Apakah struktur elektronik atom. Struktur atom unsur kimia

Elektron

Konsep atom timbul pada dunia purba untuk menentukan zarah jirim. Diterjemah daripada atom Yunani bermaksud "tidak boleh dibahagikan".

Ahli fizik Ireland Stoney, berdasarkan eksperimen, membuat kesimpulan bahawa elektrik dipindahkan zarah-zarah kecil, wujud dalam atom semua unsur kimia. Pada tahun 1891, Stoney mencadangkan untuk memanggil zarah ini elektron, yang bermaksud "ambar" dalam bahasa Yunani. Beberapa tahun selepas elektron mendapat namanya, ahli fizik Inggeris Joseph Thomson dan ahli fizik Perancis Jean Perrin membuktikan bahawa elektron membawa cas negatif. Ini adalah cas negatif terkecil, yang dalam kimia diambil sebagai satu (-1). Thomson juga berjaya menentukan kelajuan elektron (kelajuan elektron dalam orbit adalah berkadar songsang dengan nombor orbit n. Jejari orbit meningkat mengikut perkadaran dengan kuasa dua nombor orbit. Dalam orbit pertama atom hidrogen (n=1; Z=1) kelajuan ialah ≈ 2.2·106 m/s, iaitu kira-kira seratus kali kurang daripada kelajuan cahaya c = 3·108 m/s) dan jisim elektron (ia hampir 2000 kali kurang daripada jisim atom hidrogen).

Keadaan elektron dalam atom

Keadaan elektron dalam atom difahami sebagai satu set maklumat tentang tenaga elektron tertentu dan ruang di mana ia terletak. Elektron dalam atom tidak mempunyai trajektori gerakan, iaitu kita hanya boleh bercakap tentang kebarangkalian menemuinya dalam ruang di sekeliling nukleus.

Ia boleh terletak di mana-mana bahagian ruang ini mengelilingi nukleus, dan keseluruhan pelbagai kedudukannya dianggap sebagai awan elektron dengan ketumpatan cas negatif tertentu. Secara kiasan, ini boleh dibayangkan dengan cara ini: jika boleh mengambil gambar kedudukan elektron dalam atom selepas perseratus atau persejuta saat, seperti dalam kemasan foto, maka elektron dalam gambar tersebut akan diwakili sebagai titik. Jika banyak gambar sedemikian ditindih, gambar itu akan menjadi awan elektron dengan ketumpatan terbesar di mana terdapat sebahagian besar titik ini.

Ruang sekeliling nukleus atom, di mana elektron paling mungkin dijumpai dipanggil orbital. Ia mengandungi kira-kira 90% awan elektronik, dan ini bermakna bahawa kira-kira 90% daripada masa elektron berada di bahagian ruang ini. Mereka dibezakan dengan bentuk 4 jenis orbital yang diketahui sekarang, yang ditetapkan oleh Latin huruf s, p, d dan f. Imej grafik beberapa bentuk orbital elektron ditunjukkan dalam rajah.

Ciri terpenting bagi pergerakan elektron dalam orbital tertentu ialah tenaga sambungannya dengan nukleus. Elektron dengan nilai tenaga yang sama membentuk satu lapisan elektron, atau tahap tenaga. Tahap tenaga dinomborkan bermula dari nukleus - 1, 2, 3, 4, 5, 6 dan 7.

Integer n, yang menunjukkan bilangan aras tenaga, dipanggil nombor kuantum utama. Ia mencirikan tenaga elektron yang menduduki tahap tenaga tertentu. Elektron tahap tenaga pertama, paling hampir dengan nukleus, mempunyai tenaga paling rendah. Berbanding dengan elektron tahap pertama, elektron tahap berikutnya akan dicirikan oleh bekalan tenaga yang besar. Akibatnya, elektron-elektron pada paras luar paling tidak terikat pada nukleus atom.

Bilangan elektron terbesar pada tahap tenaga ditentukan oleh formula:

N = 2n 2 ,

di mana N - bilangan maksimum elektron; n ialah nombor tahap, atau nombor kuantum utama. Akibatnya, tahap tenaga pertama yang paling hampir dengan nukleus boleh mengandungi tidak lebih daripada dua elektron; pada kedua - tidak lebih daripada 8; pada yang ketiga - tidak lebih daripada 18; pada keempat - tidak lebih daripada 32.

Bermula dari tahap tenaga kedua (n = 2), setiap tahap dibahagikan kepada sublevel (sublayers), sedikit berbeza antara satu sama lain dalam tenaga mengikat dengan nukleus. Bilangan subperingkat adalah sama dengan nilai nombor kuantum utama: tahap tenaga pertama mempunyai satu sublevel; yang kedua - dua; ketiga - tiga; keempat - empat subperingkat. Sublevel, seterusnya, dibentuk oleh orbital. Setiap nilain sepadan dengan bilangan orbital sama dengan n.

Subperingkat biasanya ditetapkan dengan huruf Latin, serta bentuk orbital yang terdiri daripada: s, p, d, f.

Proton dan Neutron

Atom bagi mana-mana unsur kimia adalah setanding dengan atom yang kecil sistem suria. Oleh itu, model atom ini, yang dicadangkan oleh E. Rutherford, dipanggil planet.

Nukleus atom, di mana seluruh jisim atom tertumpu, terdiri daripada zarah dua jenis - proton dan neutron.

Proton mempunyai cas sama dengan caj elektron, tetapi berlawanan dalam tanda (+1), dan jisim, sama dengan jisim atom hidrogen (ia diambil sebagai unit dalam kimia). Neutron tidak membawa cas, ia neutral dan mempunyai jisim yang sama dengan jisim proton.

Proton dan neutron bersama dipanggil nukleon (dari nukleus Latin - nukleus). Jumlah bilangan proton dan neutron dalam atom dipanggil nombor jisim. Sebagai contoh, nombor jisim atom aluminium ialah:

13 + 14 = 27

bilangan proton 13, bilangan neutron 14, nombor jisim 27

Oleh kerana jisim elektron, yang boleh diabaikan kecil, boleh diabaikan, adalah jelas bahawa keseluruhan jisim atom tertumpu di dalam nukleus. Elektron ditetapkan sebagai e - .

