Oavsett om det är en atom. Världen är underbar

Redaktionellt svar

1913 den danska fysiker Niels Bohr föreslog sin teori om atomens struktur. Han tog som grund den planetariska modellen av atomen, utvecklad av fysikern Rutherford. I den liknades atomen med objekten i makrokosmos - ett planetsystem, där planeterna rör sig i banor runt en stor stjärna. På liknande sätt, i den planetariska modellen av atomen, rör sig elektroner i banor runt den tunga kärnan som ligger i mitten.

Bohr introducerade idén om kvantisering i teorin om atomen. Enligt den kan elektroner bara röra sig i fasta banor som motsvarar vissa energinivåer. Det var Bohr-modellen som blev grunden för skapandet av den moderna kvantmekaniska modellen av atomen. I denna modell är kärnan i en atom, som består av positivt laddade protoner och oladdade neutroner, också omgiven av negativt laddade elektroner. Men enligt kvantmekaniken är det för en elektron omöjligt att bestämma någon exakt bana eller rörelsebana - det finns bara ett område där det finns elektroner med en liknande energinivå.

Vad finns inuti en atom?

Atomer är uppbyggda av elektroner, protoner och neutroner. Neutroner upptäcktes efter att planetmodellen av atomen utvecklades av fysiker. Först 1932, när han genomförde en serie experiment, upptäckte James Chadwick partiklar som inte har någon laddning. Frånvaron av en laddning bekräftades av det faktum att dessa partiklar inte reagerade på något sätt på det elektromagnetiska fältet.

Kärnan i en atom själv bildas av tunga partiklar - protoner och neutroner: var och en av dessa partiklar är nästan två tusen gånger tyngre än en elektron. Protoner och neutroner är också lika i storlek, men protoner har en positiv laddning och neutroner har ingen laddning alls.

I sin tur är protoner och neutroner uppbyggda av elementarpartiklar som kallas kvarkar. I modern fysik är kvarkar den minsta, grundläggande partikeln av materia.

Storleken på själva atomen är många gånger större än storleken på kärnan. Om en atom förstoras till storleken på en fotbollsplan, kan storleken på dess kärna vara jämförbar med en tennisboll i mitten av ett sådant fält.

I naturen finns det många atomer som skiljer sig åt i storlek, massa och andra egenskaper. En grupp atomer av samma typ kallas ett kemiskt element. Hittills mer än hundra kemiska grundämnen. Deras atomer skiljer sig i storlek, massa och struktur.

Elektroner inuti en atom

Negativt laddade elektroner rör sig runt kärnan i en atom och bildar ett slags moln. En massiv kärna attraherar elektroner, men själva elektronernas energi gör att de kan "springa iväg" längre från kärnan. Alltså, ju större energi en elektron har, desto längre bort från kärnan är den.

Värdet på elektronenergin kan inte vara godtyckligt, det motsvarar en väldefinierad uppsättning energinivåer i atomen. Det vill säga energin hos en elektron ändras stegvis från en nivå till en annan. Följaktligen kan en elektron endast röra sig inom ett begränsat elektronskal som motsvarar en viss energinivå - detta är meningen med Bohrs postulat.

Efter att ha fått mer energi "hoppar" elektronen till ett lager högre från kärnan och förlorar energi, tvärtom, till ett lägre lager. Således är molnet av elektroner runt kärnan ordnat i form av flera "avskurna" lager.

Historien om idéer om atomen

Själva ordet "atom" kommer från grekiskan "odelbar" och går tillbaka till idéerna antika grekiska filosofer om den minsta odelbara delen av materien. På medeltiden blev kemister övertygade om att vissa ämnen inte kunde brytas ner ytterligare till sina beståndsdelar. Dessa minsta partiklar av materia kallas atomer. 1860, vid den internationella kemistkongressen i Tyskland, var denna definition officiellt inskriven i världsvetenskapen.

PÅ sent XIX I början av 1900-talet upptäckte fysiker subatomära partiklar och det blev tydligt att atomen faktiskt inte är odelbar. Teorier om atomens inre struktur lades omedelbart fram, en av de första var Thomson-modellen eller "russinpudding"-modellen. Enligt denna modell fanns små elektroner inuti en massiv positivt laddad kropp, som russin inuti en pudding. Men de praktiska experimenten från kemisten Rutherford motbevisade denna modell och ledde honom till att skapa en planetmodell av atomen.

Bohrs utveckling av planetmodellen, tillsammans med upptäckten av neutroner 1932, utgjorde grunden för modern teori om atomens struktur. De nästa stegen i utvecklingen av kunskap om atomen är redan kopplade till elementarpartiklarnas fysik: kvarkar, leptoner, neutriner, fotoner, bosoner och andra.

Varje dag använder vi några föremål: vi tar dem i våra händer, vi utför alla manipulationer på dem - vi vänder på dem, undersöker dem och slutligen bryter dem. Har du någonsin undrat vad dessa föremål är gjorda av? "Vad finns det att tänka på? Från metall / trä / plast / tyg!" – många av oss kommer att svara förvirrat. Detta är delvis det korrekta svaret. Och vad består dessa material av - metall, trä, plast, tyg och många andra ämnen? Idag kommer vi att diskutera denna fråga.

Molekyl och atom: definition

För en kunnig person är svaret på det enkelt och banalt: från atomer och molekyler. Men vissa människor blir förbryllade och börjar ställa frågor: "Vad är en atom och en molekyl? Hur ser de ut?" etc. Låt oss svara på dessa frågor i ordning. Tja, först och främst, vad är en atom och en molekyl? Låt oss berätta direkt att dessa definitioner inte är samma sak. Dessutom är de helt olika termer. Så en atom är den minsta delen av ett kemiskt element, som är bäraren av dess egenskaper, en partikel av materia med knapp massa och storlek. En molekyl är en elektriskt neutral partikel som bildas av flera sammankopplade atomer.

Vad är en atom: struktur

En atom består av ett elektronskal och (foto). I sin tur består kärnan av protoner och neutroner, och skalet - av elektroner. I en atom är protoner positivt laddade, elektroner är negativt laddade och neutroner är inte laddade alls. Om antalet protoner överensstämmer, så är atomen elektriskt neutral, d.v.s. om vi rör ett ämne som bildats av molekyler med sådana atomer kommer vi inte att känna den minsta elektriska impuls. Och även tunga datorer kommer inte att fånga det på grund av bristen på det senare. Men det händer att det finns fler protoner än elektroner, och vice versa. Då vore det mer korrekt att kalla sådana atomer för joner. Om det finns fler protoner i den är den elektriskt positiv, men om elektroner dominerar är den elektriskt negativ. Varje specifik atom har ett strikt antal protoner, neutroner och elektroner. Och det går att räkna ut. Mallen för att lösa problem med att hitta antalet dessa partiklar ser ut så här:

Chem. element - R (infoga elementnamn)
Protoner (p) - ?
Elektroner (e) - ?
Neutroner (n) - ?
Beslut:
p = serienummer för kemi. element R i det periodiska systemet uppkallat efter D.I. Mendelejev
e = sid
n \u003d A r (R) - nr. R

Vad är en molekyl: struktur

En molekyl är den minsta partikeln av ett kemiskt ämne, det vill säga den ingår redan direkt i dess sammansättning. En molekyl av ett visst ämne består av flera identiska eller olika atomer. De strukturella egenskaperna hos molekyler beror på de fysikaliska egenskaperna hos det ämne där de finns. Molekyler är uppbyggda av elektroner och atomer. Placeringen av den senare kan hittas med hjälp av Strukturformel. låter dig bestämma förloppet av en kemisk reaktion. De är vanligtvis neutrala elektrisk laddning), och de har inga oparade elektroner (alla valenser är mättade). Men de kan också laddas, då de rätt namn- joner. Molekyler kan också ha oparade elektroner och omättade valenser – i det här fallet kallas de för radikaler.

Slutsats

Nu vet du vad en atom är och Alla ämnen, utan undantag, består av molekyler, och de senare är i sin tur byggda av atomer. De fysikaliska egenskaperna hos ett ämne bestämmer arrangemanget och bindningen av atomer och molekyler i det.

