d'un atome pouvant participer à la formation de liaisons chimiques. Pour tout atome, ce sont tous les électrons externes plus les électrons pré-externes dont l'énergie est supérieure à celle des électrons externes. Par exemple : l'atome de Ca a 4 électrons externes s 2, ils sont aussi de valence ; l'atome Fe a des électrons externes - 4 s 2 mais il en a 3 ré 6, donc l'atome de fer a 8 électrons de valence. Valence formule électronique atomes de calcium - 4 s 2, et atomes de fer - 4 s 2 3ré 6 .

Système périodique des éléments chimiques de D. I. Mendeleïev
(système naturel d'éléments chimiques)

Loi périodique des éléments chimiques(formulation moderne): les propriétés des éléments chimiques, ainsi que des substances simples et complexes formées par eux, dépendent périodiquement de la valeur de la charge des noyaux atomiques.

Système périodique- expression graphique de la loi périodique.

Gamme naturelle d'éléments chimiques- un nombre d'éléments chimiques, rangés selon l'augmentation du nombre de protons dans les noyaux de leurs atomes, ou, ce qui revient au même, selon l'augmentation des charges des noyaux de ces atomes. Le numéro de série d'un élément de cette série est égal au nombre de protons dans le noyau de tout atome de cet élément.

Le tableau des éléments chimiques est construit en "découpant" la série naturelle des éléments chimiques en périodes(lignes horizontales du tableau) et groupements (colonnes verticales du tableau) d'éléments ayant une structure électronique similaire d'atomes.

Selon la manière dont les éléments sont combinés en groupes, un tableau peut être longue période(les éléments avec le même nombre et le même type d'électrons de valence sont collectés en groupes) et court terme(les éléments avec le même nombre d'électrons de valence sont rassemblés en groupes).

Les groupes du tableau de courte période sont divisés en sous-groupes ( principale Et Effets secondaires), coïncidant avec les groupes du tableau de longue période.

Tous les atomes d'éléments de la même période le même numéro couches électroniques, égal au numéro de la période.

Le nombre d'éléments dans les périodes : 2, 8, 8, 18, 18, 32, 32. La plupart des éléments de la huitième période ont été obtenus artificiellement, les derniers éléments de cette période n'ont pas encore été synthétisés. Toutes les périodes sauf la première commencent par un élément formant un métal alcalin (Li, Na, K, etc.) et se terminent par un élément formant un gaz rare (He, Ne, Ar, Kr, etc.).

Dans le tableau à courte période - huit groupes, chacun étant divisé en deux sous-groupes (principal et secondaire), dans le tableau à longue période - seize groupes, qui sont numérotés en chiffres romains avec les lettres A ou B, par exemple : IA, IIIB, VIA, VIIB. Le groupe IA du tableau longue période correspond au sous-groupe principal du premier groupe du tableau courte période ; groupe VIIB - sous-groupe secondaire du septième groupe : le reste - de la même manière.

Les caractéristiques des éléments chimiques changent naturellement en groupes et en périodes.

Par périodes (avec numéro de série croissant)

la charge nucléaire augmente
le nombre d'électrons externes augmente,
le rayon des atomes diminue,
la force de liaison des électrons avec le noyau augmente (énergie d'ionisation),
l'électronégativité augmente.
intensifier propriétés oxydantes substances simples ("non-métallicité"),
les propriétés réductrices des substances simples (« métallicité ») s'affaiblissent,
affaiblit le caractère basique des hydroxydes et des oxydes correspondants,
le caractère acide des hydroxydes et des oxydes correspondants augmente.

En groupe (avec numéro de série croissant)

la charge nucléaire augmente
le rayon des atomes augmente (uniquement dans les groupes A),
la force de la liaison entre les électrons et le noyau diminue (énergie d'ionisation ; uniquement dans les groupes A),
l'électronégativité diminue (uniquement dans les groupes A),
affaiblir les propriétés oxydantes des substances simples ("non-métallicité" ; uniquement dans les groupes A),
les propriétés réductrices des substances simples sont renforcées (« métallicité » ; uniquement dans les groupes A),
le caractère basique des hydroxydes et des oxydes correspondants augmente (uniquement dans les groupes A),
la nature acide des hydroxydes et des oxydes correspondants s'affaiblit (uniquement dans les groupes A),
la stabilité diminue composés d'hydrogène(leur activité réductrice augmente ; uniquement dans les groupes A).

