Ali atom. Svet je lep

Odgovor uredništva

Leta 1913 danski fizik Niels Bohr predlagal svojo teorijo strukture atoma. Za osnovo je vzel planetarni model atoma, ki ga je razvil fizik Rutherford. V njem so atom primerjali s predmeti makrokozmosa – planetarnega sistema, kjer se planeti gibljejo po orbitah okoli velike zvezde. Podobno se v planetarnem modelu atoma elektroni gibljejo po orbitah okoli težkega jedra, ki se nahaja v središču.

Bohr je uvedel idejo kvantizacije v teorijo atoma. Po njej se lahko elektroni gibljejo le po fiksnih orbitah, ki ustrezajo določenim energijskim nivojem. Prav Bohrov model je postal osnova za ustvarjanje sodobnega kvantno mehanskega modela atoma. V tem modelu je jedro atoma, sestavljeno iz pozitivno nabitih protonov in nenabitih nevtronov, prav tako obkroženo z negativno nabitimi elektroni. Vendar pa je glede na kvantno mehaniko nemogoče določiti kakršno koli natančno trajektorijo ali orbito gibanja za elektron - obstaja le območje, v katerem so elektroni s podobno energijsko raven.

Kaj je znotraj atoma?

Atomi so sestavljeni iz elektronov, protonov in nevtronov. Nevtrone so odkrili po tem, ko so fiziki razvili planetarni model atoma. Šele leta 1932 je James Chadwick med izvajanjem serije poskusov odkril delce, ki nimajo naboja. Odsotnost naboja je potrdilo dejstvo, da ti delci nikakor niso reagirali na elektromagnetno polje.

Jedro atoma samo tvorijo težki delci - protoni in nevtroni: vsak od teh delcev je skoraj dva tisočkrat težji od elektrona. Protoni in nevtroni so podobni tudi po velikosti, vendar imajo protoni pozitiven naboj, nevtroni pa sploh nimajo naboja.

Po drugi strani pa so protoni in nevtroni sestavljeni iz elementarnih delcev, imenovanih kvarki. V sodobni fiziki so kvarki najmanjši, osnovni delec snovi.

Velikost samega atoma je večkrat večja od velikosti jedra. Če atom povečamo na velikost nogometnega igrišča, potem je velikost njegovega jedra lahko primerljiva s teniško žogico v središču takšnega igrišča.

V naravi obstaja veliko atomov, ki se razlikujejo po velikosti, masi in drugih značilnostih. Skupina atomov iste vrste se imenuje kemični element. Do danes več kot sto kemični elementi. Njihovi atomi se razlikujejo po velikosti, masi in strukturi.

Elektroni znotraj atoma

Negativno nabiti elektroni se gibljejo okoli jedra atoma in tvorijo nekakšen oblak. Masivno jedro privlači elektrone, vendar jim energija samih elektronov omogoča, da "pobegnejo" dlje od jedra. Tako večja kot je energija elektrona, dlje je od jedra.

Vrednost energije elektrona ne more biti poljubna, ustreza natančno določenemu nizu energijskih nivojev v atomu. To pomeni, da se energija elektrona postopoma spreminja z ene ravni na drugo. V skladu s tem se lahko elektron premika le znotraj omejene elektronske lupine, ki ustreza določeni energijski ravni - to je pomen Bohrovih postulatov.

Ko prejme več energije, elektron "skoči" na plast, višjo od jedra, in izgubi energijo, nasprotno, na nižjo plast. Tako je oblak elektronov okoli jedra urejen v obliki več "prerezanih" plasti.

Zgodovina idej o atomu

Sama beseda "atom" izvira iz grškega "nedeljiv" in sega nazaj k idejam starogrški filozofi o najmanjšem nedeljivem delu snovi. V srednjem veku so se kemiki prepričali, da nekaterih snovi ni mogoče nadalje razgraditi na njihove sestavne elemente. Ti najmanjši delci snovi se imenujejo atomi. Leta 1860 je bila na mednarodnem kongresu kemikov v Nemčiji ta definicija uradno zapisana v svetovni znanosti.

AT konec XIX Na začetku 20. stoletja so fiziki odkrili subatomske delce in postalo je jasno, da atom v resnici ni nedeljiv. Takoj so bile predstavljene teorije o notranji strukturi atoma, ena prvih med njimi je bil Thomsonov model ali model »rozin pudinga«. Po tem modelu so bili majhni elektroni znotraj masivnega pozitivno nabitega telesa, kot so rozine v pudingu. Vendar pa so praktični poskusi kemika Rutherforda ta model ovrgli in ga pripeljali do tega, da je ustvaril planetarni model atoma.

Bohrov razvoj planetarnega modela, skupaj z odkritjem nevtronov leta 1932, je bil osnova za moderna teorija o zgradbi atoma. Naslednje stopnje v razvoju znanja o atomu so že povezane s fiziko osnovnih delcev: kvarkov, leptonov, nevtrinov, fotonov, bozonov in drugih.

Vsak dan uporabljamo nekaj predmetov: vzamemo jih v roke, z njimi izvajamo kakršne koli manipulacije - jih obrnemo, pregledamo in na koncu zlomimo. Ste se kdaj vprašali, iz česa so narejeni ti predmeti? "O čem razmišljati? Od kovine / lesa / plastike / blaga!" - bodo mnogi od nas zmedeno odgovorili. To je delno pravilen odgovor. In iz česa so ti materiali sestavljeni – kovina, les, plastika, tkanina in številne druge snovi? Danes bomo razpravljali o tem vprašanju.

Molekula in atom: definicija

Za obveščenega človeka je odgovor preprost in banalen: iz atomov in molekul. Toda nekateri ljudje postanejo zbegani in začnejo postavljati vprašanja: "Kaj sta atom in molekula? Kako izgledata?" itd. Odgovorimo na ta vprašanja po vrsti. No, najprej, kaj sta atom in molekula? Naj vam takoj povemo, da te definicije niso enake. Poleg tega so popolnoma različni izrazi. Torej, atom je najmanjši del kemičnega elementa, ki je nosilec njegovih lastnosti, delec snovi majhne mase in velikosti. Molekula je električno nevtralen delec, ki ga tvori več povezanih atomov.

Kaj je atom: struktura

Atom je sestavljen iz elektronske lupine in (fotografija). Po drugi strani je jedro sestavljeno iz protonov in nevtronov, lupina pa iz elektronov. V atomu so protoni pozitivno nabiti, elektroni negativno, nevtroni pa sploh niso nabiti. Če število protonov ustreza, je atom električno nevtralen, t.j. če se dotaknemo snovi, ki je nastala iz molekul s takšnimi atomi, ne bomo občutili niti najmanjšega električnega impulza. In tudi težki računalniki ga zaradi pomanjkanja slednjega ne bodo ujeli. Toda zgodi se, da je protonov več kot elektronov in obratno. Potem bi bilo pravilneje, da takšne atome imenujemo ioni. Če je v njej več protonov, potem je električno pozitivna, če pa prevladujejo elektroni, pa je električno negativna. Vsak določen atom ima strogo število protonov, nevtronov in elektronov. In se da izračunati. Predloga za reševanje problemov iskanja števila teh delcev izgleda takole:

Chem. element - R (vstavite ime elementa)
Protoni (p) - ?
Elektroni (e) - ?
Nevtroni (n) - ?
rešitev:
p = serijska številka kem. element R v periodnem sistemu poimenovanem po D.I. Mendelejev
e = str
n \u003d A r (R) - št. R

Kaj je molekula: struktura

Molekula je najmanjši delec kemične snovi, torej je že neposredno vključen v njeno sestavo. Molekula določene snovi je sestavljena iz več enakih ali različnih atomov. Strukturne značilnosti molekul so odvisne od fizikalnih lastnosti snovi, v kateri so prisotne. Molekule so sestavljene iz elektronov in atomov. Lokacija slednjega je mogoče najti z strukturna formula. vam omogoča, da določite potek kemične reakcije. Običajno so nevtralni električni naboj), in nimajo neparnih elektronov (vse valence so nasičene). Lahko pa jih tudi zaračunajo, potem jih pravilno ime- ioni. Molekule imajo lahko tudi neparne elektrone in nenasičene valence – v tem primeru jih imenujemo radikali.

Zaključek

Zdaj veste, kaj je atom in vse snovi brez izjeme so sestavljene iz molekul, slednje pa so zgrajene iz atomov. Fizikalne lastnosti snovi določajo razporeditev in vez atomov in molekul v njej.