ATOM [franska atom, från latin atomus, från grekiska?τομος (ουσ?α) - odelbar (essens)], en partikel av materia, den minsta delen av ett kemiskt grundämne, som är bäraren av dess egenskaper. Atomerna i varje grundämne är individuella i struktur och egenskaper och betecknas med grundämnenas kemiska symboler (till exempel en väteatom - H, järn - Fe, kvicksilver - Hg, uran - U, etc.). Atomer kan existera både i ett fritt tillstånd och i ett bundet tillstånd (se Kemisk bindning). Hela variationen av ämnen beror olika kombinationer atomer till varandra. Egenskaper hos gasformiga, flytande och fasta ämnen beror på egenskaperna hos deras ingående atomer. Alla fysiska och kemiska egenskaper hos en atom bestäms av dess struktur och lyder kvantlagar. (Om historien om utvecklingen av läran om atomen, se artikeln Atomfysik.)

Allmänna egenskaper hos atomernas struktur. En atom består av en tung kärna med positiv elektrisk laddning och lätta elektroner som omger den med negativa elektriska laddningar som bildar atomens elektronskal. En atoms dimensioner bestäms av dimensionerna på dess yttre elektronskal och är stora jämfört med atomkärnan. Karakteristiska ordningsföljder av diametrar, ytor tvärsnitt och atomens och kärnans volymer är:

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

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

En atoms elektronskal har inte strikt definierade gränser, och värdena på dimensionerna av en atom beror i större eller mindre utsträckning på metoderna för deras bestämning.

Kärnans laddning är den huvudsakliga egenskapen hos atomen, som bestämmer dess tillhörighet till ett visst element. Kärnans laddning är alltid en heltalsmultipel av den positiva elementära elektriska laddningen, lika i absolut värde som laddningen av elektronen -e. Kärnans laddning är +Ze, där Z är serienumret (atomnumret). Z \u003d 1, 2, 3, ... för atomer av på varandra följande element i det periodiska systemet av kemiska element, det vill säga för atomerna H, He, Li, .... I en neutral atom, en kärna med en laddning +Ze innehåller Z elektroner med en total laddning - Ze. En atom kan förlora eller få elektroner och bli en positiv eller negativ jon (k = 1, 2, 3, ... - mångfalden av dess jonisering). En atom av ett visst grundämne kallas ofta dess joner. När man skriver särskiljs joner från en neutral atom genom indexet k + och k -; till exempel är O en neutral syreatom, O+, O 2+, O 3+, ..., O 8+, O -, O 2- - dess positiva och negativa joner. Kombinationen av en neutral atom och joner av andra element med samma antal elektroner bildar en isoelektronisk serie, till exempel en serie väteliknande atomer H, He +, Li 2+, Be 3+, ....

Mångfalden av laddningen av en atoms kärna till den elementära laddningen e förklarades utifrån idéer om kärnans struktur: Z är lika med antalet protoner i kärnan, protonladdningen är + e. En atoms massa ökar med ökande Z. Massan av en atoms kärna är ungefär proportionell mot masstalet A - det totala antalet protoner och neutroner i kärnan. Massan av en elektron (0,91 10 -27 g) är mycket mindre (ca 1840 gånger) än massan av en proton eller neutron (1,67 × 10 -24 g), så massan av en atom bestäms huvudsakligen av massan av dess kärna.

Atomerna i ett givet grundämne kan skilja sig åt i kärnans massa (antalet protoner Z är konstant, antalet neutroner A-Z kan variera); sådana varianter av atomer av samma grundämne kallas isotoper. Skillnaden i kärnans massa har nästan ingen effekt på strukturen hos elektronskalen hos en given atom, som beror på Z, och på atomens egenskaper. De största skillnaderna i egenskaper (isotopeffekter) får man för väteisotoper (Z = 1) p.g.a. stor skillnad i massorna av en vanlig lätt väteatom (A = 1), deuterium (A = 2) och tritium (A = 3).

En atoms massa varierar från 1,67 × 10 -24 g (för huvudisotopen en väteatom, Z = 1, A = 1) till cirka 4 × 10 -22 g (för atomer av transuranelement). Mest exakta värden massor av atomer kan bestämmas med masspektroskopimetoder. Massan av en atom är inte exakt lika med summan av massan av kärnan och massan av elektroner, men något mindre - med massdefekten ΔM = W / c 2, där W är energin för bildning av en atom från kärnan och elektronerna (bindningsenergin), c är ljusets hastighet. Denna korrigering är av storleksordningen elektronmassan m e för tunga atomer, och för lätta atomer är den försumbar (i storleksordningen 10 -4 m e).

Atomens energi och dess kvantisering. På grund av sin ringa storlek och stora massa kan atomkärnan ungefär betraktas som en punkt och vila i atomens masscentrum (den gemensamma massacentrum för kärnan och elektronerna är belägen nära kärnan, och hastigheten på kärnan i förhållande till atomens massacentrum är liten jämfört med elektronernas hastigheter). Följaktligen kan en atom betraktas som ett system där N elektroner med laddningar - e rör sig runt ett orörligt attraherande centrum. Rörelsen av elektroner i en atom sker i en begränsad volym, det vill säga den är bunden. Den totala inre energin för en atom E är lika med summan av de kinetiska energierna T för alla elektroner och den potentiella energin U - energin för attraktion genom deras kärna och repulsion från varandra.

Enligt teorin om atomen, föreslog 1913 av Niels Bohr, rör sig i en väteatom en elektron med laddningen -e runt ett fast centrum med laddningen +e. I enlighet med klassisk mekanik är den kinetiska energin för en sådan elektron lika med

där v är hastigheten, p = m e v är elektronens rörelsemängd (momentum). Den potentiella energin (reducerad till energin från Coulomb-attraktionen av en elektron av kärnan) är lika med

och beror endast på elektronens avstånd r från kärnan. Grafiskt representeras funktionen U(r) av en kurva som minskar oändligt när r minskar, d.v.s. när elektronen närmar sig kärnan. Värdet på U(r) vid r→∞ tas som noll. På negativa värden total energi 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 är en elektrons rörelse fri - den kan gå till oändligheten med energi E = T = (1/2)m e v 2 , vilket motsvarar en joniserad väteatom H + . Således är en neutral väteatom ett system av elektrostatiskt bundna kärnor och en elektron med energi E< 0.

Komplett inre energi atom E - dess huvudsakliga egenskap som ett kvantsystem (se Kvantmekanik). En atom kan stanna länge endast i tillstånd med en viss energi - stationära (invarianta i tid) tillstånd. Den inre energin i ett kvantsystem som består av bundna mikropartiklar (inklusive en atom) kan ta en av de diskreta (diskontinuerliga) värdeserierna

Var och en av dessa "tillåtna" energivärden motsvarar ett eller flera stationära kvanttillstånd. Systemet kan inte ha mellanliggande energivärden (till exempel mellan E 1 och E 2, E 2 och E 3, etc.), ett sådant system sägs vara kvantiserat. Varje förändring i E är associerad med en kvant (hoppliknande) övergång av systemet från ett stationärt kvanttillstånd till ett annat (se nedan).

Möjliga diskreta värden (3) av en atoms energi kan avbildas grafiskt i analogi med den potentiella energin hos en kropp som höjs till olika höjder (till olika nivåer), i form av ett diagram över energinivåer, där varje energi värde motsvarar en rät linje ritad på höjden E i , i= 1 , 2, 3, ... (Fig. 1). Den lägsta nivån E 1, som motsvarar atomens lägsta möjliga energi, kallas marknivån, och alla övriga (E i > E 1), i = 2, 3, 4, ...) kallas exciterade, eftersom för att gå till dem (övergång till motsvarande stationära exciterade tillstånd från marken) är det nödvändigt att excitera systemet - att informera det från utsidan av energin E i-E 1 .

