Fie că este un atom. Lumea este minunată

Răspuns editorial

În 1913 danezul fizicianul Niels Bohrși-a propus teoria structurii atomului. El a luat ca bază modelul planetar al atomului, dezvoltat de fizicianul Rutherford. În el, atomul a fost asemănat cu obiectele macrocosmosului - un sistem planetar, în care planetele se mișcă pe orbite în jurul unei stele mari. În mod similar, în modelul planetar al atomului, electronii se mișcă pe orbite în jurul nucleului greu situat în centru.

Bohr a introdus ideea cuantizării în teoria atomului. Potrivit acesteia, electronii se pot mișca doar pe orbite fixe corespunzătoare anumitor niveluri de energie. Modelul Bohr a devenit baza pentru crearea modelului modern mecanic cuantic al atomului. În acest model, nucleul unui atom, constând din protoni încărcați pozitiv și neutroni neîncărcați, este, de asemenea, înconjurat de electroni încărcați negativ. Cu toate acestea, conform mecanicii cuantice, pentru un electron este imposibil să se determine o traiectorie exactă sau o orbită de mișcare - există doar o regiune în care există electroni cu un nivel de energie similar.

Ce se află în interiorul unui atom?

Atomii sunt formați din electroni, protoni și neutroni. Neutronii au fost descoperiți după ce a fost dezvoltat modelul planetar al atomului de către fizicieni. Abia în 1932, în timp ce efectua o serie de experimente, James Chadwick a descoperit particule care nu au încărcătură. Absența sarcinii a fost confirmată de faptul că aceste particule nu au reacționat în niciun fel la câmpul electromagnetic.

Nucleul unui atom în sine este format din particule grele - protoni și neutroni: fiecare dintre aceste particule este de aproape două mii de ori mai grea decât un electron. Protonii și neutronii au, de asemenea, dimensiuni similare, dar protonii au o sarcină pozitivă, iar neutronii nu au nicio sarcină.

La rândul lor, protonii și neutronii sunt formați din particule elementare numite quarci. În fizica modernă, quarcii sunt cea mai mică particulă de bază a materiei.

Dimensiunea atomului în sine este de multe ori mai mare decât dimensiunea nucleului. Dacă un atom este mărit la dimensiunea unui teren de fotbal, atunci dimensiunea nucleului său poate fi comparabilă cu o minge de tenis din centrul unui astfel de teren.

În natură, există mulți atomi care diferă ca mărime, masă și alte caracteristici. Un grup de atomi de același tip se numește element chimic. Până în prezent, mai mult de o sută elemente chimice. Atomii lor diferă ca mărime, masă și structură.

Electronii din interiorul unui atom

Electronii încărcați negativ se mișcă în jurul nucleului unui atom, formând un fel de nor. Un nucleu masiv atrage electronii, dar energia electronilor înșiși le permite să „fugă” mai departe de nucleu. Astfel, cu cât energia unui electron este mai mare, cu atât este mai departe de nucleu.

Valoarea energiei electronilor nu poate fi arbitrară, ea corespunde unui set bine definit de niveluri de energie din atom. Adică, energia unui electron se schimbă treptat de la un nivel la altul. În consecință, un electron se poate mișca numai într-un înveliș electronic limitat, corespunzător unui anumit nivel de energie - acesta este sensul postulatelor lui Bohr.

După ce a primit mai multă energie, electronul „sare” într-un strat mai înalt față de nucleu, pierzând energie, dimpotrivă, într-un strat inferior. Astfel, norul de electroni din jurul nucleului este ordonat sub forma mai multor straturi „tăiate”.

Istoria ideilor despre atom

Însuși cuvântul „atom” provine din grecescul „indivizibil” și se întoarce la idei filozofii greci antici despre cea mai mică parte indivizibilă a materiei. În Evul Mediu, chimiștii s-au convins că anumite substanțe nu pot fi descompuse în elementele lor constitutive. Aceste cele mai mici particule de materie se numesc atomi. În 1860, la congresul internațional al chimiștilor din Germania, această definiție a fost consacrată oficial în știința mondială.

ÎN sfârşitul XIX-lea La începutul secolului al XX-lea, fizicienii au descoperit particule subatomice și a devenit clar că atomul nu este de fapt indivizibil. Imediat au fost prezentate teorii despre structura internă a atomului, una dintre primele dintre care a fost modelul Thomson sau modelul „budincă de stafide”. Conform acestui model, electronii mici se aflau într-un corp masiv încărcat pozitiv, ca stafidele în interiorul unei budinci. Cu toate acestea, experimentele practice ale chimistului Rutherford au infirmat acest model și l-au determinat să creeze un model planetar al atomului.

Dezvoltarea de către Bohr a modelului planetar, împreună cu descoperirea neutronilor în 1932, au constituit baza pentru teoria modernă despre structura atomului. Următoarele etape în dezvoltarea cunoștințelor despre atom sunt deja legate de fizica particulelor elementare: quarci, leptoni, neutrini, fotoni, bosoni și altele.

În fiecare zi folosim niște obiecte: le luăm în mâini, le facem orice manipulări - le întoarcem, le examinăm și, în final, le spargem. Te-ai întrebat vreodată din ce sunt făcute aceste obiecte? "La ce să te gândești? Din metal / lemn / plastic / țesătură!" – mulți dintre noi vom răspunde nedumeriți. Acesta este parțial răspunsul corect. Și din ce constau aceste materiale - metal, lemn, plastic, țesătură și multe alte substanțe? Astăzi vom discuta această problemă.

Moleculă și atom: definiție

Pentru o persoană informată, răspunsul la acesta este simplu și banal: din atomi și molecule. Dar unii oameni devin nedumeriți și încep să pună întrebări: "Ce sunt un atom și o moleculă? Cum arată ele?" etc. Să răspundem la aceste întrebări în ordine. Ei bine, în primul rând, ce sunt un atom și o moleculă? Să vă spunem imediat că aceste definiții nu sunt același lucru. În plus, sunt termeni complet diferiți. Deci, un atom este cea mai mică parte a unui element chimic, care este purtătorul proprietăților sale, o particulă de materie de masă și dimensiune redusă. O moleculă este o particulă neutră din punct de vedere electric care este formată din mai mulți atomi legați.

Ce este un atom: structura

Un atom este format dintr-un înveliș de electroni și (foto). La rândul său, nucleul este format din protoni și neutroni, iar învelișul - din electroni. Într-un atom, protonii sunt încărcați pozitiv, electronii sunt încărcați negativ și neutronii nu sunt încărcați deloc. Dacă numărul de protoni corespunde, atunci atomul este neutru din punct de vedere electric, adică. dacă atingem o substanță formată din molecule cu astfel de atomi, nu vom simți nici cel mai mic impuls electric. Și nici computerele grele nu îl vor prinde din cauza lipsei acestuia din urmă. Dar se întâmplă că există mai mulți protoni decât electroni și invers. Atunci ar fi mai corect să numim astfel de atomi ioni. Dacă există mai mulți protoni în el, atunci este electric pozitiv, dar dacă predomină electronii, este electric negativ. Fiecare atom specific are un număr strict de protoni, neutroni și electroni. Și se poate calcula. Șablonul pentru rezolvarea problemelor de găsire a numărului acestor particule arată astfel:

Chim. element - R (inserați numele elementului)
Protoni (p) - ?
Electroni (e) - ?
Neutroni (n) - ?
Soluţie:
p = numărul de serie al chimiei. elementul R din sistemul periodic numit după D.I. Mendeleev
e = p
n \u003d A r (R) - Nr. R

Ce este o moleculă: structura

O moleculă este cea mai mică particulă a unei substanțe chimice, adică este deja inclusă direct în compoziția sa. O moleculă a unei anumite substanțe este formată din mai mulți atomi identici sau diferiți. Caracteristicile structurale ale moleculelor depind de proprietățile fizice ale substanței în care sunt prezente. Moleculele sunt formate din electroni și atomi. Locația acestuia din urmă poate fi găsită folosind formula structurala. vă permite să determinați cursul unei reacții chimice. Ele sunt de obicei neutre incarcare electrica), și nu au electroni nepereche (toate valențele sunt saturate). Totuși, pot fi și taxate, apoi ei nume corect- ioni. Moleculele pot avea, de asemenea, electroni nepereche și valențe nesaturate - în acest caz se numesc radicali.

Concluzie

Acum știi ce este un atom și Toate substanțele, fără excepție, sunt compuse din molecule, iar acestea din urmă, la rândul lor, sunt construite din atomi. Proprietățile fizice ale unei substanțe determină aranjarea și legătura atomilor și moleculelor din ea.