ATOM [francosko atom, iz latinščine atomus, iz grščine?τομος (ουσ?α) - nedeljivo (bistvo)], delec snovi, najmanjši del kemičnega elementa, ki je nosilec njegovih lastnosti. Atomi vsakega elementa so po strukturi in lastnostih individualni in so označeni s kemičnimi simboli elementov (na primer atom vodika je H, železo je Fe, živo srebro je Hg, uran je U itd.). Atomi lahko obstajajo tako v prostem kot v vezanem stanju (glej Kemijska vez). Celotna raznolikost snovi je posledica različne kombinacije atomov drug drugemu. Lastnosti plinastih, tekočih in trdne snovi odvisno od lastnosti atomov, ki jih sestavljajo. Vse fizikalne in kemijske lastnosti atoma so določene z njegovo zgradbo in so v skladu s kvantnimi zakoni. (O zgodovini razvoja nauka o atomu glej članek Atomska fizika.)

Splošne značilnosti strukture atomov. Atom je sestavljen iz težkega jedra s pozitivnim električnim nabojem in lahkih elektronov, ki ga obdajajo z negativnimi električnimi naboji, ki tvorijo elektronske ovojnice atoma. Dimenzije atoma so določene z dimenzijami njegove zunanje elektronske lupine in so velike v primerjavi z dimenzijami atomskega jedra. Značilni vrstni red premerov, površin prečni prerez in prostornine atoma in jedra so:

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

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

Elektronske lupine atoma nimajo strogo določenih meja, vrednosti dimenzij atoma pa so v večji ali manjši meri odvisne od metod njihovega določanja.

Naboj jedra je glavna značilnost atoma, ki določa njegovo pripadnost določenemu elementu. Naboj jedra je vedno celoštevilski večkratnik pozitivnega elementarnega električnega naboja, ki je po absolutni vrednosti enak naboju elektrona -e. Naboj jedra je +Ze, kjer je Z serijska številka (atomska številka). Z \u003d 1, 2, 3, ... za atome zaporednih elementov v periodnem sistemu kemičnih elementov, to je za atome H, He, Li, .... V nevtralnem atomu je jedro z nabojem +Ze vsebuje Z elektrone s skupnim nabojem - Ze. Atom lahko izgubi ali pridobi elektrone in postane pozitiven ali negativen ion (k = 1, 2, 3, ... - množina njegove ionizacije). Atom določenega elementa se pogosto imenuje njegovi ioni. Pri pisanju se ioni od nevtralnega atoma razlikujejo po indeksu k + in k -; na primer O je nevtralen atom kisika, O +, O 2+, O 3+, ..., O 8+, O -, O 2- - njegovi pozitivni in negativni ioni. Kombinacija nevtralnega atoma in ionov drugih elementov z enakim številom elektronov tvori izoelektronsko serijo, na primer niz vodiku podobnih atomov H, He +, Li 2+, Be 3+, ....

Množičnost naboja jedra atoma na elementarni naboj e je bila razložena na podlagi idej o zgradbi jedra: Z je enak številu protonov v jedru, protonski naboj je +e. Masa atoma narašča z naraščanjem Z. Masa jedra atoma je približno sorazmerna z masnim številom A – skupnim številom protonov in nevtronov v jedru. Masa elektrona (0,91 10 -27 g) je veliko manjša (približno 1840-krat) od mase protona ali nevtrona (1,67 × 10 -24 g), zato maso atoma določa predvsem masa njeno jedro.

Atomi danega elementa se lahko razlikujejo po masi jedra (število protonov Z je konstantno, število nevtronov A-Z se lahko spreminja); takšne vrste atomov istega elementa se imenujejo izotopi. Razlika v masi jedra skoraj ne vpliva na strukturo elektronskih lupin danega atoma, ki je odvisna od Z, in na lastnosti atoma. Največje razlike v lastnostih (izotopski učinki) dobimo za izotope vodika (Z = 1) zaradi velika razlika v masah navadnega lahkega atoma vodika (A = 1), devterija (A = 2) in tritija (A = 3).

Masa atoma se giblje od 1,67 × 10 -24 g (za glavni izotop atom vodika, Z = 1, A = 1) do približno 4 × 10 -22 g (za atome transuranskih elementov). Večina točne vrednosti mase atomov je mogoče določiti z metodami masne spektroskopije. Masa atoma ni ravno enaka vsoti mase jedra in mase elektronov, ampak nekoliko manj - masni napaki ΔM = W / c 2, kjer je W energija nastanka atoma iz jedro in elektroni (vezna energija), c je hitrost svetlobe. Ta popravek je reda mase elektrona m e za težke atome, za lahke atome pa je zanemarljiv (reda 10 -4 m e).

Energija atoma in njegova kvantizacija. Zaradi majhne velikosti in velike mase lahko atomsko jedro približno obravnavamo kot točko in počiva v središču mase atoma (skupno masno središče jedra in elektronov se nahaja blizu jedra, hitrost pa je jedro glede na središče mase atoma je majhno v primerjavi s hitrostmi elektronov). V skladu s tem lahko atom obravnavamo kot sistem, v katerem se N elektronov z naboji - e gibljejo okoli nepremičnega privlačnega središča. Gibanje elektronov v atomu poteka v omejenem volumnu, torej je vezan. Celotna notranja energija atoma E je enaka vsoti kinetičnih energij T vseh elektronov in potencialne energije U - energije privlačnosti z njihovim jedrom in odbijanja drug od drugega.

Po teoriji atoma, ki jo je leta 1913 predlagal Niels Bohr, se v atomu vodika en elektron z nabojem -e giblje okoli fiksnega središča z nabojem +e. V skladu s klasično mehaniko je kinetična energija takega elektrona enaka

kjer je v hitrost, p = m e v je zagon (moment) elektrona. Potencialna energija (zmanjšana na energijo Coulombove privlačnosti elektrona z jedrom) je enaka

in je odvisna samo od oddaljenosti r elektrona od jedra. Grafično je funkcija U(r) predstavljena s krivuljo, ki se neomejeno zmanjšuje, ko se r zmanjšuje, torej ko se elektron približuje jedru. Vrednost U(r) pri r→∞ se vzame kot nič. Pri negativne vrednosti skupna energija 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 gibanje elektrona je prosto - lahko gre v neskončnost z energijo E = T = (1/2)m e v 2 , kar ustreza ioniziranemu atomu vodika H + . Tako je nevtralni vodikov atom sistem elektrostatično vezanih jeder in elektrona z energijo E< 0.

Dokončano notranja energija atom E - njegova glavna značilnost kot kvantni sistem (glej Kvantna mehanika). Atom lahko dolgo ostane le v stanjih z določeno energijo – stacionarnih (časovno invariantnih) stanjih. Notranja energija kvantnega sistema, sestavljenega iz vezanih mikrodelcev (vključno z atomom), lahko prevzame eno od diskretnih (diskontinuiranih) nizov vrednosti

Vsaka od teh "dovoljenih" energijskih vrednosti ustreza enemu ali več stacionarnim kvantnim stanjem. Sistem ne more imeti vmesnih vrednosti energije (na primer, ki ležijo med E 1 in E 2, E 2 in E 3 itd.), Tak sistem naj bi bil kvantiziran. Vsaka sprememba E je povezana s kvantnim (skok podobnim) prehodom sistema iz enega stacionarnega kvantnega stanja v drugo (glej spodaj).

Možne diskretne vrednosti (3) energije atoma lahko grafično prikažemo po analogiji s potencialno energijo telesa, dvignjenega na različne višine (na različne nivoje), v obliki diagrama energijskih nivojev, kjer je vsaka energija vrednost ustreza ravni črti, narisani na višini E i , i= 1 , 2, 3, ... (slika 1). Najnižjo raven E 1 , ki ustreza najnižji možni energiji atoma, imenujemo prizemna raven, vse ostale (E i > E 1), i = 2, 3, 4, ...) pa imenujemo vzbujene, ker je za prehod do njih (prehod v ustrezna stacionarna vzbujena stanja s tal) treba vzbuditi sistem - ga obvestiti od zunaj z energijo E i -E 1 .

Kvantizacija energije atoma je posledica valovnih lastnosti elektronov. Po načelu korpuskularno-valovnega dualizma gibanju mikrodelca mase m s hitrostjo v ustreza valovna dolžina λ = h/mv, kjer je h Planckova konstanta. Za elektron v atomu je λ reda 10-8 cm, to je reda linearnih dimenzij atoma, pri čemer je potrebno upoštevati valovne lastnosti elektrona v atomu. Povezano gibanje elektrona v atomu je podoben stoječemu valu in ga ne bi smeli obravnavati kot gibanje materialna točka vzdolž poti, a kako zapleteno valovni proces. Za stoječi val v omejenem volumnu so možne le določene vrednosti valovne dolžine λ (in posledično frekvence nihanja v). Po kvantni mehaniki je energija atoma E povezana z v z razmerjem E = hν in zato lahko zavzame le določene vrednosti. Prosto translacijsko gibanje mikrodelca, ki ni omejeno v prostoru, na primer gibanje elektrona, ločenega od atoma (z energijo E> 0), je podobno širjenju potujočega vala v neomejeni prostornini, za katero vrednosti λ (in v) so možne. Energija takšnega prostega mikrodelca lahko prevzame poljubne vrednosti (ni kvantizirana, ima neprekinjen energijski spekter). Tako neprekinjeno zaporedje ustreza ioniziranemu atomu. Vrednost E ∞ = 0 ustreza ionizacijski meji; razlika E ∞ -E 1 \u003d E ion se imenuje energija ionizacije (glej članek Ionizacijski potencial); za atom vodika je enak 13,6 eV.

