Всичко в света е направено от атоми. Но откъде са дошли и от какво са направени? Днес отговаряме на тези прости и основни въпроси. В края на краищата много хора, живеещи на планетата, казват, че не разбират структурата на атомите, от които самите те са съставени.
Естествено, скъпи читатели разбират, че в тази статия се опитваме да представим всичко на най-простото и интересно ниво, така че не „зареждаме“ научни термини. За тези, които искат да проучат въпроса по-подробно професионално ниво, препоръчваме да четете специализирана литература. Информацията в тази статия обаче може да помогне добро обслужванев обучението ви и просто ви прави по-ерудиран.
Атомът е частица материя микроскопичен размери маса, най-малката част от химичния елемент, която е носител на неговите свойства. С други думи това най-малката частицавещество, което може да влиза в химични реакции.
История на откриването и структура
Концепцията за атом е известна още през Древна Гърция. Атомизъм – физическа теория, който гласи, че всички материални обекти се състоят от неделими частици. Заедно с Древна Гърция идеята за атомизма се развива успоредно и в Древна Индия.
Не е известно дали извънземните са казали на философите от онова време за атомите или те самите са се сетили за това, но може да се потвърди експериментално тази теорияхимиците успяха да направят това много по-късно - едва през XVII век, когато Европа излезе от бездната на Инквизицията и Средновековието.
Дълго време доминиращата идея за структурата на атома беше идеята за него като за неделима частица. Фактът, че атомът все още може да бъде разделен, стана ясен едва в началото на двадесети век. Ръдърфорд, благодарение на неговия известен опитс отклонението на алфа частиците научи, че атомът се състои от ядро, около което се въртят електрони. Приет е планетарният модел на атома, според който електроните се въртят около ядрото, както планетите от нашата слънчева система около звезда.
Съвременни репрезентациибеше постигнат голям напредък по отношение на структурата на атома. Ядрото на атома от своя страна се състои субатомни частици, или нуклони - протони и неутрони. Именно нуклоните съставляват по-голямата част от атома. Освен това протоните и неутроните също не са неделими частици, и се състоят от фундаментални частици – кварки.
Ядрото на атома има положителен електрически заряд, а електроните, въртящи се в орбита, са отрицателни. Следователно атомът е електрически неутрален.
По-долу даваме елементарна диаграма на структурата на въглеродния атом.
Свойства на атомите
Тегло
Масата на атомите обикновено се измерва в единици за атомна маса - a.m.u. Атомна единицамаса е масата на 1/12 от свободно почиващия въглероден атом в основно състояние.
В химията понятието се използва за измерване на масата на атомите "молец". 1 мол е количеството вещество, което съдържа броя на атомите равно на числотоАвогадро.
Размер
Размерите на атомите са изключително малки. И така, най-малкият атом е атомът на хелия, неговият радиус е 32 пикометра. Повечето голям атом– атом цезий с радиус 225 пикометра. Префиксът пико означава десет на минус дванадесета степен! Тоест, ако намалим 32 метра с хиляда милиарда пъти, получаваме размера на радиуса на атома на хелий.
В същото време мащабът на нещата е такъв, че всъщност атомът е 99% празен. Ядрото и електроните заемат изключително малка част от неговия обем. За по-голяма яснота разгледайте този пример. Ако си представите атом под формата на олимпийския стадион в Пекин (или може би не в Пекин, просто си представете голям стадион), тогава ядрото на този атом ще бъде череша, разположена в центъра на полето. Електронните орбити ще бъдат някъде на нивото на горните стойки, а черешата ще тежи 30 милиона тона. Впечатляващо, нали?
Откъде идват атомите?
Както знаете, сега различни атомигрупирани в периодичната таблица. В него има 118 (и ако с прогнозираните, но още не отворени елементи- 126) елементи, без да се броят изотопите. Но това не винаги е било така.
В самото начало на формирането на Вселената не е имало атоми и още повече, че е имало само елементарни частици, които са взаимодействали помежду си под въздействието на огромни температури. Както би казал един поет, това беше истински апотеоз на частиците. В първите три минути от съществуването на Вселената, поради намаляване на температурата и съвпадението на цял куп фактори, започва процесът на първичен нуклеосинтез, когато от елементарни частици се появяват първите елементи: водород, хелий, литий и деутерий (тежък водород). Именно от тези елементи са се образували първите звезди, в дълбините на които термоядрени реакции, в резултат на което водородът и хелият „изгоряха“, образувайки по-тежки елементи. Ако звездата беше достатъчно голяма, тогава тя приключи живота си с така наречената експлозия на „свръхнова“, в резултат на което атомите бяха изхвърлени в околното пространство. Ето как се получи цялата периодична таблица.
И така, можем да кажем, че всички атоми, от които сме направени, някога са били част от древни звезди.
Защо ядрото на атома не се разпада?
Във физиката има четири вида фундаментални взаимодействиямежду частиците и телата, които съставят. Това са силни, слаби, електромагнитни и гравитационни взаимодействия.
Благодарение на силно взаимодействие, което се проявява в мащаба на атомните ядра и е отговорно за привличането между нуклоните, атомът е толкова „труден орех“.
Не толкова отдавна хората разбраха, че когато ядрата на атомите се разделят, се освобождава огромна енергия. Деленето на тежките атомни ядра е източник на енергия в ядрени реактории ядрени оръжия.
Така че, приятели, след като ви запознахме със структурата и основите на структурата на атома, можем само да ви напомним, че сме готови да ви се притечем на помощ по всяко време. Няма значение дали трябва да завършите диплома по ядрена физика или най-малкия тест - ситуациите са различни, но има изход от всяка ситуация. Помислете за мащаба на Вселената, поръчайте работа от Zaochnik и помнете - няма причина за безпокойство.
Атом – най-малката частицавещества. Изследването му започва в Древна Гърция, когато структурата на атома привлича вниманието не само на учените, но и на философите. Каква е електронната структура на атома и каква основна информация е известна за тази частица?