Tâches et tests sur le thème "Thème 9. "La structure de l'atome. Loi périodique et système périodique des éléments chimiques de D. I. Mendeleïev (PSCE)"."

Loi périodique - Loi périodique et structure des atomes Grade 8–9
Vous devez connaître: les lois de remplissage des orbitales avec des électrons (principe de moindre énergie, principe de Pauli, règle de Hund), la structure du système périodique des éléments.
Vous devez être capable de : déterminer la composition d'un atome par la position d'un élément dans le système périodique, et, inversement, trouver un élément dans le système périodique en connaissant sa composition ; représenter le schéma de structure, la configuration électronique d'un atome, d'un ion, et, inversement, déterminer la position d'un élément chimique dans le PSCE à partir du schéma et de la configuration électronique ; caractériser l'élément et les substances qu'il forme selon sa position dans le PSCE ; déterminer les changements dans le rayon des atomes, les propriétés des éléments chimiques et les substances qu'ils forment au cours d'une période et d'un sous-groupe principal du système périodique.
Exemple 1 Déterminez le nombre d'orbitales dans le troisième niveau électronique. Quelles sont ces orbitales ?
Pour déterminer le nombre d'orbitales, on utilise la formule N orbitales = n 2 , où n- numéro de niveau. N orbitales = 3 2 = 9. Un 3 s-, trois 3 p- et cinq 3 ré-orbitales.
Exemple 2 Déterminer l'atome dont l'élément a la formule électronique 1 s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 1 .
Afin de déterminer de quel élément il s'agit, vous devez connaître son numéro de série, qui est égal au nombre total d'électrons dans l'atome. Dans ce cas : 2 + 2 + 6 + 2 + 1 = 13. C'est de l'aluminium.
Après vous être assuré que tout ce dont vous avez besoin est appris, passez aux tâches. Nous vous souhaitons du succès.

Littérature recommandée :
- O. S. Gabrielyan et autres Chimie, 11e année. M., Outarde, 2002 ;
- G.E. Rudzitis, F.G. Feldman. Chimie 11 cellules. M., Éducation, 2001.

De l'Antiquité jusqu'au milieu du XVIIIe siècle, la science était dominée par l'idée que l'atome est une particule de matière indivisible. Le scientifique anglais, ainsi que le naturaliste D. Dalton, ont défini l'atome comme le plus petit composant d'un élément chimique. M. V. Lomonosov dans sa théorie atomique et moléculaire a pu définir l'atome et la molécule. Il était sûr que les molécules, qu'il appelait "corpuscules", sont constituées d'"éléments" - des atomes - et sont en mouvement constant.

D. I. Mendeleev croyait que cette sous-unité de substances qui composent le monde matériel ne conserve toutes ses propriétés que si elle n'est pas soumise à une séparation. Dans cet article, nous définirons l'atome comme un objet du micromonde et étudierons ses propriétés.

Prérequis pour la création d'une théorie de la structure de l'atome

Au 19ème siècle, la déclaration sur l'indivisibilité de l'atome était considérée comme généralement acceptée. La plupart des scientifiques pensaient que les particules d'un élément chimique ne pouvaient en aucun cas se transformer en atomes d'un autre élément. Ces idées ont servi de base à la définition de l'atome jusqu'en 1932. À la fin du 19ème siècle, des découvertes fondamentales ont été faites dans la science qui ont changé cette vision. Tout d'abord, en 1897, le physicien anglais J. J. Thomson découvre l'électron. Ce fait a radicalement changé les idées des scientifiques sur l'indivisibilité de la partie constitutive d'un élément chimique.

Comment prouver qu'un atome est complexe

Même avant, les scientifiques s'accordaient à l'unanimité sur le fait que les atomes n'avaient pas de charges. Ensuite, il a été constaté que les électrons sont facilement libérés de tout élément chimique. On les trouve dans les flammes, ce sont des porteurs courant électrique, ils sont émis par des substances pendant le rayonnement X.

Mais si les électrons font partie de tous les atomes sans exception et sont chargés négativement, alors il y a encore des particules dans l'atome qui ont nécessairement une charge positive, sinon les atomes ne seraient pas électriquement neutres. Pour aider à démêler la structure de l'atome, un phénomène physique tel que la radioactivité a aidé. Il a donné la définition correcte de l'atome en physique, puis en chimie.

