Structura învelișurilor electronice ale atomilor. Fundamentele structurii atomului

Lecția este dedicată formării de idei despre structura complexă a atomului. Se ia în considerare starea electronilor dintr-un atom, se introduc conceptele de „orbital atomic și nor de electroni”, se introduc formele orbitalilor (orbitali s--, p-, d). De asemenea, sunt luate în considerare aspecte precum numărul maxim de electroni la niveluri și subniveluri energetice, distribuția electronilor pe niveluri de energie și subniveluri în atomii elementelor primelor patru perioade, electronii de valență ai elementelor s-, p- și d-elementelor. Este prezentată o diagramă grafică a structurii straturilor electronice de atomi (formula electrografică).

Subiect: Structura atomului. Legea periodică DI. Mendeleev

Lecția: Structura atomului

Tradus din greacă, cuvânt " atom"înseamnă „indivizibil”. S-au descoperit însă fenomene care demonstrează posibilitatea împărțirii acesteia. Această emisie raze X, emisia de raze catodice, fenomenul efectului fotoelectric, fenomenul radioactivitatii. Electronii, protonii și neutronii sunt particulele care alcătuiesc un atom. Sunt chemați particule subatomice.

Tab. unu

Pe lângă protoni, nucleul majorității atomilor conține neutroni care nu costă. După cum se vede din tabel. 1, masa neutronului practic nu diferă de masa protonului. Protonii și neutronii formează nucleul unui atom și se numesc nucleonii (nucleu - nucleu). Sarcinile și masele lor în unități de masă atomică (a.m.u.) sunt prezentate în Tabelul 1. Când se calculează masa unui atom, masa unui electron poate fi neglijată.

Masa unui atom ( numar de masa) este egală cu suma maselor protonilor și neutronilor care formează nucleul său. Numărul de masă este notat cu literă DAR. Din denumirea acestei mărimi, se poate observa că este strâns legată de masa atomică a elementului rotunjit la un număr întreg. A=Z+N

Aici A- numărul de masă al unui atom (suma protonilor și neutronilor); Z- sarcina nucleara (numarul de protoni din nucleu), N este numărul de neutroni din nucleu. Conform doctrinei izotopilor, conceptului de „element chimic” i se poate da următoarea definiție:

element chimic Se numește un grup de atomi cu aceeași sarcină nucleară.

Unele elemente există ca multiple izotopi. „Izotopi” înseamnă „ocupând același loc”. Izotopii au același număr de protoni, dar diferă ca masă, adică numărul de neutroni din nucleu (numărul N). Deoarece neutronii nu au practic niciun efect asupra Proprietăți chimice elemente, toți izotopii aceluiași element nu se disting din punct de vedere chimic.

Izotopii sunt numiți varietăți de atomi ai aceluiași element chimic cu aceeași sarcină nucleară (adică cu acelasi numar protoni), dar cu număr diferit neutroni din nucleu.

Izotopii diferă unul de celălalt doar prin numărul de masă. Acest lucru este indicat fie printr-un superscript în colțul din dreapta, fie într-o linie: 12 C sau C-12 . Dacă un element conține mai mulți izotopi naturali, atunci în tabelul periodic D.I. Mendeleev indică masa atomică medie, ținând cont de prevalență. De exemplu, clorul conține 2 izotopi naturali 35 Cl și 37 Cl, al căror conținut este de 75%, respectiv 25%. Astfel, masa atomică a clorului va fi egală cu:

DARr(Cl)=0,75 . 35+0,25 . 37=35,5

Pentru atomii grei sintetizați artificial, este dată o valoare masă atomicăîntre paranteze drepte. Aceasta este masa atomică a celui mai stabil izotop element dat.

Modele de bază ale structurii atomului

Din punct de vedere istoric, modelul Thomson al atomului a fost primul în 1897.

Orez. 1. Model al structurii atomului de J. Thomson

Fizicianul englez J. J. Thomson a sugerat că atomii constau dintr-o sferă încărcată pozitiv în care electronii sunt intercalate (Fig. 1). Acest model se numește figurativ „budincă de prune”, o chiflă cu stafide (unde „stafidele” sunt electroni) sau „pepenele verde” cu „semințe” - electroni. Cu toate acestea, acest model a fost abandonat, deoarece s-au obținut date experimentale care l-au contrazis.

Orez. 2. Modelul structurii atomului de E. Rutherford

În 1910, fizicianul englez Ernst Rutherford, împreună cu studenții săi Geiger și Marsden, au condus un experiment care a dat rezultate uimitoare care erau inexplicabile din punctul de vedere al modelului Thomson. Ernst Rutherford a dovedit prin experiență că în centrul atomului se află un nucleu încărcat pozitiv (fig. 2), în jurul căruia, asemenea planetelor în jurul Soarelui, se învârt electronii. Atomul în ansamblu este neutru din punct de vedere electric, iar electronii sunt ținuți în atom datorită forțelor de atracție electrostatică (forțele Coulomb). Acest model a avut multe contradicții și, cel mai important, nu a explicat de ce electronii nu cad pe nucleu, precum și posibilitatea de absorbție și emisie de energie de către acesta.

Fizicianul danez N. Bohr în 1913, luând ca bază modelul atomului lui Rutherford, a propus un model al atomului în care particulele de electroni se învârt în jurul nucleului atomic în aproape același mod în care planetele se învârt în jurul Soarelui.

Orez. 3. Modelul planetar al lui N. Bohr

Bohr a sugerat că electronii dintr-un atom pot exista stabil doar pe orbite la distanțe strict definite de nucleu. Aceste orbite le-a numit staționare. Un electron nu poate exista în afara orbitelor staționare. De ce este așa, Bohr nu a putut explica la momentul respectiv. Dar el a arătat că un astfel de model (Fig. 3) face posibilă explicarea multor fapte experimentale.

Folosit în prezent pentru a descrie structura atomului mecanica cuantică. Aceasta este o știință, al cărei aspect principal este că electronul are proprietățile unei particule și ale unei unde în același timp, adică dualitatea undă-particulă. Conform mecanica cuantică, se numește regiunea spațiului în care probabilitatea de a găsi un electron este cea mai mareorbital. Cu cât electronul este mai departe de nucleu, cu atât energia sa de interacțiune cu nucleul este mai mică. Se formează electroni cu energii apropiate nivel de energie. Numărul de niveluri de energie egală numărul perioadei, în care acest element este situat în tabelul D.I. Mendeleev. Exista diferite forme orbitali atomici. (Fig. 4). Orbitalul d și orbitalul f au o formă mai complexă.

Orez. 4. Formele orbitalilor atomici

Există exact la fel de mulți electroni în învelișul de electroni al oricărui atom cât de protoni există în nucleul său, astfel încât atomul în ansamblu este neutru din punct de vedere electric. Electronii dintr-un atom sunt aranjați astfel încât energia lor să fie minimă. Cu cât electronul este mai departe de nucleu, cu atât sunt mai mulți orbitali și cu atât forma lor este mai complexă. Fiecare nivel și subnivel poate conține doar un anumit număr de electroni. Subnivelurile, la rândul lor, constau în orbitali.

La primul nivel de energie, cel mai aproape de nucleu, poate exista un orbital sferic ( 1 s). La al doilea nivel de energie - un orbital sferic, de dimensiuni mari și trei orbitali p: 2 s2 ppp. La al treilea nivel: 3 s3 ppp3 dddd.

Pe lângă mișcarea în jurul nucleului, electronii au și mișcare, care poate fi reprezentată ca mișcarea lor în jurul propriei axe. Această rotație se numește a învârti (în bandă din engleza. "ax"). Doar doi electroni cu spini opuși (antiparaleli) pot fi într-un orbital.

Maxim numărul de electroni pe nivel de energie este determinat de formula N=2 n 2.

Unde n este principalul număr cuantic(numărul nivelului energetic). Vezi tabelul. 2

Tab. 2

În funcție de orbital în care se află ultimul electron, se disting s-, p-, d-elemente. Elementelor principalelor subgrupe aparțin s-, p-elemente.În subgrupele laterale sunt d-elemente

Schema grafică a structurii straturilor electronice de atomi (formula grafică electronică).