Атомна структура
Още древногръцките учени са се досетили за съществуването на най-малките химически частици, които изграждат всеки обект и организъм. И ако през XVII-XVIIIв. химиците бяха сигурни, че атомът е неделима елементарна частица, след това нататък рубеж на XIX-XXвекове беше експериментално възможно да се докаже, че атомът не е неделим.
Атомът, като микроскопична частица материя, се състои от ядро и електрони. Ядрото е 10 000 пъти по-малко от атома, но почти цялата му маса е концентрирана в ядрото. Основната характеристика атомно ядро, това е, което има положителен заряди се състои от протони и неутрони. Протоните са положително заредени, докато неутроните нямат заряд (те са неутрални).
Те са свързани помежду си чрез силна ядрено взаимодействие. Масата на протона е приблизително равна на масата на неутрона, но 1840 пъти повече масаелектрон. Протони и неутрони имат в химията често срещано име– нуклони. Самият атом е електрически неутрален.
Атом на всеки елемент може да бъде обозначен с електронна формула и електронна графична формула:
Ориз. 1. Електронна графична формула на атома.
Единственият химичен елемент от периодичната система, който не съдържа неутрони в ядрото си, е лекият водород (протиум).
Електронът е отрицателно заредена частица. Електронната обвивка се състои от електрони, движещи се около ядрото. Електроните имат свойството да се привличат към ядрото и се влияят един от друг Кулоново взаимодействие. За да преодолеят привличането на ядрото, електроните трябва да получат енергия от външен източник. Колкото по-далеч е електронът от ядрото, толкова по-малко енергия е необходима.
Атомни модели
Дълго време учените се опитват да разберат природата на атома. На ранна фазаГолям принос има древногръцкият философ Демокрит. Въпреки че сега теорията му изглежда банална и твърде проста за нас, във време, когато идеите за елементарни частицитъкмо започвайки да се появява, неговата теория за парчетата материя беше приета доста сериозно. Демокрит вярва, че свойствата на всяко вещество зависят от формата, масата и други характеристики на атомите. Така например огънят, вярваше той, има остри атоми - затова огънят гори; Водата има гладки атоми, така че може да тече; В твърдите обекти, според него, атомите са груби.
Демокрит вярва, че абсолютно всичко е изградено от атоми, дори човешката душа.
През 1904 г. J. J. Thomson предлага своя модел на атома. Основните положения на теорията се свеждат до факта, че атомът е представен като положително заредено тяло, вътре в което има електрони с отрицателен заряд. По-късно тази теория е опровергана от Е. Ръдърфорд.
Ориз. 2. Модел на атома на Томсън.
Също през 1904г японски физикХ. Нагаока предложи ранен планетарен модел на атома по аналогия с планетата Сатурн. Според тази теория електроните са обединени в пръстени и се въртят около положително заредено ядро. Тази теория се оказа погрешна.
През 1911 г. Е. Ръдърфорд, след като провежда серия от експерименти, заключава, че атомът в своята структура е подобен на планетарна система. В крайна сметка електроните, подобно на планетите, се движат по орбити около тежко, положително заредено ядро. Това описание обаче противоречи класическа електродинамика. След това датският физик Нилс Бор въвежда постулати през 1913 г., чиято същност е, че електронът, намирайки се в някаква специални условия, не излъчва енергия. Така постулатите на бор показаха, че за атомите класическа механикане е приложимо. Планетарният модел, описан от Ръдърфорд и допълнен от Бор, се нарича планетарен модел на Бор-Ръдърфорд.
Ориз. 3. Планетарен модел на Бор-Ръдърфорд.
По-нататъшното изследване на атома доведе до създаването на такъв раздел като квантова механика, с чиято помощ бяха обяснени мн научни факти. Съвременните идеи за атома, развити от планетарния модел на Бор-Ръдърфорд. Оценка на доклада
среден рейтинг: 4.4. Общо получени оценки: 469.
Понятието „атом“ е познато на човечеството още от времето на Древна Гърция. Според твърдението на древните философи, атомът е най-малката частица, която е част от веществото.
Електронна структура на атома
Атомът се състои от положително заредено ядро, съдържащо протони и неутрони. Електроните се движат по орбити около ядрото, всяка от които може да се характеризира с набор от четири квантови числа: главно (n), орбитално (l), магнитно (ml) и спиново (ms или s).
Главното квантово число определя енергията на електрона и размера на електронните облаци. Енергията на електрона зависи главно от разстоянието на електрона от ядрото: колкото по-близо е електронът до ядрото, толкова по-ниска е неговата енергия. С други думи, главното квантово число определя местоположението на електрона на определено енергийно ниво (квантов слой). Главното квантово число има стойностите на поредица от цели числа от 1 до безкрайност.
Орбиталното квантово число характеризира формата на електронния облак. Различна формаелектронни облаци предизвиква промяна в енергията на електроните в рамките на едно енергийно ниво, т.е. разделяйки го на енергийни поднива. Орбиталното квантово число може да има стойности от нула до (n-1), за общо n стойности. Енергийните поднива са обозначени с букви:
Магнитното квантово число показва ориентацията на орбиталата в пространството. Приема всяко цяло число числова стойностот (+l) до (-l), включително нула. Номер възможни стойностимагнитното квантово число е равно на (2l+1).
Електронът, движещ се в полето на атомното ядро, освен орбитален ъглов момент има и собствени моментиимпулс, характеризиращ неговото вретеновидно въртене около собствена ос. Това свойство на електрона се нарича спин. Големината и ориентацията на спина се характеризират с квантовото число на спина, което може да приема стойности (+1/2) и (-1/2). Положителни и отрицателни стойностигърбът е свързан с неговата посока.
Преди всичко по-горе да стане известно и потвърдено експериментално, имаше няколко модела на структурата на атома. Един от първите модели на структурата на атома е предложен от Е. Ръдърфорд, който в експерименти върху разсейването на алфа частици показа, че почти цялата маса на атома е концентрирана в много малък обем - положително заредено ядро . Според неговия модел електроните се движат около ядрото на достатъчно голямо разстояние и техният брой е такъв, че като цяло атомът е електрически неутрален.