ATOM [Atom în franceză, din latină atomus, din greacă?τομος (ουσ?α) - indivizibil (esență)], o particulă de materie, cea mai mică parte a unui element chimic, care este purtătoarea proprietăților sale. Atomii fiecărui element sunt individuali ca structură și proprietăți și sunt desemnați prin simbolurile chimice ale elementelor (de exemplu, un atom de hidrogen - H, fier - Fe, mercur - Hg, uraniu - U etc.). Atomii pot exista atât în ​​stare liberă, cât și în stare legată (vezi Legătura chimică). Se datorează toată varietatea de substanțe diverse combinatii atomi unul față de celălalt. Proprietățile gazoase, lichide și solide depind de proprietățile atomilor lor constitutivi. Toate proprietățile fizice și chimice ale unui atom sunt determinate de structura sa și se supun legilor cuantice. (Despre istoria dezvoltării doctrinei atomului, vezi articolul Fizica atomică.)

Caracteristicile generale ale structurii atomilor. Un atom este format dintr-un nucleu greu cu o sarcină electrică pozitivă și electroni ușori care îl înconjoară cu sarcini electrice negative care formează învelișurile de electroni ale atomului. Dimensiunile unui atom sunt determinate de dimensiunile învelișului său exterior de electroni și sunt mari în comparație cu dimensiunile nucleului atomic. Ordine caracteristice ale diametrelor, ariilor secțiune transversală iar volumele atomului și nucleului sunt:

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

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

Învelișurile de electroni ale unui atom nu au limite strict definite, iar valorile dimensiunilor unui atom depind într-o măsură mai mare sau mai mică de metodele de determinare a acestora.

Sarcina nucleului este principala caracteristică a atomului, care determină apartenența acestuia la un anumit element. Sarcina nucleului este întotdeauna un multiplu întreg al sarcinii electrice elementare pozitive, egal în valoare absolută cu sarcina electronului -e. Sarcina nucleului este +Ze, unde Z este numărul de serie (numărul atomic). Z \u003d 1, 2, 3, ... pentru atomii elementelor succesive din sistemul periodic de elemente chimice, adică pentru atomii H, He, Li, .... Într-un atom neutru, un nucleu cu o sarcină +Ze deține Z electroni cu o sarcină totală - Ze. Un atom poate pierde sau câștiga electroni și poate deveni un ion pozitiv sau negativ (k = 1, 2, 3, ... - multiplicitatea ionizării sale). Un atom al unui anumit element este adesea denumit ionii săi. La scriere, ionii se disting de un atom neutru prin indicele k + și k -; de exemplu, O este un atom de oxigen neutru, O +, O 2+, O 3+, ..., O 8+, O -, O 2- - ionii săi pozitivi și negativi. Combinația dintre un atom neutru și ionii altor elemente cu același număr de electroni formează o serie izoelectronică, de exemplu, o serie de atomi asemănătoare hidrogenului H, He +, Li 2+, Be 3+, ....

Multiplicitatea sarcinii nucleului unui atom la sarcina elementară e a fost explicată pe baza ideilor despre structura nucleului: Z este egal cu numărul de protoni din nucleu, sarcina protonului este + e. Masa unui atom crește odată cu creșterea Z. Masa nucleului unui atom este aproximativ proporțională cu numărul de masă A - numărul total de protoni și neutroni din nucleu. Masa unui electron (0,91 10 -27 g) este mult mai mică (de aproximativ 1840 de ori) decât masa unui proton sau neutron (1,67 × 10 -24 g), deci masa unui atom este determinată în principal de masa lui nucleul acestuia.

Atomii unui element dat pot diferi în masa nucleului (numărul de protoni Z este constant, numărul de neutroni A-Z poate varia); astfel de varietăți de atomi ai aceluiași element se numesc izotopi. Diferența de masă a nucleului nu are aproape niciun efect asupra structurii învelișurilor de electroni ale unui atom dat, care depinde de Z și de proprietățile atomului. Cele mai mari diferențe de proprietăți (efecte izotopice) se obțin pentru izotopii de hidrogen (Z = 1) datorită mare diferențăîn masele unui atom de hidrogen ușor obișnuit (A = 1), deuteriu (A = 2) și tritiu (A = 3).

Masa unui atom variază de la 1,67 × 10 -24 g (pentru izotopul principal un atom de hidrogen, Z = 1, A = 1) până la aproximativ 4 × 10 -22 g (pentru atomii elementelor transuraniu). Cel mai valori exacte masele atomilor pot fi determinate prin metode de spectroscopie de masa. Masa unui atom nu este exact egală cu suma masei nucleului și a maselor electronilor, dar oarecum mai mică - la defectul de masă ΔM = W / c 2, unde W este energia de formare a unui atom din nucleul și electronii (energie de legare), c este viteza luminii. Această corecție este de ordinul masei electronilor m e pentru atomii grei, iar pentru atomii ușori este neglijabilă (de ordinul a 10 -4 m e).

Energia atomului și cuantizarea acestuia. Datorită dimensiunii sale mici și a masei mari, nucleul atomic poate fi considerat aproximativ ca un punct și odihnindu-se în centrul de masă al atomului (centrul de masă comun al nucleului și al electronilor este situat în apropierea nucleului, iar viteza de nucleul relativ la centrul de masă al atomului este mic în comparaţie cu vitezele electronilor). În consecință, un atom poate fi considerat ca un sistem în care N electroni cu sarcini - e se mișcă în jurul unui centru de atracție imobil. Mișcarea electronilor într-un atom are loc într-un volum limitat, adică este legat. Energia internă totală a unui atom E este egală cu suma energiilor cinetice T ale tuturor electronilor și energia potențială U - energia de atracție de către nucleul lor și de repulsie unul față de celălalt.

Conform teoriei atomului, propusă în 1913 de Niels Bohr, într-un atom de hidrogen un electron cu o sarcină de -e se mișcă în jurul unui centru fix cu o sarcină de +e. În conformitate cu mecanica clasică, energia cinetică a unui astfel de electron este egală cu

unde v este viteza, p = m e v este impulsul (momentul) electronului. Energia potențială (redusă la energia atracției coulombiane a unui electron de către nucleu) este egală cu

si depinde numai de distanta r ​​a electronului fata de nucleu. Grafic, funcția U(r) este reprezentată de o curbă care scade la infinit pe măsură ce r scade, adică pe măsură ce electronul se apropie de nucleu. Valoarea lui U(r) la r→∞ este luată ca zero. La valori negative energia totală 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 mișcarea unui electron este liberă - poate merge la infinit cu energia E = T = (1/2)m e v 2 , care corespunde unui atom de hidrogen ionizat H + . Astfel, un atom de hidrogen neutru este un sistem de nuclee legați electrostatic și un electron cu energia E< 0.

Complet energie interna atomul E - principala sa caracteristică ca sistem cuantic (vezi Mecanica cuantică). Un atom poate rămâne mult timp numai în stări cu o anumită energie - stări staționare (invariante în timp). Energia internă a unui sistem cuantic constând din microparticule legate (inclusiv un atom) poate lua una din seriile discrete (discontinue) de valori

Fiecare dintre aceste valori de energie „admisibile” corespunde uneia sau mai multor stări cuantice staționare. Sistemul nu poate avea valori intermediare ale energiei (de exemplu, situate între E 1 și E 2, E 2 și E 3 etc.), se spune că un astfel de sistem este cuantizat. Orice modificare a E este asociată cu o tranziție cuantică (ca un salt) a sistemului de la o stare cuantică staționară la alta (vezi mai jos).

Posibilele valori discrete (3) ale energiei unui atom pot fi reprezentate grafic prin analogie cu energia potențială a unui corp ridicat la diferite înălțimi (la diferite niveluri), sub forma unei diagrame a nivelurilor de energie, în care fiecare energie valoarea corespunde unei linii drepte trasate la o înălțime de E i , i= 1 , 2, 3, ... (Fig. 1). Nivelul cel mai scăzut E 1 , corespunzător celei mai scăzute energie posibilă a atomului, se numește nivelul solului, iar restul (E i > E 1), i = 2, 3, 4, ...) se numesc excitat, deoarece pentru a merge la ele ( trecerea la stările excitate staționare corespunzătoare de la sol) este necesară excitarea sistemului - să-l informeze din exterior asupra energiei E i -E 1 .