Pentru a descrie aranjarea electronilor în orbitalii atomici, se utilizează configurația electronică. Pentru a o scrie într-o linie, se scriu orbitalii legendă (s--, p-, d-,f-orbitali), iar în fața lor sunt numere care indică numărul nivelului de energie. Cum mai mult număr cu atât electronul este mai departe de nucleu. În litere mari, deasupra desemnării orbitalului, este scris numărul de electroni din acest orbital (Fig. 5).

Orez. 5

Grafic, distribuția electronilor în orbitalii atomici poate fi reprezentată ca celule. Fiecare celulă corespunde unui orbital. Vor exista trei astfel de celule pentru orbitalul p, cinci pentru orbitalul d și șapte pentru orbitalul f. O celulă poate conține 1 sau 2 electroni. Conform regula lui Gund, electronii sunt distribuiți în orbitali de aceeași energie (de exemplu, în trei orbitali p), primul câte unul și numai atunci când există deja câte un electron în fiecare astfel de orbital, începe umplerea acestor orbitali cu al doilea electroni. Astfel de electroni se numesc pereche. Acest lucru se explică prin faptul că în celulele învecinate, electronii se resping reciproc mai puțin, ca particule încărcate similar.

Vezi fig. 6 pentru atomul 7 N.

Orez. 6

Configurația electronică a atomului de scandiu

21 sc: 1 s 2 2 s 2 2 p 6 3 s 2 3 p 6 4 s 2 3 d 1

Electronii din nivelul energetic exterior se numesc electroni de valență. 21 sc se refera la d-elemente.

Rezumând lecția

La lecție s-a luat în considerare structura atomului, starea electronilor din atom, a fost introdus conceptul de „orbital atomic și nor de electroni”. Elevii au învățat care este forma orbitalilor ( s-, p-, d-orbitali), care este numărul maxim de electroni la niveluri și subniveluri de energie, distribuția electronilor pe niveluri de energie, ce este s-, p- și d-elemente. Este prezentată o diagramă grafică a structurii straturilor electronice de atomi (formula electrografică).

Bibliografie

1. Rudzitis G.E. Chimie. Bazele Chimie generală. Clasa a 11-a: manual pentru institutii de invatamant: nivel de bază / G.E. Rudzitis, F.G. Feldman. - Ed. a XIV-a. - M.: Educație, 2012.

2. Popel P.P. Chimie: Clasa a 8-a: un manual pentru învățământul general institutii de invatamant/ P.P. Popel, L.S. Krivlya. - K .: Centrul de informare „Academia”, 2008. - 240 p.: ill.

3. A.V. Manuilov, V.I. Rodionov. Fundamentele chimiei. Tutorial pe internet.

Teme pentru acasă

1. Nr 5-7 (p. 22) Rudzitis G.E. Chimie. Fundamentele Chimiei Generale. Clasa a 11-a: manual pentru institutii de invatamant: nivel de baza / G.E. Rudzitis, F.G. Feldman. - Ed. a XIV-a. - M.: Educație, 2012.

2. Scrieți formule electronice pentru următoarele elemente: 6 C, 12 Mg, 16 S, 21 Sc.

3. Elementele au următoarele formule electronice: a) 1s 2 2s 2 2p 4 .b) 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 1. c) 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 6 4s 2 . Care sunt aceste elemente?

Atom este o particulă neutră din punct de vedere electric constând dintr-un nucleu încărcat pozitiv și electroni încărcați negativ.

Structura nucleelor atomice

Nuclei de atomi constau din particule elementare doua tipuri: protoni(p) și neutroni(n). Se numește suma protonilor și neutronilor din nucleul unui atom numărul de nucleon:
,
Unde DAR- numărul nucleonilor, N- numărul de neutroni, Z este numărul de protoni.
Protonii au sarcină pozitivă (+1), neutronii nu au sarcină (0), electronii au sarcină negativă (-1). Masele unui proton și ale unui neutron sunt aproximativ aceleași, se iau egale cu 1. Masa unui electron este mult mai mică decât masa unui proton, de aceea este neglijată în chimie, având în vedere că întreaga masă a unui atom este concentrat în nucleul său.
Numărul de protoni încărcați pozitiv din nucleu este egal cu numărul de electroni încărcați negativ, apoi atomul ca întreg neutru din punct de vedere electric.
Atomii cu aceeași sarcină nucleară sunt element chimic.
Se numesc atomii diferitelor elemente nuclizi.
izotopi- atomi ai aceluiasi element, avand un numar de nucleoni diferit datorita unui numar diferit de neutroni din nucleu.
Izotopi ai hidrogenului

Nume	A	Z	N
Protium N	1	1	0
Deuteriu D	2	1	1
Tritiu T	3	1	2

dezintegrare radioactivă

Nucleele nuclizilor se pot degrada odată cu formarea de nuclee a altor elemente, precum și a altor particule.
Dezintegrarea spontană a atomilor anumitor elemente se numește radioactiv yu, și astfel de substanțe - radioactivși. Radioactivitatea este însoțită de emisia de particule elementare și unde electromagnetice - radiatii G.
Ecuația dezintegrarii nucleare- reactii nucleare - se scriu astfel:

Se numește timpul necesar pentru ca jumătate din atomii unui nuclid dat să se descompună jumătate de viață.
Elementele care conțin numai izotopi radioactivi sunt numite radioactiv s. Acestea sunt elementele 61 și 84-107.

Tipuri de dezintegrare radioactivă

1) -rozpa e. -se emit particule, i.e. nucleele unui atom de heliu. În acest caz, numărul de nucleoni al izotopului scade cu 4, iar sarcina nucleului scade cu 2 unități, de exemplu:

2) -rozpa e. Într-un nucleu instabil, un neutron se transformă într-un proton, în timp ce nucleul emite electroni și antineutrini. În timpul dezintegrarii, numărul nucleonilor nu se modifică, iar sarcina nucleară crește cu 1, de exemplu:

3) -rozpa e. Un nucleu excitat emite raze cu o lungime de undă foarte scurtă, în timp ce energia nucleului scade, numărul nucleonilor și sarcina nucleului nu se modifică, de exemplu:

Structura învelișuri de electroni atomii elementelor primelor trei perioade

Electronul are o natură duală: se poate comporta atât ca o particulă, cât și ca o undă. Un electron dintr-un atom nu se mișcă de-a lungul anumitor traiectorii, ci poate fi localizat în orice parte din jurul spațiului nuclear, cu toate acestea, probabilitatea ca acesta să fie în părți diferite acest spațiu nu este același. Se numește zona din jurul nucleului unde este probabil să se afle un electron orbital Yu.
Fiecare electron dintr-un atom este situat la o anumită distanță de nucleu în funcție de rezerva sa de energie. Electronii cu mai mult sau mai puțin aceeași formă de energie energie rіvnși, sau stratul electronicși.
Numărul de niveluri de energie umplute cu electroni într-un atom al unui element dat este egal cu numărul perioadei în care se află.
Numărul de electroni din nivelul de energie exterior este egal cu numărul grupului, înpe care se află elementul.
În cadrul aceluiași nivel de energie, electronii pot diferi ca formă e noriiși, sau orbitalși. Există astfel de forme de orbitali:
s-forma:
p-forma:
Există, de asemenea d-, f-orbitale si altele cu o forma mai complexa.
Electronii cu aceeași formă a norului de electroni formează la fel alimentare cu energieși: s-, p-, d-, f-subniveluri.
Numărul de subniveluri la fiecare nivel de energie este egal cu numărul acestui nivel.
În cadrul unui subnivel energetic este posibil distribuție diferită orbitali în spațiu. Deci, într-un sistem de coordonate tridimensional pentru s Orbitalii pot avea o singură poziție:

pentru R-orbitali - trei:

pentru d-orbitali - cinci, pentru f-orbitali - sapte.
Orbitalii reprezinta:
s-subnivel-
p-subnivel-
d-subnivel-
Un electron din diagrame este indicat printr-o săgeată care indică spinul său. Spinul este rotația unui electron în jurul axei sale. Este indicat printr-o săgeată: sau . Doi electroni în același orbital sunt scrieți, dar nu.
Nu pot exista mai mult de doi electroni într-un orbital ( principiul Pauli).
Principiul energiei minime al : într-un atom, fiecare electron este situat astfel încât energia lui să fie minimă (ceea ce corespunde celei mai mari legături cu nucleul).
De exemplu, distribuția electronilor în atomul de clorîn:

Un electron nepereche determină valența clorului în această stare - I.
În timpul primirii de energie suplimentară (iradiere, încălzire), este posibilă separarea electronilor (promovare). Această stare a atomului se numește zbudzheni m. În acest caz, numărul de electroni nepereche crește și, în consecință, valența atomului se modifică.
Starea excitată a atomului de clorîn :

În consecință, printre numărul de electroni nepereche, clorul poate avea valențe III, V și VII.