Kvantiseringen av en atoms energi är en konsekvens av elektronernas vågegenskaper. Enligt principen om korpuskulär vågdualism motsvarar rörelsen av en mikropartikel med massan m med hastigheten v en våglängd λ = h/mv, där h är Plancks konstant. För en elektron i en atom är λ i storleksordningen 10 -8 cm, det vill säga i storleksordningen av atomens linjära dimensioner, och det är nödvändigt att ta hänsyn till vågegenskaperna för en elektron i en atom. Relaterad rörelse av en elektron i en atom liknar en stående våg och bör inte betraktas som en rörelse materiell punkt längs banan, men hur komplicerat vågprocess. För en stående våg i en begränsad volym är endast vissa värden på våglängden λ (och följaktligen svängningsfrekvensen v) möjliga. Enligt kvantmekaniken är energin hos en atom E relaterad till v genom relationen E = hν och kan därför bara ta vissa värden. Den fria translationsrörelsen hos en mikropartikel, som inte är begränsad i rymden, till exempel rörelsen hos en elektron frikopplad från en atom (med energi E> 0), liknar utbredningen av en vandringsvåg i en obegränsad volym, för vilken någon värden på λ (och v) är möjliga. Energin hos en sådan fri mikropartikel kan anta alla värden (den är inte kvantifierad, den har ett kontinuerligt energispektrum). En sådan kontinuerlig sekvens motsvarar en joniserad atom. Värdet på E ∞ = 0 motsvarar joniseringsgränsen; skillnaden E ∞ -E 1 \u003d E-jon kallas joniseringsenergin (se artikeln Joniseringspotential); för en väteatom är det lika med 13,6 eV.

Elektrondensitetsfördelning. Den exakta positionen för en elektron i en atom det här ögonblicket tid kan inte fastställas på grund av osäkerheterna i förhållandet. Tillståndet för en elektron i en atom bestäms av dess vågfunktion, som på ett visst sätt beror på dess koordinater; kvadraten på vågfunktionens modul kännetecknar sannolikhetstätheten för att hitta en elektron vid en given punkt i rymden. Vågfunktionen är uttryckligen en lösning på Schrödinger-ekvationen.

Således kan tillståndet för en elektron i en atom karakteriseras av fördelningen av dess elektriska laddning i rymden med en viss densitet - fördelningen av elektrondensitet. Elektronerna är liksom "insmorda" i rymden och bildar ett "elektronmoln". En sådan modell karakteriserar elektronerna i en atom mer korrekt än modellen av en punktelektron som rör sig längs strikt definierade banor (i Bohrs teori om atomen). Samtidigt kan varje sådan Bohr-bana associeras med en specifik elektrondensitetsfördelning. För markenerginivån E 1 är elektrondensiteten koncentrerad nära kärnan; för exciterade energinivåer E 2 , E 3 , E 4 ... den fördelas på allt större medelavstånd från kärnan. I en multielektronatom är elektroner grupperade i skal som omger kärnan på olika avstånd och kännetecknas av vissa elektrondensitetsfördelningar. Bindningsstyrkan för elektroner med kärnan i de yttre skalen är mindre än i de inre skalen, och elektronerna är svagast bundna i det yttersta skalet, som har de största dimensionerna.

Redovisning för elektronspinn och kärnspinn. I teorin om atomen är det mycket viktigt att ta hänsyn till elektronens spinn - dess eget (spin) momentum, ur en visuell synvinkel motsvarande elektronens rotation runt sin egen axel (om elektron betraktas som en liten partikel). Hundra egna (snurr) magnetiska moment är associerade med spinn av en elektron. Därför är det i en atom nödvändigt att ta hänsyn, tillsammans med elektrostatiska interaktioner, de magnetiska interaktionerna som bestäms av det magnetiska spinsmomentet och det orbitala magnetiska momentet som är associerat med en elektrons rörelse runt kärnan; magnetiska interaktioner är små jämfört med elektrostatiska. Inverkan av spinnet i multielektronatomer är mest betydande: fyllningen av atomens elektronskal med ett visst antal elektroner beror på elektronernas spinn.

Kärnan i en atom kan också ha sitt eget mekaniska moment - kärnsnurret, som är förknippat med ett kärnmagnetiskt moment hundratals och tusentals gånger mindre än det elektroniska. Förekomsten av spinn leder till ytterligare, mycket små interaktioner mellan kärnan och elektronerna (se nedan).

Kvanttillstånd för väteatomen. Den viktigaste rollen i atomens kvantteorin spelas av teorin om den enklaste enelektronatomen, bestående av en kärna med en laddning +Ze och en elektron med en laddning -e, det vill säga teorin om vätet atom H och väteliknande joner He +, Li 2+, Be 3+, ..., vanligen kallad teorin om väteatomen. Metoder kvantmekanik du kan få exakt och fullständig beskrivning tillstånd för en elektron i en enelektronatom. Problemet med en atom med många elektroner löses endast ungefär; i detta fall utgår de från resultaten av att lösa problemet med en enelektronatom.

Energin hos en enelektronatom i den icke-relativistiska approximationen (utan att ta hänsyn till elektronspinnet) är lika med

heltal n = 1, 2, 3, ... bestämmer möjliga diskreta energivärden - energinivåer - och kallas huvudkvanttalet, R är Rydbergskonstanten, lika med 13,6 eV. Atomens energinivåer konvergerar (kondenserar) till joniseringsgränsen Е ∞ = 0 motsvarande n =∞. För väteliknande joner ändras bara skalan av energivärden (med en faktor Z2). Joniseringsenergin för en väteliknande atom (elektronbindande energi) är (i eV)

vilket ger för H, He +, Li 2+, ... värdena 13,6 eV, 54,4 eV, 122,4 eV, ... .

Grundformeln (4) motsvarar uttrycket U(r) = -Ze 2 /r för den potentiella energin hos en elektron i elektriskt fält kärnor med laddning +Ze. Denna formel härleddes först av N. Bohr genom att betrakta en elektrons rörelse runt kärnan i en cirkulär bana med radien r och är den exakta lösningen av Schrödinger-ekvationen för ett sådant system. Energinivåer (4) motsvarar banor med radie

där konstanten a 0 \u003d 0,529 10 -8 cm \u003d \u003d 0,529 A är radien för väteatomens första cirkulära omloppsbana som motsvarar dess marknivå (denna Bohr-radie används ofta som en lämplig enhet för att mäta längder i atomfysik). Banornas radie är proportionell mot kvadraten på huvudkvanttalet n 2 och omvänt proportionell mot Z; för väteliknande joner minskar skalan av linjära dimensioner med en faktor Z jämfört med väteatomen. Den relativistiska beskrivningen av väteatomen, med hänsyn till elektronens spinn, ges av Dirac-ekvationen.

Enligt kvantmekaniken bestäms tillståndet för väteatomen helt av de diskreta värdena av fyra fysiska storheter: energi E; orbitalmoment M l (momentet för en elektron i förhållande till kärnan); projicerar M lz av det orbitala momentumet på en godtyckligt vald riktning z; projicerar M sz av spinns rörelsemängd (inneboende rörelsemängd för elektronens rörelsemängd M s). De möjliga värdena för dessa fysiska storheter bestäms i sin tur av kvanttalen n, l, m l , m s, respektive. I approximationen när energin hos en väteatom beskrivs av formel (4), bestäms den endast av huvudkvanttalet n, som tar heltalsvärden 1, 2, 3, ... . En energinivå med ett givet n motsvarar flera tillstånd som skiljer sig åt i värdena för det orbitala (azimutala) kvanttalet l = 0, 1, ..., n-1. Tillstånd med givna värden på n och l betecknas vanligtvis som 1s, 2s, 2p, 3s, ..., där siffrorna anger värdet på n, och bokstäverna s, p, d, f (nedan på latin alfabetet) - respektive värdena l \u003d 0, 1, 2, 3. För givet n och l är antalet olika tillstånd 2(2l + 1) - antalet kombinationer av värden för den magnetiska orbital kvantnummer m l av det magnetiska spinnumret m s (det första tar 2l + 1 värden, det andra - 2 värden). Det totala antalet olika tillstånd med givna n och l är 2n 2 . Således motsvarar varje energinivå för en väteatom 2,8, 18,...2n 2 (vid n= 1, 2, 3, ...) olika stationära kvanttillstånd. Om endast ett kvanttillstånd motsvarar en energinivå, så kallas det icke-degenererat, om två eller flera - degenererar (se Degeneration i kvantteorin), och antalet sådana tillstånd g kallas graden eller mångfalden av degeneration (för icke-degenererade energinivåer g = 1). Energinivåerna för väteatomen är degenererade, och deras degenerationsgrad är g n = 2n 2 .

För olika tillstånd av väteatomen erhålls också en annan fördelning av elektrondensiteten. Det beror på kvanttalen n, l och. Samtidigt skiljer sig elektrontätheten för s-tillstånd (l=0) från noll i centrum, d.v.s. vid platsen för kärnan, och beror inte på riktning (sfäriskt symmetrisk), och för vilotillstånden (l>0) är den lika med noll i mitten och beror på riktningen. Elektrondensitetsfördelningen för väteatomens tillstånd med n = 1, 2, 3 visas i figur 2; dimensionerna för "elektronmolnet" växer i enlighet med formel (6) i proportion till n2 (skalan i figur 2 minskar när man förflyttar sig från n = 1 till n = 2 och från n = 2 till n = 3). Kvanttillstånden för en elektron i väteliknande joner kännetecknas av samma fyra kvanttal n, l, m l och m s som i väteatomen. Fördelningen av elektrontätheten bevaras också, bara den ökar med en faktor Z.