Sejak atom neutral elektrik, maka juga jelas bahawa bilangan proton dan elektron dalam atom adalah sama. Ia sama dengan nombor siri unsur kimia yang diberikan kepadanya dalam Jadual Berkala. Jisim atom terdiri daripada jisim proton dan neutron. Mengetahui nombor atom unsur (Z), iaitu bilangan proton, dan nombor jisim (A), sama dengan jumlah bilangan proton dan neutron, anda boleh mencari bilangan neutron (N) menggunakan formula:

N = A - Z

Sebagai contoh, bilangan neutron dalam atom besi ialah:

56 — 26 = 30

Isotop

Varieti atom unsur yang sama yang mempunyai caj yang sama nukleus tetapi nombor jisim berbeza dipanggil isotop. Unsur kimia yang terdapat di alam adalah campuran isotop. Oleh itu, karbon mempunyai tiga isotop dengan jisim 12, 13, 14; oksigen - tiga isotop dengan jisim 16, 17, 18, dsb. Jisim atom relatif unsur kimia yang biasanya diberikan dalam Jadual Berkala ialah nilai purata jisim atom campuran semula jadi isotop unsur tertentu, dengan mengambil kira kelimpahan relatif mereka dalam alam semula jadi. Sifat kimia Isotop bagi kebanyakan unsur kimia adalah sama. Walau bagaimanapun, isotop hidrogen sangat berbeza dalam sifat disebabkan peningkatan berganda yang dramatik dalam jisim atom relatifnya; malah mereka diberi nama individu dan simbol kimia.

Elemen tempoh pertama

Gambar rajah struktur elektronik atom hidrogen:

Gambar rajah struktur elektronik atom menunjukkan taburan elektron merentasi lapisan elektronik (aras tenaga).

Formula elektronik grafik atom hidrogen (menunjukkan taburan elektron mengikut aras tenaga dan subperingkat):

Formula elektronik grafik atom menunjukkan taburan elektron bukan sahaja di antara peringkat dan subperingkat, tetapi juga di antara orbital.

Dalam atom helium, lapisan elektron pertama lengkap - ia mempunyai 2 elektron. Hidrogen dan helium ialah unsur-s; Orbit-s atom-atom ini diisi dengan elektron.

Untuk semua elemen tempoh kedua lapisan elektronik pertama diisi, dan elektron mengisi orbital s dan p lapisan elektron kedua mengikut prinsip tenaga paling sedikit (s pertama dan kemudian p) dan peraturan Pauli dan Hund.

Dalam atom neon, lapisan elektron kedua lengkap - ia mempunyai 8 elektron.

Untuk atom unsur tempoh ketiga, lapisan elektronik pertama dan kedua selesai, jadi lapisan elektronik ketiga diisi, di mana elektron boleh menduduki subperingkat 3s-, 3p- dan 3d.

Atom magnesium melengkapkan orbital elektron 3snya. Na dan Mg ialah unsur-s.

Dalam aluminium dan unsur-unsur berikutnya, sublevel 3p diisi dengan elektron.

Elemen tempoh ketiga mempunyai orbital 3d yang tidak terisi.

Semua unsur dari Al hingga Ar adalah unsur-p. Unsur s dan p membentuk subkumpulan utama dalam Jadual Berkala.

Unsur-unsur tempoh keempat - ketujuh

Lapisan elektron keempat muncul dalam atom kalium dan kalsium, dan subperingkat 4s diisi, kerana ia mempunyai tenaga yang lebih rendah daripada subperingkat 3d.

K, Ca - s-elemen termasuk dalam subkumpulan utama. Untuk atom dari Sc hingga Zn, sublevel 3d diisi dengan elektron. Ini adalah elemen 3d. Ia termasuk dalam subkumpulan sekunder, lapisan elektronik terluarnya diisi, dan ia diklasifikasikan sebagai unsur peralihan.

Beri perhatian kepada struktur cengkerang elektronik kromium dan atom kuprum. Di dalamnya, satu elektron "gagal" dari 4s ke sublevel 3d, yang dijelaskan oleh kestabilan tenaga yang lebih besar dari konfigurasi elektronik 3d 5 dan 3d 10 yang terhasil:

Dalam atom zink, lapisan elektron ketiga lengkap - semua subperingkat 3s, 3p dan 3d diisi di dalamnya, dengan jumlah 18 elektron. Dalam unsur-unsur yang mengikuti zink, lapisan elektron keempat, subperingkat 4p, terus diisi.

Unsur dari Ga hingga Kr ialah unsur-p.

Atom kripton mempunyai lapisan luar (keempat) yang lengkap dan mempunyai 8 elektron. Tetapi terdapat sejumlah 32 elektron dalam lapisan elektron keempat; atom kripton masih mempunyai subperingkat 4d dan 4f yang belum terisi Untuk unsur-unsur tempoh kelima, subperingkat sedang diisi dalam susunan berikut: 5s - 4d - 5p. Dan terdapat juga pengecualian yang berkaitan dengan " kegagalan» elektron, y 41 Nb, 42 Mo, 44 ​​​​Ru, 45 Rh, 46 Pd, 47 Ag.

Dalam tempoh keenam dan ketujuh, elemen-f muncul, iaitu, elemen di mana subperingkat 4f dan 5f lapisan elektronik luar ketiga diisi, masing-masing.

Unsur 4f dipanggil lantanida.

Unsur 5f dipanggil aktinida.

Susunan pengisian subperingkat elektronik dalam atom unsur tempoh keenam: 55 Cs dan 56 Ba - 6s unsur; 57 La … 6s 2 5d x - 5d elemen; 58 Ce - 71 Lu - unsur 4f; 72 Hf - 80 Hg - unsur 5d; 81 T1 - 86 Rn - unsur 6d. Tetapi di sini, juga, terdapat unsur-unsur di mana susunan pengisian orbital elektronik "dilanggar," yang, sebagai contoh, dikaitkan dengan kestabilan tenaga yang lebih besar daripada separuh dan terisi penuh f-subperingkat, iaitu nf 7 dan nf 14. Bergantung pada subtahap atom yang diisi dengan elektron terakhir, semua unsur dibahagikan kepada empat keluarga elektron, atau blok:

• unsur-s. S-sublevel aras luar atom diisi dengan elektron; unsur-s termasuk hidrogen, helium dan unsur subkumpulan utama kumpulan I dan II.

