Тема 2. строение атома. химическая связь
Строение атома
Атом состоит из положительно заряженного ядра и движущихся вокруг него отрицательных частиц - электронов. Ядро состоит из протонов и нейтронов.
Количество протонов (N p) определяет заряд ядра атома (Z) и равно порядковому номеру элемента в таблице Менделеева (Z):
N p = Z
Атом заряда не имеет. Число электронов в нейтральном атоме равно числу протонов и равно порядковому номеру:
Nē = N p = Z
Суммарное число протонов и нейтронов (N n) определяет значение массы ядра и является атомной массой А:
A = N p + N n
Число протонов соответствует порядковому номеру элемента. Тогда число нейтронов в ядре может быть найдено по разности между массовым числом и порядковым номером элемента:
N n = А - Z
Пример 11. Сколько протонов, нейтронов, электронов содержится в атоме 238U?
Дано: 238U
Найти: N p, N n , Nē - ?
Решение: Порядковый номер урана по таблице Д.И. Менделеева равен 92, а массовое число изотопа равно 238. Следовательно, он содержит 92 протона, 92 электрона и 238 – 92 = 146 нейтронов.
Ответ: 238U содержит 92 протона, 92 электрона и 146 нейтронов.
В ходе развития теории строения атома было открыто явление корпускулярно-волнового дуализма, при котором электрон проявляет свойства как частицы, так и волны.
Принцип неопределенности Гейзенберга:
Невозможно одновременно точно определить координаты элементарной частицы (электрона) и её скорость.
Можно рассчитать, например, вероятность нахождения электрона в определенной области пространства. Области пространства с максимальной вероятностью нахождения в них электрона (> 90 %) называются электронными облаками или орбиталям.
Английский ученый Шредингер вывел уравнение для расчета вероятности нахождения электрона в той или иной точке пространства. В уравнении Шредингера необходимо задать 4 коэффициента для полного описания состояния электрона в атоме, которые называются квантовыми числами.
Квантовые числа
1.Главное квантовое число (n) определяет наиболее вероятное расстояние электрона от ядра, т.е. средние размеры электронного облака и энергию электрона. Совокупность электронов, характеризуемых определенным главным квантовым числом, образует в атоме энергетический уровень или слой. Главное квантовое число может принимать все целые значения от 1 до ∞, то есть 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, …Числовым значениям уровней соответствуют буквенные:
K L M N O P Q
1 2 3 4 5 6 7
Чем больше n, тем больше энергия электрона.
2.Орбитальное квантовое число (l), называемое также побочным или азимутальным, определяет форму электронного облака и отклонение энергетического состояния от среднего значения, характеризуемого главным квантовым числом, т.е. характеризует энергию электрона на энергетическом подуровне.
Орбитальное квантовое число может принимать целочисленные значения от 0 до (n – 1). Т. е. для первого энергетического уровня (n = 1) может иметь только одно значение: 0, для второго (n = 2) может иметь два значения: 0 и 1, для третьего – три значения: 0, 1 и 2 и т.д. Совокупность электронов данного уровня, характеризуемых определенным орбитальным квантовым числом, образует подуровень. Численным обозначениям подуровней соответствуют буквенные:
0 1 2 3 4 5
s p d f g h
3.Магнитное квантовое число, обозначаемое (m), определяет ориентацию электронного облака в пространстве; оно связано с орбитальным квантовым числом l и может принимать целочисленные значения от –l , 0, +l. Т.е. для s-подуровня (l = 0) m может иметь только одно значение 0, для р-подуровня (l = l), m может иметь три значения: -1, 0 и +1 и т.д. Таким образом, число значений m для данного подуровня составляет (2l+1).
Состояние электрона в атоме, характеризующееся определенными значениями главного, орбитального и магнитного квантовых чисел (другими словами – размером, формой и ориентацией в пространстве электронного облака), называется атомной орбиталью. Формы и ориентации в пространстве электронных облаков, соответствующих 1s-, 2s-, 2р- и 3d-opбитaлям, изображены на рис. 1.
Таблица 4