Моделът на Ръдърфорд за структурата на атома е разработен от Н. Бор, който в своите изследвания също комбинира учението на Айнщайн за светлинните кванти и квантова теорияРадиация на Планк. Завършихме започнатото и го представихме на света модерен моделструктура на атома на химичния елемент Луи дьо Бройл и Шрьодингер.
Примери за решаване на проблеми
ПРИМЕР 1
| Упражнение | Посочете броя на протоните и неутроните, съдържащи се в азотните ядра ( атомно число 14), силиций (атомен номер 28) и барий (атомен номер 137). |
| Решение | Броят на протоните в ядрото на атома на химичния елемент се определя от неговия атомен номер в периодичната таблица, а броят на неутроните е разликата между масовото число (M) и ядрения заряд (Z). Азот: n(N)= M -Z = 14-7 = 7. Силиций: n(Si)= M -Z = 28-14 = 14. Барий: n (Ba)= M -Z = 137-56 = 81. |
| Отговор | Броят на протоните в азотното ядро е 7, неутроните - 7; в ядрото на силициевия атом има 14 протона и 14 неутрона; В ядрото на бариевия атом има 56 протона и 81 неутрона. |
ПРИМЕР 2
| Упражнение | Подредете енергийните поднива в реда, в който са запълнени с електрони: а) 3p, 3d, 4s, 4p; б) 4г , 5s, 5p, 6s; в) 4е , 5s , 6r; 4г , 6s; г) 5d, 6s, 6p, 7s, 4f . |
|
| Решение | Енергийните поднива се запълват с електрони в съответствие с правилата на Клечковски. Задължително условиее минимална стойностсумата от главните и орбиталните квантови числа. S-поднивото се характеризира с числото 0, p - 1, d - 2 и f-3. Второто условие е поднивото с най-ниска стойностглавно квантово число. | |
| Отговор | а) Орбиталите 3p, 3d, 4s, 4p ще съответстват на числата 4, 5, 4 и 5. Следователно запълването с електрони ще се случи в следваща последователност: 3p, 4s, 3d, 4p. б) 4d орбитали , 5s, 5p, 6s ще съответстват на числата 7, 5, 6 и 6. Следователно запълването с електрони ще се случи в следната последователност: 5s, 5p, 6s, 4d. в) Орбитали 4f , 5s , 6r; 4г , 6s ще съответстват на числата 7, 5, 76 и 6. Следователно запълването с електрони ще се случи в следната последователност: 5s, 4d , 6s, 4f, 6r. d) Орбитали 5d, 6s, 6p, 7s, 4f ще съответстват на числата 7, 6, 7, 7 и 7. Следователно запълването с електрони ще се случи в следната последователност: 6s, 4f, 5d, 6p, 7s. |
Концепцията за атом възниква през древен святза обозначаване на частици материя. Преведено от гръцки атомозначава "неделим".
Електрони
Ирландският физик Стоуни, въз основа на експерименти, стигна до заключението, че електричеството се пренася от най-малките частици, съществуващи в атомите от всички химически елементи. През 1891 г. г-н Стоуни предложи да наречем тези частици електрони, което на гръцки означава "кехлибар".
Няколко години след като електронът получи името си, английски физикДжоузеф Томсън и френският физик Жан Перин доказаха, че електроните пренасят отрицателен заряд. Това е най-малкият отрицателен заряд, който в химията се приема за единица $(–1)$. Томсън дори успява да определи скоростта на електрона (тя е равна на скоростта на светлината - $300 000 km/s) и масата на електрона (тя е $1836$ пъти по-малка от масата на водороден атом).
Томсън и Перин свързват полюсите на източник на ток с две метални пластини - катод и анод, запоени в стъклена тръба, от която се евакуира въздухът. Когато напрежение от около 10 хиляди волта беше приложено към електродните плочи, светлинен разряд мигаше в тръбата и частиците летяха от катода (отрицателния полюс) към анода (положителния полюс), който учените първо нарекоха катодни лъчи, и след това разбра, че това е поток от електрони. Електроните, удрящи специални вещества, като тези на телевизионния екран, предизвикват сияние.
Направен е изводът: електроните излизат от атомите на материала, от който е направен катодът.
Свободните електрони или техният поток могат да бъдат получени по други начини, например чрез нажежаване на метална жица или чрез светене на светлина върху метали, образувани от елементи основна подгрупаГрупа I на периодичната таблица (например цезий).
Състояние на електроните в атома
Състоянието на електрона в атома се разбира като съвкупността от информация за енергияопределен електрон в пространство, в който се намира. Вече знаем, че електронът в атома няма траектория на движение, т.е. можем само да говорим вероятностиразположението му в пространството около ядрото. Той може да бъде разположен във всяка част от това пространство около ядрото, а наборът от различни позиции се разглежда като електронен облак с определена отрицателна плътност на заряда. Образно това може да се представи по следния начин: ако беше възможно да се заснеме позицията на електрон в атом след стотни или милионни от секундата, както при фотофиниш, тогава електронът в такива снимки би бил представен като точка. Ако се наложат безброй такива снимки, резултатът ще бъде картина на електронен облак с най-висока плътносткъдето има повечето от тези точки.
Фигурата показва „разрез“ като този електронна плътноствъв водороден атом, преминаващ през ядрото, а пунктираната линия очертава сферата, в която вероятността да се намери електрон е $90%$. Контурът, който е най-близо до ядрото, обхваща област от пространството, в която вероятността за откриване на електрон е $10%$, вероятността за откриване на електрон вътре във втория контур от ядрото е $20%$, вътре в третия е $≈30% $ и др. Има известна несигурност в състоянието на електрона. За да се характеризира това специално условие, немски физикВ. Хайзенберг въвежда концепцията за принцип на несигурност, т.е. показа, че е невъзможно едновременно и точно да се определи енергията и местоположението на електрона. Колкото по-точно е определена енергията на електрона, толкова по-несигурна е неговата позиция и обратното, след като е определена позицията, е невъзможно да се определи енергията на електрона. Диапазонът на вероятността за откриване на електрон няма ясни граници. Въпреки това е възможно да изберете пространство, където вероятността за намиране на електрон е максимална.