• elemen p. P-sublevel aras luar atom diisi dengan elektron; elemen p termasuk unsur subkumpulan utama kumpulan III-VIII.

• d-elemen. D-sublevel tahap pra-luaran atom diisi dengan elektron; d-elemen termasuk unsur subkumpulan sampingan Kumpulan I-VIII, iaitu unsur-unsur yang dimasukkan dekad tempoh besar yang terletak di antara unsur-s dan p. Mereka juga dipanggil elemen peralihan.

• elemen-f. Subperingkat f bagi peringkat luar ketiga atom diisi dengan elektron; ini termasuk lantanida dan antinoid.

Ahli fizik Switzerland W. Pauli pada tahun 1925 menetapkan bahawa dalam atom dalam satu orbital tidak boleh ada lebih daripada dua elektron yang mempunyai putaran bertentangan (antiparallel) (diterjemahkan dari bahasa Inggeris sebagai "spindle"), iaitu, mempunyai sifat sedemikian yang boleh dibayangkan secara bersyarat. sebagai putaran elektron di sekeliling paksi khayalannya: mengikut arah jam atau lawan jam.

Prinsip ini dipanggil prinsip Pauli. Jika terdapat satu elektron dalam orbital, maka ia dipanggil tidak berpasangan; jika terdapat dua, maka ini adalah elektron berpasangan, iaitu elektron dengan putaran bertentangan. Rajah menunjukkan gambar rajah pembahagian aras tenaga kepada subperingkat dan susunan di mana ia diisi.

Selalunya, struktur cangkerang elektronik atom digambarkan menggunakan tenaga atau sel kuantum - yang dipanggil formula elektronik grafik ditulis. Untuk tatatanda ini, tatatanda berikut digunakan: setiap sel kuantum ditetapkan oleh sel yang sepadan dengan satu orbital; Setiap elektron ditunjukkan oleh anak panah yang sepadan dengan arah putaran. Apabila menulis formula elektronik grafik, anda harus ingat dua peraturan: Prinsip Pauli dan peraturan F. Hund, mengikut mana elektron menduduki sel bebas pertama satu demi satu dan pada masa yang sama mempunyai nilai yang sama belakang, dan hanya kemudian pasangan, tetapi belakang, mengikut prinsip Pauli, sudah akan berada dalam arah yang bertentangan.

Peraturan Hund dan prinsip Pauli

Peraturan Hund- peraturan kimia kuantum, yang menentukan susunan pengisian orbital sublapisan tertentu dan dirumuskan dengan cara berikut: jumlah nilai bilangan kuantum putaran elektron sublapisan tertentu hendaklah maksimum. Dirumus oleh Friedrich Hund pada tahun 1925.

Ini bermakna bahawa dalam setiap orbital sublapisan, satu elektron diisi terlebih dahulu, dan hanya selepas orbital yang tidak terisi habis, elektron kedua ditambahkan pada orbital ini. Dalam kes ini, satu orbital mengandungi dua elektron dengan putaran separuh integer tanda bertentangan, yang berpasangan (membentuk awan dua elektron) dan, akibatnya, jumlah putaran orbital menjadi sama dengan sifar.

Satu lagi perkataan: Tenaga yang lebih rendah terletak istilah atom yang mana dua syarat dipenuhi.

1. Kepelbagaian adalah maksimum
2. Jika gandaan bertepatan, jumlahnya momen orbit L adalah maksimum.

Marilah kita menganalisis peraturan ini menggunakan contoh pengisian orbital subperingkat p hlm-elemen tempoh kedua (iaitu, dari boron ke neon (dalam rajah di bawah, garis mendatar menunjukkan orbital, anak panah menegak menunjukkan elektron, dan arah anak panah menunjukkan orientasi putaran).

pemerintahan Klechkovsky

pemerintahan Klechkovsky - Apabila jumlah bilangan elektron dalam atom bertambah (dengan peningkatan dalam cas nukleusnya, atau nombor siri unsur kimia), orbital atom dihuni sedemikian rupa sehingga penampilan elektron dalam orbital dengan lebih banyak tenaga yang tinggi hanya bergantung pada nombor kuantum utama n dan tidak bergantung pada semua yang lain nombor kuantum, termasuk daripada l. Secara fizikal, ini bermakna bahawa dalam atom seperti hidrogen (tanpa ketiadaan penolakan antara elektron), tenaga orbital elektron hanya ditentukan oleh jarak ruang ketumpatan cas elektron dari nukleus dan tidak bergantung pada ciri-cirinya. gerakan dalam bidang nukleus.

Peraturan Klechkovsky empirikal dan skema susunan yang mengikuti daripadanya agak bertentangan dengan jujukan tenaga sebenar orbital atom hanya dalam dua kes yang serupa: untuk atom Cr, Cu, Nb, Mo, Ru, Rh, Pd, Ag, Pt, Au , terdapat "kegagalan" elektron dengan s -sublevel lapisan luar ke d-sublevel lapisan sebelumnya, yang membawa kepada lebih bertenaga. keadaan mantap atom, iaitu: selepas mengisi orbital 6 dengan dua elektron s

Seperti yang anda ketahui, semua bahan di Alam Semesta terdiri daripada atom. Atom ialah unit terkecil jirim, yang membawa sifat-sifatnya. Sebaliknya, struktur atom terdiri daripada triniti ajaib mikrozarah: proton, neutron dan elektron.

Selain itu, setiap mikropartikel adalah universal. Iaitu, anda tidak boleh menemui dua proton, neutron atau elektron yang berbeza di dunia. Mereka semua benar-benar serupa antara satu sama lain. Dan sifat-sifat atom akan bergantung hanya pada komposisi kuantitatif zarah mikro ini masuk struktur umum atom.