Porazdelitev elektronske gostote. Natančen položaj elektrona v atomu ta trenutekčasa ni mogoče določiti zaradi negotovosti razmerja. Stanje elektrona v atomu določa njegova valovna funkcija, ki je na določen način odvisna od njegovih koordinat; kvadrat modula valovne funkcije označuje gostoto verjetnosti najti elektron na dani točki v prostoru. Valovna funkcija je eksplicitno rešitev Schrödingerjeve enačbe.

Tako lahko stanje elektrona v atomu označimo s porazdelitvijo njegovega električnega naboja v prostoru z določeno gostoto - porazdelitvijo elektronske gostote. Elektroni so tako rekoč »razmazani« v prostoru in tvorijo »elektronski oblak«. Tak model bolj pravilno označuje elektrone v atomu kot model točkovnega elektrona, ki se giblje po strogo določenih orbitah (v Bohrovi teoriji atoma). Hkrati je lahko vsako takšno Bohrovo orbito povezano s specifično porazdelitvijo elektronske gostote. Za zemeljsko energijsko raven E 1 je elektronska gostota koncentrirana blizu jedra; za vzbujene energijske nivoje E 2 , E 3 , E 4 ... se porazdeli na vse večje povprečne razdalje od jedra. V atomu z več elektroni so elektroni združeni v lupine, ki obdajajo jedro na različnih razdaljah in so značilne po določenih porazdelitvah elektronske gostote. Vezna moč elektronov z jedrom v zunanjih lupinah je manjša kot v notranjih lupinah, elektroni pa so najšibkeje vezani v najbolj oddaljeni lupini, ki ima največje dimenzije.

Upoštevanje spina elektrona in jedrskega spina. V teoriji atoma je zelo pomembno, da upoštevamo spin elektrona - njegov lastni (spin) moment zagona, z vizualnega vidika, ki ustreza rotaciji elektrona okoli lastne osi (če elektron velja za majhen delec). Sto lastnih (spin) magnetnih momentov je povezanih s spinom elektrona. Zato je treba v atomu poleg elektrostatičnih interakcij upoštevati tudi magnetne interakcije, ki jih določata spinski magnetni moment in orbitalni magnetni moment, povezan s gibanjem elektrona okoli jedra; magnetne interakcije so majhne v primerjavi z elektrostatičnimi. Najpomembnejši je vpliv spina pri večelektronskih atomih: polnjenje elektronskih lupin atoma z določenim številom elektronov je odvisno od vrtenja elektronov.

Jedro v atomu ima lahko tudi svoj mehanski moment – jedrski spin, ki je povezan z jedrskim magnetnim momentom, sto in tisočkrat manjšim od elektronskega. Obstoj spinov vodi do dodatnih, zelo majhnih interakcij med jedrom in elektroni (glej spodaj).

Kvantna stanja atoma vodika. Najpomembnejšo vlogo v kvantni teoriji atoma ima teorija najpreprostejšega enoelektronskega atoma, ki ga sestavljata jedro z nabojem +Ze in elektron z nabojem -e, torej teorija vodika atom H in vodiku podobni ioni He +, Li 2+, Be 3+, ..., ki se običajno imenuje teorija vodikovega atoma. Metode kvantna mehanika lahko dobite natančne in popoln opis stanja elektrona v enoelektronskem atomu. Problem večelektronskega atoma je rešen le približno; v tem primeru izhajajo iz rezultatov reševanja problema enoelektronskega atoma.

Energija enoelektronskega atoma v nerelativističnem približku (brez upoštevanja spina elektrona) je enaka

celo število n = 1, 2, 3, ... določa možne diskretne vrednosti energije - energijske ravni - in se imenuje glavno kvantno število, R je Rydbergova konstanta, enaka 13,6 eV. Energijske ravni atoma konvergirajo (kondenzirajo) do ionizacijske meje E ∞ = 0, ki ustreza n =∞. Za vodiku podobne ione se spremeni le lestvica energijskih vrednosti (za faktor Z2). Ionizacijska energija atoma, podobnega vodiku (energija vezave elektronov) je (v eV)

kar daje za H, He +, Li 2+, ... vrednosti 13,6 eV, 54,4 eV, 122,4 eV, ... .

Osnovna formula (4) ustreza izrazu U(r) = -Ze 2 /r za potencialno energijo elektrona v električno polje jedra z nabojem +Ze. To formulo je prvi izpeljal N. Bohr z upoštevanjem gibanja elektrona okoli jedra po krožni orbiti polmera r in je natančna rešitev Schrödingerjeve enačbe za tak sistem. Energijske ravni (4) ustrezajo orbitam polmera

kjer je konstanta a 0 \u003d 0,529 10 -8 cm \u003d \u003d 0,529 A polmer prve krožne orbite vodikovega atoma, ki ustreza njegovi ravni tal (ta Bohrov polmer se pogosto uporablja kot priročna enota za merjenje dolžin v atomska fizika). Polmer orbit je sorazmeren s kvadratom glavnega kvantnega števila n 2 in obratno sorazmeren z Z; za vodiku podobne ione se lestvica linearnih dimenzij zmanjša za faktor Z v primerjavi z atomom vodika. Relativistični opis atoma vodika, ob upoštevanju spina elektrona, je podan z Diracovo enačbo.

Po kvantni mehaniki je stanje atoma vodika v celoti določeno z diskretnimi vrednostmi štirih fizikalnih veličin: energije E; orbitalni moment M l (moment gibanja elektrona glede na jedro); projekcije M lz orbitalne količine na poljubno izbrano smer z; projekcije M sz vrtilne količine (notranji zagon zagona elektrona M s). Možne vrednosti teh fizikalnih veličin pa določajo kvantna števila n, l, m l , m s. V približku, ko je energija atoma vodika opisana s formulo (4), je določena le z glavnim kvantnim številom n, ki ima cele vrednosti 1, 2, 3, ... . Energetski nivo z danim n ustreza več stanj, ki se razlikujejo po vrednostih orbitalnega (azimutalnega) kvantnega števila l = 0, 1, ..., n-1. Stanja z danimi vrednostmi n in l so običajno označena kot 1s, 2s, 2p, 3s, ..., kjer številke označujejo vrednost n, črke s, p, d, f (v nadaljevanju v latinščini abeceda) - vrednosti l = 0, 1, 2, 3. Za dani n in l je število različnih stanj 2(2l + 1) - število kombinacij vrednosti magnetnega orbitalno kvantno število m l magnetnega spinskega števila m s (prva ima 2l + 1 vrednosti, druga - 2 vrednosti). Skupno število različnih stanj z danima n in l je 2n 2 . Tako vsaka energijska raven atoma vodika ustreza 2,8, 18,…2n 2 (pri n= 1, 2, 3, ...) različnim stacionarnim kvantnim stanjem. Če energijski ravni ustreza samo eno kvantno stanje, se imenuje nedegenerirano, če dve ali več - degenerirano (glej Degeneracija v kvantni teoriji), število takih stanj g pa se imenuje stopnja ali večkratnost degeneracije (npr. nedegenerirane energetske ravni g = 1). Energijske ravni atoma vodika so degenerirane, njihova stopnja degeneracije pa je g n = 2n 2 .

Za različna stanja atoma vodika dobimo tudi različno porazdelitev elektronske gostote. Odvisno je od kvantnih števil n, l in. Hkrati je gostota elektronov za s-stanja (l=0) drugačna od nič v središču, torej na lokaciji jedra, in ni odvisna od smer (sferično simetrična), za ostala stanja (l>0) pa je v središču enaka nič in je odvisna od smeri. Porazdelitev elektronske gostote za stanja atoma vodika z n = 1, 2, 3 je prikazana na sliki 2; dimenzije »elektronskega oblaka« rastejo v skladu s formulo (6) v sorazmerju z n2 (skala na sliki 2 se zmanjša pri premikanju od n = 1 do n = 2 in od n = 2 do n = 3). Za kvantna stanja elektrona v vodiku podobnih ionih so značilna enaka štiri kvantna števila n, l, m l in m s kot pri atomu vodika. Ohranjena je tudi porazdelitev elektronske gostote, le da se poveča za faktor Z.

