Строение электронной оболочки натрия. Строение электронных оболочек атомов

Возьмем мысленно атом любого химического элемента. В каких состояниях находятся в нем электроны? Из предыдущего параграфа ясно, что для каждого электрона необходимо знать значения четырех квантовых чисел, характеризующих его состояние. Но нам пока не известно, сколько электронов находятся в каждом состоянии. Какие состояния более, а какие менее вероятны? Ответ на эти вопросы дают два важнейших принципа (закона). Первый из них открыт в 1925 г. швейцарским физиком В. Паули (1900-1958) и назван его именем - принцип Паули.

Все электроны в атоме находятся в разных состояниях, т.е. характеризуются разными наборами четырех квантовых чисел.

В данном случае понятием «принцип» обозначен один из фундаментальных законов природы, который делает атом тем, что он есть, - микрочастицей вещества с индивидуальной электронной структурой для каждого химического элемента. Роль принципа Паули в природе становится яснее, если представить себе, что он не действует. Тогда электронное окружение ядра атома теряет структурную определенность. Все электроны скатываются в какое-то одно наиболее выгодное состояние.

Следует отметить, что этот закон справедлив для всех фермионов.

Из принципа Паули вытекает следствие, определяющее вместимость орбитали, т.е. число электронов, которые могут образовать единое электронное облако. Выбрав любую из орбиталей, мы фиксируем первые три квантовых числа. Например, для орбитали 2р 2: п = 2, /= 1, mj= 0. Но можно изменять еще спиновое квантовое число m s Получаются два набора квантовых чисел:

Следовательно, орбиталь вмещает не более двух электронов, и в атомах могут быть одно- и двухэлектронные облака.

Два электрона, находящиеся на одной орбитали, называют электронной парой.

Зная вместимость орбитали, легко понять, что вместимость энергетического подуровня равна удвоенному числу орбиталей (табл. 5.1).

Таблица 5.1

Структура подуровней в атомах

Совокупность электронов одного энергетического подуровня называют подоболочкой атома.

Вместимость энергетического уровня складывается из вместимости подуровней (табл. 5.2). В первой колонке таблицы кроме значений главного квантового числа приведены буквенные обозначения для электронных оболочек атома.

Таблица 5.2

Структура энергетических уровней в атомах

Совокупность электронов одного энергетического уровня называют оболочкой атома.

Реальное заполнение («заселение») орбиталей, подуровней и уровней электронами определяет второй принцип - принцип наименьшей энергии.

Основному (устойчивому) состоянию атома соответствует минимальная суммарная энергия электронов.

Состояния атома с повышенной энергией называются возбужденными. Атом в возбужденном состоянии неустойчив в том смысле, что за очень короткое время (~10 -8 с) переходит в основное состояние, излучая кванты энергии.

Любая физическая система тем устойчивее, чем меньше ее потенциальная энергия. Поэтому мы неизменно наблюдаем, что брошенное тело надает на землю или скатывается с горки вниз, согнутая пружина выпрямляется и т.д. Также и электронные оболочки атомов находятся в устойчивом состоянии, если общий запас энергии электронов минимален. Набор возможных энергетических состояний атома мы уже знаем (см. рис. 5.7). Рассмотрим, как соответствующие подуровни и уровни заселяются электронами. При этом строго выполняется принцип Паули, который имеет приоритетное значение по отношению к принципу наименьшей энергии и не нарушается. Будем изображать электронную структуру атомов с помощью энергетических диаграмм и электронных формул. Энергетическая диаграмма представляет собой часть общей последовательности подуровней (см. рис. 5.7), содержащую заселенные подуровни. В электронной формуле перечисляются заселенные подуровни в порядке возрастания энергии с указанием числа электронов верхними индексами. Первые два элемента периодической системы можно представить диаграммами I и II. Па диаграмме показано, что положение 1л*-уровня в атоме гелия ниже, чем в атоме водорода, так как у гелия заряд ядра больше и электроны сильнее притягиваются к ядру. Вместимость первого энергетического уровня в атоме гелия исчерпана.

У следующих за гелием элементов заселяется второй энергетический уровень. Рассмотрим энергетические диаграммы трех ближайших элементов - лития, бериллия и бора (диаграммы III, IV и V).

У лития и бериллия заселяется подуровень 2s. Пятый электрон атома бора начинает заселение подуровня 2р в соответствии с принципом Паули. У атомов углерода и азота заселение этого подуровня продолжается (диаграммы VI и VII).

В структуре этих элементов проявляется еще одна важная закономерность формирования электронных оболочек - правило Хунда (1927).

Основном} 7 состоянию атома соответствует заселение электронами максимального числа энергетически равноценных орбиталей. При этом электроны имеют одинаковые значения спиновых квантовых чисел (все +1/2 или все -1/2).