Totul în lume este alcătuit din atomi. Dar de unde au venit și în ce constau ei înșiși? Astăzi răspundem la aceste întrebări simple și fundamentale. Într-adevăr, mulți oameni care trăiesc pe planetă spun că nu înțeleg structura atomilor, din care ei înșiși sunt alcătuiți.

Desigur, dragul cititor înțelege că în acest articol încercăm să prezentăm totul la cel mai simplu și interesant nivel, prin urmare nu ne „încărcăm” cu termeni științifici. Pentru cei care doresc să studieze problema pentru mai mult nivel profesional, vă sfătuim să citiți literatură de specialitate. Cu toate acestea, informațiile din acest articol pot face o treabă bună în studiile tale și doar te pot face mai erudit.

Un atom este o particulă de materie de dimensiune și masă microscopică, cea mai mică parte a unui element chimic, care este purtătorul proprietăților sale. Cu alte cuvinte, este cea mai mică particulă dintr-o substanță care poate intra în reacții chimice.

Istoria descoperirii și a structurii

Conceptul de atom era cunoscut în Grecia antică. Atomismul este o teorie fizică care afirmă că toate obiectele materiale sunt formate din particule indivizibile. Precum și Grecia antică, ideea de atomism a fost dezvoltată în paralel și în India antică.

Nu se știe dacă extratereștrii le-au spus filosofilor de atunci despre atomi sau ei s-au gândit ei înșiși la asta, dar chimiștii au putut confirma experimental această teorie mult mai târziu - abia în secolul al XVII-lea, când Europa a ieșit din abisul Inchiziției și a Mijlocii. Vârste.

Pentru o lungă perioadă de timp, ideea dominantă a structurii atomului a fost ideea acestuia ca o particulă indivizibilă. Faptul că atomul poate fi încă divizat, a devenit clar abia la începutul secolului al XX-lea. Rutherford, grație celebrului său experiment cu deviația particulelor alfa, a aflat că atomul este format dintr-un nucleu în jurul căruia se învârt electronii. A fost acceptat model planetar atom, conform căruia electronii se învârt în jurul nucleului, la fel ca planetele sistemului nostru solar în jurul unei stele.

Ideile moderne despre structura atomului au avansat mult. Nucleul unui atom, la rândul său, este format din particule subatomice sau nucleoni - protoni și neutroni. Nucleonii sunt cei care formează cea mai mare parte a atomului. În același timp, protonii și neutronii nu sunt, de asemenea, particule indivizibile și constau din particule fundamentale - quarci.

Nucleul unui atom are un pozitiv incarcare electrica, în timp ce electronii care orbitează sunt negativi. Astfel, atomul este neutru din punct de vedere electric.

Mai jos este o diagramă elementară a structurii atomului de carbon.

proprietățile atomilor

Greutate

Masa atomilor este de obicei măsurată în unități de masă atomică - a.m.u. O unitate de masă atomică este masa a 1/12 dintr-un atom de carbon liber în repaus în starea sa fundamentală.

În chimie, pentru a măsura masa atomilor, se folosește conceptul "mol". 1 mol este cantitatea de substanță care conține un număr de atomi egal cu numărul lui Avogadro.

Marimea

Atomii sunt extrem de mici. Deci, cel mai mic atom este atomul de heliu, raza lui este de 32 picometri. Cel mai mare atom este atomul de cesiu, care are o rază de 225 picometri. Prefixul pico înseamnă zece la minus doisprezecea! Adică, dacă 32 de metri se reduc de o mie de miliarde de ori, vom obține dimensiunea razei unui atom de heliu.

În același timp, amploarea lucrurilor este de așa natură încât, de fapt, atomul constă în 99% din vid. Nucleul și electronii ocupă o parte extrem de mică din volumul său. Pentru a ilustra, să ne uităm la un exemplu. Dacă vă imaginați un atom sub forma unui stadion olimpic la Beijing (sau poate nu în Beijing, doar imaginați-vă un stadion mare), atunci nucleul acestui atom va fi o cireșă situată în centrul terenului. Orbitele electronilor ar fi atunci undeva la nivelul standurilor superioare, iar cireșul ar cântări 30 de milioane de tone. Impresionant, nu-i așa?

De unde au venit atomii?

După cum știți, acum diverși atomi sunt grupați în tabelul periodic. Are 118 (și dacă cu elemente prezise, dar nedescoperite încă - 126) elemente, fără a număra izotopii. Dar nu a fost întotdeauna așa.

La începutul formării Universului, nu existau atomi și, cu atât mai mult, existau doar particule elementare, interacționând între ele sub influența unor temperaturi enorme. După cum ar spune un poet, a fost o adevărată apoteoză a particulelor. În primele trei minute de existență a Universului, din cauza scăderii temperaturii și a coincidenței unui grup întreg de factori, a început procesul de nucleosinteză primară, când au apărut primele elemente din particule elementare: hidrogen, heliu, litiu și deuteriu (hidrogen greu). Din aceste elemente s-au format primele stele, în adâncurile cărora au avut loc reacții termonucleare, în urma cărora hidrogenul și heliul au „ars”, formând elemente mai grele. Dacă steaua era suficient de mare, atunci și-a încheiat viața cu așa-numita explozie „supernovă”, în urma căreia atomii au fost ejectați în spațiul înconjurător. Și așa s-a dovedit întregul tabel periodic.

Deci, putem spune că toți atomii din care suntem alcătuiți au fost cândva parte a stelelor antice.

De ce nucleul unui atom nu se descompune?

În fizică, există patru tipuri de interacțiuni fundamentale între particule și corpurile pe care le compun. Acestea sunt interacțiuni puternice, slabe, electromagnetice și gravitaționale.

Datorită interacțiunii puternice, care se manifestă la scara nucleelor atomice și este responsabilă pentru atracția dintre nucleoni, atomul este o „nucă dură”.

Nu cu mult timp în urmă, oamenii și-au dat seama că atunci când nucleele atomilor se divid, se eliberează o energie uriașă. Fisiunea nucleelor atomice grele este o sursă de energie în reactoare nucleareși arme nucleare.

Așadar, prieteni, după ce v-am prezentat structura și fundamentele structurii atomului, nu putem decât să vă reamintim că suntem gata să vă ajutăm în orice moment. Nu contează, trebuie să finalizați o diplomă în fizica nucleara, sau cel mai mic control - situațiile sunt diferite, dar există o cale de ieșire din orice situație. Gândiți-vă la amploarea Universului, comandați un loc de muncă la Zaochnik și amintiți-vă - nu există niciun motiv să vă faceți griji.

(Note de curs)

Structura atomului. Introducere.

Obiectul de studiu în chimie îl reprezintă elementele chimice și compușii acestora. element chimic Se numește un grup de atomi cu aceeași sarcină pozitivă. Atom este cea mai mică particulă a unui element chimic care o reține Proprietăți chimice. Prin legarea între ei, atomii unuia sau ai diferitelor elemente formează particule mai complexe - molecule. O colecție de atomi sau molecule formează substanțe chimice. Fiecare substanță chimică individuală este caracterizată de un set de proprietăți fizice individuale, cum ar fi punctele de fierbere și de topire, densitatea, conductivitatea electrică și termică etc.

1. Structura atomului și sistemul periodic de elemente

DI. Mendeleev.

Cunoașterea și înțelegerea regularităților ordinii de umplere a Sistemului periodic de elemente D.I. Mendeleev ne permite să înțelegem următoarele:

1. esența fizică a existenței în natură a anumitor elemente,

2. natura valenței chimice a elementului,

3. capacitatea și „ușurința” unui element de a da sau primi electroni atunci când interacționează cu un alt element,

4. natura legăturilor chimice pe care le poate forma un element dat atunci când interacționează cu alte elemente, structura spațială a moleculelor simple și complexe etc., etc.

Structura atomului.

Un atom este un microsistem complex de particule elementare aflate în mișcare și care interacționează între ele.