Handling på atomen av yttre fält. atom liknande elektriskt system i externa elektriska och magnetiska fält förvärvar ytterligare energi. Det elektriska fältet polariserar atomen - det förskjuter elektronmoln i förhållande till kärnan (se Polariserbarhet av atomer, joner och molekyler), och magnetfältet orienterar på ett visst sätt atomens magnetiska moment, associerat med en elektrons rörelse omkring kärnan (med ett omloppsmoment M l) och dess spinn. Olika tillstånd för en väteatom med samma energi E n i ett yttre fält motsvarar olika betydelser ytterligare energi ΔЕ, och den degenererade energinivån E n delas upp i ett antal undernivåer. Både uppdelningen av energinivåer i ett elektriskt fält - Stark-effekten - och deras uppdelning i ett magnetfält - Zeeman-effekten - är proportionella mot styrkorna hos motsvarande fält.

Små magnetiska interaktioner inuti atomen leder också till splittring av energinivåer. För väteatomen och väteliknande joner finns en spin-omloppsinteraktion - interaktionen av elektronens spinn och omloppsmoment; det orsakar den så kallade fina strukturen av energinivåer - uppdelningen av de exciterade nivåerna E n (för n>1) i undernivåer. För alla energinivåer av väteatomen observeras också en hyperfin struktur, på grund av mycket små magnetiska interaktioner av kärnspinnet med elektroniska moment.

Elektroniska skal av multielektronatomer. Teorin om en atom som innehåller 2 eller fler elektroner skiljer sig fundamentalt från teorin om en väteatom, eftersom det i en sådan atom finns identiska partiklar som interagerar med varandra - elektroner. Den ömsesidiga avstötningen av elektroner i en multielektronatom minskar avsevärt styrkan hos deras bindning med kärnan. Till exempel är lösgöringsenergin för en enskild elektron i en heliumjon (He +) 54,4 eV, medan i en neutral heliumatom, som ett resultat av avstötning av elektroner, lösgöringsenergin för en av dem minskar till 24,6 eV. För de yttre elektronerna hos tyngre atomer är minskningen av deras bindningsstyrka på grund av repulsion av de inre elektronerna ännu mer signifikant. En viktig roll i många-elektronatomer spelas av elektronernas egenskaper som identiska mikropartiklar (se Identitetsprincipen) med spin s = 1/2, för vilket Pauli-principen är giltig. Enligt denna princip kan det i ett system av elektroner inte finnas mer än en elektron i varje kvanttillstånd, vilket leder till bildandet av elektronskal av en atom, strikt fyllda vissa siffror elektroner.

Med hänsyn till det omöjliga att särskilja interagerande elektroner är det vettigt att bara tala om atomens kvanttillstånd som helhet. Emellertid kan man ungefär betrakta kvanttillstånden för individuella elektroner och karakterisera var och en av dem med en uppsättning kvanttal n, l, ml och m s , på samma sätt som en elektron i en väteatom. I detta fall visar sig elektronenergin inte bara bero på n, som i väteatomen, utan också på l; det beror fortfarande inte på m l och m s. Elektroner med givet n och l i en multielektronatom har samma energi och bildar ett visst elektronskal. Sådana ekvivalenta elektroner och skalen som bildas av dem, såväl som kvanttillstånd och energinivåer med givna n och l, betecknas med symbolerna ns, np, nd, nf, ... (för 1 = 0, 1, 2, 3, ...) och de pratar om 2p-elektroner, 3s-skal och så vidare.

Enligt Pauli-principen måste alla två elektroner i en atom vara i olika kvanttillstånd och därför skilja sig åt med minst ett av de fyra kvanttalen n, l, m l och m s , och för ekvivalenta elektroner (n och l är desamma) - med värdena m l och m s . Antalet par m l , m s , det vill säga antalet olika kvanttillstånd för en elektron med givna n och l, är graden av degeneration av dess energinivå g l = 2 (2l+1) = 2, 6, 10, 14, ... . Den bestämmer antalet elektroner i helt fyllda elektronskal. Således är s-, p-, d-, f-, ... skal fyllda med 2, 6, 10, 14, ... elektroner, oavsett värdet på n. Elektroner med givet n bildar ett skikt bestående av skal med l = 0, 1, 2, ..., n - 1 och fyllda med 2n 2 elektroner, det så kallade K-, L-, M, N-skiktet. Vid fullt färdigställande har vi:

I varje lager kännetecknas skal med mindre l av en högre elektrondensitet. Styrkan i bindningen mellan elektronen och kärnan minskar med en ökning av n, och för ett givet n, med en ökning av l. Ju svagare den bundna elektronen är i motsvarande skal, desto högre är energinivån. En kärna med ett givet Z fäster elektroner i ordning efter minskande styrka av deras bindning: först två elektroner 1s, sedan två elektroner 2s, sex elektroner 2p, etc. En atom av varje kemiskt element har en viss fördelning av elektroner över skal - dess elektroniska konfiguration, till exempel:

(antal elektroner i ett givet skal anges av indexet uppe till höger). Periodicitet i egenskaperna hos element bestäms av likheten mellan atomens yttre elektronskal. Till exempel har neutrala atomer P, As, Sb, Bi (Z = 15, 33, 51, 83) tre p-elektroner i det yttre elektronskalet, som N-atomen, och liknar den i kemiska och många fysikaliska egenskaper .

Varje atom kännetecknas av en normal elektronisk konfiguration, erhållen när alla elektroner i atomen är starkast bundna, och exciterade elektroniska konfigurationer, när en eller flera elektroner är svagare bundna - är på högre energinivåer. Till exempel, för en heliumatom, tillsammans med normal 1s2, är exciterade elektroniska konfigurationer möjliga: 1s2s, 1s2p, ... (en elektron är exciterad), 2s 2, 2s2p, ... (båda elektronerna är exciterade). En viss elektronisk konfiguration motsvarar en energinivå för atomen som helhet, om elektronskalen är helt fyllda (till exempel är atomens normala konfiguration Ne 1s 2 2s 2 р 6), och ett antal energinivåer, om det finns delvis fyllda skal (till exempel är den normala konfigurationen av kväveatomen 1s 2 2s 2 2p 3 för vilka skalet 2p är halvfyllt). I närvaro av delvis fyllda d- och f-skal kan antalet energinivåer som motsvarar varje konfiguration nå många hundra, så att schemat för energinivåer för en atom med delvis fyllda skal är mycket komplext. Grundenerginivån för en atom är den lägsta nivån av den normala elektroniska konfigurationen.

Kvantövergångar i atomen. I kvantövergångar går en atom från ett stationärt tillstånd till ett annat - från en energinivå till en annan. Under övergången från en högre energinivå E i till en lägre Е avger atomen energi E i - Ek k , under den omvända övergången tar den emot den. Som för alla kvantsystem kan kvantövergångar för en atom vara av två typer: med strålning (optiska övergångar) och utan strålning (strålning, eller icke-optiska, övergångar). Den viktigaste egenskapen hos en kvantövergång är dess sannolikhet, som avgör hur ofta denna övergång kan inträffa.

Under kvantövergångar med strålning absorberar en atom (övergång E till → E i) eller avger (övergång E i → E till) elektromagnetisk strålning. Elektromagnetisk energi absorberas och emitteras av en atom i form av ett ljuskvantum - en foton - kännetecknad av en viss oscillationsfrekvens v, enligt relationen:

där hv är fotonenergin. Relation (7) är lagen för bevarande av energi för mikroskopiska processer associerade med strålning.

En atom i grundtillståndet kan bara absorbera fotoner, medan den i exciterade tillstånd både kan absorbera och avge dem. En fri atom i grundtillståndet kan existera i all oändlighet. Varaktigheten av en atoms vistelse i ett exciterat tillstånd (livslängden för detta tillstånd) är begränsad, atomen förlorar spontant (spontant), delvis eller helt excitationsenergin, avger en foton och går till en lägre energinivå; tillsammans med sådan spontan emission är stimulerad emission också möjlig, som sker, liksom absorption, under inverkan av fotoner med samma frekvens. Livslängden för en exciterad atom är kortare, desto större är sannolikheten för spontan övergång, för en väteatom är den i storleksordningen 10 -8 s.