Cuantificarea energiei unui atom este o consecință a proprietăților de undă ale electronilor. Conform principiului dualismului corpuscular-undă, mișcarea unei microparticule de masă m cu viteza v corespunde unei lungimi de undă λ = h/mv, unde h este constanta lui Planck. Pentru un electron dintr-un atom, λ este de ordinul 10 -8 cm, adică de ordinul dimensiunilor liniare ale atomului și este necesară luarea în considerare a proprietăților de undă ale unui electron dintr-un atom. Mișcare asociată a unui electron dintr-un atom este similar cu o undă staționară și nu trebuie considerată o mișcare punct material de-a lungul traiectoriei, dar cât de complex proces val. Pentru o undă staționară într-un volum limitat, sunt posibile doar anumite valori ale lungimii de undă λ (și, în consecință, frecvența de oscilație v). Conform mecanicii cuantice, energia unui atom E este legată de v prin relația E = hν și, prin urmare, nu poate lua decât anumite valori. Mișcarea liberă de translație a unei microparticule, nelimitată în spațiu, de exemplu, mișcarea unui electron detașat dintr-un atom (cu energie E> 0), este similară cu propagarea unei unde călătoare într-un volum nelimitat, pentru care orice valorile lui λ (și v) sunt posibile. Energia unei astfel de microparticule libere poate lua orice valoare (nu este cuantificată, are un spectru energetic continuu). O astfel de secvență continuă corespunde unui atom ionizat. Valoarea lui E ∞ = 0 corespunde limitei de ionizare; diferența E ∞ -E 1 \u003d E ion se numește energie de ionizare (a se vedea articolul Potențialul de ionizare); pentru un atom de hidrogen, este egal cu 13,6 eV.

Distribuția densității electronice. Poziția exactă a unui electron într-un atom acest moment timpul nu poate fi stabilit din cauza incertitudinilor raportului. Starea unui electron într-un atom este determinată de funcția sa de undă, care depinde într-un anumit fel de coordonatele sale; pătratul modulului funcției de undă caracterizează densitatea de probabilitate de a găsi un electron într-un punct dat din spațiu. Funcția de undă este în mod explicit o soluție a ecuației Schrödinger.

Astfel, starea unui electron într-un atom poate fi caracterizată prin distribuția sarcinii sale electrice în spațiu cu o anumită densitate - distribuția densității electronilor. Electronii sunt, parcă, „untați” în spațiu și formează un „nor de electroni”. Un astfel de model caracterizează electronii dintr-un atom mai corect decât modelul unui electron punctual care se mișcă de-a lungul orbitelor strict definite (în teoria atomului lui Bohr). În același timp, fiecare astfel de orbită Bohr poate fi asociată cu o distribuție specifică a densității electronice. Pentru nivelul de energie al solului E 1, densitatea de electroni este concentrată în apropierea nucleului; pentru nivelurile de energie excitată E 2 , E 3 , E 4 ... este distribuită la distanțe medii din ce în ce mai mari față de nucleu. Într-un atom cu mai mulți electroni, electronii sunt grupați în învelișuri care înconjoară nucleul la distanțe diferite și sunt caracterizați de anumite distribuții ale densității electronice. Puterea legăturii dintre electroni și nucleul din învelișurile exterioare este mai mică decât în ​​învelișurile interioare, iar electronii sunt legați cel mai slab în învelișul exterior, care are cele mai mari dimensiuni.

Luând în considerare spinul electronilor și spinul nuclear. În teoria atomului, este foarte important să se țină cont de spinul electronului - momentul propriu (spin) al impulsului, din punct de vedere vizual corespunzător rotației electronului în jurul propriei axe (dacă electronul este considerat o particulă mică). O sută de moment magnetic propriu (spin) este asociat cu spinul unui electron. Prin urmare, într-un atom, este necesar să se țină seama, alături de interacțiunile electrostatice, de interacțiunile magnetice determinate de momentul magnetic de spin și momentul magnetic orbital asociat mișcării unui electron în jurul nucleului; interacțiunile magnetice sunt mici în comparație cu cele electrostatice. Influența spinului în atomii multielectroni este cea mai semnificativă: umplerea învelișurilor de electroni ale atomului cu un anumit număr de electroni depinde de spinul electronilor.

Nucleul dintr-un atom poate avea și propriul său moment mecanic - spinul nuclear, care este asociat cu un moment magnetic nuclear de sute și mii de ori mai mic decât cel electronic. Existența spinurilor duce la interacțiuni suplimentare, foarte mici, între nucleu și electroni (vezi mai jos).

Starile cuantice ale atomului de hidrogen. Cel mai important rol în teoria cuantică a atomului îl joacă teoria celui mai simplu atom cu un electron, constând dintr-un nucleu cu sarcina +Ze și un electron cu sarcina -e, adică teoria hidrogenului. atomul H și ionii de tip hidrogen He +, Li 2+, Be 3+, ..., denumite în mod obișnuit teoria atomului de hidrogen. Metode mecanica cuantică poți obține exact și descriere completa stările unui electron într-un atom cu un electron. Problema unui atom cu mulți electroni este rezolvată doar aproximativ; în acest caz, ele pornesc de la rezultatele rezolvării problemei unui atom cu un electron.

Energia unui atom cu un electron în aproximarea nerelativista (fără a lua în considerare spinul electronului) este egală cu

întregul n = 1, 2, 3, ... determină posibilele valori discrete ale energiei - niveluri de energie - și se numește număr cuantic principal, R este constanta Rydberg, egală cu 13,6 eV. Nivelurile de energie ale atomului converg (condensează) către limita de ionizare Е ∞ = 0 corespunzătoare lui n =∞. Pentru ionii de tip hidrogen, doar scara valorilor energetice se modifică (cu un factor de Z2). Energia de ionizare a unui atom asemănător hidrogenului (energia de legare a electronilor) este (în eV)

care dă pentru H, He +, Li 2+, ... valorile 13,6 eV, 54,4 eV, 122,4 eV, ... .

Formula de bază (4) corespunde expresiei U(r) = -Ze 2 /r pentru energia potențială a unui electron în câmp electric nuclee cu sarcină +Ze. Această formulă a fost derivată pentru prima dată de N. Bohr luând în considerare mișcarea unui electron în jurul nucleului într-o orbită circulară cu raza r și este soluția exactă a ecuației Schrödinger pentru un astfel de sistem. Nivelurile de energie (4) corespund orbitelor de rază

unde constanta a 0 \u003d 0,529 10 -8 cm \u003d \u003d 0,529 A este raza primei orbite circulare a atomului de hidrogen corespunzătoare nivelului său de sol (această rază Bohr este adesea folosită ca unitate convenabilă pentru măsurarea lungimii în fizica atomică). Raza orbitelor este proporțională cu pătratul numărului cuantic principal n 2 și invers proporțională cu Z; pentru ionii de tip hidrogen, scara dimensiunilor liniare scade cu un factor Z în comparație cu atomul de hidrogen. Descrierea relativistă a atomului de hidrogen, ținând cont de spinul electronului, este dată de ecuația lui Dirac.

Conform mecanicii cuantice, starea atomului de hidrogen este complet determinată de valorile discrete a patru mărimi fizice: energia E; momentul orbital M l (momentul impulsului unui electron în raport cu nucleul); proiecțiile M lz ale impulsului orbital pe o direcție z aleasă în mod arbitrar; proiecțiile M sz ale impulsului de spin (momentul intrinsec al impulsului electronului M s). Valorile posibile ale acestor mărimi fizice, la rândul lor, sunt determinate de numerele cuantice n, l, m l, m s, respectiv. În aproximarea când energia unui atom de hidrogen este descrisă prin formula (4), aceasta este determinată numai de numărul cuantic principal n, care ia valori întregi 1, 2, 3, ... . Un nivel de energie cu un n dat corespunde mai multor stări care diferă în valorile numărului cuantic orbital (azimutal) l = 0, 1, ..., n-1. Statele cu valori date ale lui n și l sunt de obicei notate ca 1s, 2s, 2p, 3s, ..., unde numerele indică valoarea lui n și literele s, p, d, f (în continuare în latină) alfabet) - respectiv, valorile l \u003d 0, 1, 2, 3. Pentru n și l dat, numărul de stări diferite este egal cu 2(2l + 1) - numărul de combinații de valori ale numărul cuantic orbital magnetic ml al numărului de spin magnetic ms (prima ia 2l + 1 valori, a doua - 2 valori). Numărul total de stări diferite cu n și l dat este 2n 2 . Astfel, fiecare nivel de energie al unui atom de hidrogen corespunde la 2,8, 18,...2n 2 (la n= 1, 2, 3, ...) diferite stări cuantice staționare. Dacă o singură stare cuantică corespunde unui nivel de energie, atunci se numește nedegenerat, dacă două sau mai multe - degenerate (vezi Degenerarea în teoria cuantică), iar numărul de astfel de stări g se numește gradul sau multiplicitatea degenerării (pentru niveluri energetice nedegenerate g = 1). Nivelurile de energie ale atomului de hidrogen sunt degenerate, iar gradul lor de degenerare este g n = 2n 2 .

Pentru diferite stări ale atomului de hidrogen, se obține și o distribuție diferită a densității electronilor. Depinde de numerele cuantice n, l și. În același timp, densitatea electronilor pentru stările s (l=0) este diferită de zero în centru, adică la locația nucleului, și nu depinde de direcție (simetrică sferic), iar pentru stările de repaus (l>0) este egal cu zero la centru și depinde de direcție. Distribuția densității electronice pentru stările atomului de hidrogen cu n = 1, 2, 3 este prezentată în Figura 2; dimensiunile „norului de electroni” cresc conform formulei (6) proporțional cu n2 (scara din figura 2 scade la trecerea de la n = 1 la n = 2 și de la n = 2 la n = 3). Stările cuantice ale unui electron în ionii de tip hidrogen sunt caracterizate prin aceleași patru numere cuantice n, l, m l și m s ca și în atomul de hidrogen. Distribuția densității electronice este de asemenea păstrată, doar că crește cu un factor de Z.