Sebagai contoh, struktur atom hidrogen terdiri daripada satu proton dan satu elektron. Atom paling kompleks seterusnya, helium, terdiri daripada dua proton, dua neutron dan dua elektron. Atom litium - diperbuat daripada tiga proton, empat neutron dan tiga elektron, dsb.

Struktur atom (dari kiri ke kanan): hidrogen, helium, litium

Atom bergabung untuk membentuk molekul, dan molekul bergabung untuk membentuk bahan, mineral, dan organisma. Molekul DNA, yang merupakan asas kepada semua makhluk hidup, adalah struktur yang dipasang daripada tiga bata ajaib alam semesta yang sama dengan batu yang terletak di atas jalan. Walaupun struktur ini jauh lebih kompleks.

Lebih lagi fakta yang menakjubkan didedahkan apabila kita cuba melihat lebih dekat pada perkadaran dan struktur sistem atom. Adalah diketahui bahawa atom terdiri daripada nukleus dan elektron yang bergerak mengelilinginya di sepanjang trajektori yang menggambarkan sfera. Iaitu, ia tidak boleh dipanggil pergerakan dalam erti kata biasa. Elektron terletak di mana-mana dan serta-merta dalam sfera ini, mewujudkan awan elektron di sekeliling nukleus dan membentuk medan elektromagnet.

Perwakilan skematik struktur atom

Nukleus atom terdiri daripada proton dan neutron, dan hampir semua jisim sistem tertumpu di dalamnya. Tetapi pada masa yang sama, nukleus itu sendiri sangat kecil sehingga jika jejarinya meningkat kepada skala 1 cm, maka jejari keseluruhan struktur atom akan mencapai ratusan meter. Oleh itu, semua yang kita anggap sebagai jirim tumpat terdiri lebih daripada 99% sahaja sambungan tenaga antara zarah fizikal dan kurang daripada 1% daripada bentuk fizikal itu sendiri.

Tetapi apakah ini bentuk fizikal? Ia diperbuat daripada apa, dan bagaimana bahannya? Untuk menjawab soalan-soalan ini, mari kita lihat dengan lebih dekat struktur proton, neutron, dan elektron. Jadi, kita turun satu langkah lagi ke kedalaman dunia mikro - ke tahap zarah subatom.

Apakah yang terdiri daripada elektron?

Zarah terkecil atom ialah elektron. Elektron mempunyai jisim tetapi tiada isipadu. DALAM idea saintifik Elektron tidak terdiri daripada apa-apa, tetapi merupakan titik tanpa struktur.

Elektron tidak boleh dilihat di bawah mikroskop. Ia hanya kelihatan dalam bentuk awan elektron, yang kelihatan seperti sfera kabur di sekeliling nukleus atom. Pada masa yang sama, adalah mustahil untuk mengatakan dengan tepat di mana elektron berada pada satu masa. Instrumen mampu menangkap bukan zarah itu sendiri, tetapi hanya kesan tenaganya. Intipati elektron tidak tertanam dalam konsep jirim. Ia agak seperti beberapa bentuk kosong yang wujud hanya dalam pergerakan dan disebabkan oleh pergerakan.

Tiada struktur dalam elektron masih ditemui. Ia adalah zarah titik yang sama dengan kuantum tenaga. Sebenarnya, elektron adalah tenaga, bagaimanapun, ia adalah bentuk yang lebih stabil daripada yang diwakili oleh foton cahaya.

DALAM pada masa ini Elektron dianggap tidak boleh dibahagikan. Ini boleh difahami, kerana mustahil untuk membahagikan sesuatu yang tidak mempunyai kelantangan. Walau bagaimanapun, teori ini sudah mempunyai perkembangan yang menurutnya elektron mengandungi triniti kuasipartikel seperti:

• Orbiton – mengandungi maklumat tentang kedudukan orbit elektron;
• Spinon - bertanggungjawab untuk putaran atau tork;
• Holon – membawa maklumat tentang cas elektron.

Walau bagaimanapun, seperti yang kita lihat, kuasipartikel sama sekali tidak mempunyai persamaan dengan jirim, dan hanya membawa maklumat.

Foto atom bahan yang berbeza dalam mikroskop elektron

Menariknya, elektron boleh menyerap tenaga kuanta, seperti cahaya atau haba. Dalam kes ini, atom bergerak ke tahap tenaga baru, dan sempadan awan elektron mengembang. Ia juga berlaku bahawa tenaga yang diserap oleh elektron adalah sangat besar sehingga ia boleh melompat keluar dari sistem atom dan meneruskan pergerakannya sebagai zarah bebas. Pada masa yang sama, ia berkelakuan seperti foton cahaya, iaitu, ia seolah-olah tidak lagi menjadi zarah dan mula mempamerkan sifat-sifat gelombang. Ini telah dibuktikan dalam satu eksperimen.

Percubaan Jung

Semasa eksperimen, aliran elektron diarahkan pada skrin dengan dua celah dipotong di dalamnya. Melepasi celah ini, elektron berlanggar dengan permukaan skrin unjuran lain, meninggalkan kesan di atasnya. Hasil daripada "pengeboman" elektron ini, corak gangguan muncul pada skrin unjuran, sama seperti yang akan muncul jika gelombang, tetapi bukan zarah, melalui dua celah.

Corak ini berlaku kerana gelombang yang melalui antara dua celah dibahagikan kepada dua gelombang. Akibat pergerakan selanjutnya, ombak bertindih antara satu sama lain, dan di beberapa kawasan ia dibatalkan bersama. Hasilnya ialah banyak garisan pada skrin unjuran, bukannya hanya satu, seperti yang akan berlaku jika elektron berkelakuan seperti zarah.

Struktur nukleus atom: proton dan neutron

Proton dan neutron membentuk nukleus atom. Dan walaupun pada hakikatnya dalam jumlah isipadu teras menduduki kurang daripada 1%; dalam struktur ini hampir keseluruhan jisim sistem tertumpu. Tetapi ahli fizik dibahagikan pada struktur proton dan neutron, dan masa ini Terdapat dua teori sekaligus.