Пространството около атомното ядро, в което е най-вероятно да се намери електрон, се нарича орбитала.
Той съдържа приблизително $90%$ от електронния облак, което означава, че около $90%$ от времето, през което електронът е в тази част на пространството. Въз основа на тяхната форма са известни четири вида орбитали, които се обозначават с латинските букви $s, p, d$ и $f$. Графично изображениеНякои форми на електронни орбитали са показани на фигурата.
Най-важната характеристика на движението на електрона по определена орбитала е енергията на свързването му с ядрото. Електрони с подобни енергийни стойности образуват един електронен слой, или енергийно ниво . Енергийните нива са номерирани, като се започне от ядрото: $1, 2, 3, 4, 5, 6$ и $7$.
Цялото число $n$, обозначаващо номера на енергийното ниво, се нарича главно квантово число.
Той характеризира енергията на електроните, заемащи дадено енергийно ниво. Електроните от първото енергийно ниво, най-близо до ядрото, имат най-ниска енергия. В сравнение с електроните от първо ниво, електроните от следващите нива се характеризират с голямо количество енергия. Следователно електроните на външното ниво са най-слабо свързани с атомното ядро.
Броят на енергийните нива (електронни слоеве) в атома е равен на номера на периода в системата на Д. И. Менделеев, към който принадлежи химическият елемент: атомите на елементите от първия период имат едно енергийно ниво; втори период - две; седми период - седем.
Най-големият брой електрони на енергийно ниво се определя по формулата:
където $N$ е максималният брой електрони; $n$ е номерът на нивото или основното квантово число. Следователно: на първото енергийно ниво, най-близо до ядрото, не може да има повече от два електрона; на втория - не повече от $8$; на третия - не повече от $18$; на четвъртия - не повече от $32$. И как от своя страна са подредени енергийните нива (електронните слоеве)?
Започвайки от второто енергийно ниво $(n = 2)$, всяко от нивата е разделено на поднива (подслоеве), малко по-различни едно от друго в енергията на свързване с ядрото.
Броят на поднивата е равен на стойността на основното квантово число:първото енергийно ниво има едно подниво; втората - две; трети - три; четвърти - четири. Поднивата от своя страна се образуват от орбитали.
Всяка стойност на $n$ съответства на брой орбитали, равен на $n^2$. Според представените в таблицата данни може да се проследи връзката между главното квантово число $n$ и броя на поднивата, вида и броя на орбиталите и максималния брой електрони на поднивото и нивото.
Основно квантово число, видове и брой орбитали, максимален брой електрони в поднива и нива.
| Енергийно ниво $(n)$ | Брой поднива, равен на $n$ | Орбитален тип | Брой орбитали | Максимален бройелектрони | ||
| в поднивото | на ниво, равно на $n^2$ | в поднивото | на ниво равно на $n^2$ | |||
| $K(n=1)$ | $1$ | $1s$ | $1$ | $1$ | $2$ | $2$ |
| $L(n=2)$ | $2$ | $2s$ | $1$ | $4$ | $2$ | $8$ |
| $2p$ | $3$ | $6$ | ||||
| $M(n=3)$ | $3$ | $3s$ | $1$ | $9$ | $2$ | $18$ |
| $3p$ | $3$ | $6$ | ||||
| $3d$ | $5$ | $10$ | ||||
| $N(n=4)$ | $4$ | $4s$ | $1$ | $16$ | $2$ | $32$ |
| $4p$ | $3$ | $6$ | ||||
| $4d$ | $5$ | $10$ | ||||
| $4f$ | $7$ | $14$ | ||||
Поднивата обикновено се обозначават с латински букви, както и формата на орбиталите, от които се състоят: $s, p, d, f$. Така:
- $s$-подниво - първото подниво на всяко енергийно ниво, най-близо до атомното ядро, се състои от една $s$-орбитала;
- $p$-подниво - второто подниво на всяко, с изключение на първото, енергийно ниво, се състои от три $p$-орбитали;
- $d$-подниво - третото подниво на всяко, започвайки от третото, енергийно ниво, се състои от пет $d$-орбитали;
- $f$-поднивото на всяко, започвайки от четвъртото енергийно ниво, се състои от седем $f$-орбитали.
Атомно ядро
Но не само електроните са част от атомите. Физикът Анри Бекерел откри това естествен минерал, съдържащ уранова сол, също излъчва неизвестно лъчение, излагайки фотографски филми, които са защитени от светлина. Това явление се наричаше радиоактивност.
Има три вида радиоактивни лъчи:
- $α$-лъчи, които се състоят от $α$-частици със заряд $2$ пъти по-голям от заряда на електрона, но с положителен знак, и маса $4$ пъти по-голяма от масата на водороден атом;
- $β$-лъчите представляват поток от електрони;
- $γ$-лъчи - електромагнитни вълнис незначителна маса, неносещи електрически заряд.
Следователно атомът има сложна структура - състои се от положително заредено ядро и електрони.
Как е устроен атомът?
През 1910 г. в Кеймбридж, близо до Лондон, Ърнест Ръдърфорд и неговите ученици и колеги изучават разсейването на $α$ частици, преминаващи през тънко златно фолио и падащи върху екран. Алфа частиците обикновено се отклоняваха от първоначалната посока само с една степен, привидно потвърждавайки еднаквостта и еднаквостта на свойствата на златните атоми. И изведнъж изследователите забелязаха, че някои $α$ частици рязко промениха посоката на пътя си, сякаш се натъкнаха на някакво препятствие.
Поставяйки екрана пред фолиото, Ръдърфорд успя да открие дори тези редки случаи, когато $α$-частици, отразени от златни атоми, летяха в обратна посока.
Изчисленията показват, че наблюдаваните явления могат да се случат, ако цялата маса на атома и целият му положителен заряд са концентрирани в малко централно ядро. Радиусът на ядрото, както се оказа, е 100 000 пъти по-малък от радиуса на целия атом, областта, в която се намират електрони с отрицателен заряд. Ако кандидатствате образно сравнение, тогава целият обем на атома може да се оприличи на стадиона в Лужники, а ядрото на футболна топка, разположена в центъра на игрището.