Uppsättningen av frekvenser v av möjliga övergångar med strålning bestämmer atomspektrumet för motsvarande atom: uppsättningen av frekvenser för övergångar från lägre till övre nivåer är dess absorptionsspektrum, uppsättningen av frekvenser för övergångar från övre till lägre nivåer är emissionsspektrumet . Varje sådan övergång i atomspektrumet motsvarar en viss spektrallinje med frekvens v.

I icke-strålande kvantövergångar tar en atom emot eller avger energi när den interagerar med andra partiklar som den kolliderar med i en gas eller är långtidsbunden i en molekyl, vätska eller fast kropp. I en gas kan en atom anses vara fri i tidsintervallen mellan kollisioner; vid en kollision (påverkan) kan en atom gå till ett lägre eller hög nivå energi. En sådan kollision kallas oelastisk (till skillnad från en elastisk kollision, där endast den kinetiska energin för atomens translationsrörelse förändras, medan dess inre energi förblir oförändrad). Ett viktigt specialfall är kollisionen mellan en fri atom och en elektron; vanligtvis rör sig en elektron snabbare än en atom, kollisionstiden är mycket kort och man kan tala om en elektronstöt. Excitering av en atom genom elektronpåverkan är en av metoderna för att bestämma dess energinivåer.

Kemisk och fysikaliska egenskaper atom. De flesta egenskaperna hos en atom bestäms av strukturen och egenskaperna hos dess yttre elektronskal, där elektroner är relativt svagt bundna till kärnan (bindande energier från flera eV till flera tiotals eV). Strukturera inre skal atom, vars elektroner är mycket starkare bundna (bindande energier av hundratals, tusentals och tiotusentals eV), manifesterar sig endast i atomens interaktioner med snabba partiklar och fotoner med hög energi (mer än hundratals eV) . Sådana interaktioner bestämmer atomens röntgenspektra och spridningen av snabba partiklar (se Partikeldiffraktion). Massan av en atom bestämmer dess mekaniska egenskaper under rörelsen av atomen som helhet - mängden rörelse, kinetisk energi. Olika resonansegenskaper och andra fysikaliska egenskaper hos atomen beror på atomens mekaniska och relaterade magnetiska och elektriska moment (se Elektronparamagnetisk resonans, Kärnmagnetisk resonans, Kärnkvadrupolresonans).

Elektronerna i atomens yttre skal utsätts lätt för yttre påverkan. När atomer närmar sig varandra uppstår starka elektrostatiska interaktioner, vilket kan leda till bildandet av en kemisk bindning. Svagare elektrostatiska interaktioner mellan två atomer manifesteras i deras ömsesidiga polarisering - förskjutningen av elektroner i förhållande till kärnor, som är den starkaste för svagt bundna externa elektroner. Polarisationskrafter av attraktion uppstår mellan atomer, som måste beaktas redan på stora avstånd mellan dem. Atomens polarisering sker även i yttre elektriska fält; som ett resultat förskjuts atomens energinivåer och, vad som är särskilt viktigt, degenererade energinivåerna splittras (Stark-effekten). Polariseringen av en atom kan uppstå under påverkan av elektriskt fält lätt (elektromagnetisk) våg; det beror på ljusets frekvens, som bestämmer beroendet av det och brytningsindexet (se Ljusspridning), associerat med atomens polariserbarhet. Stäng anslutning optiska egenskaper en atom med dess elektriska egenskaper manifesteras särskilt tydligt i dess optiska spektra.

Atomers magnetiska egenskaper bestäms huvudsakligen av strukturen hos deras elektronskal. Det magnetiska momentet för en atom beror på dess mekaniska moment (se Magneto-mekaniskt förhållande), i en atom med helt fyllda elektronskal noll-, såväl som det mekaniska momentet. Atomer med delvis fyllda yttre elektronskal har som regel magnetiska moment som inte är noll och är paramagnetiska. I ett externt magnetfält delas alla nivåer av atomer, där det magnetiska momentet inte är lika med noll - Zeeman-effekten äger rum. Alla atomer har diamagnetism, vilket beror på utseendet av ett magnetiskt moment i dem under påverkan av en extern magnetiskt fält(det så kallade inducerade magnetiska momentet, analogt med atomens elektriska dipolmoment).

Med den successiva joniseringen av en atom, det vill säga med separationen av dess elektroner, med början från de yttersta i ordning efter ökande styrka av deras bindning, förändras alla egenskaper hos atomen som bestäms av dess yttre skal i enlighet med detta. Fler och mer fast bundna elektroner blir externa; som ett resultat av detta minskar en atoms förmåga att polarisera i ett elektriskt fält kraftigt, avstånden mellan energinivåer och frekvenserna för optiska övergångar mellan dessa nivåer ökar (vilket leder till en förskjutning av spektrat mot allt kortare våglängder). Ett antal egenskaper uppvisar periodicitet: egenskaperna hos joner med liknande yttre elektroner visar sig vara lika; till exempel visar N 3+ (två 2s elektroner) likhet med N 5+ (två 1s elektroner). Detta gäller egenskaperna och det relativa arrangemanget av energinivåer och optiska spektra, atomens magnetiska moment och så vidare. Den mest dramatiska förändringen i egenskaper sker när den sista elektronen tas bort från yttre skal, när endast helt fyllda skal återstår, till exempel när man går från N 4+ till N 5+ (elektroniska konfigurationer 1s 2 2s och 1s 2). I detta fall är jonen mest stabil och dess totala mekaniska och totala magnetiska moment är lika med noll.

Egenskaper hos en atom i bundet tillstånd(till exempel en del av en molekyl) skiljer sig från egenskaperna hos en fri atom. Atomens egenskaper genomgår de största förändringarna, bestämt av de yttersta elektronerna som deltar i tillägget av en given atom till en annan. Samtidigt kan egenskaperna som bestäms av elektronerna i de inre skalen förbli praktiskt taget oförändrade, vilket är fallet för röntgenspektra. Vissa egenskaper hos en atom kan genomgå relativt små förändringar, från vilka information kan erhållas om arten av växelverkan mellan bundna atomer. Ett viktigt exempel är uppdelningen av atomenerginivåer i kristaller och komplexa föreningar, som sker under inverkan av elektriska fält som skapas av omgivande joner.

Experimentella metoder för att studera strukturen hos en atom, dess energinivåer, dess interaktioner med andra atomer, elementarpartiklar, molekyler, yttre fält och så vidare varierar, men huvudinformationen finns i dess spektra. Metoderna för atomspektroskopi i alla våglängdsområden, och i synnerhet metoderna för modern laserspektroskopi, gör det möjligt att studera allt mer subtila effekter förknippade med atomen. Från början av 1800-talet var atomens existens uppenbar för forskare, men ett experiment för att bevisa verkligheten av dess existens sattes upp av J. Perrin i början av 1900-talet. Med utvecklingen av mikroskopi blev det möjligt att få bilder av atomer på ytan av fasta ämnen. Atomen sågs först av E. Muller (USA, 1955) med hjälp av det fältjonmikroskop han uppfann. Moderna atomkraft- och tunnelmikroskop gör det möjligt att få bilder av fasta ämnens ytor med god upplösning vid atomär nivå(se figur 3).

Ris. 3. Bild av kiselytans atomära struktur, erhållen av professorn M. Kapstell vid Oxford University med hjälp av ett skanningstunnelmikroskop.

Så kallade exotiska atomer finns och används flitigt i olika studier, till exempel muonatomer, det vill säga atomer där alla eller delar av elektronerna är ersatta av negativa myoner, muonium, positronium, samt hadroniska atomer, bestående av laddade pioner , kaoner, protoner, deuteroner etc. De första observationerna av antiväteatomen gjordes också (2002) - en atom som består av en positron och en antiproton.

Bokst.: Född M. Atomfysik. 3:e uppl. M., 1970; Fano U., Fano L. Atomers och molekylers fysik. M., 1980; Shpolsky E.V. Atomfysik. 7:e uppl. M., 1984. T. 1-2; Elyashevich MA Atom- och molekylspektroskopi. 2:a uppl. M., 2000.