При рассмотрении энергетической диаграммы атома кажется, что перенесение электрона между одинаковыми орбиталями 2р не изменяет его энергию. В действительности при движении электронов по разным орбиталям уменьшается отталкивание между ними, за счет чего потенциальная энергия все-таки уменьшается. Электроны, занимающие орбитали поодиночке, называют неспаренными. Далее при изучении природы химических связей мы увидим, что валентность атомов определяется числом неспаренных электронов. Азот имеет три неспаренных электрона, и он действительно трехвалентен. Достаточно вспомнить формулу аммиака NH 3. Углерод, согласно диаграмме, двухвалентен. Однако при поглощении сравнительно небольшой энергии один электрон переносится с подуровня 25 на подуровень 2р. Углерод переходит в возбужденное состояние с электронной формулой s 2 2s { 2p s. В этом состоянии он имеет четыре неспаренных электрона. Свободный атом может пребывать в возбужденном состоянии лишь очень короткое время. Но, оказываясь в составе молекулы, атом получает добавочные электроны для заселения орбиталей. После этого исключается возможность перехода в основное состояние, и атом углерода остается четырехвалентным. Фактически, энергия, затраченная на возбуждение электрона, компенсируется энергией образования дополнительных химических связей.

Заселение 2р-орби галей вторыми электронами происходит у кислорода, фтора и неона (диаграммы VIII, IX, X). При этом последовательно уменьшается число оставшихся неспаренных электронов и, соответственно, валентность атомов. Это соответствует элементарным знаниям о свойствах кислорода, фтора и неона: кислород двухвалентен, фтор одновалентен, а неон химических связей не образует, т.е. его валентность равна нулю.

Мы увидели, что у элементов от лития до неона заселяется электронами второй энергетический уровень, и именно поэтому они составляют

• 2- й период таблицы Менделеева. У следующего за неоном натрия начинается заселение третьего энергетического уровня, и далее формируется
• 3- й период по мере заселения подуровней 35 и 3р. Энергетические диаграммы и электронные формулы элементов от натрия до аргона можно представить в сокращенной форме, обозначив повторяющийся у них набор электронов неона как. Смысл сокращенной электронной формулы заключается в том, что в ней указываются только валентные электроны атома. Остальные электроны, составляющие электронный остов атома, для химии имеют второстепенное значение. В качестве примера напишем сокращенные формулы и диаграммы натрия, кремния и аргона (диаграммы XI, XII и XIII).

Число химических элементов во 2-м и 3-м периодах определяется суммарной вместимостью 5- и /^-подуровней, составляющей восемь электронов. Таким образом, получает физическое объяснение наличие в таблице Менделеева именно восьми групп. Становится понятной и причина наблюдаемого сходства химических элементов в группах. Сравнивая энергетические диаграммы элементов одной и той же группы - лития и натрия, углерода и кремния и т.д., - мы замечаем, что они характеризуются одинаковой заселенностью внешнего энергетического уровня. Из этого вытекает, в первую очередь, одинаковая валентность атомов, чем и обусловлено сходство химических свойств. Но электронные структуры атомов, взятые в целом, различны. От периода к периоду увеличивается число электронных оболочек, что влечет за собой и увеличение радиусов атомов. Поэтому, как уже отмечалось, наряду со сходством наблюдается и определенная направленность в изменении свойств.

Из электронных формул и энергетических диаграмм атомов очевидно, что в группах IA и ПА электроны заполняют внешний 5-подуровень, а в группах I НА-V111А - внешний p-подуровень. Это дает основание для классификации химических элементов на блоки. Первые две группы рассматривают как блок s-элементов, а группы с ША по VIIIА - как блок р -элементов.

В таблице Менделеева имеются еще группы с теми же номерами, но с добавлением символа «В». Как объясняется существование этих групп? Из рис. 5.6 очевидно, что подуровень 3d по энергии находится между подуровнями 45 и 4р. В таблице Менделеева 4-й период, как и предыдущие, начинается двумя 5-элементами - калием ([Аг]45 л) и кальцием (fАг]4л 2). После кальция начинается заселение не подуровня р, как во 2-м и 3-м периодах, а подуровня 3d, вместимость которого составляет 10 электронов. Электроны на ^-подуровне один за другим появляются у скандия и следующих за ним элементов, включая цинк. Они входят в блок d-элементов. Нумерация групп d-элементов основана на том, что в группах с III по VIII имеется одинаковое число электронов на двух верхних подуровнях как у р-элементов (5- и р-подуровни), так и у d-элементов (5- и d-подуровни). Группы IB и ПВ нумеруются по заселенности внешнего 5-подуровня, подобно 5-элементам.

Четвертый период завершают p-элементы, следующие за цинком. Заполненный Зг/-нодуровень у них энергетически стабилизируется и становится ниже подуровня As. Это объясняется разным ходом понижения энергии орбиталей 45- и 3^/-подуровней по мере увеличения заряда ядра атома (рис. 5.9).