La sfârșitul secolului al XIX-lea și începutul secolului al XX-lea, s-a constatat că atomii sunt formați din particule mai mici: neutroni, protoni și electroni.Ultimele două particule sunt particule încărcate, protonul poartă o sarcină pozitivă, electronul este negativ. Deoarece atomii unui element în starea fundamentală sunt neutri din punct de vedere electric, aceasta înseamnă că numărul de protoni dintr-un atom al oricărui element este egal cu numărul de electroni. Masa atomilor este determinată de suma maselor de protoni și neutroni, al căror număr este egal cu diferența dintre masa atomilor și numărul său de serie în sistemul periodic al D.I. Mendeleev.

În 1926, Schrodinger a propus să descrie mișcarea microparticulelor în atomul unui element folosind ecuația de undă pe care a derivat-o. Când se rezolvă ecuația de undă Schrödinger pentru atomul de hidrogen, apar trei numere cuantice întregi: n, ℓ și m ℓ , care caracterizează starea unui electron în spațiul tridimensional din câmpul central al nucleului. numere cuantice n, ℓ și m ℓ iau valori întregi. Funcția de undă definită de trei numere cuantice n, ℓ și m ℓ şi obţinută în urma rezolvării ecuaţiei Schrödinger se numeşte orbital. Un orbital este o regiune a spațiului în care este cel mai probabil să se găsească un electron. aparținând unui atom al unui element chimic. Astfel, soluția ecuației Schrödinger pentru atomul de hidrogen duce la apariția a trei numere cuantice, sens fizic adică ele caracterizează cele trei tipuri diferite de orbitali pe care le poate avea un atom. Să aruncăm o privire mai atentă asupra fiecărui număr cuantic.

Numărul cuantic principal n poate lua orice valori întregi pozitive: n = 1,2,3,4,5,6,7... Caracterizează energia nivelului electronic și dimensiunea „norului” electronic. Este caracteristic că numărul numărului cuantic principal coincide cu numărul perioadei în care se află elementul dat.

Număr cuantic azimutal sau orbitalℓ poate lua valori întregi de la ℓ = 0….până la n – 1 și determină momentul mișcării electronilor, adică formă orbitală. Pentru diferite valori numerice ale ℓ utilizați urmatoarea notatie: ℓ = 0, 1, 2, 3 și sunt notate prin simboluri s, p, d, f, respectiv pentru ℓ = 0, 1, 2 și 3. În tabelul periodic al elementelor nu există elemente cu număr de spin ℓ = 4.

Număr cuantic magneticm ℓ caracterizează aranjarea spațială a orbitalilor electronilor și, în consecință, proprietățile electromagnetice ale electronului. Poate lua valori de la - ℓ la + ℓ , inclusiv zero.

Forma sau, mai precis, proprietățile de simetrie ale orbitalilor atomici depind de numerele cuantice ℓ și m ℓ . „nor electronic”, corespunzător s- orbitalii are, are forma unei bile (în același timp ℓ = 0).

Fig.1. orbital 1s

Orbitalii definiți prin numere cuantice ℓ = 1 și m ℓ = -1, 0 și +1 se numesc p-orbitali. Deoarece m ℓ are trei valori diferite, atunci atomul are trei p-orbitali echivalenti energetic (numărul cuantic principal pentru ei este același și poate avea valoarea n = 2,3,4,5,6 sau 7). Orbitalii p au simetrie axială și au forma unor opturi tridimensionale, orientați de-a lungul axelor x, y și z într-un câmp extern (Fig. 1.2). De aici și originea simbolurilor p x , p y și p z .

Fig.2. p x , p y și p z -orbitali

În plus, există orbitali atomici d- și f, pentru primul ℓ = 2 și m ℓ = -2, -1, 0, +1 și +2, adică. cinci AO, pentru al doilea ℓ = 3 și m ℓ = -3, -2, -1, 0, +1, +2 și +3, i.e. 7 AO.

a patra cuantă m s numit număr cuantic de spin, a fost introdus pentru a explica unele efecte subtile în spectrul atomului de hidrogen de către Goudsmit și Uhlenbeck în 1925. Spinul unui electron este momentul unghiular al unei particule elementare încărcate a unui electron, a cărei orientare este cuantificată, adică limitată strict la anumite unghiuri. Această orientare este determinată de valoarea numărului cuantic magnetic de spin (s), care este pentru un electron ½ , deci, pentru un electron, conform regulilor de cuantizare m s = ± ½. În acest sens, la setul de trei numere cuantice, trebuie adăugat numărul cuantic m s . Subliniem încă o dată că patru numere cuantice determină ordinea în care este construit tabelul periodic al elementelor lui Mendeleev și explicăm de ce sunt doar două elemente în prima perioadă, opt în a doua și a treia, 18 în a patra și așa mai departe. , pentru a explica structura multielectronului atomilor, ordinea în care nivelurile electronice sunt umplute pe măsură ce sarcina pozitivă a unui atom crește, nu este suficient să avem o idee despre cele patru numere cuantice care „guvernează” comportamentul electronilor. atunci când umpleți orbitalii electronici, dar trebuie să știți mai multe reguli simple, și anume, Principiul lui Pauli, regula lui Gund și regulile lui Klechkovsky.

Conform principiului Pauli în aceeași stare cuantică, caracterizată prin anumite valori a patru numere cuantice, nu poate exista mai mult de un electron. Aceasta înseamnă că un electron poate fi, în principiu, plasat în orice orbital atomic. Doi electroni pot fi în același orbital atomic numai dacă au numere cuantice de spin diferite.

Când umpleți trei p-AO-uri, cinci d-AO-uri și șapte f-AO-uri cu electroni, ar trebui să vă ghidați nu numai de principiul Pauli, ci și de regula Hund: Umplerea orbitalilor unui subshell în starea fundamentală are loc cu electroni cu aceiași spini.

La umplerea subcociilor (p, d, f) valoarea absolută a sumei rotirilor trebuie să fie maximă.

regula lui Klechkovsky. Conform regulii Klechkovsky, la umplered și forbital de electroni trebuie respectatprincipiul energiei minime. Conform acestui principiu, electronii în starea fundamentală umplu orbitele cu niveluri minime de energie. Energia de subnivel este determinată de suma numerelor cuanticen + ℓ = E .

Prima regulă a lui Klechkovsky: mai întâi umple acele subniveluri pentru caren + ℓ = E minim.

A doua regulă a lui Klechkovsky: în caz de egalitaten + ℓ pentru mai multe subniveluri, subnivelul pentru caren minim .

În prezent, sunt cunoscute 109 elemente.

2. Energia de ionizare, afinitatea electronică și electronegativitatea.

Cele mai importante caracteristici ale configurației electronice a unui atom sunt energia de ionizare (EI) sau potențialul de ionizare (IP) și afinitatea electronică (SE) a atomului. Energia de ionizare este modificarea energiei în procesul de desprindere a unui electron de un atom liber la 0 K: A = + + ē . Dependența energiei de ionizare de numărul atomic Z al elementului, dimensiunea razei atomice are un caracter periodic pronunțat.

Afinitatea electronică (SE) este modificarea energiei care însoțește adăugarea unui electron la un atom izolat cu formarea unui ion negativ la 0 K: A + ē = A - (atomul și ionul sunt în starea lor fundamentală).În acest caz, electronul ocupă cel mai jos orbital atomic liber (LUAO) dacă VZAO este ocupat de doi electroni. SE depinde foarte mult de configurația lor electronică orbitală.

Modificările EI și SE se corelează cu modificările multor proprietăți ale elementelor și compușilor acestora, care este folosit pentru a prezice aceste proprietăți din valorile EI și SE. Halogenii au cea mai mare afinitate electronică absolută. În fiecare grupă a tabelului periodic al elementelor, potențialul de ionizare sau EI scade odată cu creșterea numărului de elemente, ceea ce este asociat cu o creștere a razei atomice și cu o creștere a numărului de straturi de electroni și care se corelează bine cu o creștere a puterea de reducere a elementului.

Tabelul 1 din Tabelul Periodic al Elementelor oferă valorile EI și SE în eV/atom. Rețineți că valori exacte SE sunt cunoscute doar pentru câțiva atomi, valorile lor sunt subliniate în tabelul 1.

tabelul 1

Prima energie de ionizare (EI), afinitatea electronică (SE) și electronegativitatea χ) a atomilor din sistemul periodic.