Атом на всеки химичен елемент е сравним с мъничък слънчева система. Следователно този модел на атома, предложен от Ръдърфорд, се нарича планетарен.
Протони и неутрони
Оказва се, че малкото атомно ядро, в което е съсредоточена цялата маса на атома, се състои от частици от два вида - протони и неутрони.
протониима такса равен на зарядаелектрони, но противоположни по знак $(+1)$, и маса, равна на масатаводороден атом (той се приема за единица в химията). Протоните се обозначават със знака $↙(1)↖(1)p$ (или $p+$). неутронине носят заряд, те са неутрални и имат маса, равна на масата на протона, т.е. $1$. Неутроните се означават със знака $↙(0)↖(1)n$ (или $n^0$).
Протоните и неутроните заедно се наричат нуклони(от лат. ядро- ядро).
Сумата от броя на протоните и неутроните в атома се нарича масово число. Например, масовото число на алуминиев атом е:
Тъй като масата на електрона, която е пренебрежимо малка, може да бъде пренебрегната, очевидно е, че цялата маса на атома е концентрирана в ядрото. Електроните са обозначени както следва: $e↖(-)$.
Тъй като атомът е електрически неутрален, също е очевидно, че че броят на протоните и електроните в един атом е еднакъв. Той е равен на атомния номер на химичния елемент, възложена му в Периодичната таблица. Например, ядрото на железен атом съдържа $26$ протони и $26$ електрони се въртят около ядрото. Как да определим броя на неутроните?
Както е известно, масата на атома се състои от масата на протоните и неутроните. знаейки сериен номерелемент $(Z)$, т.е. брой протони и масово число $(A)$, равно на суматаброя на протоните и неутроните, можете да намерите броя на неутроните $(N)$ по формулата:
Например броят на неутроните в един железен атом е:
$56 – 26 = 30$.
Таблицата представя основните характеристики на елементарните частици.
Основни характеристики на елементарните частици.
Изотопи
Разновидности на атоми на един и същ елемент, които имат еднакъв ядрен заряд, но различни масови числа, се наричат изотопи.
Слово изотопсе състои от две гръцки думи:isos- идентични и топос- място, означава “заемащ едно място” (клетка) в Периодичната таблица на елементите.
Химическите елементи, открити в природата, са смес от изотопи. Така въглеродът има три изотопа с маси $12, 13, 14$; кислород - три изотопа с маси $16, 17, 18 и т.н.
Относителната атомна маса на химичен елемент, обикновено дадена в периодичната таблица, е средната стойност на атомните маси на естествена смес от изотопи на този елементкато се вземе предвид относителното им изобилие в природата, следователно стойностите на атомните маси доста често са дробни. Например естествените хлорни атоми са смес от два изотопа - $35$ (в природата има $75%$) и $37$ (те са $25%$ в природата); следователно относителната атомна маса на хлора е $35,5$. Изотопите на хлора се записват, както следва:
$↖(35)↙(17)(Cl)$ и $↖(37)↙(17)(Cl)$
Химичните свойства на изотопите на хлора са абсолютно същите, както и изотопите на повечето химични елементи, например калий, аргон:
$↖(39)↙(19)(K)$ и $↖(40)↙(19)(K)$, $↖(39)↙(18)(Ar)$ и $↖(40)↙(18 )(Ar)$
Водородните изотопи обаче се различават значително по свойства поради рязкото многократно увеличение на относителните им атомна маса; дори им се дават индивидуални имена и химически знаци: протий - $↖(1)↙(1)(H)$; деутерий - $↖(2)↙(1)(H)$ или $↖(2)↙(1)(D)$; тритий - $↖(3)↙(1)(H)$ или $↖(3)↙(1)(T)$.
Сега можем да дадем модерен, по-строг и научна дефиницияхимически елемент.
Химическият елемент е съвкупност от атоми с еднакъв ядрен заряд.
Структурата на електронните обвивки на атомите на елементите от първите четири периода
Нека разгледаме показването на електронните конфигурации на атомите на елементите според периодите на системата Д.И.Менделеев.
Елементи от първия период.
Диаграмите на електронната структура на атомите показват разпределението на електроните в електронните слоеве (енергийни нива).
Електронните формули на атомите показват разпределението на електроните по енергийни нива и поднива.
Графичните електронни формули на атомите показват разпределението на електроните не само по нива и поднива, но и по орбитали.
В атом на хелий първият електронен слой е завършен - той съдържа $2$ електрона.
Водородът и хелият са $s$ елементи; $s$ орбиталата на тези атоми е запълнена с електрони.
Елементи от втория период.
За всички елементи от втория период първият електронен слой е запълнен, а електроните запълват $s-$ и $p$ орбиталите на втория електронен слой в съответствие с принципа на най-малката енергия (първо $s$ и след това $p$ ) и правилата на Паули и Хунд.
В неоновия атом вторият електронен слой е завършен - той съдържа $8$ електрони.
Елементи на третия период.
За атомите на елементи от третия период първият и вторият електронен слой са завършени, така че третият електронен слой е запълнен, в който електроните могат да заемат 3s-, 3p- и 3d-поднивата.
Структурата на електронните обвивки на атомите на елементите от третия период.
Магнезиевият атом завършва своята електронна орбитала от $3,5$. $Na$ и $Mg$ са $s$-елементи.
В алуминия и следващите елементи поднивото $3d$ е запълнено с електрони.
| $↙(18)(Ar)$ Аргон |  |
$1s^2(2)s^2(2)p^6(3)s^2(3)p^6$ |  |
Аргоновият атом има $8$ електрони във външния си слой (трети електронен слой). Тъй като външният слой е завършен, но общо в третия електронен слой, както вече знаете, може да има 18 електрона, което означава, че елементите от третия период имат незапълнени $3d$-орбитали.
Всички елементи от $Al$ до $Ar$ са $р$ - елементи.
$s-$ и $p$ - елементиформа основни подгрупив периодичната таблица.
Елементи на четвъртия период.