Delovanje na atom zunanjih polj. kot atom električni sistem v zunanjih električnih in magnetnih poljih pridobi dodatno energijo. Električno polje polarizira atom - premakne elektronske oblake glede na jedro (glej Polarizacija atomov, ionov in molekul), magnetno polje pa na določen način orientira magnetni moment atoma, povezan s gibanjem elektrona okoli jedro (z orbitalnim zagonom M l) in njegov spin. Ustrezajo različnim stanji vodikovega atoma z enako energijo E n v zunanjem polju različne pomene dodatna energija ΔЕ, degenerirana energetska raven E n pa je razdeljena na več podnivojev. Tako cepitev energijskih nivojev v električnem polju – Starkov učinek – kot njuna cepitev v magnetnem polju – Zeemanov učinek – sta sorazmerni z jakostmi ustreznih polj.

Majhne magnetne interakcije znotraj atoma vodijo tudi do cepitve energijskih nivojev. Za atom vodika in vodiku podobne ione obstaja interakcija spin-orbita – interakcija spinskega in orbitalnega momenta elektrona; povzroči tako imenovano fino strukturo energijskih nivojev – razcepitev vzbujenih nivojev E n (za n>1) na podnivoje. Pri vseh energijskih nivojih vodikovega atoma je opažena tudi hiperfina struktura zaradi zelo majhnih magnetnih interakcij jedrskega spina z elektronskimi momenti.

Elektronske lupine večelektronskih atomov. Teorija atoma, ki vsebuje 2 ali več elektronov, se bistveno razlikuje od teorije atoma vodika, saj so v takem atomu enaki delci, ki medsebojno delujejo - elektroni. Medsebojno odbijanje elektronov v večelektronskem atomu bistveno zmanjša moč njihove vezi z jedrom. Na primer, energija ločitve posameznega elektrona v helijevem ionu (He +) je 54,4 eV, medtem ko se v nevtralnem atomu helija zaradi odbijanja elektronov energija ločitve enega od njih zmanjša na 24,6 eV. Za zunanje elektrone težjih atomov je zmanjšanje njihove vezne moči zaradi odbijanja notranjih elektronov še pomembnejše. Pomembno vlogo pri večelektronskih atomih igrajo lastnosti elektronov kot enakih mikrodelcev (glej princip identitete) s spinom s = 1/2, za katere velja Paulijev princip. Po tem principu v sistemu elektronov ne more biti več kot en elektron v vsakem kvantnem stanju, kar vodi do tvorbe elektronskih lupin atoma, ki so strogo napolnjene. določene številke elektronov.

Ob upoštevanju nerazločljivosti medsebojno delujočih elektronov je smiselno govoriti le o kvantnih stanjih atoma kot celote. Lahko pa približno upoštevamo kvantna stanja posameznih elektronov in vsakega od njih označimo z nizom kvantnih števil n, l, m l in m s , podobno kot elektron v atomu vodika. V tem primeru se izkaže, da energija elektrona ni odvisna samo od n, kot v atomu vodika, ampak tudi od l; še vedno ni odvisno od m l in m s. Elektroni z danima n in l v večelektronskem atomu imajo enako energijo in tvorijo določeno elektronsko lupino. Takšne ekvivalentne elektrone in lupine, ki jih tvorijo, pa tudi kvantna stanja in energijske ravni z danima n in l, označujemo s simboli ns, np, nd, nf, ... (za 1 = 0, 1, 2, 3, ...) in govorijo o 2p elektronih, 3s lupinah itd.

Po Paulijevem principu morata biti vsaka 2 elektrona v atomu v različnih kvantnih stanjih in se zato razlikujeta za vsaj eno od štirih kvantnih števil n, l, m l in m s , za enakovredne elektrone (n in l so enaki) - po vrednostih m l in m s . Število parov m l , m s , to je število različnih kvantnih stanj elektrona z danima n in l, je stopnja degeneracije njegove energetske ravni g l = 2 (2l+1) = 2, 6, 10, 14, ... . Določa število elektronov v popolnoma napolnjenih elektronskih lupinah. Tako so s-, p-, d-, f-, ... lupine napolnjene z 2, 6, 10, 14, ... elektroni, ne glede na vrednost n. Elektroni z danim n tvorijo plast, sestavljeno iz lupin z l = 0, 1, 2, ..., n - 1 in napolnjenih z 2n 2 elektrona, tako imenovano K-, L-, M, N-plast. Ob popolnem zaključku imamo:

V vsaki plasti je za lupine z manjšim l značilna večja elektronska gostota. Moč vezi med elektronom in jedrom se zmanjša s povečanjem n, za dani n pa s povečanjem l. Šibkejši kot je vezan elektron v ustrezni lupini, višja je njegova energijska raven. Jedro z danim Z veže elektrone v vrstnem redu padajoče jakosti njihove vezi: najprej dva elektrona 1s, nato dva elektrona 2s, šest elektronov 2p itd. Atom vsakega kemičnega elementa ima določeno porazdelitev elektronov po lupinah – njegova elektronika konfiguracija, na primer:

(število elektronov v dani lupini je označeno z indeksom desno zgoraj). Periodičnost lastnosti elementov je določena s podobnostjo zunanjih elektronskih lupin atoma. Nevtralni atomi P, As, Sb, Bi (Z = 15, 33, 51, 83) imajo na primer tri p-elektrone v zunanji elektronski lupini, tako kot atom N, in so mu podobni po kemičnih in številnih fizikalnih lastnostih. .

Za vsak atom je značilna normalna elektronska konfiguracija, ki jo dobimo, ko so vsi elektroni v atomu najmočneje vezani, in vzbujene elektronske konfiguracije, ko je en ali več elektronov šibkeje vezanih - na višjih energijskih ravneh. Na primer, za atom helija so poleg normalnega 1s2 možne vzbujene elektronske konfiguracije: 1s2s, 1s2p, ... (en elektron je vzbujen), 2s 2, 2s2p, ... (vzbujena sta oba elektrona). Določena elektronska konfiguracija ustreza eni energijski ravni atoma kot celote, če so elektronske lupine popolnoma napolnjene (na primer normalna konfiguracija atoma je Ne 1s 2 2s 2 2р 6), in številnimi nivoji energije, če so delno napolnjene lupine (na primer, normalna konfiguracija atoma dušika je 1s 2 2s 2 2p 3, pri čemer je lupina 2p napolnjena do polovice). V prisotnosti delno napolnjenih d- in f-lupin lahko število energijskih nivojev, ki ustrezajo vsaki konfiguraciji, doseže več sto, tako da je shema energijskih nivojev atoma z delno napolnjenimi lupinami zelo zapletena. Osnovna energijska raven atoma je najnižja raven normalne elektronske konfiguracije.

Kvantni prehodi v atomu. Pri kvantnih prehodih atom prehaja iz enega stacionarnega stanja v drugo – z ene energetske ravni na drugo. Pri prehodu z višje energetske ravni E i na nižjo E atom oddaja energijo E i - E k , pri obratnem prehodu jo sprejema. Kot pri vsakem kvantnem sistemu so lahko kvantni prehodi za atom dve vrsti: s sevanjem (optični prehodi) in brez sevanja (sevalni ali neoptični prehodi). Najpomembnejša značilnost kvantnega prehoda je njegova verjetnost, ki določa, kako pogosto se ta prehod lahko zgodi.

Med kvantnimi prehodi s sevanjem atom absorbira (prehod E v → E i) ali oddaja (prehod E i → E v) elektromagnetno sevanje. Elektromagnetno energijo absorbira in oddaja atom v obliki svetlobnega kvanta - fotona - za katerega je značilna določena frekvenca nihanja v v skladu z razmerjem:

kjer je hv energija fotona. Relacija (7) je zakon ohranjanja energije za mikroskopske procese, povezane s sevanjem.

Atom v osnovnem stanju lahko absorbira samo fotone, medtem ko jih v vzbujenih stanjih lahko absorbira in oddaja. Prosti atom v osnovnem stanju lahko obstaja neomejeno. Trajanje bivanja atoma v vzbujenem stanju (življenjska doba tega stanja) je omejeno, atom spontano (spontano), delno ali v celoti izgubi vzbujevalno energijo, oddaja foton in se premakne na nižjo energijsko raven; ob takšni spontani emisiji je možna tudi stimulirana emisija, ki nastane, tako kot absorpcija, pod delovanjem fotonov iste frekvence. Življenjska doba vzbujenega atoma je krajša, večja je verjetnost spontanega prehoda, za atom vodika je reda 10 -8 s.