0.747

2. 1 0

0, 3 7

1,2 2

0.54

1. 55

-0.3

1. 1 3

0.2

0. 91

1.2 5

-0. 1

0, 55

1.47

0. 59

3.45

0. 64

1 ,60

0. 7 4

1. 89

-0.3

1 . 3 1

1 . 6 0

0. 6

1.63

0.7

2.07

3.61

2.3 6

- 0 .6

1,26(α)

-0.9

1 . 39

0. 18

1.2

0. 6

2.07

3.36

2.4 8

-0.6

1 . 56

0. 2

2.2

2.6 7

2, 2 1

χ - electronegativitatea Pauling

r- raza atomică, (din „Cursele de laborator și seminarii de chimie generală și anorganică”, N.S. Akhmetov, M.K. Azizova, L.I. Badygina)

Conceptul de atom a apărut în lumea antică pentru a desemna particulele de materie. În greacă, atom înseamnă „indivizibil”.

Electronii

Fizicianul irlandez Stoney, pe baza unor experimente, a ajuns la concluzia că electricitatea este transportată de cele mai mici particule care există în atomii tuturor. elemente chimice. În 1891$, Stoney a propus să numească aceste particule electroni, care în greacă înseamnă „chihlimbar”.

La câțiva ani după ce electronul și-a primit numele, fizicianul englez Joseph Thomson și fizicianul francez Jean Perrin au demonstrat că electronii poartă o sarcină negativă. Aceasta este cea mai mică sarcină negativă, care în chimie este luată ca unitate $(–1)$. Thomson a reușit chiar să determine viteza electronului (este egală cu viteza luminii - $300.000$ km/s) și masa electronului (este de $1836$ ori mai mică decât masa atomului de hidrogen).

Thomson și Perrin au conectat polii unei surse de curent cu doi plăci metalice- catod si anod lipite intr-un tub de sticla, din care a fost evacuat aerul. Când s-a aplicat o tensiune de aproximativ 10 mii de volți plăcilor electrodului, o descărcare luminoasă a fulgerat în tub, iar particulele au zburat de la catod (polul negativ) la anod (polul pozitiv), pe care oamenii de știință l-au numit prima dată. raze catodice, și apoi a aflat că era un flux de electroni. Electronii, lovind substanțe speciale aplicate, de exemplu, pe un ecran de televizor, provoacă o strălucire.

S-a făcut concluzia: electronii scapă din atomii materialului din care este făcut catodul.

Electronii liberi sau fluxul lor pot fi obținuți în alte moduri, de exemplu, prin incandescență fir metalic sau când lumina cade asupra metalelor formate din elemente din subgrupul principal al grupei I a tabelului periodic (de exemplu, cesiu).

Starea electronilor într-un atom

Starea unui electron într-un atom este înțeleasă ca un set de informații despre energie electron specific în spaţiuîn care se află. Știm deja că un electron dintr-un atom nu are o traiectorie de mișcare, adică. pot vorbi doar despre probabilități găsindu-l în spaţiul din jurul nucleului. Poate fi situat în orice parte a acestui spațiu care înconjoară nucleul, iar totalitatea diferitelor sale poziții este considerată ca un nor de electroni cu o anumită densitate de sarcină negativă. Figurat, acest lucru poate fi imaginat după cum urmează: dacă ar fi posibil să se fotografieze poziția unui electron într-un atom în sutimi sau milioane de secundă, ca într-un finisaj foto, atunci electronul din astfel de fotografii ar fi reprezentat ca un punct. Suprapunerea a nenumărate astfel de fotografii ar avea ca rezultat o imagine a unui nor de electroni cu cea mai mare densitate acolo unde există majoritatea acestor puncte.

Figura prezintă o „tăiere” a unei astfel de densități de electroni într-un atom de hidrogen care trece prin nucleu, iar o sferă este delimitată de o linie întreruptă, în interiorul căreia probabilitatea de a găsi un electron este de $90%$. Conturul cel mai apropiat de nucleu acoperă regiunea spațiului în care probabilitatea de a găsi un electron este $10%$, probabilitatea de a găsi un electron în interiorul celui de-al doilea contur din nucleu este $20%$, în interiorul celui de-al treilea - $≈30 %$ etc. Există o oarecare incertitudine în starea electronului. Pentru a caracteriza această stare specială, fizicianul german W. Heisenberg a introdus conceptul de principiul incertitudinii, adică a arătat că este imposibil să se determine simultan și exact energia și locația electronului. Cu cât energia unui electron este determinată mai precis, cu atât poziția sa este mai incertă și invers, după ce s-a determinat poziția, este imposibil să se determine energia electronului. Regiunea cu probabilitate de detectare a electronilor nu are granițe clare. Cu toate acestea, este posibil să se evidențieze spațiul în care probabilitatea de a găsi un electron este maximă.

spatiu in jur nucleul atomic unde este cel mai probabil să se găsească un electron se numește orbital.

Conține aproximativ 90%$ din norul de electroni, ceea ce înseamnă că aproximativ 90%$ din timpul în care electronul se află în această parte a spațiului. După formă, se disting $4$ dintre tipurile de orbitali cunoscute în prezent, care sunt notați cu literele latine $s, p, d$ și $f$. O reprezentare grafică a unor forme de orbitali electronici este prezentată în figură.

Cea mai importantă caracteristică a mișcării unui electron pe o anumită orbită este energia conexiunii acestuia cu nucleul. Electronii cu valori energetice similare formează un singur stratul electronic, sau nivel de energie. Nivelurile de energie sunt numerotate începând de la nucleu: $1, 2, 3, 4, 5, 6$ și $7$.

Un număr întreg $n$ care denotă numărul nivelului de energie se numește număr cuantic principal.

Caracterizează energia electronilor care ocupă un anumit nivel de energie. Electronii primului nivel energetic, cel mai aproape de nucleu, au cea mai mică energie. În comparație cu electronii primului nivel, electronii nivelurilor următoare se caracterizează printr-o cantitate mare de energie. În consecință, electronii de la nivelul exterior sunt cei mai puțin puternic legați de nucleul atomului.

Numărul de niveluri de energie (straturi electronice) dintr-un atom este egal cu numărul perioadei din sistemul lui D. I. Mendeleev, căruia îi aparține elementul chimic: atomii elementelor primei perioade au un singur nivel de energie; a doua perioadă - două; a șaptea perioadă - șapte.

Cel mai mare număr de electroni din nivelul de energie este determinat de formula:

unde $N$ este numărul maxim de electroni; $n$ este numărul de nivel sau numărul cuantic principal. În consecință: primul nivel de energie cel mai apropiat de nucleu nu poate conține mai mult de doi electroni; pe al doilea - nu mai mult de $8$; pe a treia - nu mai mult de $18$; pe a patra - nu mai mult de $32$. Și cum sunt, la rândul lor, aranjate nivelurile de energie (straturile electronice)?

Pornind de la al doilea nivel energetic $(n = 2)$, fiecare dintre niveluri este subdivizat în subniveluri (substraturi), care diferă oarecum unele de altele prin energia de legare cu nucleul.

Numărul de subniveluri este egal cu valoarea numărului cuantic principal: primul nivel de energie are un subnivel; al doilea - doi; a treia - trei; al patrulea este patru. Subnivelurile, la rândul lor, sunt formate din orbitali.

Fiecare valoare de $n$ corespunde numărului de orbitali egal cu $n^2$. Conform datelor prezentate în tabel, este posibilă urmărirea relației dintre numărul cuantic principal $n$ și numărul de subniveluri, tipul și numărul de orbitali și numărul maxim de electroni pe subnivel și nivel.

Numărul cuantic principal, tipurile și numărul de orbitali, numărul maxim de electroni la subniveluri și niveluri.