Acțiune asupra atomului câmpurilor externe. asemănător unui atom sistem electricîn câmpurile electrice și magnetice externe dobândește energie suplimentară. Câmpul electric polarizează atomul - deplasează norii de electroni în raport cu nucleul (vezi Polarizabilitatea atomilor, ionilor și moleculelor), iar câmpul magnetic orientează într-un anumit fel momentul magnetic al atomului, asociat cu mișcarea unui electron în jurul nucleul (cu un moment orbital M l) şi spinul său. Le corespund diferitelor stări ale unui atom de hidrogen cu aceeași energie E n într-un câmp extern sensuri diferite energie suplimentară ΔЕ, iar nivelul de energie degenerat E n este împărțit într-un număr de subniveluri. Atât divizarea nivelurilor de energie într-un câmp electric - efectul Stark - cât și divizarea lor într-un câmp magnetic - efectul Zeeman - sunt proporționale cu puterile câmpurilor corespunzătoare.

Interacțiunile magnetice mici din interiorul atomului conduc, de asemenea, la divizarea nivelurilor de energie. Pentru atomul de hidrogen și ionii asemănători hidrogenului, există o interacțiune spin-orbita - interacțiunea momentelor de spin și orbitale ale electronului; determină așa-numita structură fină a nivelurilor energetice - divizarea nivelurilor excitate E n (pentru n>1) în subniveluri. Pentru toate nivelurile de energie ale atomului de hidrogen se observă și o structură hiperfină, datorită interacțiunilor magnetice foarte mici ale spinului nuclear cu momentele electronice.

Învelișuri electronice de atomi multielectroni. Teoria unui atom care conține 2 sau mai mulți electroni este fundamental diferită de teoria unui atom de hidrogen, deoarece într-un astfel de atom există particule identice care interacționează între ele - electroni. Repulsia reciprocă a electronilor într-un atom multielectron reduce semnificativ puterea legăturii lor cu nucleul. De exemplu, energia de detașare a unui singur electron într-un ion de heliu (He +) este de 54,4 eV, în timp ce într-un atom de heliu neutru, ca urmare a respingerii electronilor, energia de detașare a unuia dintre ei scade la 24,6 eV. Pentru electronii externi ai atomilor mai grei, scăderea forței legăturii lor din cauza respingerii de către electronii interiori este și mai semnificativă. Un rol important în atomii cu mulți electroni îl joacă proprietățile electronilor ca microparticule identice (vezi Principiul de identitate) cu spin s = 1/2, pentru care principiul Pauli este valabil. Conform acestui principiu, într-un sistem de electroni nu poate exista mai mult de un electron în fiecare stare cuantică, ceea ce duce la formarea învelișurilor de electroni ale unui atom, umplute strict. anumite numere electroni.

Ținând cont de imposibilitatea de distingere a electronilor care interacționează, este logic să vorbim doar despre stările cuantice ale atomului în ansamblu. Cu toate acestea, se pot lua în considerare aproximativ stările cuantice ale electronilor individuali și se pot caracteriza pe fiecare dintre ele printr-un set de numere cuantice n, l, m l și m s , în mod similar cu un electron dintr-un atom de hidrogen. În acest caz, energia electronului se dovedește a depinde nu numai de n, ca în atomul de hidrogen, ci și de l; tot nu depinde de m l şi m s. Electronii cu n și l dat într-un atom cu mai mulți electroni au aceeași energie și formează o anumită înveliș de electroni. Astfel de electroni echivalenți și învelișurile formate de ei sunt notate, precum și stările cuantice și nivelurile de energie cu n și l date, prin simbolurile ns, np, nd, nf, ... (pentru 1 = 0, 1, 2, 3, ...) și vorbesc despre electroni 2p, învelișuri 3s și așa mai departe.

Conform principiului Pauli, oricare 2 electroni dintr-un atom trebuie să fie în stări cuantice diferite și, prin urmare, să difere în cel puțin unul dintre cele patru numere cuantice n, l, ml și ms și pentru electroni echivalenti (n ​​și l sunt aceleași) - ml și ms . Numărul de perechi ml , ms , adică numărul de stări cuantice diferite ale unui electron cu n și l dat, este gradul de degenerare al nivelului său de energie gl = 2 (2l+1) = 2, 6, 10, 14, ... . Determină numărul de electroni din învelișurile de electroni complet umplute. Astfel, învelișurile s-, p-, d-, f-, ... sunt umplute cu 2, 6, 10, 14, ... electroni, indiferent de valoarea lui n. Electronii cu n dat formează un strat format din învelișuri cu l = 0, 1, 2, ..., n - 1 și umplut cu 2n 2 electroni, așa-numitul strat K-, L-, M, N. La finalizarea completă, avem:

În fiecare strat, învelișurile cu l mai mic sunt caracterizate de o densitate de electroni mai mare. Forța legăturii dintre electron și nucleu scade odată cu creșterea lui n, iar pentru un n dat, cu creșterea lui l. Cu cât este mai slab electronul legat în învelișul corespunzător, cu atât nivelul său de energie este mai mare. Un nucleu cu un anumit Z atașează electroni în ordinea descrescătoare a puterii legăturii lor: mai întâi doi electroni 1s, apoi doi electroni 2s, șase electroni 2p etc. Un atom din fiecare element chimic are o anumită distribuție a electronilor peste învelișuri - electronica sa. configurație, de exemplu:

(numărul de electroni dintr-un înveliș dat este indicat de indexul din dreapta sus). Periodicitatea proprietăților elementelor este determinată de asemănarea învelișurilor de electroni exterioare ale atomului. De exemplu, atomii neutri P, As, Sb, Bi (Z = 15, 33, 51, 83) au trei electroni p în învelișul exterior al electronilor, ca atomul de N, și sunt similari cu acesta în proprietăți chimice și fizice. .

Fiecare atom este caracterizat de o configurație electronică normală, obținută atunci când toți electronii din atom sunt legați cel mai puternic, iar configurațiile electronice excitate, când unul sau mai mulți electroni sunt legați mai slab - sunt la niveluri de energie mai ridicate. De exemplu, pentru un atom de heliu, împreună cu 1s2 normal, sunt posibile configurații electronice excitate: 1s2s, 1s2p, ... (un electron este excitat), 2s 2, 2s2p, ... (ambele electroni sunt excitați). O anumită configurație electronică corespunde unui nivel de energie al atomului în ansamblu, dacă învelișurile de electroni sunt complet umplute (de exemplu, configurația normală a atomului este Ne 1s 2 2s 2 2р 6) și un număr de niveluri de energie, dacă există învelișuri parțial umplute (de exemplu, configurația normală a atomului de azot este 1s 2 2s 2 2p 3 pentru care învelișul 2p este pe jumătate umplut). În prezența unor învelișuri d și f parțial umplute, numărul de niveluri de energie corespunzătoare fiecărei configurații poate ajunge la multe sute, astfel încât schema nivelurilor de energie ale unui atom cu învelișuri parțial umplute este foarte complexă. Nivelul energetic de bază al unui atom este cel mai scăzut nivel al configurației electronice normale.

Tranziții cuantice în atom. În tranzițiile cuantice, un atom trece de la o stare staționară la alta - de la un nivel de energie la altul. În timpul trecerii de la un nivel energetic superior E i la unul inferior Е la atom emite energie E i - E k , în timpul tranziției inverse o primește. Ca pentru orice sistem cuantic, tranzițiile cuantice pentru un atom pot fi de două tipuri: cu radiație (tranziții optice) și fără radiație (tranziții radiative sau non-optice). Cea mai importantă caracteristică a unei tranziții cuantice este probabilitatea acesteia, care determină cât de des poate avea loc această tranziție.

În timpul tranzițiilor cuantice cu radiație, un atom absoarbe (tranziția E la → E i) sau emite (tranziția E i → E la) radiații electromagnetice. Energia electromagnetică este absorbită și emisă de un atom sub forma unui cuantum de lumină - un foton - caracterizat printr-o anumită frecvență de oscilație v, conform relației:

unde hv este energia fotonului. Relația (7) este legea conservării energiei pentru procesele microscopice asociate cu radiația.