Rayons invisibles

Le physicien français A. Becquerel a été le premier à décrire le phénomène d'émission par les atomes de certains éléments chimiques, des rayons visuellement invisibles. Ils ionisent l'air, traversent des substances, provoquent le noircissement des plaques photographiques. Plus tard, les époux Curie ont découvert que les substances radioactives sont converties en atomes d'autres éléments chimiques (par exemple, l'uranium en neptunium).

Les rayonnements radioactifs sont de composition hétérogène : particules alpha, particules bêta, rayons gamma. Ainsi, le phénomène de radioactivité a confirmé que les particules des éléments du tableau périodique ont structure complexe. Ce fait était la raison des changements apportés à la définition de l'atome. De quelles particules un atome est-il constitué, compte tenu des nouveaux faits scientifiques obtenus par Rutherford ? La réponse à cette question était le modèle nucléaire de l'atome proposé par le scientifique, selon lequel les électrons tournent autour d'un noyau chargé positivement.

Contradictions du modèle de Rutherford

La théorie du scientifique, malgré son caractère exceptionnel, ne pouvait objectivement définir l'atome. Ses conclusions allaient à l'encontre des lois fondamentales de la thermodynamique selon lesquelles tous les électrons tournant autour du noyau perdent leur énergie et, quoi qu'il en soit, doivent tôt ou tard y tomber. L'atome est détruit dans ce cas. Cela ne se produit pas réellement, car les éléments chimiques et les particules qui les composent existent dans la nature depuis très longtemps. Une telle définition de l'atome, basée sur la théorie de Rutherford, est inexplicable, de même que le phénomène qui se produit lorsque des substances simples chaudes traversent un réseau de diffraction. Après tout, les spectres atomiques résultants ont une forme linéaire. Ceci était en contradiction avec le modèle atomique de Rutherford, selon lequel les spectres auraient dû être continus. Selon les concepts de la mécanique quantique, les électrons du noyau ne sont actuellement pas caractérisés comme des objets ponctuels, mais comme ayant la forme d'un nuage d'électrons.

Sa plus grande densité se trouve dans un certain lieu de l'espace autour du noyau et est considérée comme l'emplacement de la particule à un moment donné dans le temps. Il a également été constaté que les électrons de l'atome sont disposés en couches. Le nombre de couches peut être déterminé en connaissant le numéro de la période dans laquelle l'élément est situé dans le système périodique de D. I. Mendeleev. Par exemple, un atome de phosphore contient 15 électrons et possède 3 niveaux d'énergie. L'indicateur qui détermine le nombre de niveaux d'énergie est appelé le nombre quantique principal.

Il a été établi expérimentalement que les électrons du niveau d'énergie le plus proche du noyau ont l'énergie la plus faible. Chaque enveloppe énergétique est divisée en sous-niveaux, et eux-mêmes en orbitales. Les électrons situés dans différentes orbitales ont une forme de nuage égale (s, p, d, f).

Sur la base de ce qui précède, il s'ensuit que la forme du nuage d'électrons ne peut pas être arbitraire. Il est strictement défini en fonction de l'orbitale.Ajoutons également que l'état d'un électron dans une macroparticule est déterminé par deux autres valeurs - les nombres quantiques magnétiques et de spin. La première est basée sur l'équation de Schrödinger et caractérise l'orientation spatiale du nuage d'électrons en fonction de la tridimensionnalité de notre monde. Le deuxième indicateur est le nombre de spin, il est utilisé pour déterminer la rotation d'un électron autour de son axe dans le sens des aiguilles d'une montre ou dans le sens inverse des aiguilles d'une montre.

Découverte du neutron

Grâce aux travaux de D. Chadwick, réalisés par lui en 1932, une nouvelle définition de l'atome fut donnée en chimie et en physique. Dans ses expériences, le scientifique a prouvé que lors de la scission du polonium, un rayonnement se produit, causé par des particules qui n'ont pas de charge, avec une masse de 1,008665. La nouvelle particule élémentaire a été nommée le neutron. Sa découverte et l'étude de ses propriétés ont permis aux scientifiques soviétiques V. Gapon et D. Ivanenko de créer une nouvelle théorie de la structure du noyau atomique contenant des protons et des neutrons.

Selon la nouvelle théorie, la définition d'un atome de matière était la suivante : c'est une unité structurale d'un élément chimique, constituée d'un noyau contenant des protons et des neutrons et des électrons se déplaçant autour de lui. Le nombre de particules positives dans le noyau est toujours égal au nombre ordinal de l'élément chimique dans le système périodique.