Nivel de energie $(n)$	Numărul de subniveluri egal cu $n$	Tip orbital	Numărul de orbitali		Numărul maxim de electroni
			la subnivel	în nivel egal cu $n^2$	la subnivel	la un nivel egal cu $n^2$
$K(n=1)$	$1$	1s$	$1$	$1$	$2$	$2$
$L(n=2)$	$2$	2 s$	$1$	$4$	$2$	$8$
		$2p$	$3$		$6$
$M(n=3)$	$3$	3 s$	$1$	$9$	$2$	$18$
		3p$	$3$		$6$
		$3d$	$5$		$10$
$N(n=4)$	$4$	4 s$	$1$	$16$	$2$	$32$
		$4p$	$3$		$6$
		$4d$	$5$		$10$
		4f$	$7$		$14$

Se obișnuiește să se desemneze subnivelurile cu litere latine, precum și forma orbitalilor din care constau: $s, p, d, f$. Asa de:

$s$-subnivel - primul subnivel al fiecărui nivel energetic cel mai apropiat de nucleul atomic, este format dintr-un $s$-orbital;
$p$-subnivel - al doilea subnivel al fiecăruia, cu excepția primului, nivelul energetic, este format din trei $p$-orbitali;
$d$-subnivel - al treilea subnivel al fiecăruia, începând cu al treilea nivel energetic, este format din cinci $d$-orbitali;
Subnivelul $f$ al fiecăruia, începând de la al patrulea nivel de energie, este format din șapte $f$-orbitali.

nucleul atomic

Dar nu numai electronii fac parte din atomi. Fizicianul Henri Becquerel a descoperit că un mineral natural care conține sare de uraniu emite și radiații necunoscute, luminând filme fotografice care sunt închise de lumină. Acest fenomen a fost numit radioactivitate.

Există trei tipuri de raze radioactive:

$α$-razele, care constau din $α$-particule având o sarcină de $2$ ori mai mare decât sarcina unui electron, dar cu semn pozitiv, și o masă de $4$ ori mai mare decât masa unui atom de hidrogen;
Razele $β$ sunt un flux de electroni;
$γ$-raze - undele electromagnetice cu o masă neglijabilă, fără sarcină electrică.

În consecință, atomul are o structură complexă - constă dintr-un nucleu încărcat pozitiv și electroni.

Cum este aranjat atomul?

În 1910, la Cambridge, lângă Londra, Ernest Rutherford împreună cu studenții și colegii săi au studiat împrăștierea particulelor $α$ care treceau prin folie subțire de aur și cădeau pe un ecran. Particulele alfa au deviat de obicei de la direcția inițială doar cu un grad, confirmând, se pare, uniformitatea și uniformitatea proprietăților atomilor de aur. Și deodată, cercetătorii au observat că unele particule $α$ și-au schimbat brusc direcția traseului, ca și cum ar întâlni un fel de obstacol.

Prin plasarea ecranului în fața foliei, Rutherford a reușit să detecteze chiar și acele cazuri rare în care particulele $α$, reflectate de atomii de aur, zburau în direcția opusă.

Calculele au arătat că fenomenele observate ar putea apărea dacă întreaga masă a atomului și toată sarcina lui pozitivă ar fi concentrate într-un nucleu central minuscul. Raza nucleului, după cum s-a dovedit, este de 100.000 de ori mai mică decât raza întregului atom, acea zonă în care există electroni care au o sarcină negativă. Dacă aplicăm o comparație figurativă, atunci întregul volum al atomului poate fi asemănat cu stadionul Luzhniki, iar nucleul poate fi asemănat cu o minge de fotbal situată în centrul terenului.

Un atom al oricărui element chimic este comparabil cu un mic sistem solar. Prin urmare, un astfel de model al atomului, propus de Rutherford, se numește planetar.

Protoni și neutroni

Se pare că micul nucleu atomic, în care este concentrată întreaga masă a atomului, este format din particule de două tipuri - protoni și neutroni.

Protoni au o sarcină egală cu sarcina electronilor, dar opus în semnul $(+1)$, și o masă egală cu masa unui atom de hidrogen (este acceptată în chimie ca unitate). Protonii sunt notați cu $↙(1)↖(1)p$ (sau $р+$). Neutroni nu poartă o sarcină, sunt neutre și au masa egală cu masa unui proton, adică. $1$. Neutronii sunt notați cu $↙(0)↖(1)n$ (sau $n^0$).

Protonii și neutronii sunt numiți în mod colectiv nucleonii(din lat. nucleu- miez).

Se numește suma numărului de protoni și neutroni dintr-un atom numar de masa. De exemplu, numărul de masă al unui atom de aluminiu:

Deoarece masa electronului, care este neglijabilă, poate fi neglijată, este evident că întreaga masă a atomului este concentrată în nucleu. Electronii se notează astfel: $e↖(-)$.

Deoarece atomul este neutru din punct de vedere electric, este, de asemenea, evident că că numărul de protoni și electroni dintr-un atom este același. Este egal cu numărul atomic al elementului chimic i se atribuie în Sistem periodic. De exemplu, nucleul unui atom de fier conține $26$ protoni, iar $26$ electroni se învârt în jurul nucleului. Și cum se determină numărul de neutroni?

După cum știți, masa unui atom este suma masei protonilor și neutronilor. Cunoscând numărul ordinal al elementului $(Z)$, i.e. numărul de protoni și numărul de masă $(A)$, egal cu suma numerelor de protoni și neutroni, puteți găsi numărul de neutroni $(N)$ folosind formula:

De exemplu, numărul de neutroni dintr-un atom de fier este:

$56 – 26 = 30$.

Tabelul prezintă principalele caracteristici ale particulelor elementare.

Caracteristicile de bază ale particulelor elementare.

izotopi

Varietățile de atomi ai aceluiași element care au aceeași sarcină nucleară, dar numere de masă diferite sunt numite izotopi.

Cuvânt izotop constă din două cuvinte grecești:isos- la fel și topos- loc, înseamnă „ocupând un loc” (celulă) în sistemul periodic de elemente.

Elementele chimice găsite în natură sunt un amestec de izotopi. Astfel, carbonul are trei izotopi cu masa de $12, 13, 14$; oxigen - trei izotopi cu o masă de $16, 17, 18$ etc.

De obicei dată în sistemul periodic, masa atomică relativă a unui element chimic este valoarea medie a maselor atomice ale unui amestec natural de izotopi ai unui element dat, ținând cont de abundența lor relativă în natură, prin urmare, valorile masele atomice sunt destul de des fracționate. De exemplu, atomii naturali de clor sunt un amestec de doi izotopi - $35$ (există $75%$ în natură) și $37$ (există $25%$); prin urmare, masa atomică relativă a clorului este de $35,5$. Izotopii clorului se scriu după cum urmează:

$↖(35)↙(17)(Cl)$ și $↖(37)↙(17)(Cl)$

Proprietățile chimice ale izotopilor de clor sunt exact aceleași cu izotopii majorității elementelor chimice, cum ar fi potasiul, argonul:

$↖(39)↙(19)(K)$ și $↖(40)↙(19)(K)$, $↖(39)↙(18)(Ar)$ și $↖(40)↙(18) )(Ar)$

Cu toate acestea, izotopii de hidrogen diferă foarte mult în proprietăți datorită creșterii dramatice a masei lor atomice relative; li s-au dat chiar nume individuale şi semne chimice: protium - $↖(1)↙(1)(H)$; deuteriu - $↖(2)↙(1)(H)$, sau $↖(2)↙(1)(D)$; tritiu - $↖(3)↙(1)(H)$ sau $↖(3)↙(1)(T)$.

Acum este posibil să se dea o definiție modernă, mai riguroasă și științifică a unui element chimic.

Un element chimic este o colecție de atomi cu aceeași sarcină nucleară.

Structura învelișurilor electronice ale atomilor elementelor primelor patru perioade

Luați în considerare maparea configurațiilor electronice ale atomilor elementelor după perioadele sistemului lui D. I. Mendeleev.

Elemente ale primei perioade.

Schemele structurii electronice a atomilor arată distribuția electronilor peste straturile electronice (nivelurile de energie).

Formulele electronice ale atomilor arată distribuția electronilor pe niveluri și subniveluri de energie.

Formulele electronice grafice ale atomilor arată distribuția electronilor nu numai în niveluri și subniveluri, ci și în orbiti.

Într-un atom de heliu, primul strat de electroni este complet - are $2$ electroni.

Hidrogenul și heliul sunt $s$-elemente, acești atomi au $s$-orbitali plini cu electroni.

Elemente ale perioadei a doua.

Pentru toate elementele celei de-a doua perioade, primul strat de electroni este umplut, iar electronii umplu orbitalii $s-$ și $p$ ai celui de-al doilea strat de electroni în conformitate cu principiul energiei minime (mai întâi $s$ și apoi $p$) si regulile lui Pauli si Hund.

În atomul de neon, al doilea strat de electroni este complet - are $8$ electroni.

Elemente ale perioadei a treia.

Pentru atomii elementelor din a treia perioadă, primul și al doilea strat de electroni sunt completați, astfel încât al treilea strat de electroni este umplut, în care electronii pot ocupa subnivelurile 3s, 3p și 3d.