Un atom în starea fundamentală poate absorbi doar fotoni, în timp ce în stările excitate îi poate atât absorbi, cât și emite. Un atom liber în starea fundamentală poate exista la infinit. Durata de ședere a unui atom în stare excitată (durata de viață a acestei stări) este limitată, atomul pierde spontan (spontan), parțial sau complet energia de excitație, emițând un foton și trecând la un nivel energetic inferior; alături de o astfel de emisie spontană este posibilă și emisia stimulată, care are loc, ca și absorbția, sub acțiunea fotonilor de aceeași frecvență. Durata de viață a unui atom excitat este cu atât mai scurtă, cu atât probabilitatea tranziției spontane este mai mare, pentru un atom de hidrogen este de ordinul a 10 -8 s.

Setul de frecvențe v de posibile tranziții cu radiație determină spectrul atomic al atomului corespunzător: setul de frecvențe de tranziții de la nivelurile inferioare la cele superioare este spectrul său de absorbție, setul de frecvențe de tranziții de la nivelurile superioare la nivelele inferioare este spectrul de emisie . Fiecare astfel de tranziție în spectrul atomic corespunde unei anumite linii spectrale de frecvență v.

În tranzițiile cuantice neradiative, un atom primește sau emite energie atunci când interacționează cu alte particule cu care se ciocnește într-un gaz sau este legat pe termen lung într-o moleculă, lichid sau corp solid. Într-un gaz, un atom poate fi considerat liber în intervalele de timp dintre ciocniri; în timpul unei coliziuni (impact), un atom poate merge la un nivel inferior sau nivel inalt energie. O astfel de coliziune se numește inelastică (spre deosebire de o coliziune elastică, în care se modifică doar energia cinetică a mișcării de translație a atomului, în timp ce energia sa internă rămâne neschimbată). Un caz special important este ciocnirea unui atom liber cu un electron; de obicei un electron se mișcă mai repede decât un atom, timpul de coliziune este foarte scurt și se poate vorbi de impact de electroni. Excitarea unui atom prin impactul electronilor este una dintre metodele de determinare a nivelurilor sale de energie.

Chimice și proprietăți fizice atom. Cele mai multe dintre proprietățile unui atom sunt determinate de structura și caracteristicile învelișurilor sale de electroni exterioare, în care electronii sunt legați relativ slab de nucleu (energii de legare de la câțiva eV la câteva zeci de eV). Structura cochilii interioare atom, ai cărui electroni sunt mult mai puternic legați (energii de legare de sute, mii și zeci de mii de eV), se manifestă numai în interacțiunile atomului cu particule rapide și fotoni de energii înalte (mai mult de sute de eV) . Astfel de interacțiuni determină spectrele de raze X ale atomului și împrăștierea particulelor rapide (vezi Difracția particulelor). Masa unui atom determină proprietățile sale mecanice în timpul mișcării atomului în ansamblu - cantitatea de mișcare, energia cinetică. Diverse proprietăți rezonante și alte proprietăți fizice ale atomului depind de momentele mecanice și aferente magnetice și electrice ale atomului (vezi Rezonanța paramagnetică a electronilor, Rezonanța magnetică nucleară, Rezonanța cvadrupolului nuclear).

Electronii învelișurilor exterioare ale atomului sunt ușor expuși influențelor externe. Când atomii se apropie unul de altul, apar interacțiuni electrostatice puternice, care pot duce la formarea unei legături chimice. Interacțiunile electrostatice mai slabe ale doi atomi se manifestă în polarizarea lor reciprocă - deplasarea electronilor în raport cu nucleele, care este cea mai puternică pentru electronii externi legați slab. Între atomi apar forțe de polarizare de atracție, care trebuie luate în considerare deja la distanțe mari între ei. Polarizarea atomului are loc și în câmpuri electrice externe; ca urmare, nivelurile de energie ale atomului sunt deplasate și, ceea ce este deosebit de important, nivelurile de energie degenerată sunt împărțite (efectul Stark). Polarizarea unui atom poate apărea sub influența câmp electric undă luminoasă (electromagnetică); depinde de frecvența luminii, care determină dependența de aceasta și indicele de refracție (vezi Dispersia luminii), asociat cu polarizabilitatea atomului. Închideți conexiunea caracteristici optice un atom cu proprietățile sale electrice se manifestă în mod deosebit în mod clar în spectrele sale optice.

Proprietățile magnetice ale atomilor sunt determinate în principal de structura învelișurilor lor de electroni. Momentul magnetic al unui atom depinde de momentul său mecanic (vezi raportul magneto-mecanic), într-un atom cu învelișuri de electroni complet umplute zero, precum și momentul mecanic. Atomii cu învelișuri de electroni exterioare parțial umplute au, de regulă, momente magnetice diferite de zero și sunt paramagnetice. Într-un câmp magnetic extern, toate nivelurile atomilor, în care momentul magnetic nu este egal cu zero, se împart - are loc efectul Zeeman. Toți atomii au diamagnetism, care se datorează apariției unui moment magnetic în ei sub influența unui camp magnetic(așa-numitul moment magnetic indus, analog momentului dipol electric al atomului).

Odată cu ionizarea succesivă a unui atom, adică cu separarea electronilor acestuia, pornind de la cei mai exteriori în ordinea creșterii puterii legăturii lor, toate proprietățile atomului determinate de învelișul său exterior se modifică în mod corespunzător. Electronii din ce în ce mai ferm legați devin externi; ca urmare, capacitatea unui atom de a polariza într-un câmp electric este mult redusă, distanțele dintre nivelurile de energie și frecvențele tranzițiilor optice între aceste niveluri cresc (ceea ce duce la o deplasare a spectrelor către lungimi de undă tot mai scurte). O serie de proprietăți prezintă periodicitate: proprietățile ionilor cu electroni exteriori similari se dovedesc a fi similare; de exemplu, N 3+ (doi electroni 2s) arată similaritate cu N 5+ (doi electroni 1s). Acest lucru se aplică caracteristicilor și aranjamentului relativ al nivelurilor de energie și spectrelor optice, momentelor magnetice ale atomului și așa mai departe. Cea mai dramatică schimbare a proprietăților are loc atunci când ultimul electron este îndepărtat înveliș exterior, când rămân doar coji complet umplute, de exemplu, la trecerea de la N 4+ la N 5+ (configurații electronice 1s 2 2s și 1s 2). În acest caz, ionul este cel mai stabil și momentele sale mecanice totale și magnetice totale sunt egale cu zero.

Proprietățile unui atom în stare legată(de exemplu, o parte a unei molecule) diferă de proprietățile unui atom liber. Proprietățile atomului suferă cele mai mari modificări, determinate de electronii cei mai exteriori care participă la adăugarea unui anumit atom la altul. În același timp, proprietățile determinate de electronii învelișurilor interioare pot rămâne practic neschimbate, așa cum este cazul spectrelor de raze X. Unele proprietăți ale unui atom pot suferi modificări relativ mici, din care se pot obține informații despre natura interacțiunilor atomilor legați. Un exemplu important este împărțirea nivelurilor de energie atomică în cristale și compuși complecși, care are loc sub acțiunea câmpurilor electrice create de ionii din jur.

Metodele experimentale pentru studierea structurii unui atom, a nivelurilor sale de energie, a interacțiunilor sale cu alți atomi, particule elementare, molecule, câmpuri externe și așa mai departe sunt variate, dar informația principală este conținută în spectrele sale. Metodele de spectroscopie atomică în toate intervalele de lungimi de undă, și în special metodele de spectroscopie laser modernă, fac posibilă studierea efectelor din ce în ce mai subtile asociate atomului. De la începutul secolului al XIX-lea, existența atomului era evidentă pentru oamenii de știință, dar un experiment pentru a demonstra realitatea existenței sale a fost pus la cale de J. Perrin la începutul secolului al XX-lea. Odată cu dezvoltarea microscopiei, a devenit posibilă obținerea de imagini ale atomilor de pe suprafața solidelor. Atomul a fost văzut pentru prima dată de E. Muller (SUA, 1955) cu ajutorul microscopului cu ioni de câmp pe care l-a inventat. Microscoapele moderne de forță atomică și tunel fac posibilă obținerea de imagini ale suprafețelor solidelor cu o rezoluție bună la nivel atomic(vezi figura 3).

Orez. 3. Imagine a structurii atomice a suprafeței de siliciu, obținută de profesorul de la Universitatea Oxford M. Kapstell folosind un microscop cu scanare tunel.

Așa-numiții atomi exotici există și sunt utilizați pe scară largă în diverse studii, de exemplu, atomii muonici, adică atomi în care toți sau o parte din electroni sunt înlocuiți cu muoni negativi, muonium, pozitroniu, precum și atomi hadronici, formați din pioni încărcați. , kaoni, protoni, deuteroni etc. S-au făcut și primele observații ale atomului de antihidrogen (2002) - atom format dintr-un pozitron și un antiproton.

Lit.: Născut M. Fizică atomică. a 3-a ed. M., 1970; Fano U., Fano L. Fizica atomilor și moleculelor. M., 1980; Shpolsky E.V. Fizica atomică. a 7-a ed. M., 1984. T. 1-2; Elyashevich MA Spectroscopie atomică și moleculară. a 2-a ed. M., 2000.