Plus tard, le professeur A. Zhdanov a confirmé dans ses expériences que sous l'influence d'un rayonnement cosmique dur noyaux atomiques divisé en protons et neutrons. De plus, il a été prouvé que les forces qui maintiennent ces particules élémentaires dans le noyau, extrêmement énergivore. Ils fonctionnent à très courte distance (de l'ordre de 10 -23 cm) et sont dits nucléaires. Comme mentionné précédemment, même M. V. Lomonosov a pu donner une définition d'un atome et d'une molécule basée sur des faits scientifiques connus de lui.

À l'heure actuelle, le modèle suivant est considéré comme généralement accepté: un atome se compose d'un noyau et d'électrons se déplaçant autour de lui le long de trajectoires strictement définies - les orbitales. Les électrons présentent simultanément les propriétés des particules et des ondes, c'est-à-dire qu'ils ont une double nature. La quasi-totalité de sa masse est concentrée dans le noyau d'un atome. Il est constitué de protons et de neutrons liés par des forces nucléaires.

Est-il possible de peser un atome

Il s'avère que chaque atome a une masse. Par exemple, pour l'hydrogène, elle est de 1,67x10 -24 g. Il est même difficile d'imaginer à quel point cette valeur est petite. Pour trouver le poids d'un tel objet, ils n'utilisent pas de balance, mais un oscillateur, qui est un nanotube de carbone. Pour calculer le poids d'un atome et d'une molécule, une valeur plus pratique est la masse relative. Il montre combien de fois le poids d'une molécule ou d'un atome est supérieur à 1/12 d'un atome de carbone, soit 1,66x10 -27 kg. Les masses atomiques relatives sont données dans le système périodique des éléments chimiques et elles n'ont pas de dimensions.

Les scientifiques savent bien que masse atomique l'élément chimique est la valeur moyenne nombres de masse tous ses isotopes. Il s'avère que dans la nature, les unités d'un élément chimique peuvent avoir des masses différentes. Dans ce cas, les charges des noyaux de telles particules structurelles sont les mêmes.

Les scientifiques ont découvert que les isotopes diffèrent par le nombre de neutrons dans le noyau et que la charge de leurs noyaux est la même. Par exemple, un atome de chlore avec une masse de 35 contient 18 neutrons et 17 protons, et avec une masse de 37 - 20 neutrons et 17 protons. De nombreux éléments chimiques sont des mélanges d'isotopes. Par exemple, des substances simples telles que le potassium, l'argon, l'oxygène contiennent dans leur composition des atomes représentant 3 isotopes différents.

Définition de l'atomicité

Il a plusieurs interprétations. Considérez ce que l'on entend par ce terme en chimie. Si les atomes d'un élément chimique sont capables d'exister au moins pendant une courte période séparément, sans s'efforcer de former une particule plus complexe - une molécule, alors ils disent que ces substances ont une structure atomique. Par exemple, une réaction de chloration du méthane en plusieurs étapes. Il est largement utilisé en chimie de synthèse organique pour obtenir les dérivés halogénés les plus importants : dichlorométhane, tétrachlorure de carbone. Il divise les molécules de chlore en atomes hautement réactifs. Ils rompent les liaisons sigma dans la molécule de méthane, fournissant réaction en chaîne substitution.

Un autre exemple de procédé chimique qui a grande importance dans l'industrie, l'utilisation du peroxyde d'hydrogène comme désinfectant et agent de blanchiment. La détermination de l'oxygène atomique, en tant que produit de la dégradation du peroxyde d'hydrogène, se produit à la fois dans les cellules vivantes (sous l'action de l'enzyme catalase) et dans des conditions de laboratoire. qualitativement déterminé par ses propriétés antioxydantes élevées, ainsi que par sa capacité à détruire les agents pathogènes: bactéries, champignons et leurs spores.

Comment est la coquille atomique

Nous avons déjà découvert précédemment que l'unité structurelle d'un élément chimique a une structure complexe. Les électrons tournent autour d'un noyau chargé positivement. Le lauréat du prix Nobel Niels Bohr, basé sur la théorie quantique de la lumière, a créé sa doctrine, dans laquelle les caractéristiques et la définition d'un atome sont les suivantes : les électrons ne se déplacent autour du noyau que le long de certaines trajectoires stationnaires, alors qu'ils ne rayonnent pas d'énergie. La doctrine de Bohr a prouvé que les particules du micromonde, qui comprennent les atomes et les molécules, n'obéissent pas aux lois valables pour les grands corps - objets du macrocosme.