• Teori No 1 - Standard

Model Standard mengatakan bahawa proton dan neutron terdiri daripada tiga quark yang disambungkan oleh awan gluon. Kuark ialah zarah titik, sama seperti quanta dan elektron. Dan gluon adalah zarah maya, memastikan interaksi kuark. Walau bagaimanapun, quark mahupun gluon tidak pernah ditemui dalam alam semula jadi, jadi model ini tertakluk kepada kritikan yang teruk.

• Teori #2 - Alternatif

Tetapi menurut teori alternatif bidang tunggal, dibangunkan oleh Einstein, proton, seperti neutron, seperti mana-mana zarah lain dunia fizikal, ialah medan elektromagnet yang berputar pada kelajuan cahaya.

Medan elektromagnet manusia dan planet

Apakah prinsip-prinsip struktur atom?

Segala-galanya di dunia - nipis dan padat, cecair, pepejal dan gas - hanyalah keadaan tenaga dari banyak medan yang meresap ke ruang Alam Semesta. Semakin tinggi tahap tenaga di lapangan, semakin nipis dan kurang dapat dilihat. Semakin rendah tahap tenaga, semakin stabil dan ketara. Dalam struktur atom, seperti dalam struktur mana-mana unit lain Alam Semesta, terletak interaksi medan tersebut - berbeza dalam ketumpatan tenaga. Ternyata perkara itu hanyalah ilusi fikiran.

Atom - zarah terkecil bahan, tidak boleh dibahagikan secara kimia. Pada abad ke-20 ia didapati struktur kompleks atom. Atom terdiri daripada bercas positif biji dan kulit yang dibentuk oleh elektron bercas negatif. Jumlah cas bagi atom bebas sama dengan sifar, sejak caj nuklear dan kulit elektron mengimbangkan antara satu sama lain. Dalam kes ini, magnitud cas nuklear adalah sama dengan bilangan unsur dalam jadual berkala (nombor atom ) dan sama jumlah nombor elektron (cas elektron ialah −1).

Nukleus atom terdiri daripada bercas positif proton dan zarah neutral - neutron, tanpa caj. Ciri umum zarah asas dalam atom boleh dibentangkan dalam bentuk jadual:

Bilangan proton adalah sama dengan cas nukleus, oleh itu sama dengan nombor atom. Untuk mencari bilangan neutron dalam atom, anda perlu menolak cas nukleus (bilangan proton) daripada jisim atom (terdiri daripada jisim proton dan neutron).

Contohnya, dalam atom natrium 23 Na bilangan proton ialah p = 11, dan bilangan neutron ialah n = 23 − 11 = 12

Bilangan neutron dalam atom unsur yang sama boleh berbeza. Atom sedemikian dipanggil isotop .

Cangkang elektron atom juga mempunyai struktur yang kompleks. Elektron terletak pada tahap tenaga(lapisan elektronik).

Nombor aras mencirikan tenaga elektron. Ini disebabkan oleh fakta bahawa zarah asas boleh menghantar dan menerima tenaga bukan dalam kuantiti yang kecil secara sewenang-wenangnya, tetapi dalam bahagian tertentu - quanta. Semakin tinggi tahap, semakin banyak tenaga yang dimiliki elektron. Memandangkan semakin rendah tenaga sistem, semakin stabil ia (bandingkan kestabilan rendah batu di puncak gunung, yang mempunyai tenaga keupayaan, Dan kedudukan stabil batu yang sama di bawah di dataran, apabila tenaganya jauh lebih rendah), tahap dengan tenaga elektron rendah diisi dahulu dan barulah yang tinggi.

Bilangan maksimum elektron yang boleh ditampung tahap boleh dikira menggunakan formula:
N = 2n 2, di mana N ialah bilangan maksimum elektron pada aras,
n - nombor tahap.

Kemudian untuk tahap pertama N = 2 1 2 = 2,

untuk N kedua = 2 2 2 = 8, dsb.

Bilangan elektron per peringkat luaran untuk unsur-unsur subkumpulan utama (A) adalah sama dengan nombor kumpulan.

Dalam kebanyakan jadual berkala moden, susunan elektron mengikut tahap ditunjukkan dalam sel dengan unsur. Sangat penting memahami bahawa tahap boleh dibaca bawah atas, yang sepadan dengan tenaga mereka. Oleh itu, lajur nombor dalam sel dengan natrium:
1
8
2

pada tahap 1 - 2 elektron,

pada tahap ke-2 - 8 elektron,

pada tahap ke-3 - 1 elektron
Berhati-hati, ini adalah kesilapan yang sangat biasa!

Taburan tahap elektron boleh diwakili sebagai gambar rajah:
11 Na)))
2 8 1

Jika jadual berkala tidak menunjukkan taburan elektron mengikut tahap, anda boleh menggunakan:

• bilangan elektron maksimum: pada tahap 1 tidak lebih daripada 2 e − ,
  pada 2hb - 8 e − ,
  pada tahap luaran - 8 e − ;
• bilangan elektron di aras luar (untuk 20 unsur pertama bertepatan dengan nombor kumpulan)

Kemudian untuk natrium garis penaakulan adalah seperti berikut:

1. Jumlah bilangan elektron ialah 11, oleh itu, tahap pertama diisi dan mengandungi 2 e − ;
2. Tahap ketiga, luar mengandungi 1 e − (kumpulan I)
3. Tahap kedua mengandungi elektron yang tinggal: 11 − (2 + 1) = 8 (diisi sepenuhnya)

* Sebilangan pengarang, untuk perbezaan yang lebih jelas antara atom bebas dan atom sebagai sebahagian daripada sebatian, mencadangkan untuk menggunakan istilah "atom" hanya untuk menetapkan atom bebas (neutral), dan untuk menetapkan semua atom, termasuk yang berada dalam sebatian, cadangkan istilah “ zarah atom" Masa akan memberitahu apa nasib istilah ini. Dari sudut pandangan kami, atom mengikut definisi adalah zarah, oleh itu, ungkapan "zarah atom" boleh dianggap sebagai tautologi ("minyak").