Atomens sammansättning.

En atom är uppbyggd av atomkärna och elektronskal.

Kärnan i en atom består av protoner ( p+) och neutroner ( n 0). De flesta väteatomer har en enda protonkärna.

Antal protoner N(p+) är lika med kärnladdningen ( Z) och ordningstalet för grundämnet i den naturliga serien av element (och i det periodiska systemet av element).

N(sid +) = Z

Summan av antalet neutroner N(n 0), endast betecknad med bokstaven N och antalet protoner Z kallad massnummer och är markerad med bokstaven MEN.

A = Z + N

En atoms elektronskal består av elektroner som rör sig runt kärnan ( e -).

Antal elektroner N(e-) i elektronskalet hos en neutral atom är lika med antalet protoner Z i dess kärna.

Massan av en proton är ungefär lika med massan av en neutron och 1840 gånger massan av en elektron, så massan av en atom är praktiskt taget lika med massan av kärnan.

Formen på en atom är sfärisk. Kärnans radie är cirka 100 000 gånger mindre än atomens radie.

Kemiskt element- typ av atomer (uppsättning atomer) med samma kärnladdning (med samma antal protoner i kärnan).

Isotop- en uppsättning atomer av ett grundämne med samma antal neutroner i kärnan (eller en typ av atomer med samma antal protoner och samma antal neutroner i kärnan).

Olika isotoper skiljer sig från varandra i antalet neutroner i kärnorna i deras atomer.

Beteckning för en enskild atom eller isotop: (E - elementsymbol), till exempel: .

Strukturen av atomens elektronskal

atomomloppär tillståndet för en elektron i en atom. Orbital symbol - . Varje orbital motsvarar ett elektronmoln.

De verkliga atomernas orbitaler i marktillståndet (oexciterat) är av fyra typer: s, sid, d och f.

elektroniskt moln- den del av rymden där en elektron kan hittas med en sannolikhet på 90 (eller mer) procent.

Notera: ibland särskiljs inte begreppen "atomorbital" och "elektronmoln", vilket kallar dem båda "atomic orbital".

En atoms elektronskal är skiktat. Elektroniskt lager bildas av elektronmoln av samma storlek. Orbitaler av ett lager bildas elektronisk ("energi") nivå, deras energier är desamma för väteatomen, men olika för andra atomer.

Orbitaler på samma nivå grupperas i elektronisk (energi) undernivåer:
s- undernivå (består av en s-orbitaler), symbol - .
sid undernivå (består av tre sid
d undernivå (består av fem d-orbitaler), symbol - .
f undernivå (består av sju f-orbitaler), symbol - .

Energierna för orbitalerna på samma undernivå är desamma.

När du anger undernivåer läggs numret på lagret (elektronisk nivå) till undernivåsymbolen, till exempel: 2 s, 3sid, 5d betyder att s- undernivå av den andra nivån, sid- undernivå av den tredje nivån, d- undernivå till den femte nivån.

Det totala antalet undernivåer på en nivå är lika med nivånumret n. Det totala antalet orbitaler i en nivå är n 2. Följaktligen är det totala antalet moln i ett lager också n 2 .

Beteckningar: - fri orbital (utan elektroner), - orbital med en oparad elektron, - orbital med ett elektronpar (med två elektroner).

Ordningen i vilken elektroner fyller en atoms orbitaler bestäms av tre naturlagar (formuleringar ges på ett förenklat sätt):

1. Principen om minsta energi - elektroner fyller orbitalerna i ordningsföljd för att öka orbitalers energi.

2. Paulis princip - det kan inte finnas mer än två elektroner i en orbital.

3. Hunds regel - inom undernivån fyller elektroner först fria orbitaler (en i taget), och först efter det bildar de elektronpar.

Det totala antalet elektroner i den elektroniska nivån (eller i det elektroniska lagret) är 2 n 2 .

Fördelningen av undernivåer efter energi uttrycks härnäst (i ordning med ökande energi):

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

Visuellt uttrycks denna sekvens av energidiagrammet:

Fördelningen av en atoms elektroner efter nivåer, undernivåer och orbitaler (den elektroniska konfigurationen av en atom) kan avbildas som en elektronisk formel, ett energidiagram eller, enklare, som ett diagram över elektroniska lager ("elektroniskt diagram") .

Exempel på atomers elektroniska struktur:

valenselektroner- elektroner i en atom som kan delta i bildandet av kemiska bindningar. För vilken atom som helst är dessa alla de yttre elektronerna plus de för-yttre elektronerna vars energi är större än de yttre. Till exempel: Ca-atomen har 4 yttre elektroner s 2, de är också valens; Fe-atomen har externa elektroner - 4 s 2 men han har 3 d 6, därför har järnatomen 8 valenselektroner. Valens elektronisk formel kalciumatomer - 4 s 2 och järnatomer - 4 s 2 3d 6 .

Periodiskt system av kemiska element av D. I. Mendeleev
(naturligt system av kemiska element)

Periodiska lag för kemiska grundämnen(modern formulering): egenskaperna hos kemiska element, såväl som enkla och komplexa ämnen som bildas av dem, är i ett periodiskt beroende av värdet av laddningen från atomkärnor.

Periodiskt system- grafiskt uttryck för den periodiska lagen.

Naturligt utbud av kemiska element- ett antal kemiska grundämnen, ordnade efter ökningen av antalet protoner i kärnorna i deras atomer, eller, vad som är detsamma, enligt ökningen av laddningarna av dessa atomers kärnor. Serienumret för ett grundämne i denna serie är lika med antalet protoner i kärnan av någon atom i detta element.

Tabellen över kemiska grundämnen är konstruerad genom att "klippa" den naturliga serien av kemiska grundämnen i perioder(horisontella rader i tabellen) och grupperingar (vertikala kolumner i tabellen) av element med en liknande elektronisk struktur av atomer.

Beroende på hur element kombineras i grupper kan en tabell vara lång period(grundämnen med samma antal och typ av valenselektroner samlas i grupper) och kortsiktigt(grundämnen med samma antal valenselektroner samlas i grupper).

Grupperna i den korta periodtabellen är indelade i undergrupper ( huvud och bieffekter), som sammanfaller med grupperna i långperiodtabellen.

Alla atomer av element från samma period samma nummer elektroniska lager, lika med periodens antal.

Antalet element i perioderna: 2, 8, 8, 18, 18, 32, 32. De flesta av elementen i den åttonde perioden erhölls artificiellt, de sista elementen i denna period har ännu inte syntetiserats. Alla perioder utom den första börjar med ett alkalimetallbildande element (Li, Na, K, etc.) och slutar med ett ädelgasbildande element (He, Ne, Ar, Kr, etc.).

I den korta periodtabellen - åtta grupper, som var och en är uppdelad i två undergrupper (huvud- och sekundär), i den långa periodtabellen - sexton grupper, som är numrerade i romerska siffror med bokstäverna A eller B, till exempel: IA, IIIB, VIA, VIIB. Grupp IA i den långa periodtabellen motsvarar huvudundergruppen i den första gruppen i den korta periodtabellen; grupp VIIB - sekundär undergrupp av den sjunde gruppen: resten - på liknande sätt.

Kemiska grundämnens egenskaper förändras naturligt i grupper och perioder.

I perioder (med ökande serienummer)

kärnladdningen ökar
antalet yttre elektroner ökar,
atomernas radie minskar,
bindningsstyrkan för elektroner med kärnan ökar (joniseringsenergi),
elektronegativiteten ökar.
intensifiera oxiderande egenskaper enkla ämnen ("icke-metallicitet"),
de reducerande egenskaperna hos enkla ämnen ("metallicitet") försvagas,
försvagar den grundläggande karaktären hos hydroxider och motsvarande oxider,
den sura karaktären hos hydroxider och motsvarande oxider ökar.

I grupper (med ökande serienummer)

kärnladdningen ökar
atomernas radie ökar (endast i A-grupper),
styrkan på bindningen mellan elektroner och kärnan minskar (joniseringsenergi; endast i A-grupper),
elektronegativiteten minskar (endast i A-grupper),
försvaga de oxiderande egenskaperna hos enkla ämnen ("icke-metallicitet"; endast i A-grupper),
de reducerande egenskaperna hos enkla ämnen förbättras ("metallicitet"; endast i A-grupper),
den grundläggande karaktären hos hydroxider och motsvarande oxider ökar (endast i A-grupper),
den sura naturen hos hydroxider och motsvarande oxider försvagas (endast i A-grupper),
stabiliteten minskar väteföreningar(deras reducerande aktivitet ökar; endast i A-grupper).