Калиеви и калциеви атоми имат четвърти електронен слой и поднивото $4s$ е запълнено, т.к. има по-ниска енергия от поднивото $3d$. За опростяване на графичните електронни формули на атомите на елементите от четвъртия период:
- Нека обозначим конвенционалната графична електронна формула на аргона, както следва: $Ar$;
- Няма да изобразяваме поднива, които не са запълнени в тези атоми.
$K, Ca$ - $s$ - елементи,включени в основните подгрупи. За атоми от $Sc$ до $Zn$, 3d поднивото е запълнено с електрони. Това са $3d$ елементи. Те са включени в странични подгрупи,външният им електронен слой е запълнен, те се класифицират като преходни елементи.
Обърнете внимание на структурата на електронните обвивки на хром и медни атоми. При тях един електрон „пропада“ от $4s-$ на $3d$ подниво, което се обяснява с по-голямата енергийна стабилност на получените $3d^5$ и $3d^(10)$ електронни конфигурации:
$↙(24)(Cr)$ $1s^(2)2s^(2)2p^(6)3s^(2)3p^(6)3d^(4) 4s^(2)…$ 
$↙(29)(Cu)$ $1s^(2)2s^(2)2p^(6)3s^(2)3p^(6)3d^(9)4s^(2)…$ 
| Символ на елемента, сериен номер, име | Електронна структурна схема | Електронна формула | Графична електронна формула |
| $↙(19)(K)$ Калий |  |
$1s^2(2)s^2(2)p^6(3)p^6(4)s^1$ | |
| $↙(20)(C)$ Калций |  |
$1s^2(2)s^2(2)p^6(3)p^6(4)s^2$ | |
| $↙(21)(Sc)$ Скандий |  |
$1s^2(2)s^2(2)p^6(3)p^6(4)s^1(3)d^1$ или $1s^2(2)s^2(2)p ^6(3)p^6(3)d^1(4)s^1$ |  |
| $↙(22)(Ti)$ Титан |  |
$1s^2(2)s^2(2)p^6(3)p^6(4)s^2(3)d^2$ или $1s^2(2)s^2(2)p ^6(3)p^6(3)d^2(4)s^2$ |  |
| $↙(23)(V)$ Ванадий |  |
$1s^2(2)s^2(2)p^6(3)p^6(4)s^2(3)d^3$ или $1s^2(2)s^2(2)p ^6(3)p^6(3)d^3(4)s^2$ |  |
| $↙(24)(Cr)$ Хром |  |
$1s^2(2)s^2(2)p^6(3)p^6(4)s^1(3)d^5$ или $1s^2(2)s^2(2)p ^6(3)p^6(3)d^5(4)s^1$ |  |
| $↙(29)(Cu)$ Хром |  |
$1s^2(2)s^2(2)p^6(3)p^6(4)s^1(3)d^(10)$ или $1s^2(2)s^2(2 )p^6(3)p^6(3)d^(10)(4)s^1$ |  |
| $↙(30)(Zn)$ Цинк |  |
$1s^2(2)s^2(2)p^6(3)p^6(4)s^2(3)d^(10)$ или $1s^2(2)s^2(2 )p^6(3)p^6(3)d^(10)(4)s^2$ |  |
| $↙(31)(Ga)$ Галий |  |
$1s^2(2)s^2(2)p^6(3)p^6(4)s^2(3)d^(10)4p^(1)$ или $1s^2(2) s^2(2)p^6(3)p^6(3)d^(10)(4)s^(2)4p^(1)$ |  |
| $↙(36)(Kr)$ Криптон |  |
$1s^2(2)s^2(2)p^6(3)p^6(4)s^2(3)d^(10)4p^6$ или $1s^2(2)s^ 2(2)p^6(3)p^6(3)d^(10)(4)s^(2)4p^6$ |  |
В цинковия атом третият електронен слой е завършен - всички $3s, 3p$ и $3d$ поднива са запълнени в него, с общо $18$ електрони.
В елементите след цинка четвъртият електронен слой, поднивото $4p$, продължава да се запълва. Елементи от $Ga$ до $Kr$ - $р$ - елементи.
Външният (четвърти) слой на атома на криптон е завършен и има $8$ електрона. Но общо в четвъртия електронен слой, както знаете, може да има $32$ електрони; атомът криптон все още има незапълнени поднива $4d-$ и $4f$.
За елементи от петия период поднивата се попълват в следния ред: $5s → 4d → 5p$. Има и изключения, свързани с „отказ“ на електрони в $↙(41)Nb$, $↙(42)Mo$, $↙(44)Ru$, $↙(45)Rh$, $↙(46 ) Pd$, $↙(47)Ag$. $f$ се появява в шестия и седмия период - елементи, т.е. елементи, за които са запълнени съответно поднивата $4f-$ и $5f$ на третия външен електронен слой.
$4f$ - елементиНаречен лантаниди.
$5f$ - елементиНаречен актиниди.
Процедура за пълнене електронни поднивав атоми на елементи от шести период: $↙(55)Cs$ и $↙(56)Ba$ - $6s$ елементи; $↙(57)La ... 6s^(2)5d^(1)$ - $5d$-елемент; $↙(58)Се$ – $↙(71)Lu - 4f$-елементи; $↙(72)Hf$ – $↙(80)Hg - 5d$-елементи; $↙(81)T1$ – $↙(86)Rn - 6d$-елементи. Но и тук има елементи, при които е нарушен редът на запълване на електронните орбитали, което например е свързано с по-голяма енергийна стабилност на полу- и напълно запълнените $f$-поднива, т.е. $nf^7$ и $nf^(14)$.
В зависимост от това кое подниво на атома е последно запълнено с електрони, всички елементи, както вече разбрахте, са разделени на четири електронни семейства или блокове:
- $s$ -елементи;$s$-поднивото е запълнено с електрони външно нивоатом; $s$-елементите включват водород, хелий и елементи от основните подгрупи на I и II група;
- $p$ -елементи;$p$-поднивото на външното ниво на атома е запълнено с електрони; $p$-елементите включват елементи от основните подгрупи на групи III–VIII;
- $d$ -елементи;$d$-поднивото на предвъншното ниво на атома е запълнено с електрони; $d$-елементите включват елементи от вторични подгрупи от групи I–VIII, т.е. елементи от интеркаларни десетилетия на големи периоди, разположени между $s-$ и $p-$елементи. Те също се наричат преходни елементи;
- $f$ -елементи;електроните запълват $f-$поднивото на третото външно ниво на атома; те включват лантаниди и актиниди.