2. Tugasan. Pengiraan jumlah bahan salah satu hasil tindak balas jika jisim bahan permulaan diketahui.
Contoh:

Berapakah jumlah bahan hidrogen yang akan dibebaskan apabila zink bertindak balas dengan asid hidroklorik seberat 146 g?

Penyelesaian:

1. Kami menulis persamaan tindak balas: Zn + 2HCl = ZnCl 2 + H 2
2. Kita dapati jisim molar daripada asid hidroklorik: M (HCl) = 1 + 35.5 = 36.5 (g/mol)
   (jisim molar setiap unsur, secara berangka sama dengan relatif jisim atom, lihat dalam jadual berkala di bawah tanda unsur dan bulatkan kepada nombor bulat, kecuali klorin, yang diambil sebagai 35.5)
3. Cari jumlah asid hidroklorik: n (HCl) = m / M = 146 g / 36.5 g/mol = 4 mol
4. Kami menulis data yang tersedia di atas persamaan tindak balas, dan di bawah persamaan - bilangan mol mengikut persamaan (sama dengan pekali di hadapan bahan):
   4 mol x mol
   Zn + 2HCl = ZnCl 2 + H 2
   2 mol 1 mol
5. Mari buat perkadaran:
   4 mol - x tahi lalat
   2 mol - 1 mol
   (atau dengan penjelasan:
   daripada 4 mol asid hidroklorik yang anda dapat x mol hidrogen
   dan dari 2 tahi lalat - 1 tahi lalat)
6. Kita dapati x:
   x= 4 mol 1 mol / 2 mol = 2 mol

Jawapan: 2 mol.

(Nota kuliah)

Struktur atom. pengenalan.

Objek kajian dalam kimia ialah unsur kimia dan sebatiannya. Unsur kimia dipanggil himpunan atom dengan cas positif yang sama. Atom- ialah zarah terkecil unsur kimia yang memeliharanya Sifat kimia. Ikatan antara satu sama lain, atom satu atau elemen yang berbeza membentuk zarah yang lebih kompleks - molekul. Himpunan atom atau molekul membentuk bahan kimia. Setiap bahan kimia individu dicirikan oleh satu set sifat fizikal individu, seperti takat didih dan lebur, ketumpatan, kekonduksian elektrik dan haba, dsb.

1. Struktur atom dan Jadual Berkala Unsur

DI. Mendeleev.

Pengetahuan dan pemahaman tentang hukum susunan pengisian Jadual Berkala Unsur D.I. Mendeleev membolehkan kita memahami perkara berikut:

1. intipati fizikal kewujudan unsur-unsur tertentu dalam alam semula jadi,

2. sifat valensi kimia unsur,

3. keupayaan dan "ringan" unsur untuk memberi atau menerima elektron apabila berinteraksi dengan unsur lain,

4.sifat ikatan kimia yang boleh terbentuk unsur ini apabila berinteraksi dengan unsur lain, struktur spatial molekul mudah dan kompleks, dsb., dsb.

Struktur atom.

Atom ialah mikrosistem kompleks zarah asas yang bergerak dan berinteraksi antara satu sama lain.

Pada akhir abad ke-19 dan awal abad ke-20, didapati bahawa atom terdiri daripada zarah yang lebih kecil: neutron, proton dan elektron Dua zarah terakhir ialah zarah bercas, yang dibawa oleh proton caj positif, elektron - negatif. Oleh kerana atom unsur dalam keadaan dasar adalah neutral elektrik, ini bermakna bilangan proton dalam atom mana-mana unsur adalah sama dengan bilangan elektron. Jisim atom ditentukan oleh jumlah jisim proton dan neutron, yang bilangannya sama dengan perbezaan antara jisim atom dan jisimnya. nombor siri dalam jadual berkala D.I. Mendeleev.

Pada tahun 1926, Schrödinger mencadangkan untuk menerangkan pergerakan zarah mikro dalam atom unsur menggunakan persamaan gelombang yang diperolehnya. Apabila menyelesaikan persamaan gelombang Schrödinger untuk atom hidrogen, tiga nombor kuantum integer muncul: n, ℓ Dan m ℓ , yang mencirikan keadaan elektron dalam ruang tiga dimensi di medan tengah nukleus. Nombor kuantum n, ℓ Dan m ℓ ambil nilai integer. Fungsi gelombang ditakrifkan oleh tiga nombor kuantum n, ℓ Dan m ℓ dan diperoleh hasil daripada menyelesaikan persamaan Schrödinger dipanggil orbital. Orbital ialah kawasan ruang di mana elektron berkemungkinan besar dijumpai, kepunyaan atom unsur kimia. Oleh itu, menyelesaikan persamaan Schrödinger untuk atom hidrogen membawa kepada penampilan tiga nombor kuantum, makna fizikal iaitu mereka mencirikan tiga jenis orbital yang berbeza yang boleh dimiliki oleh atom. Mari kita lihat dengan lebih dekat setiap nombor kuantum.

Nombor kuantum utama n boleh mengambil sebarang nilai integer positif: n = 1,2,3,4,5,6,7...Ia mencirikan tenaga tahap elektron dan saiz "awan" elektron. Ia adalah ciri bahawa bilangan nombor kuantum utama bertepatan dengan bilangan tempoh di mana unsur itu terletak.

Azimuthal atau nombor kuantum orbitalℓ boleh mengambil nilai integer daripada ℓ = 0….kepada n – 1 dan menentukan momen pergerakan elektron, i.e. bentuk orbit. Untuk pelbagai nilai berangkaℓ gunakan notasi berikut: ℓ = 0, 1, 2, 3, dan ditunjukkan oleh simbol s, hlm, d, f, masing-masing untuk ℓ = 0, 1, 2 dan 3. Dalam jadual berkala unsur tiada unsur dengan nombor putaran ℓ = 4.

Nombor kuantum magnetikm ℓ mencirikan susunan ruang orbital elektron dan, akibatnya, sifat elektromagnet elektron. Ia boleh mengambil nilai daripada - ℓ kepada + ℓ , termasuk sifar.