Compoziția atomului.

Un atom este format din nucleul atomicȘi învelișul de electroni.

Nucleul unui atom este format din protoni ( p+) și neutroni ( n 0). Majoritatea atomilor de hidrogen au un singur nucleu de proton.

Numărul de protoni N(p+) este egal cu sarcina nucleară ( Z) și numărul ordinal al elementului în seria naturală de elemente (și în sistemul periodic de elemente).

N(p +) = Z

Suma numărului de neutroni N(n 0), notat simplu prin litera N, și numărul de protoni Z numit numar de masași este marcat cu litera DAR.

A = Z + N

Învelișul de electroni a unui atom este format din electroni care se mișcă în jurul nucleului ( e -).

Numărul de electroni N(e-) în învelișul de electroni a unui atom neutru este egal cu numărul de protoni Zîn miezul ei.

Masa unui proton este aproximativ egală cu masa unui neutron și de 1840 de ori masa unui electron, deci masa unui atom este practic egală cu masa nucleului.

Forma unui atom este sferică. Raza nucleului este de aproximativ 100.000 de ori mai mică decât raza atomului.

Element chimic- tip de atomi (mult de atomi) cu aceeași sarcină nucleară (cu același număr de protoni în nucleu).

Izotop- un set de atomi ai unui element cu același număr de neutroni în nucleu (sau un tip de atomi cu același număr de protoni și același număr de neutroni în nucleu).

Diferiții izotopi diferă unul de celălalt prin numărul de neutroni din nucleele atomilor lor.

Desemnarea unui singur atom sau izotop: (E - simbolul elementului), de exemplu: .

Structura învelișului de electroni a atomului

orbital atomic este starea unui electron într-un atom. Simbol orbital - . Fiecare orbital corespunde unui nor de electroni.

Orbitalii atomilor reali din starea fundamentală (neexcitată) sunt de patru tipuri: s, p, dȘi f.

nor electronic- partea din spațiu în care poate fi găsit un electron cu o probabilitate de 90 (sau mai mult) la sută.

Notă: uneori conceptele de „orbital atomic” și „nor de electroni” nu se disting, numindu-le pe ambele „orbital atomic”.

Învelișul de electroni a unui atom este stratificat. Stratul electronic format din nori de electroni de aceeași dimensiune. Se formează orbitalii unui singur strat nivel electronic („energie”), energiile lor sunt aceleași pentru atomul de hidrogen, dar diferite pentru alți atomi.

Orbitalii de același nivel sunt grupați în electronic (energie) subnivele:
s- subnivel (constă dintr-un singur s-orbitali), simbol - .
p subnivel (constă din trei p
d subnivel (constă din cinci d-orbitali), simbol - .
f subnivel (constă din șapte f-orbitali), simbol - .

Energiile orbitalilor aceluiasi subnivel sunt aceleasi.

La desemnarea subnivelurilor, numărul stratului (nivelul electronic) este adăugat simbolului subnivelului, de exemplu: 2 s, 3p, 5d mijloace s- subnivelul celui de-al doilea nivel, p- subnivelul celui de-al treilea nivel, d- subnivelul celui de-al cincilea nivel.

Numărul total de subniveluri dintr-un nivel este egal cu numărul nivelului n. Numărul total de orbitali dintr-un nivel este n 2. În consecință, numărul total de nori dintr-un strat este de asemenea n 2 .

Denumiri: - orbital liber (fără electroni), - orbital cu un electron nepereche, - orbital cu o pereche de electroni (cu doi electroni).

Ordinea în care electronii umplu orbitalii unui atom este determinată de trei legi ale naturii (formulările sunt date într-un mod simplificat):

1. Principiul energiei minime - electronii umplu orbitalii în ordinea creșterii energiei orbitalilor.

2. Principiul lui Pauli – nu pot exista mai mult de doi electroni într-un orbital.

3. Regula lui Hund - în cadrul subnivelului, electronii umplu mai întâi orbitalii liberi (câte unul) și abia după aceea formează perechi de electroni.

Numărul total de electroni în nivelul electronic (sau în stratul electronic) este 2 n 2 .

Distribuția subnivelurilor după energie este exprimată în continuare (în ordinea creșterii energiei):

1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p, 5s, 4d, 5p, 6s, 4f, 5d, 6p, 7s, 5f, 6d, 7p ...

Vizual, această secvență este exprimată prin diagrama energetică:

Distribuția electronilor unui atom pe niveluri, subnivele și orbitali (configurația electronică a unui atom) poate fi descrisă ca o formulă electronică, o diagramă energetică sau, mai simplu, ca o diagramă a straturilor electronice ("diagrama electronică") .

Exemple de structura electronică a atomilor:

electroni de valență- electronii unui atom care pot lua parte la formarea legăturilor chimice. Pentru orice atom, aceștia sunt toți electronii exteriori plus acei electroni pre-exteriori a căror energie este mai mare decât cea a celor exteriori. De exemplu: atomul de Ca are 4 electroni exteriori s 2, sunt și valență; atomul de Fe are electroni externi - 4 s 2 dar el are 3 d 6, prin urmare atomul de fier are 8 electroni de valență. Valenţă formula electronica atomi de calciu - 4 s 2 și atomi de fier - 4 s 2 3d 6 .

Sistemul periodic al elementelor chimice al lui D. I. Mendeleev
(sistemul natural de elemente chimice)

Legea periodică a elementelor chimice(formulare modernă): proprietățile elementelor chimice, precum și substanțele simple și complexe formate de acestea, sunt într-o dependență periodică de valoarea sarcinii din nucleele atomice.

Sistem periodic- exprimarea grafică a legii periodice.

Gama naturală de elemente chimice- un număr de elemente chimice, construite în funcție de creșterea numărului de protoni din nucleele atomilor lor, sau, ceea ce este la fel, în funcție de creșterea sarcinilor nucleelor ​​acestor atomi. Numărul de serie al unui element din această serie este egal cu numărul de protoni din nucleul oricărui atom al acestui element.

Tabelul elementelor chimice este construit prin „decuparea” seriei naturale de elemente chimice în perioade(rânduri orizontale ale tabelului) și grupări (coloane verticale ale tabelului) de elemente cu o structură electronică similară a atomilor.

În funcție de modul în care elementele sunt combinate în grupuri, un tabel poate fi perioada lunga(elementele cu același număr și tip de electroni de valență sunt colectate în grupuri) și Pe termen scurt(elementele cu același număr de electroni de valență sunt colectate în grupuri).

Grupurile din tabelul cu perioade scurte sunt împărțite în subgrupe ( principalȘi efecte secundare), care coincid cu grupurile tabelului cu perioade lungi.

Toți atomii elementelor din aceeași perioadă acelasi numar straturi electronice, egale cu numărul perioadei.

Numărul elementelor din perioade: 2, 8, 8, 18, 18, 32, 32. Majoritatea elementelor perioadei a opta au fost obținute artificial, ultimele elemente din această perioadă nefiind încă sintetizate. Toate perioadele, cu excepția primei, încep cu un element de formare a metalelor alcaline (Li, Na, K etc.) și se termină cu un element de formare a gazelor nobile (He, Ne, Ar, Kr etc.).

În tabelul cu perioade scurte - opt grupuri, fiecare dintre ele împărțit în două subgrupe (principal și secundar), în tabelul cu perioade lungi - șaisprezece grupuri, care sunt numerotate cu cifre romane cu literele A sau B, de exemplu: IA, IIIB, VIA, VIIB. Grupa IA a tabelului cu perioade lungi corespunde subgrupului principal al primului grup al tabelului cu perioade scurte; grupa VIIB - subgrupul secundar al celui de-al șaptelea grup: restul - în mod similar.

Caracteristicile elementelor chimice se schimbă în mod natural în grupuri și perioade.

În perioade (cu numărul de serie din ce în ce mai mare)

• sarcina nucleară crește
• numărul de electroni exteriori crește,
• raza atomilor scade,
• puterea de legătură a electronilor cu nucleul crește (energie de ionizare),
• electronegativitatea crește.
• intensifica proprietăți oxidante substanțe simple ("non-metalicitate"),
• proprietățile reducătoare ale substanțelor simple ("metalicitatea") slăbesc,
• slăbește caracterul de bază al hidroxizilor și al oxizilor corespunzători,
• caracterul acid al hidroxizilor și al oxizilor corespunzători crește.

În grupuri (cu numărul de serie din ce în ce mai mare)

• sarcina nucleară crește
• raza atomilor crește (numai în grupele A),
• puterea legăturii dintre electroni și nucleu scade (energia de ionizare; numai în grupele A),
• electronegativitatea scade (numai în grupele A),
• slăbesc proprietățile oxidante ale substanțelor simple („non-metalicitate”; numai în grupele A),
• proprietățile reducătoare ale substanțelor simple sunt îmbunătățite ("metalicitatea"; numai în grupele A),
• caracterul de bază al hidroxizilor și al oxizilor corespunzători crește (numai în grupele A),
• natura acidă a hidroxizilor și a oxizilor corespunzători slăbește (numai în grupele A),
• stabilitatea scade compuși cu hidrogen(activitatea lor reducătoare crește; numai în grupele A).