Nabor frekvenc v možnih prehodov s sevanjem določa atomski spekter ustreznega atoma: nabor frekvenc prehodov iz nižje v zgornjo raven je njegov absorpcijski spekter, niz frekvenc prehodov iz zgornjega na nižje ravni je emisijski spekter . Vsak tak prehod v atomskem spektru ustreza določeni spektralni liniji frekvence v.

Pri nesevalnih kvantnih prehodih atom prejme ali odda energijo pri interakciji z drugimi delci, s katerimi trči v plinu ali je dolgoročno vezan v molekuli, tekočini ali trdno telo. V plinu se atom lahko šteje za prostega v časovnih intervalih med trki; med trkom (udarcem) gre atom v nižjo oz visoka stopnja energija. Takšen trk imenujemo neelastični (v nasprotju z elastičnim trkom, pri katerem se spremeni le kinetična energija translacijskega gibanja atoma, njegova notranja energija pa ostane nespremenjena). Pomemben poseben primer je trk prostega atoma z elektronom; običajno se elektron giblje hitreje kot atom, čas trka je zelo kratek in lahko govorimo o udarcu elektrona. Vzbujanje atoma z udarcem elektronov je ena od metod za določanje njegovih energijskih nivojev.

Kemični in fizične lastnosti atom. Večino lastnosti atoma določa struktura in značilnosti njegovih zunanjih elektronskih lupin, v katerih so elektroni relativno šibko vezani na jedro (vezne energije od nekaj eV do nekaj deset eV). Struktura notranje lupine atom, katerega elektroni so veliko močneje vezani (vezne energije na stotine, tisoče in desetine tisoč eV), se kaže le v interakcijah atoma s hitrimi delci in fotoni visokih energij (več kot sto eV) . Takšne interakcije določajo rentgenske spektre atoma in razpršitev hitrih delcev (glej Difrakcija delcev). Masa atoma določa njegove mehanske lastnosti med gibanjem atoma kot celote - količino gibanja, kinetične energije. Različne resonančne in druge fizikalne lastnosti atoma so odvisne od mehanskih in sorodnih magnetnih in električnih momentov atoma (glej Elektronska paramagnetna resonanca, Jedrska magnetna resonanca, Jedrska kvadrupolna resonanca).

Elektroni zunanjih lupin atoma so zlahka izpostavljeni zunanjim vplivom. Ko se atomi približajo drug drugemu, nastanejo močne elektrostatične interakcije, ki lahko privedejo do nastanka kemične vezi. Šibke elektrostatične interakcije dveh atomov se kažejo v njuni medsebojni polarizaciji – premiku elektronov glede na jedra, ki je najmočnejši pri šibko vezanih zunanjih elektronih. Med atomi nastanejo polarizacijske sile privlačnosti, ki jih je treba upoštevati tudi pri velikih razdaljah med njimi. Polarizacija atoma se pojavi tudi v zunanjih električnih poljih; posledično se energijske ravni atoma premaknejo in, kar je še posebej pomembno, se razcepijo degenerirani energetski nivoji (Starkov učinek). Polarizacijo atoma lahko povzroči električno polje svetlobno (elektromagnetno) valovanje; odvisna je od frekvence svetlobe, ki določa odvisnost od nje in lomnega količnika (glej Disperzija svetlobe), povezanega s polarizabilnostjo atoma. Zaprite povezavo optične lastnosti atom s svojimi električnimi lastnostmi se še posebej jasno kaže v njegovih optičnih spektrih.

Magnetne lastnosti atomov določa predvsem struktura njihovih elektronskih lupin. Magnetni moment atoma je odvisen od njegovega mehanskega momenta (glej Magneto-mehansko razmerje), v atomu s popolnoma napolnjenimi elektronskimi lupinami je nič, kot tudi mehanski moment. Atomi z delno napolnjenimi zunanjimi elektronskimi lupinami imajo praviloma magnetne momente, ki niso nič, in so paramagnetni. V zunanjem magnetnem polju se vse ravni atomov, v katerih magnetni moment ni enak nič, razcepijo - pride do Zeemanovega učinka. Vsi atomi imajo diamagnetizem, ki je posledica pojava magnetnega momenta v njih pod vplivom zunanjega magnetno polje(tako imenovani inducirani magnetni moment, analogen električnemu dipolnemu momentu atoma).

Z zaporedno ionizacijo atoma, torej z ločitvijo njegovih elektronov, začenši od najbolj oddaljenih po vrstnem redu naraščanja moči njihove vezi, se ustrezno spremenijo vse lastnosti atoma, ki jih določa njegova zunanja lupina. Vedno bolj trdno vezani elektroni postajajo zunanji; posledično se sposobnost atoma za polarizacijo v električnem polju močno zmanjša, povečajo se razdalje med nivoji energije in frekvence optičnih prehodov med temi nivoji (kar vodi v premik spektrov proti vedno krajšim valovnim dolžinam). Številne lastnosti kažejo periodičnost: lastnosti ionov s podobnimi zunanjimi elektroni se izkažejo za podobne; na primer, N 3+ (dva elektrona 2s) kaže podobnost z N 5+ (dva elektrona 1s). To velja za značilnosti in relativno razporeditev energijskih nivojev ter za optične spektre, za magnetne momente atoma itd. Najbolj dramatična sprememba lastnosti se zgodi, ko odstranimo zadnji elektron zunanja lupina, ko ostanejo samo popolnoma napolnjene lupine, na primer pri prehodu iz N 4+ v N 5+ (elektronske konfiguracije 1s 2 2s in 1s 2). V tem primeru je ion najbolj stabilen in so njegovi skupni mehanski in skupni magnetni momenti enaki nič.

Lastnosti atoma v vezano stanje(na primer, ki je del molekule) se razlikujejo od lastnosti prostega atoma. Lastnosti atoma so podvržene največjim spremembam, ki jih določajo najbolj oddaljeni elektroni, ki sodelujejo pri dodajanju določenega atoma drugemu. Hkrati lahko lastnosti, ki jih določajo elektroni notranjih lupin, ostanejo tako rekoč nespremenjene, kot velja za rentgenske spektre. Nekatere lastnosti atoma so lahko podvržene relativno majhnim spremembam, iz katerih je mogoče pridobiti informacije o naravi interakcij vezanih atomov. Pomemben primer je cepitev ravni atomske energije v kristalih in kompleksnih spojinah, ki nastane pod delovanjem električnih polj, ki jih ustvarjajo okoliški ioni.

Eksperimentalne metode za preučevanje strukture atoma, njegovih energijskih nivojev, njegovih interakcij z drugimi atomi, elementarnimi delci, molekulami, zunanjimi polji itd. so raznolike, vendar so glavne informacije vsebovane v njegovih spektrih. Metode atomske spektroskopije v vseh območjih valovnih dolžin, predvsem pa metode sodobne laserske spektroskopije, omogočajo preučevanje vedno bolj subtilnih učinkov, povezanih z atomom. Od začetka 19. stoletja je bil znanstvenikom očiten obstoj atoma, toda poskus za dokazovanje resničnosti njegovega obstoja je na začetku 20. stoletja postavil J. Perrin. Z razvojem mikroskopije je postalo mogoče pridobiti slike atomov na površini trdnih snovi. Atom je prvi videl E. Muller (ZDA, 1955) s pomočjo poljskega ionskega mikroskopa, ki ga je izumil. Sodobni mikroskopi za atomsko silo in tunelski mikroskopi omogočajo pridobivanje slik površin trdnih snovi z dobro ločljivostjo pri atomska raven(glej sliko 3).

riž. 3. Slika atomske strukture površine silicija, ki jo je pridobil profesor Univerze v Oxfordu M. Kapstell z uporabo skenirnega tunelskega mikroskopa.

Tako imenovani eksotični atomi obstajajo in se pogosto uporabljajo v različnih študijah, na primer mionski atomi, t.j. atomi, v katerih so vsi ali del elektronov nadomeščeni z negativnimi mioni, mionijevi, pozitronijski, pa tudi hadronski atomi, sestavljeni iz nabitih pionov. , kaoni, protoni, devtroni itd. Opravljena so bila tudi prva opazovanja atoma antivodika (2002) - atoma, sestavljenega iz pozitrona in antiprotona.

Lit .: Rojen M. Atomska fizika. 3. izd. M., 1970; Fano U., Fano L. Fizika atomov in molekul. M., 1980; Shpolsky E.V. Atomska fizika. 7. izd. M., 1984. T. 1-2; Elyashevich MA Atomska in molekularna spektroskopija. 2. izd. M., 2000.

Sestava atoma.

Atom je sestavljen iz atomsko jedro in elektronska lupina.

Jedro atoma je sestavljeno iz protonov ( p+) in nevtroni ( n 0). Večina vodikovih atomov ima eno protonsko jedro.