Bentuk, atau lebih tepat lagi, sifat simetri orbital atom bergantung pada nombor kuantum ℓ Dan m ℓ . "Awan elektronik" sepadan s- orbital mempunyai, mempunyai bentuk bola (pada masa yang sama ℓ = 0).

Rajah 1. orbital 1s

Orbital yang ditakrifkan oleh nombor kuantum ℓ = 1 dan m ℓ = -1, 0 dan +1 dipanggil orbital p. Oleh kerana m ℓ dalam kes ini mempunyai tiga makna yang berbeza, maka atom mempunyai tiga orbital p yang setara secara bertenaga (nombor kuantum utama bagi mereka adalah sama dan boleh mempunyai nilai n = 2,3,4,5,6 atau 7). Orbital p mempunyai simetri paksi dan kelihatan seperti angka lapan tiga dimensi, berorientasikan sepanjang paksi x, y dan z dalam medan luar (Rajah 1.2). Oleh itu asal perlambangan p x , p y dan p z .

Rajah.2. orbital p x, p y dan p z

Di samping itu, terdapat orbital atom d- dan f-, untuk pertama ℓ = 2 dan m ℓ = -2, -1, 0, +1 dan +2, i.e. lima AO, untuk yang kedua ℓ = 3 dan m ℓ = -3, -2, -1, 0, +1, +2 dan +3, i.e. 7 JSC.

Kuantum keempat m s dipanggil nombor kuantum putaran, diperkenalkan untuk menerangkan kesan halus tertentu dalam spektrum atom hidrogen oleh Goudsmit dan Uhlenbeck pada tahun 1925. Putaran elektron ialah momentum sudut zarah asas bercas bagi elektron, yang orientasinya dikuantisasi, i.e. terhad kepada sudut tertentu. Orientasi ini ditentukan oleh nilai nombor kuantum magnetik putaran (s), yang bagi elektron adalah sama dengan ½ , oleh itu bagi elektron mengikut peraturan pengkuantitian m s = ± ½. Dalam hal ini, kepada set tiga nombor kuantum kita harus menambah nombor kuantum m s . Mari kita tekankan sekali lagi bahawa empat nombor kuantum menentukan susunan pembinaan jadual unsur berkala Mendeleev dan terangkan mengapa hanya terdapat dua unsur dalam tempoh pertama, lapan dalam kedua dan ketiga, 18 dalam keempat, dll. Walau bagaimanapun, dalam Untuk menerangkan struktur atom banyak elektron, urutan pengisian tahap elektronik apabila cas positif atom meningkat, tidak cukup untuk mempunyai idea tentang empat nombor kuantum yang "mengawal" tingkah laku elektron apabila mengisi orbital elektron, tetapi anda perlu mengetahui lebih lanjut peraturan mudah, iaitu, Prinsip Pauli, peraturan Hund dan peraturan Kleczkowski.

Mengikut prinsip Pauli Dalam keadaan kuantum yang sama, dicirikan oleh nilai tertentu bagi empat nombor kuantum, tidak boleh ada lebih daripada satu elektron. Ini bermakna bahawa satu elektron boleh, pada dasarnya, diletakkan dalam mana-mana orbital atom. Dua elektron boleh berada dalam orbital atom yang sama hanya jika mereka mempunyai nombor kuantum putaran yang berbeza.

Apabila mengisi tiga p-AO, lima d-AO dan tujuh f-AO dengan elektron, seseorang harus dibimbing, sebagai tambahan kepada prinsip Pauli, oleh peraturan Hund: Pengisian orbital satu subkulit dalam keadaan dasar berlaku dengan elektron dengan putaran yang sama.

Apabila mengisi subkulit (hlm, d, f)nilai mutlak jumlah putaran mestilah maksimum.

pemerintahan Klechkovsky. Menurut peraturan Klechkovsky, apabila mengisid Dan forbital elektron mesti dihormatiprinsip tenaga minimum. Menurut prinsip ini, elektron dalam keadaan dasar mengisi orbital dengan tahap minimum tenaga. Tenaga subaras ditentukan oleh hasil tambah nombor kuantumn + ℓ = E .

Peraturan pertama Klechkovsky: Pertama, subperingkat yangn + ℓ = E yang minimum.

Peraturan kedua Klechkovsky: sekiranya berlaku persamaann + ℓ untuk beberapa subperingkat, subperingkat yangn yang minimum .

Pada masa ini, 109 elemen diketahui.

2. Tenaga pengionan, pertalian elektron dan keelektronegatifan.

Ciri yang paling penting bagi konfigurasi elektronik atom ialah tenaga pengionan (IE) atau potensi pengionan (IP) dan pertalian elektron atom (EA). Tenaga pengionan ialah perubahan tenaga semasa penyingkiran elektron daripada atom bebas pada 0 K: A = + + ē . Kebergantungan tenaga pengionan pada nombor atom Z unsur dan saiz jejari atom mempunyai watak berkala yang jelas.

Afiniti elektron (EA) ialah perubahan tenaga yang mengiringi penambahan elektron kepada atom terpencil untuk membentuk ion negatif pada 0 K: A + ē = A - (atom dan ion berada dalam keadaan asasnya). Dalam kes ini, elektron menduduki ruang bebas terendah orbital atom(HCAO), jika HCAO diduduki oleh dua elektron. SE sangat bergantung pada konfigurasi elektronik orbital mereka.

Perubahan dalam EI dan SE berkorelasi dengan perubahan dalam banyak sifat unsur dan sebatiannya, yang digunakan untuk meramalkan sifat ini daripada nilai EI dan SE. Tertinggi nilai mutlak Halogen mempunyai pertalian dengan elektron. Dalam setiap kumpulan jadual berkala unsur, potensi pengionan atau EI berkurangan dengan peningkatan bilangan unsur, yang dikaitkan dengan peningkatan dalam jejari atom dan dengan peningkatan dalam bilangan lapisan elektronik dan yang berkorelasi baik dengan peningkatan dalam pengurangan. kuasa unsur.

Jadual 1 Jadual Berkala Unsur menunjukkan nilai EI dan SE dalam eV/per atom. Perhatikan bahawa nilai yang tepat SE hanya diketahui untuk beberapa atom; nilainya diserlahkan dalam Jadual 1.