Sarcini și teste pe tema „Tema 9. „Structura atomului. Legea periodică și sistemul periodic al elementelor chimice ale lui D. I. Mendeleev (PSCE)"."

• Legea periodică - Legea periodică și structura atomilor Clasa 8–9
  Ar trebui să știți: legile umplerii orbitalilor cu electroni (principiul energiei minime, principiul lui Pauli, regula lui Hund), structura sistemului periodic de elemente.

  Ar trebui să fiți capabil să: determinați compoziția unui atom după poziția unui element în sistemul periodic și, dimpotrivă, să găsiți un element în sistemul periodic, cunoscându-i compoziția; descrieți diagrama structurii, configurația electronică a unui atom, ion și, invers, determinați poziția unui element chimic în PSCE din diagramă și configurația electronică; caracterizează elementul și substanțele pe care le formează în funcție de poziția sa în PSCE; determina modificările razei atomilor, proprietățile elementelor chimice și substanțele pe care le formează într-o perioadă și un subgrup principal al sistemului periodic.

  Exemplul 1 Determinați numărul de orbitali în al treilea nivel electronic. Care sunt acești orbitali?
  Pentru a determina numărul de orbitali, folosim formula N orbitali = n 2, unde n- numărul nivelului. N orbitali = 3 2 = 9. Unu 3 s-, trei 3 p- și cinci 3 d-orbitali.

  Exemplul 2 Determinați atomul al cărui element are formula electronică 1 s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 1 .
  Pentru a determina ce element este, trebuie să aflați numărul său de serie, care este egal cu numărul total de electroni din atom. În acest caz: 2 + 2 + 6 + 2 + 1 = 13. Acesta este aluminiu.

  După ce vă asigurați că tot ce aveți nevoie este învățat, treceți la sarcini. Vă dorim succes.

  
  Literatura recomandata:
  • O. S. Gabrielyan și alții.Chimie, clasa a XI-a. M., Butard, 2002;
  • G. E. Rudzitis, F. G. Feldman. Chimie 11 celule. M., Educație, 2001.

Din perioada antichității până la mijlocul secolului al XVIII-lea, știința a fost dominată de ideea că atomul este o particulă de materie care nu poate fi divizată. Omul de știință englez, precum și naturalistul D. Dalton, au definit atomul ca fiind cea mai mică componentă a unui element chimic. M. V. Lomonosov în teoria sa atomică și moleculară a fost capabil să definească atomul și molecula. Era sigur că moleculele, pe care le-a numit „corpusculi”, sunt formate din „elemente” – atomi – și sunt în continuă mișcare.

D. I. Mendeleev credea că această subunitate de substanțe care alcătuiesc lumea materială își păstrează toate proprietățile numai dacă nu este supusă separării. În acest articol, vom defini atomul ca obiect al microlumii și vom studia proprietățile acestuia.

Condiții preliminare pentru crearea unei teorii a structurii atomului

În secolul al XIX-lea, afirmația despre indivizibilitatea atomului era considerată general acceptată. Majoritatea oamenilor de știință credeau că particulele unui element chimic nu se pot transforma sub nicio formă în atomi ai altui element. Aceste idei au servit drept bază pe care sa bazat definiția atomului până în 1932. La sfârșitul secolului al XIX-lea, s-au făcut descoperiri fundamentale în știință care au schimbat această viziune. În primul rând, în 1897, fizicianul englez J. J. Thomson a descoperit electronul. Acest fapt a schimbat radical ideile oamenilor de știință despre indivizibilitatea părții constitutive a unui element chimic.

Cum să demonstrezi că un atom este complex

Chiar și înainte, oamenii de știință au fost unanim de acord că atomii nu au încărcături. Apoi s-a descoperit că electronii sunt eliberați cu ușurință din orice element chimic. Pot fi găsite în flăcări, sunt purtători curent electric, sunt emise de substanțe în timpul radiațiilor cu raze X.

Dar dacă electronii fac parte din toți atomii fără excepție și sunt încărcați negativ, atunci există încă unele particule în atom care au în mod necesar o sarcină pozitivă, altfel atomii nu ar fi neutri din punct de vedere electric. Pentru a ajuta la dezlegarea structurii atomului, a ajutat un astfel de fenomen fizic precum radioactivitatea. A dat definiția corectă a atomului în fizică și apoi în chimie.

Raze invizibile

Fizicianul francez A. Becquerel a fost primul care a descris fenomenul de emisie de către atomi a anumitor elemente chimice, raze invizibile vizual. Ele ionizează aerul, trec prin substanțe, provoacă înnegrirea plăcilor fotografice. Mai târziu, soții Curie au descoperit că substanțele radioactive sunt transformate în atomi ai altor elemente chimice (de exemplu, uraniu în neptuniu).

Radiația radioactivă este heterogenă ca compoziție: particule alfa, particule beta, raze gamma. Astfel, fenomenul de radioactivitate a confirmat faptul că particulele elementelor tabelului periodic au structura complexa. Acest fapt a fost motivul modificărilor aduse definiției atomului. Din ce particule constă un atom, având în vedere noile fapte științifice obținute de Rutherford? Răspunsul la această întrebare a fost modelul nuclear al atomului propus de om de știință, conform căruia electronii se învârt în jurul unui nucleu încărcat pozitiv.

Contradicții ale modelului lui Rutherford

Teoria omului de știință, în ciuda caracterului său remarcabil, nu a putut defini în mod obiectiv atomul. Concluziile ei au fost împotriva legilor fundamentale ale termodinamicii, conform cărora toți electronii care se rotesc în jurul nucleului își pierd energia și, oricum ar fi, mai devreme sau mai târziu trebuie să cadă în el. Atomul este distrus în acest caz. Acest lucru nu se întâmplă de fapt, deoarece elementele chimice și particulele din care sunt compuse există în natură de foarte mult timp. O astfel de definiție a atomului, bazată pe teoria lui Rutherford, este inexplicabilă, la fel ca și fenomenul care are loc atunci când substanțe simple fierbinți sunt trecute printr-un rețele de difracție. La urma urmei, spectrele atomice rezultate au o formă liniară. Acest lucru era în conflict cu modelul atomic al lui Rutherford, conform căruia spectrele ar fi trebuit să fie continue. Conform conceptelor mecanicii cuantice, electronii din nucleu sunt caracterizați în prezent nu ca obiecte punctuale, ci ca având forma unui nor de electroni.

Cea mai mare densitate a acesteia se află într-un anumit loc al spațiului din jurul nucleului și este considerată locația particulei la un moment dat în timp. De asemenea, s-a constatat că electronii din atom sunt aranjați în straturi. Numărul de straturi poate fi determinat cunoscând numărul perioadei în care se află elementul în sistemul periodic al lui D. I. Mendeleev. De exemplu, un atom de fosfor conține 15 electroni și are 3 niveluri de energie. Indicatorul care determină numărul de niveluri de energie se numește număr cuantic principal.

S-a stabilit experimental că electronii din nivelul energetic cel mai apropiat de nucleu au cea mai mică energie. Fiecare înveliș de energie este împărțit în subniveluri, iar acestea, la rândul lor, în orbitali. Electronii aflați în orbitali diferiți au o formă egală de nor (s, p, d, f).

Pe baza celor de mai sus, rezultă că forma norului de electroni nu poate fi arbitrară. Este strict definită în funcție de orbital.Adăugăm, de asemenea, că starea unui electron într-o macroparticulă este determinată de încă două valori - numere cuantice magnetice și spin. Primul se bazează pe ecuația Schrödinger și caracterizează orientarea spațială a norului de electroni pe baza tridimensionalității lumii noastre. Al doilea indicator este numărul de spin, acesta este folosit pentru a determina rotația unui electron în jurul axei sale în sensul acelor de ceasornic sau în sens invers acelor de ceasornic.

Descoperirea neutronului

Datorită lucrării lui D. Chadwick, efectuată de acesta în 1932, a fost dată o nouă definiție a atomului în chimie și fizică. În experimentele sale, omul de știință a dovedit că în timpul divizării poloniului au loc radiații, cauzate de particule care nu au încărcătură, cu o masă de 1,008665. Noua particulă elementară a fost numită neutron. Descoperirea și studiul proprietăților sale au permis oamenilor de știință sovietici V. Gapon și D. Ivanenko să creeze o nouă teorie a structurii nucleului atomic care conține protoni și neutroni.