Електронна конфигурация на атом. Основни и възбудени състояния на атомите
Швейцарският физик В. Паули през 1925 г. установи това един атом може да има не повече от два електрона в една орбитала, имащи противоположни (антипаралелни) гърбове (в превод от английски като вретено), т.е. притежаващи свойства, които условно могат да се представят като въртене на електрон около неговата въображаема ос по посока на часовниковата стрелка или обратно на часовниковата стрелка. Този принцип се нарича принцип на Паули.
Ако има един електрон в орбитала, той се нарича несдвоени, ако две, тогава това сдвоени електрони, т.е. електрони с противоположни спинове.
Фигурата показва диаграма на разделяне на енергийните нива на поднива.
$s-$ Орбитален, както вече знаете, има сферична форма. Електронът на водородния атом $(n = 1)$ се намира в тази орбитала и не е сдвоен. Поради тази причина то електронна формула, или електронна конфигурация , се записва така: $1s^1$. В електронните формули числото на енергийното ниво се обозначава с числото пред буквата $(1...)$, латиницаобозначават подниво (тип орбитала), а числото, изписано вдясно над буквата (като показател) показва броя на електроните в поднивото.
За хелиев атом He, който има два сдвоени електрона в една $s-$орбитала, тази формула е: $1s^2$. Електронната обвивка на атома на хелия е завършена и много стабилна. Хелият е благороден газ. На второто енергийно ниво $(n = 2)$ има четири орбитали, една $s$ и три $p$. Електроните на $s$-орбитала от второ ниво ($2s$-орбитала) имат повече висока енергия, защото са на по-голямо разстояние от ядрото, отколкото електроните на $1s$ орбитала $(n = 2)$. Като цяло, за всяка стойност на $n$ има една $s-$орбитала, но със съответния запас от електронна енергия върху нея и, следователно, със съответния диаметър, нарастващ с увеличаване на стойността на $n$ s-$Orbital, както вече знаете, има сферична форма. Електронът на водородния атом $(n = 1)$ се намира в тази орбитала и не е сдвоен. Следователно неговата електронна формула или електронна конфигурация се записва по следния начин: $1s^1$. В електронните формули номерът на енергийното ниво се обозначава с цифрата пред буквата $(1...)$, латинската буква означава поднивото (типа орбитала), а числото, изписано вдясно над буква (като показател) показва броя на електроните в поднивото.
За атом на хелий $He$, който има два сдвоени електрона в една $s-$орбитала, тази формула е: $1s^2$. Електронната обвивка на атома на хелия е завършена и много стабилна. Хелият е благороден газ. На второто енергийно ниво $(n = 2)$ има четири орбитали, една $s$ и три $p$. Електроните на $s-$орбиталите от второ ниво ($2s$-орбитали) имат по-висока енергия, т.к. са на по-голямо разстояние от ядрото, отколкото електроните на $1s$ орбитала $(n = 2)$. Като цяло, за всяка стойност на $n$ има една $s-$орбитала, но със съответен запас от електронна енергия върху нея и следователно със съответен диаметър, нарастващ с увеличаване на стойността на $n$. 
$p-$ Орбиталенима формата на дъмбел или обемна осмица. И трите $p$-орбитали са разположени в атома взаимно перпендикулярно пространствени координати, пренесен през ядрото на атома. Още веднъж трябва да се подчертае, че всяко енергийно ниво (електронен слой), започвайки от $n= 2$, има три $p$-орбитали. С нарастването на стойността на $n$ електроните заемат $p$-орбитали, разположени на дълги разстоянияот сърцевината и насочен по осите $x, y, z$.
За елементи от втория период $(n = 2)$ първо се запълва една $s$-орбитала, а след това три $p$-орбитали; електронна формула $Li: 1s^(2)2s^(1)$. Електронът $2s^1$ е по-слабо свързан с ядрото на атома, така че литиевият атом може лесно да се откаже от него (както очевидно си спомняте, този процес се нарича окисление), превръщайки се в литиев йон $Li^+$ .
В атома Be на берилий четвъртият електрон също се намира в $2s$ орбитала: $1s^(2)2s^(2)$. Двата външни електрона на берилиевия атом лесно се отделят - $B^0$ се окислява до катион $Be^(2+)$.
В атома на бора петият електрон заема $2p$ орбитала: $1s^(2)2s^(2)2p^(1)$. След това $2p$ орбиталите на $C, N, O, F$ атомите се запълват, което завършва на благороден газнеон: $1s^(2)2s^(2)2p^(6)$.
За елементи от третия период се запълват съответно орбиталите $3s-$ и $3p$. Пет $d$-орбитали от трето ниво остават свободни:
$↙(11)Na 1s^(2)2s^(2)2p^(6)3s^(1)$,
$↙(17)Cl 1s^(2)2s^(2)2p^(6)3s^(2)3p^(5)$,
$↙(18)Ar 1s^(2)2s^(2)2p^(6)3s^(2)3p^(6)$.
Понякога в диаграми, изобразяващи разпределението на електроните в атомите, се посочва само броят на електроните на всяко енергийно ниво, т.е. напишете съкратени електронни формули на атоми на химични елементи, за разлика от пълните електронни формули, дадени по-горе, например:
$↙(11)Na 2, 8, 1;$ $↙(17)Cl 2, 8, 7;$ $↙(18)Ar 2, 8, 8$.