Jadual 1

Tenaga pengionan pertama (EI), pertalian elektron (EA) dan elektronegativiti χ) atom dalam jadual berkala.

χ	0.747 2. 1 0 0, 3 7																	1,2 2
χ	0.54 1. 55	-0.3 1. 1 3											0.2 0. 91	1.2 5	-0. 1 0, 55	1.47 0. 59	3.45 0. 64	1 ,60
χ	0. 7 4 1. 89	-0.3 1 . 3 1 1 . 6 0											0. 6	1.63	0.7	2.07	3.61
χ	2.3 6	- 0 .6						1.26(α)				-0.9 1 . 39	0. 18	1.2	0. 6	2.07	3.36
χ	2.4 8											-0.6 1 . 56	0. 2			2.2
χ	2.6 7	2, 2 1						TENTANGs

χ – keelektronegatifan menurut Pauling

r- jejari atom, (dari "Makmal dan kelas seminar dalam kimia am dan bukan organik", N.S. Akhmetov, M.K. Azizova, L.I. Badygina)

Atom ialah zarah terkecil jirim. Kajiannya bermula pada tahun Yunani purba, apabila struktur atom menarik perhatian bukan sahaja ahli sains, tetapi juga ahli falsafah. Macam mana struktur elektronik atom, dan apakah maklumat asas yang diketahui tentang zarah ini?

Struktur atom

Para saintis Yunani purba sudah meneka tentang kewujudan zarah kimia terkecil yang membentuk sebarang objek dan organisma. Dan jika pada abad XVII-XVIII. ahli kimia yakin bahawa atom adalah zarah asas yang tidak boleh dibahagikan, kemudian giliran XIX-XX berabad-abad, adalah mungkin secara eksperimen untuk membuktikan bahawa atom tidak boleh dibahagikan.

Atom, sebagai zarah mikroskopik jirim, terdiri daripada nukleus dan elektron. Nukleus adalah 10,000 kali lebih kecil daripada atom, tetapi hampir semua jisimnya tertumpu di dalam nukleus. Ciri utama Nukleus atom ialah ia mempunyai cas positif dan terdiri daripada proton dan neutron. Proton bercas positif, manakala neutron tidak bercas (ia neutral).

Mereka disambungkan antara satu sama lain melalui yang kuat interaksi nuklear. Jisim proton adalah lebih kurang sama dengan jisim neutron, tetapi 1840 kali lebih jisim elektron. Proton dan neutron ada dalam kimia nama yang selalu digunakan– nukleon. Atom itu sendiri adalah neutral elektrik.

Atom bagi mana-mana unsur boleh ditetapkan formula elektronik dan formula grafik elektronik:

nasi. 1. Formula grafik elektronik atom.

Satu-satunya unsur kimia daripada jadual berkala, nukleus yang tidak mengandungi neutron, ialah hidrogen ringan (protium).

Elektron ialah zarah bercas negatif. Kulit elektron terdiri daripada elektron yang bergerak mengelilingi nukleus. Elektron mempunyai sifat tertarik kepada nukleus, dan antara satu sama lain mereka dipengaruhi oleh interaksi Coulomb. Untuk mengatasi tarikan nukleus, elektron mesti menerima tenaga daripada sumber luar. Semakin jauh elektron dari nukleus, semakin sedikit tenaga yang diperlukan.

model atom

Untuk masa yang lama, saintis telah berusaha untuk memahami sifat atom. hidup peringkat awal Ahli falsafah Yunani kuno Democritus membuat sumbangan besar. Walaupun kini teori beliau kelihatan cetek dan terlalu mudah kepada kita, pada masa apabila idea tentang zarah asas baru mula muncul, teorinya tentang kepingan-kepingan jirim telah diambil agak serius. Democritus percaya bahawa sifat mana-mana bahan bergantung kepada bentuk, jisim dan ciri-ciri lain atom. Jadi, sebagai contoh, api, dia percaya, mempunyai atom yang tajam - itulah sebabnya api membakar; Air mempunyai atom licin, jadi ia boleh mengalir; Dalam objek pepejal, pada pendapatnya, atom adalah kasar.

Democritus percaya bahawa segala-galanya dibuat daripada atom, malah jiwa manusia.

Pada tahun 1904, J. J. Thomson mencadangkan model atomnya. Peruntukan utama teori ini berpunca daripada fakta bahawa atom diwakili sebagai badan bercas positif, di dalamnya terdapat elektron dengan cas negatif. Teori ini kemudiannya disangkal oleh E. Rutherford.

nasi. 2. Model atom Thomson.

Juga pada tahun 1904 ahli fizik Jepun H. Nagaoka mencadangkan model planet awal atom dengan analogi dengan planet Zuhal. Menurut teori ini, elektron disatukan dalam cincin dan berputar mengelilingi nukleus bercas positif. Teori ini ternyata salah.

Pada tahun 1911, E. Rutherford, setelah menjalankan satu siri eksperimen, menyimpulkan bahawa atom dalam strukturnya adalah serupa dengan sistem planet. Lagipun, elektron, seperti planet, bergerak dalam orbit mengelilingi nukleus yang berat dan bercas positif. Walau bagaimanapun, huraian ini bercanggah elektrodinamik klasik. Kemudian ahli fizik Denmark Niels Bohr memperkenalkan postulat pada tahun 1913, yang intipatinya ialah elektron, berada dalam beberapa syarat khas, tidak mengeluarkan tenaga. Oleh itu, postulat boron menunjukkan bahawa untuk atom mekanik klasik tidak berkaitan. Model planet yang diterangkan oleh Rutherford dan ditambah oleh Bohr dipanggil model planet Bohr-Rutherford.

nasi. 3. Model planet Bohr-Rutherford.

Kajian lanjut tentang atom membawa kepada penciptaan bahagian seperti mekanik kuantum, dengan bantuan yang banyak dijelaskan fakta saintifik. Perwakilan moden tentang atom yang dibangunkan daripada model planet Bohr-Rutherford Penilaian laporan

penilaian purata: 4.4. Jumlah penilaian yang diterima: 469.