Število protonov N(p+) je enak jedrskemu naboju ( Z) in redna številka elementa v naravnem nizu elementov (in v periodnem sistemu elementov).

N(str +) = Z

Vsota števila nevtronov N(n 0), označeno preprosto s črko N in število protonov Z poklical masno število in je označen s črko AMPAK.

A = Z + N

Elektronska lupina atoma je sestavljena iz elektronov, ki se gibljejo okoli jedra ( e -).

Število elektronov N(e-) v elektronski lupini nevtralnega atoma je enako številu protonov Z v svojem jedru.

Masa protona je približno enaka masi nevtrona in 1840-kratni masi elektrona, tako da je masa atoma praktično enaka masi jedra.

Oblika atoma je sferična. Polmer jedra je približno 100.000-krat manjši od polmera atoma.

Kemični element- vrsta atomov (skupina atomov) z enakim jedrskim nabojem (z enakim številom protonov v jedru).

Izotop- množica atomov enega elementa z enakim številom nevtronov v jedru (ali vrsta atomov z enakim številom protonov in enakim številom nevtronov v jedru).

Različni izotopi se med seboj razlikujejo po številu nevtronov v jedrih svojih atomov.

Oznaka posameznega atoma ali izotopa: (E - simbol elementa), na primer: .

Struktura elektronske lupine atoma

atomska orbitala je stanje elektrona v atomu. Orbitalni simbol - . Vsaka orbitala ustreza elektronskemu oblaku.

Orbitale resničnih atomov v osnovnem (nevzbujenem) stanju so štiri vrste: s, str, d in f.

elektronski oblak- del prostora, v katerem je mogoče najti elektron z verjetnostjo 90 (ali več) odstotkov.

Opomba: včasih se pojma "atomska orbitala" in "elektronski oblak" ne razlikujeta, tako da oba imenujemo "atomska orbitala".

Elektronska lupina atoma je večplastna. Elektronski sloj ki ga tvorijo elektronski oblaki enake velikosti. Orbitale enoslojne oblike elektronski ("energetski") nivo, so njihove energije enake za atom vodika, vendar drugačne za druge atome.

Orbitale iste ravni so združene v elektronska (energija) podravni:
s- podnivo (sestavljeno iz enega s-orbitale), simbol - .
str podnivo (sestavljeno iz treh str
d podnivo (sestavljeno iz petih d-orbitale), simbol - .
f podnivo (sestavljeno iz sedmih f-orbitale), simbol - .

Energije orbital istega podnivoja so enake.

Pri označevanju podnivojev se simbolu podnivoja doda številka sloja (elektronske ravni), na primer: 2 s, 3str, 5d pomeni s- podnivo druge stopnje, str- podnivo tretje stopnje, d- podnivo pete stopnje.

Skupno število podnivojev na eni ravni je enako številki ravni n. Skupno število orbital na eni ravni je n 2. V skladu s tem je tudi skupno število oblakov v eni plasti n 2 .

Oznake: - prosta orbitala (brez elektronov), - orbitala z neparnim elektronom, - orbitala z elektronskim parom (z dvema elektronoma).

Vrstni red, v katerem elektroni polnijo orbitale atoma, določajo trije zakoni narave (formulacije so podane na poenostavljen način):

1. Načelo najmanjše energije – elektroni polnijo orbitale v vrstnem redu naraščajoče energije orbital.

2. Paulijev princip – v eni orbitali ne moreta biti več kot dva elektrona.

3. Hundovo pravilo – znotraj podnivoja elektroni najprej zapolnijo proste orbitale (ena po eno), šele nato pa tvorijo elektronske pare.

Skupno število elektronov na elektronski ravni (ali v elektronski plasti) je 2 n 2 .

Porazdelitev podnivojev po energiji je izražena v naslednjem vrstnem redu (po naraščanju energije):

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

Vizualno je to zaporedje izraženo z energijskim diagramom:

Porazdelitev elektronov atoma po ravneh, podnivojih in orbitalah (elektronska konfiguracija atoma) je mogoče prikazati v obliki elektronske formule, energijskega diagrama ali, preprosteje, v obliki diagrama elektronske plasti (" elektronski diagram").

Primeri elektronske strukture atomov:

Valenčni elektroni- elektroni atoma, ki lahko sodelujejo pri tvorbi kemičnih vezi. Za kateri koli atom so to vsi zunanji elektroni plus tisti predzunanji elektroni, katerih energija je večja od energije zunanjih. Na primer: Ca atom ima 4 zunanje elektrone s 2, so tudi valenca; atom Fe ima zunanje elektrone - 4 s 2 ampak on ima 3 d 6, zato ima atom železa 8 valenčnih elektronov. Valence elektronska formula atomi kalcija - 4 s 2 in atomi železa - 4 s 2 3d 6 .

Periodični sistem kemičnih elementov D. I. Mendelejeva
(naravni sistem kemičnih elementov)

Periodični zakon kemičnih elementov(sodobna formulacija): lastnosti kemičnih elementov, pa tudi preprostih in zapletenih snovi, ki jih tvorijo, so v periodični odvisnosti od vrednosti naboja iz atomskih jeder.

Periodični sistem- grafični izraz periodnega zakona.

Naravni nabor kemičnih elementov- število kemičnih elementov, razporejenih glede na povečanje števila protonov v jedrih njihovih atomov ali, kar je enako, glede na povečanje nabojev jeder teh atomov. Zaporedna številka elementa v tej seriji je enaka številu protonov v jedru katerega koli atoma tega elementa.

Tabela kemičnih elementov je sestavljena tako, da se naravni niz kemičnih elementov "razreže". obdobja(vodoravne vrstice tabele) in skupine (navpični stolpci tabele) elementov s podobno elektronsko strukturo atomov.

Glede na to, kako so elementi združeni v skupine, je lahko tabela dolgo obdobje(v skupinah so zbrani elementi z enakim številom in vrsto valenčnih elektronov) in kratkoročno(elemente z enakim številom valenčnih elektronov zberemo v skupine).

Skupine kratkodobne tabele so razdeljene v podskupine ( glavni in stranski učinki), ki sovpada s skupinami tabele z dolgim obdobjem.

Vsi atomi elementov istega obdobja isto številko elektronske plasti, enake številu obdobja.

Število elementov v obdobjih: 2, 8, 8, 18, 18, 32, 32. Večina elementov osme dobe je bila pridobljena umetno, zadnji elementi tega obdobja še niso sintetizirani. Vsa obdobja razen prve se začnejo z elementom, ki tvori alkalijske kovine (Li, Na, K itd.) in se konča z elementom, ki tvori žlahtni plin (He, Ne, Ar, Kr itd.).

V tabeli za kratko obdobje - osem skupin, od katerih je vsaka razdeljena v dve podskupini (glavno in sekundarno), v tabeli z dolgim obdobjem - šestnajst skupin, ki so oštevilčene z rimskimi številkami s črkami A ali B, na primer: IA, IIIB, VIA, VIIB. Skupina IA tabele za daljše obdobje ustreza glavni podskupini prve skupine tabele za kratkoročno obdobje; skupina VIIB - sekundarna podskupina sedme skupine: ostali - podobno.

Lastnosti kemičnih elementov se naravno spreminjajo v skupinah in obdobjih.

V obdobjih (z naraščajočo serijsko številko)

jedrski naboj se poveča
število zunanjih elektronov se poveča,
polmer atomov se zmanjša,
moč vezi elektronov z jedrom se poveča (ionizacijska energija),
poveča se elektronegativnost.
intenzivirati oksidacijske lastnosti preproste snovi ("nekovinske"),
redukcijske lastnosti preprostih snovi ("kovinskost") oslabijo,
oslabi osnovni značaj hidroksidov in pripadajočih oksidov,
poveča se kislinski značaj hidroksidov in ustreznih oksidov.

V skupinah (z naraščajočo serijsko številko)

jedrski naboj se poveča
polmer atomov se poveča (samo v A-skupinah),
moč vezi med elektroni in jedrom se zmanjša (ionizacijska energija; samo v A-skupinah),
elektronegativnost se zmanjša (samo v A-skupinah),
oslabijo oksidacijske lastnosti preprostih snovi ("nekovinski"; samo v A-skupinah),
izboljšane so redukcijske lastnosti preprostih snovi ("kovinska"; samo v A-skupinah),
poveča se osnovni značaj hidroksidov in pripadajočih oksidov (samo v A-skupinah),
kisla narava hidroksidov in ustreznih oksidov oslabi (samo v A-skupinah),
stabilnost se zmanjša vodikove spojine(njihova reducirna aktivnost se poveča; le v A-skupinah).

Naloge in testi na temo "Tema 9. "Zgradba atoma. Periodični zakon in periodični sistem kemičnih elementov D. I. Mendelejeva (PSCE)"."