Conform noii teorii, definiția unui atom de materie era următoarea: este o unitate structurală a unui element chimic, constând dintr-un nucleu care conține protoni și neutroni și electroni care se mișcă în jurul lui. Numărul de particule pozitive din nucleu este întotdeauna egal cu numărul ordinal al elementului chimic din sistemul periodic.

Mai târziu, profesorul A. Zhdanov a confirmat în experimentele sale că sub influența radiațiilor cosmice dure nuclee atomiceîmpărțit în protoni și neutroni. În plus, s-a dovedit că forțele care le dețin particule elementareîn miez, extrem de consumator de energie. Ele operează la distanțe foarte mici (de ordinul a 10 -23 cm) și se numesc nucleare. După cum am menționat mai devreme, chiar și M. V. Lomonosov a reușit să dea o definiție a unui atom și a unei molecule pe baza faptelor științifice cunoscute de el.

În prezent, următorul model este considerat general acceptat: un atom este format dintr-un nucleu și electroni care se mișcă în jurul lui de-a lungul unor traiectorii strict definite - orbitali. Electronii prezintă simultan proprietățile atât ale particulelor, cât și ale undelor, adică au o natură duală. Aproape toată masa sa este concentrată în nucleul unui atom. Este format din protoni și neutroni legați de forțe nucleare.

Este posibil să cântăriți un atom

Se pare că fiecare atom are masă. De exemplu, pentru hidrogen, este de 1,67x10 -24 g. Este chiar greu de imaginat cât de mică este această valoare. Pentru a afla greutatea unui astfel de obiect, ei nu folosesc cântare, ci un oscilator, care este un nanotub de carbon. Pentru a calcula greutatea unui atom și a unei molecule, o valoare mai convenabilă este masa relativă. Acesta arată de câte ori greutatea unei molecule sau a unui atom este mai mare decât 1/12 dintr-un atom de carbon, care este 1,66x10 -27 kg. Masele atomice relative sunt date în sistemul periodic de elemente chimice și nu au dimensiuni.

Oamenii de știință știu bine că masă atomică elementul chimic este valoarea medie numerele de masă toți izotopii săi. Se pare că, în natură, unitățile unui element chimic pot avea mase diferite. În acest caz, sarcinile nucleelor ​​unor astfel de particule structurale sunt aceleași.

Oamenii de știință au descoperit că izotopii diferă în ceea ce privește numărul de neutroni din nucleu, iar sarcina nucleelor ​​lor este aceeași. De exemplu, un atom de clor cu o masă de 35 conține 18 neutroni și 17 protoni și cu o masă de 37 - 20 de neutroni și 17 protoni. Multe elemente chimice sunt amestecuri de izotopi. De exemplu, substanțe simple precum potasiul, argonul, oxigenul conțin atomi reprezentând 3 izotopi diferiți.

Definiţia atomism

Are mai multe interpretări. Luați în considerare ce se înțelege prin acest termen în chimie. Dacă atomii oricărui element chimic sunt capabili să existe cel puțin pentru o perioadă scurtă de timp separat, fără a se strădui să formeze o particulă mai complexă - o moleculă, atunci ei spun că astfel de substanțe au o structură atomică. De exemplu, o reacție de clorinare a metanului în mai multe etape. Este utilizat pe scară largă în chimia sintezei organice pentru a obține cei mai importanți derivați cu conținut de halogen: diclormetan, tetraclorura de carbon. Împarte moleculele de clor în atomi foarte reactivi. Ei rup legăturile sigma din molecula de metan, oferind reacție în lanț substituţie.

Un alt exemplu de proces chimic care are mare importanțăîn industrie, utilizarea peroxidului de hidrogen ca dezinfectant și agent de albire. Determinarea oxigenului atomic, ca produs al descompunerii peroxidului de hidrogen, are loc atât în ​​celulele vii (sub acțiunea enzimei catalaze), cât și în condiții de laborator. determinat calitativ de proprietățile sale antioxidante ridicate, precum și de capacitatea de a distruge agenții patogeni: bacterii, ciuperci și sporii acestora.

Cum este învelișul atomic

Am aflat deja mai devreme că unitatea structurală a unui element chimic are o structură complexă. Electronii se rotesc în jurul unui nucleu încărcat pozitiv. Laureatul Premiului Nobel Niels Bohr, bazat pe teoria cuantică a luminii, și-a creat doctrina, în care caracteristicile și definiția unui atom sunt următoarele: electronii se mișcă în jurul nucleului doar de-a lungul anumitor traiectorii staționare, în timp ce nu radiază energie. Doctrina lui Bohr a demonstrat că particulele microlumii, care includ atomi și molecule, nu respectă legile care sunt valabile pentru corpurile mari - obiectele macrocosmosului.

Structura învelișurilor de electroni ale macroparticulelor a fost studiată în lucrările de fizică cuantică de către oameni de știință precum Hund, Pauli, Klechkovsky. Așa că a devenit cunoscut faptul că electronii fac mișcări de rotație în jurul nucleului nu aleatoriu, ci de-a lungul anumitor traiectorii staționare. Pauli a descoperit că în cadrul unui nivel de energie pe fiecare dintre orbitalii săi s, p, d, f în celulele electronice nu pot exista mai mult de două particule încărcate negativ cu spini opuși + ½ și - ½.

Regula lui Hund a explicat modul în care orbitalii cu același nivel de energie sunt umpluți corect cu electroni.

Regula Klechkovsky, numită și regula n + l, a explicat modul în care sunt umpluți orbitalii atomilor multielectroni (elemente de 5, 6, 7 perioade). Toate regularitățile de mai sus au servit drept justificare teoretică pentru sistemul de elemente chimice creat de Dmitri Mendeleev.

Stare de oxidare

Este un concept fundamental în chimie și caracterizează starea unui atom dintr-o moleculă. Definiția modernă a stării de oxidare a atomilor este următoarea: aceasta este sarcina condiționată a unui atom dintr-o moleculă, care este calculată pe baza noțiunii că molecula are doar o compoziție ionică.

Starea de oxidare poate fi exprimată ca un număr întreg sau fracționar, cu valori pozitive, negative sau zero. Cel mai adesea, atomii elementelor chimice au mai multe stări de oxidare. De exemplu, azotul are -3, -2, 0, +1, +2, +3, +4, +5. Dar un astfel de element chimic precum fluorul, în toți compușii săi, are o singură stare de oxidare, egală cu -1. Dacă este prezentat o substanță simplă, atunci starea sa de oxidare este zero. Această cantitate chimică este convenabilă de utilizat pentru clasificarea substanțelor și pentru descrierea proprietăților acestora. Cel mai adesea, starea de oxidare a unui atom este utilizată în chimie la compilarea ecuațiilor pentru reacțiile redox.

proprietățile atomilor

Datorită descoperirilor fizică cuantică, definiție modernă atom, bazat pe teoria lui D. Ivanenko și E. Gapon, este completat de următoarele fapte științifice. Structura nucleului unui atom nu se modifică în timpul reacții chimice. Numai orbitalii electroni staționari sunt supuși modificării. Structura lor poate explica o mulțime de proprietăți fizice și chimice ale substanțelor. Dacă un electron părăsește o orbită staționară și merge pe o orbită cu un indice energetic mai mare, un astfel de atom se numește excitat.

Trebuie remarcat faptul că electronii nu pot perioadă lungă de timp să se afle în astfel de orbitali neobișnuiți. Revenind pe orbita sa staționară, electronul emite o cantitate de energie. Studiul unor astfel de caracteristici ale unităților structurale ale elementelor chimice, cum ar fi afinitatea electronică, electronegativitatea, energia de ionizare, a permis oamenilor de știință nu numai să definească atomul ca cea mai importantă particulă a microcosmosului, dar le-a permis și să explice capacitatea atomilor de a se forma. o stare moleculară stabilă și mai favorabilă energetic a materiei, posibilă datorită creației tipuri variate legătură chimică stabilă: ionică, covalent-polară și nepolară, donor-acceptor (ca varietate legătură covalentă) și metal. Acesta din urmă determină cele mai importante proprietăți fizice și chimice ale tuturor metalelor.

S-a stabilit experimental că dimensiunea unui atom se poate schimba. Totul va depinde de moleculă în care este inclus. Datorită analizei de difracție cu raze X, este posibil să se calculeze distanța dintre atomi dintr-un compus chimic, precum și să se afle raza unității structurale a elementului. Cunoscând modelele de schimbare a razelor atomilor incluși într-o perioadă sau grup de elemente chimice, este posibil să se prezică proprietățile lor fizice și chimice. De exemplu, în perioadele cu creșterea sarcinii nucleului atomilor, razele acestora scad („comprimarea atomului”), astfel că proprietățile metalice ale compușilor slăbesc, iar cele nemetalice cresc.

Astfel, cunoștințele despre vă permit să determinați cu exactitate proprietățile fizice și chimice ale tuturor elementelor incluse în sistem periodic Mendeleev.