Uppgifter och tester på ämnet "Ämne 9. "Atomens struktur. Periodisk lag och periodiskt system för kemiska grundämnen i D. I. Mendeleev (PSCE)"."

Periodisk lag - Periodisk lag och atomers struktur Åk 8–9
Du bör veta: lagarna för att fylla orbitaler med elektroner (principen om minsta energi, Paulis princip, Hunds regel), strukturen för det periodiska systemet av element.
Du bör kunna: bestämma sammansättningen av en atom genom ett elements position i det periodiska systemet, och omvänt, hitta ett element i det periodiska systemet, känna till dess sammansättning; skildra strukturdiagrammet, den elektroniska konfigurationen av en atom, jon och, omvänt, bestämma positionen för ett kemiskt element i PSCE från diagrammet och den elektroniska konfigurationen; karakterisera grundämnet och de ämnen det bildar enligt dess position i PSCE; bestämma förändringar i atomernas radie, egenskaperna hos kemiska grundämnen och de ämnen de bildar inom en period och en huvudundergrupp av det periodiska systemet.
Exempel 1 Bestäm antalet orbitaler i den tredje elektroniska nivån. Vad är dessa orbitaler?
För att bestämma antalet orbitaler använder vi formeln N orbitaler = n 2, var n- nivånummer. N orbitaler = 3 2 = 9. En 3 s-, tre 3 sid- och fem 3 d-orbitaler.
Exempel 2 Bestäm atomen för vilket element som har den elektroniska formeln 1 s 2 2s 2 2sid 6 3s 2 3sid 1 .
För att avgöra vilket grundämne det är måste du ta reda på dess serienummer, vilket är lika med det totala antalet elektroner i atomen. I detta fall: 2 + 2 + 6 + 2 + 1 = 13. Detta är aluminium.
Efter att ha sett till att allt du behöver är lärt, fortsätt till uppgifterna. Vi önskar dig framgång.

Rekommenderad litteratur:
- O. S. Gabrielyan med flera. Kemi, 11:e klass. M., Bustard, 2002;
- G. E. Rudzitis, F. G. Feldman. Kemi 11 celler. M., utbildning, 2001.

Från antiken fram till mitten av 1700-talet dominerades vetenskapen av tanken att atomen är en partikel av materia som inte går att dela. Den engelske vetenskapsmannen, liksom naturforskaren D. Dalton, definierade atomen som den minsta beståndsdelen av ett kemiskt element. M. V. Lomonosov kunde i sin atom- och molekylteori definiera atomen och molekylen. Han var säker på att molekylerna, som han kallade "kroppar", är uppbyggda av "element" - atomer - och är i konstant rörelse.

D. I. Mendeleev trodde att denna underenhet av ämnen som utgör den materiella världen behåller alla sina egenskaper endast om den inte utsätts för separation. I den här artikeln kommer vi att definiera atomen som ett objekt i mikrovärlden och studera dess egenskaper.

Förutsättningar för att skapa en teori om atomens struktur

På 1800-talet ansågs påståendet om atomens odelbarhet vara allmänt accepterat. De flesta forskare trodde att partiklar av ett kemiskt element under inga omständigheter kunde förvandlas till atomer av ett annat element. Dessa idéer fungerade som grunden för definitionen av atomen fram till 1932. I slutet av 1800-talet gjordes grundläggande upptäckter inom vetenskapen som förändrade denna syn. Först och främst, 1897, upptäckte den engelske fysikern J. J. Thomson elektronen. Detta faktum förändrade radikalt forskarnas idéer om odelbarheten av den ingående delen av ett kemiskt element.

Hur man bevisar att en atom är komplex

Redan tidigare var forskare enhälligt överens om att atomer inte har några laddningar. Sedan fann man att elektroner lätt frigörs från vilket kemiskt element som helst. De kan hittas i lågor, de är bärare elektrisk ström, de avges av ämnen under röntgenstrålning.

Men om elektroner är en del av alla atomer utan undantag och är negativt laddade, så finns det fortfarande några partiklar i atomen som nödvändigtvis har en positiv laddning, annars skulle atomerna inte vara elektriskt neutrala. För att hjälpa till att reda ut atomens struktur, hjälpte ett sådant fysiskt fenomen som radioaktivitet. Det gav den korrekta definitionen av atomen i fysik och sedan i kemi.

Osynliga strålar

Den franske fysikern A. Becquerel var den första som beskrev fenomenet med emission från atomer av vissa kemiska element, visuellt osynliga strålar. De joniserar luften, passerar genom ämnen, orsakar svärtning av fotografiska plattor. Senare fann Curie-makarna att radioaktiva ämnen omvandlas till atomer av andra kemiska grundämnen (till exempel uran till neptunium).

Radioaktiv strålning har en heterogen sammansättning: alfapartiklar, beta-partiklar, gammastrålar. Således bekräftade fenomenet radioaktivitet att partiklarna av elementen i det periodiska systemet har komplex struktur. Detta faktum var orsaken till de ändringar som gjordes i definitionen av atomen. Vilka partiklar består en atom av, med tanke på de nya vetenskapliga fakta som Rutherford erhållit? Svaret på denna fråga var den nukleära modellen av atomen som föreslagits av forskaren, enligt vilken elektroner kretsar runt en positivt laddad kärna.

Motsägelser av Rutherfords modell

Forskarens teori, trots sin enastående karaktär, kunde inte objektivt definiera atomen. Hennes slutsatser gick emot termodynamikens grundläggande lagar, enligt vilka alla elektroner som kretsar runt kärnan förlorar sin energi och, oavsett om det är så, förr eller senare måste falla in i den. Atomen förstörs i detta fall. Detta händer faktiskt inte, eftersom de kemiska grundämnena och partiklarna som de består av finns i naturen under mycket lång tid. En sådan definition av atomen, baserad på Rutherfords teori, är oförklarlig, liksom fenomenet som uppstår när heta enkla ämnen passerar genom ett diffraktionsgitter. När allt kommer omkring har de resulterande atomspektra en linjär form. Detta stod i konflikt med Rutherfords modell av atomen, enligt vilken spektra skulle ha varit kontinuerliga. Enligt kvantmekanikens begrepp karaktäriseras elektroner i kärnan för närvarande inte som punktobjekt, utan som att de har formen av ett elektronmoln.

Dess största densitet är i ett visst utrymme runt kärnan och anses vara platsen för partikeln vid ett givet ögonblick. Man fann också att elektronerna i atomen är ordnade i lager. Antalet lager kan bestämmas genom att känna till numret på perioden där elementet är beläget i det periodiska systemet av D. I. Mendeleev. Till exempel innehåller en fosforatom 15 elektroner och har 3 energinivåer. Indikatorn som bestämmer antalet energinivåer kallas huvudkvanttalet.

Det har experimentellt fastställts att elektronerna i energinivån närmast kärnan har lägst energi. Varje energiskal är indelat i undernivåer, och de i sin tur i orbitaler. Elektroner som är belägna i olika orbitaler har samma molnform (s, p, d, f).

Baserat på det föregående följer att formen på elektronmolnet inte kan vara godtycklig. Det är strikt definierat enligt orbitalen. Låt oss också tillägga att tillståndet för en elektron i en makropartikel bestäms av ytterligare två värden - magnetiska och spinnkvanttal. Den första är baserad på Schrödinger-ekvationen och karakteriserar elektronmolnets rumsliga orientering utifrån vår världs tredimensionalitet. Den andra indikatorn är spinnumret, det används för att bestämma rotationen av en elektron runt dess axel medurs eller moturs.

Upptäckten av neutronen

Tack vare D. Chadwicks arbete, utfört av honom 1932, gavs en ny definition av atomen inom kemi och fysik. I sina experiment bevisade forskaren att under splittringen av polonium uppstår strålning, orsakad av partiklar som inte har en laddning, med en massa på 1,008665. Den nya elementarpartikeln fick namnet neutronen. Dess upptäckt och studie av dess egenskaper gjorde det möjligt för de sovjetiska forskarna V. Gapon och D. Ivanenko att skapa en ny teori om strukturen hos atomkärnan som innehåller protoner och neutroner.