Structura învelișurilor de electroni ale atomilor elementelor din perioada a treia.

Un orbital $3,5$-electron este completat la atomul de magneziu. $Na$ și $Mg$ sunt elemente $s$.

Pentru aluminiu și elementele ulterioare, subnivelul $3d$ este umplut cu electroni.

$↙(18)(Ar)$ Argon

$1s^2(2)s^2(2)p^6(3)s^2(3)p^6$

Într-un atom de argon, stratul exterior (al treilea strat de electroni) are $8$ electroni. Pe măsură ce stratul exterior este finalizat, dar în total, în al treilea strat de electroni, după cum știți deja, pot exista 18 electroni, ceea ce înseamnă că elementele din a treia perioadă au $3d$-orbitali rămase neumplute.

Toate elementele de la $Al$ la $Ar$ - $p$ -elemente.

$s-$ și $r$ -elemente formă principalele subgrupuriîn sistemul periodic.

Elemente ale perioadei a patra.

Atomii de potasiu și calciu au un al patrulea strat de electroni, subnivelul $4s$ este umplut, deoarece are mai puțină energie decât subnivelul $3d$. Pentru a simplifica formulele electronice grafice ale atomilor elementelor din perioada a patra:

notăm condiționat formula electronică grafică a argonului astfel: $Ar$;
nu vom descrie subnivelurile care nu sunt umplute pentru acești atomi.

$K, Ca$ - $s$ -elemente, incluse în principalele subgrupe. Pentru atomii de la $Sc$ la $Zn$, subnivelul 3d este umplut cu electroni. Acestea sunt elemente de $3d$. Sunt incluși în subgrupuri laterale, stratul lor de electroni pre-extern este umplut, se face referire la ei elemente de tranziție.

Acordați atenție structurii învelișurilor de electroni ale atomilor de crom și cupru. În ele are loc o „eșec” a unui electron de la subnivelul $4s-$ la $3d$, care se explică prin stabilitatea energetică mai mare a configurațiilor electronice rezultate $3d^5$ și $3d^(10)$:

$↙(24)(Cr)$ $1s^(2)2s^(2)2p^(6)3s^(2)3p^(6)3d^(4) 4s^(2)…$

$↙(29)(Cu)$ $1s^(2)2s^(2)2p^(6)3s^(2)3p^(6)3d^(9)4s^(2)…$

Simbol element, număr de serie, nume	Diagrama structurii electronice	Formula electronica	Formula electronică grafică
$↙(19)(K)$ Potasiu		$1s^2(2)s^2(2)p^6(3)p^6(4)s^1$
$↙(20)(C)$ Calciu		$1s^2(2)s^2(2)p^6(3)p^6(4)s^2$
$↙(21)(Sc)$ Scandiu		$1s^2(2)s^2(2)p^6(3)p^6(4)s^1(3)d^1$ sau $1s^2(2)s^2(2)p ^6(3)p^6(3)d^1(4)s^1$
$↙(22)(Ti)$ Titan		$1s^2(2)s^2(2)p^6(3)p^6(4)s^2(3)d^2$ sau $1s^2(2)s^2(2)p ^6(3)p^6(3)d^2(4)s^2$
$↙(23)(V)$ Vanadiu		$1s^2(2)s^2(2)p^6(3)p^6(4)s^2(3)d^3$ sau $1s^2(2)s^2(2)p ^6(3)p^6(3)d^3(4)s^2$
$↙(24)(Cr)$ Chrome		$1s^2(2)s^2(2)p^6(3)p^6(4)s^1(3)d^5$ sau $1s^2(2)s^2(2)p ^6(3)p^6(3)d^5(4)s^1$
$↙(29)(Сu)$ Crom		$1s^2(2)s^2(2)p^6(3)p^6(4)s^1(3)d^(10)$ sau $1s^2(2)s^2(2) )p^6(3)p^6(3)d^(10)(4)s^1$
$↙(30)(Zn)$ Zinc		$1s^2(2)s^2(2)p^6(3)p^6(4)s^2(3)d^(10)$ sau $1s^2(2)s^2(2) )p^6(3)p^6(3)d^(10)(4)s^2$
$↙(31)(Ga)$ Galiu		$1s^2(2)s^2(2)p^6(3)p^6(4)s^2(3)d^(10)4p^(1)$ sau $1s^2(2) s^2(2)p^6(3)p^6(3)d^(10)(4)s^(2)4p^(1)$
$↙(36)(Kr)$ Krypton		$1s^2(2)s^2(2)p^6(3)p^6(4)s^2(3)d^(10)4p^6$ sau $1s^2(2)s^ 2(2)p^6(3)p^6(3)d^(10)(4)s^(2)4p^6$

În atomul de zinc, al treilea strat de electroni este complet - toate subnivelurile $3s, 3p$ și $3d$ sunt umplute în el, în total există $18$ de electroni pe ele.

În elementele care urmează zincului, al patrulea strat de electroni, subnivelul $4p$, continuă să fie umplut. Elemente de la $Ga$ la $Kr$ - $r$ -elemente.

Stratul exterior (al patrulea) al unui atom de cripton este completat, are $8$ de electroni. Dar doar în al patrulea strat de electroni, după cum știți, pot exista 32$ de electroni; atomul de cripton are încă subniveluri $4d-$ și $4f$ necompletate.

Elementele perioadei a cincea umple subnivelurile în următoarea ordine: $5s → 4d → 5р$. Și există și excepții legate de „eșecul” electronilor, pentru $↙(41)Nb$, $↙(42)Mo$, $↙(44)Ru$, $↙(45)Rh$, $↙( 46) Pd$, $↙(47)Ag$. $f$ apar în perioadele a șasea și a șaptea -elemente, adică elemente ale căror subniveluri $4f-$ și, respectiv, $5f$ ale celui de-al treilea strat electronic exterior sunt umplute.

4f$ -elemente numit lantanide.

$5f$ -elemente numit actinide.

Ordinea de umplere a subnivelurilor electronice în atomii elementelor din perioada a șasea: $↙(55)Cs$ și $↙(56)Ba$ - $6s$-elemente; $↙(57)La ... 6s^(2)5d^(1)$ - $5d$-element; $↙(58)Ce$ – $↙(71)Lu - 4f$-elemente; $↙(72)Hf$ – $↙(80)Hg - 5d$-elemente; $↙(81)Т1$ – $↙(86)Rn - 6d$-elemente. Dar chiar și aici există elemente în care ordinea de umplere a orbitalilor de electroni este încălcată, ceea ce, de exemplu, este asociat cu o mai mare stabilitate energetică a subnivelurilor $f$ pline la jumătate și complet, adică. $nf^7$ și $nf^(14)$.

În funcție de subnivelul atomului umplut cu electroni, toate elementele, așa cum ați înțeles deja, sunt împărțite în patru familii electronice sau blocuri:

$s$ -elemente;$s$-subnivelul este plin cu electroni nivel extern atom; $s$-elementele includ hidrogenul, heliul si elementele principalelor subgrupe ale grupelor I si II;
$r$ -elemente; subnivelul $p$ al nivelului exterior al atomului este umplut cu electroni; $p$-elementele includ elemente ale principalelor subgrupe ale grupelor III–VIII;
$d$ -elemente; subnivelul $d$ al nivelului preextern al atomului este umplut cu electroni; $d$-elementele includ elemente ale subgrupurilor secundare ale grupelor I–VIII, i.e. elemente de decenii intercalate de perioade mari situate între $s-$ şi $p-$elemente. Se mai numesc si ei elemente de tranziție;
$f$ -elemente;$f-$subnivelul celui de-al treilea nivel al atomului din exterior este umplut cu electroni; acestea includ lantanide și actinide.

Configurația electronică a atomului. Stările fundamentale și excitate ale atomilor

Fizicianul elvețian W. Pauli în 1925$ a stabilit că Un atom poate avea cel mult doi electroni într-un orbital. având rotiri opuse (antiparalele) (tradus din engleză ca ax), adică posedând astfel de proprietăți care pot fi imaginate condiționat ca rotația unui electron în jurul axei sale imaginare în sensul acelor de ceasornic sau în sens invers acelor de ceasornic. Acest principiu se numește principiul Pauli.

Dacă există un electron într-un orbital, atunci se numește nepereche, dacă doi, atunci asta electroni perechi, adică electroni cu spini opuși.