La structure des coquilles d'électrons des macroparticules a été étudiée dans les travaux de physique quantique de scientifiques tels que Hund, Pauli, Klechkovsky. Ainsi, il est devenu connu que les électrons effectuent des mouvements de rotation autour du noyau non pas au hasard, mais le long de certaines trajectoires stationnaires. Pauli a découvert qu'à l'intérieur d'un niveau d'énergie sur chacune de ses orbitales s, p, d, f dans les cellules électroniques, il ne peut y avoir plus de deux particules chargées négativement avec des spins opposés + ½ et - ½.

La règle de Hund expliquait comment les orbitales de même niveau d'énergie sont correctement remplies d'électrons.

La règle de Klechkovsky, également appelée règle n + l, expliquait comment les orbitales des atomes multiélectrons (éléments de 5, 6, 7 périodes) sont remplies. Tous les modèles ci-dessus ont servi de justification théorique au système d'éléments chimiques créé par Dmitri Mendeleev.

État d'oxydation

C'est un concept fondamental en chimie et caractérise l'état d'un atome dans une molécule. La définition moderne de l'état d'oxydation des atomes est la suivante : il s'agit de la charge conditionnelle d'un atome dans une molécule, qui est calculée sur la base de la notion que la molécule n'a qu'une composition ionique.

L'état d'oxydation peut être exprimé sous la forme d'un nombre entier ou fractionnaire, avec des valeurs positives, négatives ou nulles. Le plus souvent, les atomes d'éléments chimiques ont plusieurs états d'oxydation. Par exemple, l'azote a -3, -2, 0, +1, +2, +3, +4, +5. Mais un élément chimique tel que le fluor, dans tous ses composés, n'a qu'un seul état d'oxydation, égal à -1. S'il est présenté une substance simple, alors son état d'oxydation est nul. Cette grandeur chimique est pratique à utiliser pour la classification des substances et pour décrire leurs propriétés. Le plus souvent, l'état d'oxydation d'un atome est utilisé en chimie lors de la compilation d'équations pour les réactions redox.

propriétés des atomes

Grâce aux découvertes la physique quantique, définition moderne atom, basé sur la théorie de D. Ivanenko et E. Gapon, est complété par le suivant faits scientifiques. La structure du noyau d'un atome ne change pas au cours réactions chimiques. Seules les orbitales d'électrons stationnaires sont susceptibles de changer. Leur structure peut expliquer de nombreuses propriétés physiques et chimiques des substances. Si un électron quitte une orbite stationnaire et se dirige vers une orbite avec un indice d'énergie plus élevé, un tel atome est dit excité.

Il faut noter que les électrons ne peuvent pas longue duréeêtre dans des orbites aussi inhabituelles. De retour sur son orbite stationnaire, l'électron émet un quantum d'énergie. L'étude de caractéristiques des unités structurelles d'éléments chimiques telles que l'affinité électronique, l'électronégativité, l'énergie d'ionisation, a permis aux scientifiques non seulement de définir l'atome comme la particule la plus importante du microcosme, mais leur a également permis d'expliquer la capacité des atomes à se former. un état moléculaire de la matière stable et énergétiquement plus favorable, possible grâce à la création divers types liaison chimique stable : ionique, covalente polaire et non polaire, donneur-accepteur (comme une variété une liaison covalente) et métal. Ce dernier détermine les propriétés physiques et chimiques les plus importantes de tous les métaux.

Il a été établi expérimentalement que la taille d'un atome peut varier. Tout dépendra de la molécule dans laquelle il est inclus. Grâce à l'analyse par diffraction des rayons X, il est possible de calculer la distance entre les atomes d'un composé chimique, ainsi que de connaître le rayon de l'unité structurelle de l'élément. Connaissant les modèles de changement des rayons des atomes inclus dans une période ou un groupe d'éléments chimiques, il est possible de prédire leurs propriétés physiques et chimiques. Par exemple, dans les périodes d'augmentation de la charge du noyau des atomes, leurs rayons diminuent («compression de l'atome»), de sorte que les propriétés métalliques des composés s'affaiblissent et que celles non métalliques augmentent.

Ainsi, la connaissance de vous permet de déterminer avec précision les propriétés physiques et chimiques de tous les éléments inclus dans système périodique Mendeleev.