Enligt den nya teorin var definitionen av en materiaatom följande: det är en strukturell enhet av ett kemiskt element, bestående av en kärna som innehåller protoner och neutroner och elektroner som rör sig runt den. Antalet positiva partiklar i kärnan är alltid lika med ordningsnumret för det kemiska elementet i det periodiska systemet.

Senare bekräftade professor A. Zhdanov i sina experiment att under påverkan av hård kosmisk strålning atomkärnor delas upp i protoner och neutroner. Dessutom har det bevisats att de krafter som håller dessa elementarpartiklar i kärnan, extremt energikrävande. De verkar på mycket korta avstånd (i storleksordningen 10 -23 cm) och kallas nukleära. Som nämnts tidigare kunde till och med M. V. Lomonosov definiera atomen och molekylen baserat på de vetenskapliga fakta som han kände till.

För närvarande anses följande modell vara allmänt accepterad: en atom består av en kärna och elektroner som rör sig runt den längs strikt definierade banor - orbitaler. Elektroner uppvisar samtidigt egenskaperna hos både partiklar och vågor, det vill säga de har en dubbel natur. Nästan all dess massa är koncentrerad i en atoms kärna. Den består av protoner och neutroner bundna av kärnkrafter.

Är det möjligt att väga en atom

Det visar sig att varje atom har massa. Till exempel, för väte, är det 1,67x10 -24 g. Det är till och med svårt att föreställa sig hur litet detta värde är. För att hitta vikten av ett sådant föremål använder de inte vågar, utan en oscillator, som är ett kolnanorör. För att beräkna vikten av en atom och en molekyl är ett lämpligare värde den relativa massan. Den visar hur många gånger vikten av en molekyl eller atom är större än 1/12 av en kolatom, vilket är 1,66x10 -27 kg. Relativa atommassor ges i det periodiska systemet av kemiska element, och de har inga dimensioner.

Det är forskare väl medvetna om atomisk massa kemiskt element är medelvärdet masstal alla dess isotoper. Det visar sig att i naturen kan enheter av ett kemiskt element ha olika massor. I detta fall är laddningarna av kärnorna i sådana strukturella partiklar desamma.

Forskare har funnit att isotoper skiljer sig åt i antalet neutroner i kärnan, och laddningen av deras kärnor är densamma. Till exempel innehåller en kloratom med en massa av 35 18 neutroner och 17 protoner, och med en massa av 37 - 20 neutroner och 17 protoner. Många kemiska grundämnen är blandningar av isotoper. Till exempel innehåller sådana enkla ämnen som kalium, argon, syre i sin sammansättning atomer som representerar 3 olika isotoper.

Definition av atomicitet

Den har flera tolkningar. Tänk på vad som menas med denna term i kemi. Om atomerna i något kemiskt element kan existera åtminstone under en kort tid separat, utan att sträva efter att bilda en mer komplex partikel - en molekyl, säger de att sådana ämnen har en atomstruktur. Till exempel en flerstegs metankloreringsreaktion. Det används ofta i kemin för organisk syntes för att erhålla de viktigaste halogenhaltiga derivaten: diklormetan, koltetraklorid. Det delar klormolekyler till mycket reaktiva atomer. De bryter sigmabindningarna i metanmolekylen och tillhandahåller kedjereaktion utbyte.

Ytterligare ett exempel på en kemisk process som har stor betydelse inom industrin, användningen av väteperoxid som ett desinfektionsmedel och blekmedel. Bestämningen av atomärt syre, som en produkt av nedbrytningen av väteperoxid, sker både i levande celler (under verkan av katalasenzymet) och under laboratorieförhållanden. bestäms kvalitativt av dess höga antioxidantegenskaper, såväl som av förmågan att förstöra patogena ämnen: bakterier, svampar och deras sporer.

Hur är atomskalet

Vi har redan tidigare upptäckt att den strukturella enheten för ett kemiskt element har en komplex struktur. Elektroner kretsar kring en positivt laddad kärna. Nobelpristagaren Niels Bohr, baserad på kvantteorin om ljus, skapade sin doktrin, där egenskaperna och definitionen av en atom är följande: elektroner rör sig runt kärnan endast längs vissa stationära banor, medan de inte utstrålar energi. Bohrs doktrin bevisade att mikrokosmos partiklar, som inkluderar atomer och molekyler, inte följer de lagar som gäller för stora kroppar - objekt i makrokosmos.

Strukturen hos makropartiklarnas elektronskal studerades i kvantfysikarbeten av forskare som Hund, Pauli, Klechkovsky. Så det blev känt att elektroner gör rotationsrörelser runt kärnan inte slumpmässigt, utan längs vissa stationära banor. Pauli fann att inom en energinivå på var och en av dess orbitaler s, p, d, f i elektroniska celler kan det inte finnas mer än två negativt laddade partiklar med motsatta snurr + ½ och - ½.

Hunds regel förklarade hur orbitaler med samma energinivå är korrekt fyllda med elektroner.

Klechkovsky-regeln, även kallad n + l-regeln, förklarade hur orbitalerna för multielektronatomer (element av 5, 6, 7 perioder) fylls. Alla ovanstående mönster tjänade som en teoretisk motivering för systemet av kemiska element skapat av Dmitri Mendeleev.

Oxidationstillstånd

Det är ett grundläggande begrepp inom kemi och kännetecknar tillståndet för en atom i en molekyl. Den moderna definitionen av oxidationstillståndet för atomer är som följer: detta är den villkorliga laddningen av en atom i en molekyl, som beräknas utifrån uppfattningen att molekylen endast har en jonisk sammansättning.

Oxidationstillståndet kan uttryckas som ett heltal eller bråktal, med positiva, negativa eller nollvärden. Oftast har atomer av kemiska grundämnen flera oxidationstillstånd. Till exempel har kväve -3, -2, 0, +1, +2, +3, +4, +5. Men ett sådant kemiskt element som fluor, i alla dess föreningar, har bara ett oxidationstillstånd, lika med -1. Om det presenteras en enkel substans, då är dess oxidationstillstånd noll. Denna kemiska mängd är lämplig att använda för klassificering av ämnen och för att beskriva deras egenskaper. Oftast används oxidationstillståndet för en atom inom kemi när man sammanställer ekvationer för redoxreaktioner.

egenskaper hos atomer

Tack vare upptäckter kvantfysik, modern definition atom, baserad på teorin om D. Ivanenko och E. Gapon, kompletteras med följande vetenskapliga fakta. Strukturen hos en atoms kärna förändras inte under kemiska reaktioner. Endast stationära elektronorbitaler kan ändras. Deras struktur kan förklara många fysikaliska och kemiska egenskaper hos ämnen. Om en elektron lämnar en stationär bana och går till en bana med ett högre energiindex kallas en sådan atom exciterad.

Det bör noteras att elektroner inte kan länge sedan att vara i sådana ovanliga orbitaler. När elektronen återvänder till sin stationära bana avger den ett kvantum av energi. Studiet av sådana egenskaper hos de strukturella enheterna av kemiska element som elektronaffinitet, elektronegativitet, joniseringsenergi, gjorde det möjligt för forskare inte bara att definiera atomen som den viktigaste partikeln i mikrokosmos, utan också tillät dem att förklara atomernas förmåga att bildas. ett stabilt och energetiskt mer gynnsamt molekylärt tillstånd av materia, möjligt på grund av skapelsen olika typer stabil kemisk bindning: jonisk, kovalent-polär och icke-polär, donator-acceptor (som en sort kovalent bindning) och metall. Det senare bestämmer de viktigaste fysikaliska och kemiska egenskaperna hos alla metaller.

Det har experimentellt fastställts att storleken på en atom kan förändras. Allt kommer att bero på vilken molekyl den ingår i. Tack vare röntgendiffraktionsanalys är det möjligt att beräkna avståndet mellan atomer i en kemisk förening, samt att ta reda på radien för grundämnets strukturella enhet. Genom att känna till förändringsmönstren i radierna för atomer som ingår i en period eller grupp av kemiska element, är det möjligt att förutsäga deras fysikaliska och kemiska egenskaper. Till exempel, i perioder med en ökning av laddningen av atomkärnan, minskar deras radier ("komprimering av atomen"), så att föreningarnas metalliska egenskaper försvagas och de icke-metalliska ökar.

Således låter kunskap om dig exakt bestämma de fysikaliska och kemiska egenskaperna hos alla element som ingår i periodiska systemet Mendelejev.