Тема 3: Строение и свойства атомов

Атом – наименьшая частица химического элемента, носитель всех его химических свойств. Он представляет собой электронейтральную систему, состоящую из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов. Ядро составляет основу атома. Число протонов в ядре характеризует его заряд и принадлежность атома данному химическому элементу.

Согласно теории квантовой механики, электрон наряду со свойствами вещества (частицы), обладает и свойствами электромагнитного поля (двойственная корпускулярно-волновая природа).

Движение электрона в атоме носит вероятностно-волновой характер. Околоядерное пространство, в котором с наибольшей вероятностью может находиться электрон, называется атомной орбиталью (АО). Занимая ту или иную АО, электрон образует электронное облако.

Для характеристики движения электрона в атоме используют 4 квантовых числа:

n – главное квантовое число, характеризует энергию электронов, размер электронного облака, расстояние электронов от ядра n=1,2,3…

l – орбитальное квантовое число, характеризует форму распределения электронного облака (форму орбитали) l = от 0 до (n – 1)

m_l – магнитное квантовое число, характеризует пространственную ориентацию электронного облака относительно внешнего магнитного поля m_l = -l…0…+l

m_s – спиновое квантовое число, характеризует собственное вращение электрона m_s = +1/2; -1/2.

Основные принципы размещения электронов в атоме:

1. Запрет Паули. В атоме не может быть двух электронов, имеющих одинаковыми все четыре квантовых числа n, l, m, s.

2. Принцип наименьших энергий. Устойчивому состоянию электронов в атоме соответствует минимум энергии.

Следствие: энергоемкие подуровни заполняются в порядке увеличения их энергии

3. Правило Хунда (Гунда). В пределах подуровня распределение электронов происходит таким образом, чтобы суммарный спин был максимальным.

Следствие: В пределах подуровня электроны размещаются сначала по одному на орбитали, а затем уже по два.

4. Правило Клечковского. С ростом атомного номера элемента электроны размещаются последовательно на орбиталях, характеризующихся возрастанием суммы (n+l). При одинаковых значениях этой суммы раньше заполняется подуровень с меньшим значением главного квантового числа.

Последовательность заполнения подуровней всех элементов происходит в следующем порядке:

1s < 2s < 2p < 3s < 3p < 4s < 3d < 4p < 5s < 4d < 5p < 6s < (5d’) < 4f < 5d^2-10 < <6p < 7s < 6d¹ < 5f < 6d^2-10

Строение электронных оболочек атомов тесно связано с периодической системой элементов Д.И. Менделеева. Номер периода равен количеству энергетических уровней. В зависимости от того, на какой энергетический подуровень в атоме поступает последний электрон, элементы делятся на s-, p-, d- и f- элементы.

При этом s – элементы составляют I и II главные подгруппы периодической системы (а также Н и Не); р – элементы с III и VIII главные подгруппы; d – элементы составляют побочные подгруппы периодической системы.

Свойства элементов тесно связаны со строением их атомов.

Периодическая повторяемость свойств элементов обусловлена периодическим повторением сходных электронных группировок атомов. Например, все атомы элементов I главной подгруппы имеют одинаковую электронную конфигурацию ns¹, а VIII главной подгруппы ns²np⁶.

Химическая природа элемента обуславливается способностью его атома отдавать или приобретать электроны. Эта способность может быть количественно оценена энергией ионизации атома (мера металлических свойств элементов) или сродством к электрону (мера неметаллических свойств).

Наиболее полную характеристику металлических и неметаллических свойств элементов, а также способность атома данного элемента к оттягиванию на себя электронной плотности по сравнению с другими элементами соединения дает величина, называемая электроотрицательностью (ЭО). Чем больше эта величина, тем в большей степени элемент проявляет неметаллические свойства. Наибольшей ЭО обладает F(4,0), наименьшей – Cs, Fr (0,7).

В пределах главных подгрупп сверху вниз ЭО уменьшается – увеличиваются металлические свойства элементов, основные свойства гидроксидов и восстановительные свойства соответствующих соединений.

В периодах слева направо происходит постепенное уменьшение металлических и нарастание неметаллических свойств.

Пример 1. Элемент – бром.

а) В каком периоде, группе, подгруппе находится элемент?

б) Каков состав ядра наиболее распространенного изотопа элемента?

в) Сколько электронов у атомов этого элемента? Дайте распределение электронов по энергетическим уровням, подуровням, орбиталям в нормальном и возбужденном состояниях.

г) Укажите максимальную валентность этого элемента. К какому электронному семейству он относится?

д) Является этот элемент металлом или неметаллом?

Решение:

а) Химический элемент бром (Br) находится в четвертом периоде, в седьмой группе, главной подгруппы, порядковый номер 35.

б) В природном броме 50,51 % изотопа и 49,49% изотопа (искусственно получены еще 13 изотопов).

Состав ядра изотопа : протонов – 35, нейтронов – 44.

Число нейтронов (N) определяется по формуле:

N = A – Z,

где А – массовое число (верхний индекс химического символа ядра); Z – число протонов в ядре, определяющее заряд ядра.

в) Число электронов в атоме равно заряду ядра; в данном случае число электронов равно 35.

Используя правило последовательности заполнения атомных орбиталей (принцип Паули, правила Хунда и Клечковского), напишем электронную формулу атома брома и дадим распределение электронов по орбиталям в нормальном и возбужденном состояниях:

1s²2s²2p²3s²3p⁶3d¹⁰4s²4p⁵

I, II, III, - возбужденные состояния атома Br

г) Максимальная валентность брома – 7. Из электронной формулы следует, что бром относится к семейству р – элементов (последним в его атоме заполняется р – подуровень), поэтому он находится в главной подгруппе.

д) Бром – типичный неметалл, так как в его атоме до завершения внешнего энергетического уровня не достает одного электрона.

Контрольные задания:

41 – 60.а) В каком периоде, группе, подгруппе находится элемент А?

б) Каков состав ядра наиболее распространенного изотопа элемента А?

в) Сколько электронов у атомов этого элемента? Дайте распределение электронов атомов элемента А по энергетическим уровням, подуровням, орбиталям в нормальном и возбужденном состояниях.

г) Укажите максимальную валентность этого элемента. К какому семейству (s - , p -, d – или f - ) относится этот элемент?

д) Является этот элемент металлом или неметаллом?