Periodični zakon - Periodični zakon in zgradba atomov 8.–9. razred
Vedeti morate: zakone polnjenja orbital z elektroni (načelo najmanjše energije, Paulijev princip, Hundovo pravilo), zgradbo periodnega sistema elementov.
Morali bi biti sposobni: določiti sestavo atoma po položaju elementa v periodnem sistemu in, nasprotno, poiskati element v periodnem sistemu, poznajoč njegovo sestavo; prikazati strukturni diagram, elektronsko konfiguracijo atoma, iona in, nasprotno, določiti položaj kemičnega elementa v PSCE iz diagrama in elektronske konfiguracije; opredeliti element in snovi, ki jih tvori, glede na njegov položaj v PSCE; določajo spremembe polmera atomov, lastnosti kemičnih elementov in snovi, ki jih tvorijo v eni periodi in eni glavni podskupini periodnega sistema.
Primer 1 Določite število orbital v tretji elektronski ravni. Kakšne so te orbitale?
Za določitev števila orbital uporabljamo formulo N orbitale = n 2, kje n- številka stopnje. N orbitale = 3 2 = 9. Ena 3 s-, tri 3 str- in pet 3 d-orbitale.
Primer 2 Ugotovite, kateri atom ima elektronsko formulo 1 s 2 2s 2 2str 6 3s 2 3str 1 .
Da bi ugotovili, za kateri element gre, morate ugotoviti njegovo serijsko številko, ki je enaka skupnemu številu elektronov v atomu. V tem primeru: 2 + 2 + 6 + 2 + 1 = 13. To je aluminij.
Ko se prepričate, da ste se naučili vsega, kar potrebujete, nadaljujte z nalogami. Želimo vam uspeh.

Priporočena literatura:
- O. S. Gabrielyan in drugi Kemija, 11. razred. M., Droha, 2002;
- G. E. Rudzitis, F. G. Feldman. Kemija 11 celic. M., Izobraževanje, 2001.

Od obdobja antike do sredine 18. stoletja je v znanosti prevladovala ideja, da je atom delec snovi, ki je ni mogoče razdeliti. Angleški znanstvenik, pa tudi naravoslovec D. Dalton, sta atom opredelila kot najmanjšo sestavino kemičnega elementa. M. V. Lomonosov je v svoji atomski in molekularni teoriji lahko definiral atom in molekulo. Prepričan je bil, da so molekule, ki jih je imenoval "telesce", sestavljene iz "elementov" - atomov - in so v nenehnem gibanju.

D. I. Mendelejev je verjel, da ta podenota snovi, ki sestavljajo materialni svet, ohrani vse svoje lastnosti le, če ni podvržena ločevanju. V tem članku bomo atom opredelili kot objekt mikrosveta in preučili njegove lastnosti.

Predpogoji za nastanek teorije zgradbe atoma

V 19. stoletju je trditev o nedeljivosti atoma veljala za splošno sprejeto. Večina znanstvenikov je verjela, da se delci enega kemičnega elementa pod nobenim pogojem ne morejo spremeniti v atome drugega elementa. Te ideje so služile kot osnova, na kateri je temeljila definicija atoma do leta 1932. Konec 19. stoletja so bila v znanosti narejena temeljna odkritja, ki so spremenila ta pogled. Najprej je leta 1897 angleški fizik J. J. Thomson odkril elektron. To dejstvo je korenito spremenilo ideje znanstvenikov o nedeljivosti sestavnega dela kemičnega elementa.

Kako dokazati, da je atom kompleksen

Že prej so se znanstveniki soglasno strinjali, da atomi nimajo nabojev. Nato je bilo ugotovljeno, da se elektroni zlahka sprostijo iz katerega koli kemičnega elementa. Najdemo jih v plamenih, so nosilci električni tok, jih oddajajo snovi med rentgenskim sevanjem.

Če pa so elektroni del vseh atomov brez izjeme in so negativno nabiti, potem je v atomu še nekaj delcev, ki imajo nujno pozitiven naboj, sicer atomi ne bi bili električno nevtralni. Da bi pomagali razkriti strukturo atoma, je pomagal tak fizični pojav, kot je radioaktivnost. Dala je pravilno definicijo atoma v fiziki in nato v kemiji.

Nevidni žarki

Francoski fizik A. Becquerel je prvi opisal pojav emisije atomov določenih kemičnih elementov, vizualno nevidnih žarkov. Ionizirajo zrak, prehajajo skozi snovi, povzročajo črnenje fotografskih plošč. Kasneje sta zakonca Curie ugotovila, da se radioaktivne snovi pretvorijo v atome drugih kemičnih elementov (na primer uran v neptunij).

Radioaktivno sevanje je po sestavi heterogeno: alfa delci, beta delci, gama žarki. Tako je fenomen radioaktivnosti potrdil, da imajo delci elementov periodnega sistema kompleksna struktura. To dejstvo je bilo razlog za spremembe v definiciji atoma. Iz katerih delcev je sestavljen atom glede na nova znanstvena dejstva, ki jih je pridobil Rutherford? Odgovor na to vprašanje je bil jedrski model atoma, ki ga je predlagal znanstvenik, po katerem se elektroni vrtijo okoli pozitivno nabitega jedra.

Protislovja Rutherfordovega modela

Teorija znanstvenika kljub svoji izjemni naravi ni mogla objektivno opredeliti atoma. Njeni sklepi so bili v nasprotju s temeljnimi zakoni termodinamike, po katerih vsi elektroni, ki se vrtijo okoli jedra, izgubijo svojo energijo in, kakor koli že, prej ali slej morajo vanj pasti. Atom je v tem primeru uničen. To se pravzaprav ne zgodi, saj kemični elementi in delci, iz katerih so sestavljeni, obstajajo v naravi zelo dolgo. Takšna definicija atoma, ki temelji na Rutherfordovi teoriji, je nerazložljiva, kot tudi pojav, ki se pojavi, ko vroče preproste snovi prehajamo skozi uklonsko rešetko. Konec koncev imajo nastali atomski spektri linearno obliko. To je bilo v nasprotju z Rutherfordovim modelom atoma, po katerem bi morali biti spektri neprekinjeni. V skladu s koncepti kvantne mehanike so elektroni v jedru trenutno označeni ne kot točkovni objekti, temveč kot elektronski oblak.

Njegova največja gostota je v določenem lokusu prostora okoli jedra in se šteje za lokacijo delca v določenem trenutku. Ugotovljeno je bilo tudi, da so elektroni v atomu razporejeni po plasteh. Število plasti je mogoče določiti s poznavanjem števila obdobja, v katerem se element nahaja v periodnem sistemu D. I. Mendelejeva. Na primer, atom fosforja vsebuje 15 elektronov in ima 3 energijske ravni. Indikator, ki določa število energijskih nivojev, se imenuje glavno kvantno število.

Eksperimentalno je bilo ugotovljeno, da imajo elektroni energijskega nivoja, ki je najbližji jedru, najnižjo energijo. Vsaka energijska lupina je razdeljena na podravni, ti pa na orbitale. Elektroni, ki se nahajajo na različnih orbitalah, imajo enako obliko oblaka (s, p, d, f).

Na podlagi navedenega sledi, da oblika elektronskega oblaka ne more biti poljubna. Je strogo določena glede na orbitalo. Dodajmo še, da stanje elektrona v makrodelcu določata še dve vrednosti - magnetno in spinsko kvantno število. Prva temelji na Schrödingerjevi enačbi in označuje prostorsko orientacijo elektronskega oblaka na podlagi tridimenzionalnosti našega sveta. Drugi indikator je vrtilna številka, uporablja se za določanje vrtenja elektrona okoli njegove osi v smeri urinega kazalca ali v nasprotni smeri urinega kazalca.

Odkritje nevtrona

Zahvaljujoč delu D. Chadwicka, ki ga je izvedel leta 1932, je bila v kemiji in fiziki dana nova definicija atoma. Znanstvenik je v svojih poskusih dokazal, da pri cepljenju polonija pride do sevanja, ki ga povzročajo delci, ki nimajo naboja, z maso 1,008665. Nov elementarni delec je bil imenovan nevtron. Njegovo odkritje in preučevanje njegovih lastnosti je omogočilo sovjetskim znanstvenikoma V. Gaponu in D. Ivanenku, da ustvarita novo teorijo strukture atomskega jedra, ki vsebuje protone in nevtrone.

Po novi teoriji je bila definicija atoma snovi naslednja: je strukturna enota kemičnega elementa, sestavljena iz jedra, ki vsebuje protone in nevtrone ter elektrone, ki se gibljejo okoli njega. Število pozitivnih delcev v jedru je vedno enako redni številki kemičnega elementa v periodnem sistemu.