Figura prezintă o diagramă a împărțirii nivelurilor de energie în subniveluri.

$s-$ Orbital, după cum știți deja, are o formă sferică. Electronul atomului de hidrogen $(n = 1)$ este situat pe acest orbital și este nepereche. Potrivit acestuia a lui formula electronica, sau configuratie electronica, este scris astfel: $1s^1$. În formulele electronice, numărul nivelului de energie este indicat de numărul din fața literei $ (1 ...) $, Literă latină notează subnivelul (tipul orbital), iar numărul, care este scris în dreapta sus a literei (ca exponent), arată numărul de electroni din subnivel.

Pentru un atom de heliu He, care are doi electroni perechi în același $s-$orbital, această formulă este: $1s^2$. Învelișul de electroni a atomului de heliu este complet și foarte stabil. Heliul este un gaz nobil. Al doilea nivel de energie $(n = 2)$ are patru orbiti, unul $s$ și trei $p$. Electronii $s$-orbitali de nivel al doilea (orbitalii $2s$) au o energie mai mare, deoarece sunt la o distanță mai mare de nucleu decât electronii orbitalului $1s$ $(n = 2)$. În general, pentru fiecare valoare de $n$, există câte un $s-$orbital, dar cu o cantitate corespunzătoare de energie electronică pe el și, prin urmare, cu un diametru corespunzător, crescând cu valoarea de $n$.$s -$Creșterile orbitale, după cum știți deja, au o formă sferică. Electronul atomului de hidrogen $(n = 1)$ este situat pe acest orbital și este nepereche. Prin urmare, formula sa electronică, sau configurația electronică, este scrisă după cum urmează: $1s^1$. În formulele electronice, numărul nivelului de energie este indicat de numărul din fața literei $ (1 ...) $, litera latină denotă subnivelul (tipul orbital), iar numărul care este scris în dreapta lui litera (ca exponent) arată numărul de electroni din subnivel.

Pentru un atom de heliu $He$, care are doi electroni perechi în același $s-$orbital, această formulă este: $1s^2$. Învelișul de electroni a atomului de heliu este complet și foarte stabil. Heliul este un gaz nobil. Al doilea nivel de energie $(n = 2)$ are patru orbiti, unul $s$ și trei $p$. Electronii $s-$orbitalii de al doilea nivel ($2s$-orbitalii) au o energie mai mare, deoarece sunt la o distanță mai mare de nucleu decât electronii orbitalului $1s$ $(n = 2)$. În general, pentru fiecare valoare de $n$ există câte un $s-$orbital, dar cu o cantitate corespunzătoare de energie electronică pe el și, prin urmare, cu un diametru corespunzător, crescând pe măsură ce valoarea lui $n$ crește.

$r-$ Orbital Are forma unei gantere, sau volumul opt. Toți cei trei $p$-orbitali sunt localizați în atom reciproc perpendicular de-a lungul coordonatelor spațiale trasate prin nucleul atomului. Trebuie subliniat din nou că fiecare nivel de energie (stratul electronic), începând de la $n= 2$, are trei $p$-orbitali. Pe masura ce valoarea lui $n$ creste, electronii ocupa $p$-orbitali situati la distante mari de nucleu si indreptati de-a lungul axelor $x, y, z$.

Pentru elementele din a doua perioadă $(n = 2)$, se umple mai întâi un $s$-orbital, apoi trei $p$-orbitali; formula electronică $Li: 1s^(2)2s^(1)$. Electronul $2s^1$ este legat mai slab de nucleul atomic, așa că un atom de litiu îl poate ceda cu ușurință (după cum probabil vă amintiți, acest proces se numește oxidare), transformându-se într-un ion de litiu $Li^+$.

În atomul de beriliu Be, al patrulea electron este de asemenea plasat în orbital $2s$: $1s^(2)2s^(2)$. Cei doi electroni exteriori ai atomului de beriliu se desprind usor - $B^0$ este oxidat in cationul $Be^(2+)$.

Al cincilea electron al atomului de bor ocupă orbitalul $2p$: $1s^(2)2s^(2)2p^(1)$. În continuare, se umple orbitalii $2p$ ai atomilor $C, N, O, F$, care se termină cu gazul nobil de neon: $1s^(2)2s^(2)2p^(6)$.

Pentru elementele din a treia perioadă, sunt completați orbitalii $3s-$ și, respectiv, $3p$. Cinci $d$-orbitali ai celui de-al treilea nivel rămân liberi:

$↙(11)Na 1s^(2)2s^(2)2p^(6)3s^(1)$,

$↙(17)Cl 1s^(2)2s^(2)2p^(6)3s^(2)3p^(5)$,

$↙(18)Ar 1s^(2)2s^(2)2p^(6)3s^(2)3p^(6)$.

Uneori, în diagramele care înfățișează distribuția electronilor în atomi, este indicat doar numărul de electroni la fiecare nivel de energie, adică. scrieți formule electronice abreviate ale atomilor elementelor chimice, în contrast cu formulele electronice complete de mai sus, de exemplu:

$↙(11)Na 2, 8, 1;$ $↙(17)Cl 2, 8, 7;$ $↙(18)Ar 2, 8, 8$.

Pentru elementele de perioade mari (a patra și a cincea), primii doi electroni ocupă respectiv $4s-$ și $5s$-orbitali: $↙(19)K 2, 8, 8, 1;$ $↙(38)Sr 2 , 8, 18, 8, 2$. Începând cu al treilea element al fiecăruia perioada lunga, următorii zece electroni vor merge la orbitalii anteriori $3d-$, respectiv $4d-$(pentru elementele subgrupurilor laterale): $↙(23)V 2, 8, 11, 2;$ $↙(26) Fr 2, 8, 14, 2;$ $↙(40)Zr 2, 8, 18, 10, 2;$ $↙(43)Tc 2, 8, 18, 13, 2$. De regulă, atunci când subnivelul $d$ anterior este completat, subnivelul exterior (respectiv $4p-$ și $5p-$) $p-$ va începe să fie completat: $↙(33)As 2, 8, 18, 5;$ $ ↙(52)Te 2, 8, 18, 18, 6$.

Pentru elementele de perioade mari - a șasea și a șaptea incompletă - nivelurile și subnivelurile electronice sunt umplute cu electroni, de regulă, după cum urmează: primii doi electroni intră în $s-$subnivelul exterior: $↙(56)Ba 2, 8 , 18, 18, 8, 2;$ $↙(87)Fr 2, 8, 18, 32, 18, 8, 1$; următorul electron (pentru $La$ și $Ca$) la subnivelul $d$ anterior: $↙(57)La 2, 8, 18, 18, 9, 2$ și $↙(89)Ac 2, 8, 18, 32, 18, 9, 2$.

Apoi următorii $14$ de electroni vor intra în al treilea nivel de energie din exterior, orbitalii $4f$ și $5f$ ai lantonidelor și, respectiv, actinidelor: $↙(64)Gd 2, 8, 18, 25, 9, 2;$ $↙(92 )U 2, 8, 18, 32, 21, 9, 2$.

Apoi, al doilea nivel de energie exterior ($d$-subnivel) va începe să se acumuleze din nou pentru elementele subgrupurilor laterale: $↙(73)Ta 2, 8, 18, 32, 11, 2;$ $↙(104) Rf 2, 8, 18 , 32, 32, 10, 2$. Și, în sfârșit, numai după ce subnivelul $d$ este complet umplut cu zece electroni, subnivelul $p$ va fi umplut din nou: $↙(86)Rn 2, 8, 18, 32, 18, 8$.

Foarte des, structura învelișurilor de electroni ale atomilor este descrisă folosind energie sau celule cuantice - ei notează așa-numitele formule electronice grafice. Pentru această înregistrare se folosește următoarea notație: fiecare celulă cuantică este notată cu o celulă care corespunde unui orbital; fiecare electron este indicat printr-o săgeată corespunzătoare direcției spinului. La înregistrarea graficelor formula electronica doua reguli de retinut: principiul Pauli, conform căreia o celulă (orbital) nu poate avea mai mult de doi electroni, dar cu spinuri antiparalele și F. regula lui Hund, conform căreia electronii ocupă celulele libere întâi pe rând și în același timp au aceeași valoareînvârtire și abia apoi pereche, dar învârtirile în acest caz, conform principiului Pauli, vor fi deja direcționate opus.