За елементи с големи периоди (четвърти и пети), първите два електрона заемат съответно $4s-$ и $5s$ орбитали: $↙(19)K 2, 8, 8, 1;$ $↙(38)Sr 2 , 8, 18, 8, 2$. Започвайки от третия елемент на всеки дълъг период, следващите десет електрона ще отидат съответно на предишните $3d-$ и $4d-$орбитали (за елементи от странични подгрупи): $↙(23)V 2, 8, 11, 2;$ $↙(26) Fr 2, 8, 14, 2;$ $↙(40)Zr 2, 8, 18, 10, 2;$ $↙(43)Tc 2, 8, 18, 13, 2$. Като правило, когато предишното $d$-подниво е запълнено, външното ($4р-$ и $5р-$, съответно) $р-$подниво ще започне да се запълва: $↙(33)As 2, 8 , 18, 5;$ $ ↙(52)Te 2, 8, 18, 18, 6$.
За елементи с големи периоди - шести и непълен седми - електронните нива и поднива се запълват с електрони, като правило, така: първите два електрона влизат във външното $s-$подниво: $↙(56)Ba 2, 8 , 18, 18, 8, 2;$ $↙(87)Fr 2, 8, 18, 32, 18, 8, 1$; следващият един електрон (за $La$ и $Ca$) към предходното $d$-подниво: $↙(57)La 2, 8, 18, 18, 9, 2$ и $↙(89)Ac 2, 8, 18, 32, 18, 9, 2$.
Тогава следващите $14$ електрони ще отидат на третото външно енергийно ниво, съответно на $4f$ и $5f$ орбиталите на лантанидите и актинидите: $↙(64)Gd 2, 8, 18, 25, 9, 2; $ $↙(92 )U 2, 8, 18, 32, 21, 9, 2$.
Тогава второто външно енергийно ниво ($d$-подниво) на елементи от странични подгрупи ще започне да се натрупва отново: $↙(73)Ta 2, 8, 18, 32, 11, 2;$ $↙(104)Rf 2, 8, 18, 32, 32, 10, 2$. И накрая, едва след като $d$-поднивото е напълно запълнено с десет електрона, $p$-поднивото ще се запълни отново: $↙(86)Rn 2, 8, 18, 32, 18, 8$.
Много често структурата на електронните обвивки на атомите се изобразява с помощта на енергийни или квантови клетки - т.нар. графични електронни формули. За тази нотация се използва следната нотация: всяка квантова клетка е обозначена с клетка, която съответства на една орбитала; Всеки електрон е обозначен със стрелка, съответстваща на посоката на въртене. Когато пишете графична електронна формула, трябва да запомните две правила: принцип на Паули, според която в една клетка (орбитала) не може да има повече от два електрона, но с антипаралелни спинове, и Правилото на Ф. Хунд, според който електроните заемат свободните клетки първо един по един и едновременно имат същата стойностназад и едва след това се съчетайте, но гърбовете, според принципа на Паули, вече ще бъдат в противоположни посоки.
Всяко вещество се състои от много малки частици, т.нар атоми . Атомът е най-малката частица от химичен елемент, която задържа всичко характерни свойства. За да си представим размера на един атом, достатъчно е да кажем, че ако могат да бъдат поставени близо един до друг, тогава един милион атома ще заемат разстояние от само 0,1 mm.
По-нататъшното развитие на науката за структурата на материята показа, че атомът също има сложна структура и се състои от електрони и протони. Ето как възникна електронна теорияструктура на материята.
В древни времена е открито, че има два вида електричество: положително и отрицателно. Количеството електричество, съдържащо се в тялото, се нарича заряд. В зависимост от вида електричество, което тялото притежава, зарядът може да бъде положителен или отрицателен.
Експериментално е установено също, че еднаквите заряди се отблъскват, а различните - привличат.
Нека помислим електронна структура на атома. Атомите са съставени от още по-малки частици от себе си, т.нар електрони.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ:Електронът е най-малката частица материя, която има най-малък отрицателен електрически заряд.
Електроните обикалят около централно ядро, състоящо се от едно или повече протониИ неутрони, в концентрични орбити. Електроните са отрицателно заредени частици, протоните са положителни, а неутроните са неутрални (Фигура 1.1).
ОПРЕДЕЛЕНИЕ:Протонът е най-малката частица материя, която има най-малък положителен електрически заряд.
Съществуването на електрони и протони е извън съмнение. Учените не само определиха масата, заряда и размера на електроните и протоните, но дори ги накараха да работят в различни електрически и радиотехнически устройства.
Установено е също, че масата на електрона зависи от скоростта на неговото движение и че електронът не само се движи напред в пространството, но и се върти около оста си.
Най-простият по структура е водородният атом (фиг. 1.1). Състои се от протонно ядро и въртящ се огромна скоростоколо електронното ядро, което образува външната обвивка (орбита) на атома. | Повече ▼ сложни атомиимат няколко обвивки, през които се въртят електрони.
Тези черупки се запълват последователно от ядрото с електрони (Фигура 1.2).
Сега нека да го разгледаме . Най-външната обвивка се нарича валентност, а броят на електроните, съдържащи се в него, се нарича валентност. Колкото по-далеч от ядрото валентна обвивка,следователно, толкова по-малка е силата на привличане, която изпитва всеки валентен електрон от ядрото. По този начин атомът увеличава способността да прикрепя към себе си електрони в случай, че валентната обвивка не е запълнена и е разположена далеч от ядрото или да ги загуби.
Електроните на външната обвивка могат да получават енергия. Ако електроните, разположени във валентната обвивка, получават необходимото ниво на енергия от външни сили, те могат да се откъснат от него и да напуснат атома, тоест да станат свободни електрони. Свободните електрони могат да се движат произволно от един атом на атом. Тези материали, които съдържат голям брой свободни електрони, се наричат проводници
.
Изолатори
, е обратното на проводниците. Предотвратяват изтичане електрически ток. Изолаторите са стабилни, тъй като валентните електрони на някои атоми запълват валентните обвивки на други атоми, съединявайки ги. Това предотвратява образуването на свободни електрони.
Заемат междинно положение между изолатори и проводници полупроводници
, но ще говорим за тях по-късно
Нека помислим свойства на атома. Атом, който има същия номерелектрони и протони, електрически неутрални. Атом, който получава един или повече електрони, става отрицателно зареден и се нарича отрицателен йон. Ако един атом загуби един или повече електрони, той става положителен йон, тоест става положително зареден.