Kasneje je profesor A. Ždanov v svojih poskusih potrdil, da je pod vplivom trdega kozmičnega sevanja atomska jedra razdeliti na protone in nevtrone. Poleg tega je bilo dokazano, da te sile držijo elementarni delci v jedru izjemno energetsko intenzivna. Delujejo na zelo kratkih razdaljah (približno 10-23 cm) in se imenujejo jedrski. Kot smo že omenili, je celo M. V. Lomonosov lahko definiral atom in molekulo na podlagi znanstvenih dejstev, ki so mu znana.

Trenutno velja za splošno sprejet naslednji model: atom je sestavljen iz jedra in elektronov, ki se gibljejo okoli njega po strogo določenih trajektorijah - orbital. Elektroni hkrati kažejo lastnosti tako delcev kot valov, torej imajo dvojno naravo. Skoraj vsa njegova masa je koncentrirana v jedru atoma. Sestavljen je iz protonov in nevtronov, ki jih vežejo jedrske sile.

Ali je mogoče tehtati atom

Izkazalo se je, da ima vsak atom maso. Na primer, za vodik je 1,67x10 -24 g. Težko si je celo predstavljati, kako majhna je ta vrednost. Za iskanje teže takšnega predmeta ne uporabljajo tehtnice, temveč oscilator, ki je ogljikova nanocevka. Za izračun teže atoma in molekule je bolj priročna vrednost relativna masa. Kaže, kolikokrat je teža molekule ali atoma večja od 1/12 ogljikovega atoma, kar je 1,66x10 -27 kg. Relativne atomske mase so podane v periodnem sistemu kemičnih elementov in nimajo dimenzij.

Znanstveniki se tega dobro zavedajo atomska masa kemični element je povprečna vrednost masne številke vsi njegovi izotopi. Izkazalo se je, da imajo lahko v naravi enote enega kemičnega elementa različne mase. V tem primeru so naboji jeder takšnih strukturnih delcev enaki.

Znanstveniki so ugotovili, da se izotopi razlikujejo po številu nevtronov v jedru, naboj njihovih jeder pa je enak. Na primer, atom klora z maso 35 vsebuje 18 nevtronov in 17 protonov, z maso 37 pa 20 nevtronov in 17 protonov. Številni kemični elementi so mešanice izotopov. Na primer, tako preproste snovi, kot so kalij, argon, kisik, vsebujejo v svoji sestavi atome, ki predstavljajo 3 različne izotope.

Opredelitev atomičnosti

Ima več interpretacij. Razmislite, kaj pomeni ta izraz v kemiji. Če atomi katerega koli kemičnega elementa lahko obstajajo vsaj kratek čas ločeno, ne da bi si prizadevali tvoriti bolj zapleten delec - molekulo, potem pravijo, da imajo takšne snovi atomsko strukturo. Na primer, večstopenjska reakcija kloriranja metana. Široko se uporablja v kemiji organske sinteze za pridobivanje najpomembnejših derivatov, ki vsebujejo halogen: diklorometan, ogljikov tetraklorid. Molekule klora razdeli na zelo reaktivne atome. Pretrgajo sigma vezi v molekuli metana, kar zagotavlja verižna reakcija zamenjava.

Še en primer kemičnega procesa, ki ima velik pomen v industriji uporaba vodikovega peroksida kot razkužila in belila. Določanje atomskega kisika, kot produkta razgradnje vodikovega peroksida, poteka tako v živih celicah (pod delovanjem encima katalaze) kot v laboratorijskih pogojih. kvalitativno določeno z visokimi antioksidativnimi lastnostmi, pa tudi z zmožnostjo uničenja patogenih povzročiteljev: bakterij, gliv in njihovih spor.

Kako je z atomsko lupino

Prej smo že ugotovili, da ima strukturna enota kemičnega elementa zapleteno strukturo. Elektroni se vrtijo okoli pozitivno nabitega jedra. Nobelov nagrajenec Niels Bohr je na podlagi kvantne teorije svetlobe ustvaril svojo doktrino, v kateri so značilnosti in definicija atoma naslednja: elektroni se gibljejo okoli jedra le po določenih stacionarnih poteh, medtem ko energije ne sevajo. Bohrova doktrina je dokazala, da delci mikrokozmosa, ki vključujejo atome in molekule, ne spoštujejo zakonov, ki veljajo za velika telesa – objekte makrokozmosa.

Strukturo elektronskih lupin makrodelcev so v delih o kvantni fiziki preučevali znanstveniki, kot so Hund, Pauli, Klechkovsky. Tako je postalo znano, da se elektroni gibljejo okoli jedra ne naključno, ampak vzdolž določenih stacionarnih poti. Pauli je ugotovil, da znotraj ene energijske ravni na vsaki od njenih orbital s, p, d, f v elektronskih celicah ne moreta biti več kot dva negativno nabita delca z nasprotnimi vrtljaji + ½ in - ½.

Hundovo pravilo je razložilo, kako so orbitale z enako energijsko raven pravilno napolnjene z elektroni.

Pravilo Klečkovskega, imenovano tudi pravilo n + l, je razložilo, kako so zapolnjene orbitale atomov več elektronov (elementi 5, 6, 7 obdobij). Vsi zgornji vzorci so služili kot teoretična utemeljitev sistema kemičnih elementov, ki ga je ustvaril Dmitrij Mendelejev.

Oksidacijsko stanje

Je temeljni koncept v kemiji in označuje stanje atoma v molekuli. Sodobna definicija oksidacijskega stanja atomov je naslednja: to je pogojni naboj atoma v molekuli, ki se izračuna na podlagi predstave, da ima molekula samo ionsko sestavo.

Oksidacijsko stanje je lahko izraženo kot celo število ali ulomno število s pozitivnimi, negativnimi ali ničelnimi vrednostmi. Najpogosteje imajo atomi kemičnih elementov več oksidacijskih stanj. Na primer, dušik ima -3, -2, 0, +1, +2, +3, +4, +5. Toda tak kemični element, kot je fluor, ima v vseh svojih spojinah samo eno oksidacijsko stanje, enako -1. Če je predstavljeno preprosta snov, potem je njegovo oksidacijsko stanje nič. To kemično količino je priročno uporabiti za razvrščanje snovi in za opis njihovih lastnosti. Najpogosteje se oksidacijsko stanje atoma uporablja v kemiji pri sestavljanju enačb za redoks reakcije.

lastnosti atomov

Zahvaljujoč odkritjem kvantna fizika, moderna definicija atom, ki temelji na teoriji D. Ivanenka in E. Gapona, je dopolnjen z naslednjim znanstvena dejstva. Struktura jedra atoma se med tem ne spremeni kemične reakcije. Spremenijo se lahko le stacionarne elektronske orbitale. Njihova struktura lahko razloži veliko fizikalnih in kemičnih lastnosti snovi. Če elektron zapusti stacionarno orbito in gre v tirnico z višjim energijskim indeksom, se tak atom imenuje vzbujen.

Treba je opozoriti, da elektroni ne morejo dolgo časa biti v tako nenavadnih orbitalah. Ko se vrne v svojo stacionarno orbito, elektron odda kvant energije. Preučevanje takšnih značilnosti strukturnih enot kemičnih elementov, kot so afiniteta elektronov, elektronegativnost, ionizacijska energija, je znanstvenikom omogočilo ne le, da definirajo atom kot najpomembnejši delec mikrokozmosa, temveč jim je omogočilo tudi razložiti sposobnost atomov, da se tvorijo. stabilno in energetsko ugodnejše molekularno stanje snovi, možno zaradi ustvarjanja različne vrste stabilna kemična vez: ionska, kovalentno-polarna in nepolarna, donorsko-akceptorska (kot sorta kovalentna vez) in kovine. Slednje določa najpomembnejše fizikalne in kemijske lastnosti vseh kovin.

Eksperimentalno je bilo ugotovljeno, da se velikost atoma lahko spreminja. Vse bo odvisno od tega, v katero molekulo je vključen. Zahvaljujoč rentgenski difrakcijski analizi je mogoče izračunati razdaljo med atomi v kemični spojini, pa tudi ugotoviti polmer strukturne enote elementa. Če poznamo vzorce spreminjanja polmerov atomov, vključenih v obdobje ali skupino kemičnih elementov, je mogoče predvideti njihove fizikalne in kemijske lastnosti. Na primer, v obdobjih s povečanjem naboja jedra atomov se njihovi polmeri zmanjšajo ("stiskanje atoma"), zato kovinske lastnosti spojin oslabijo, nekovinske pa se povečajo.

Tako vam znanje o omogoča natančno določitev fizikalnih in kemičnih lastnosti vseh elementov, vključenih v periodični sistem Mendelejev.