Рис. 5.9.

Пример 5.1.Напишите сокращенные электронные формулы железа и криптона.

Решение. Как у железа, так и у криптона ближайший предшествующий благородный газ - аргон (Z = 18). У железа (Z = 26) на заполнение верхних 45- и Зб/-подуровней остается восемь электронов. Пишем формулу 45 2 3rf 6. У криптона (Z = 36) добавляется еще 10 электронов, которые полностью заселяют подуровни 3d и Ар. Заполненный 3d -подуровень ставим в формуле до 45-подуровня: [Аг]3 10 45 2 4/? 6.

Пятый период таблицы Менделеева по структуре аналогичен четвертому. Оба они содержат по 18 химических элементов. В 5-м периоде рубидий и стронций принадлежат к 5-блоку элементов, 10 элементов от иттрия до кадмия принадлежат к d-блоку и оставшиеся шесть элементов от индия до ксенона - к р- блоку.

Далее следуют самые длинные 6-й и 7-й периоды, содержащие но 32 элемента. В 6-м периоде добавляется семейство из 14 химических элементов - от лантана до иттербия, называемых лантаноидами, а в 7-м - аналогичное семейство актиноидов - от актиния до нобелия. В их атомах заполняются электронами 4/- и 5/-подуровни соответственно. Лантаноиды и актиноиды составляют блок /-элементов. Вследствие особых характеристик орбиталей /-подуровней, все лантаноиды и все актиноиды проявляют между собой большое сходство но химическим свойствам.

Пример 5.2. Чем объясняется, что семейства /-элементов содержат по 14 химических элементов?

Решение. В соответствии с формулой 2/+1 подуровень f (1 = 3) состоит из семи орбиталей. Поэтому его вместимость 14 электронов, и постепенное заполнение /-подуровня происходит у 14 химических элементов.

Таким образом, краткий обзор электронной структуры атомов в общих чертах раскрывает физическую основу периодичности изменения свойств химических элементов и, следовательно, периодического закона Д. И. Менделеева. Коротко можно сказать, что периодический закон является следствием принципа Паули и принципа наименьшей энергии.

Атомы, первоначально считавшиеся неделимыми, представляют собой сложные системы.

Атом состоит из ядра и электронной оболочки

Электронная оболочка – совокупность движущихся вокруг ядра электронов

Ядра атомов заряжены положительно, они состоят из протонов (положительно заряженных частиц) p+ и нейтронов (не имеющих заряда) no

Атом в целом электронейтрален, число электронов е– равно числу протонов p+, равно порядковому номеру элемента в таблице Менделеева.

На рисунке изображена планетарная модель атома, согласно которой электроны движутся по стационарным круговым орбитам. Она очень наглядна, но не отражает сути, т.к в действительности законы микромира подчиняются на классической механике, а квантовой, которая учитывает волновые свойства электрона.

Согласно квантовой механике электрон в атоме не движется по определенным траекториям, а может находиться влюбойчасти околоядерного пространства, однаковероятностьего нахождения в разных частях этого пространства неодинакова.

Пространство вокруг ядра, в котором вероятность нахождения электрона достаточно велика, называют орбиталью (не путать с орбитой!) или электронным облаком.

Т.е у электрона отсутствует понятие «траектория», электроны не движутся ни по круговым орбитам, ни по каким-либо другим. Самая большая сложность квантовой механики заключается в том, что это невозможно представить, мы все привыкли к явлениям макромира, подчиняющегося классической механике, где любая движущаяся частица имеет свою траекторию.

Итак, электрон имеет сложное движение, может находится в любом месте пространства около ядра, но с разной вероятностью. Давайте теперь рассмотрим те части пространства, где вероятность нахождения электрона достаточно высока — орбитали — их формы и последовательность заполнения орбиталей электронами.

Представим себе трехмерную систему координат, в центре которой находится ядро атома.

Вначале идет заполнение 1s орбитали, она располагается ближе всего к ядру и имеет форму сферы.

Обозначение любой орбитали складывается из цифры и латинской буквы. Цифра показывает уровень энергии, а буква — форму орбитали.

1s орбиталь имеет наименьшую энергию и электроны находящиеся на этой орбитали имеют наименьшую энергию.

На этой орбитали могут находитьсяне более двух электронов. Электроны атомов водорода и гелия (первых двух элементов) находятся именно на этой орбитали.

Электронная конфигурация водорода: 1s 1

Электронная конфигурация гелия: 1s 2

Верхний индекс показывает количество электронов на этой орбитали.

Следующий элемент — литий, у него 3 электрона, два из которых располагаются на 1s орбитали, а где же располагается третий электрон?

Он занимает следующую по энергии орбиталь — 2s орбиталь. Она также имеет форму сферы, но большего радиуса (1s орбиталь находится внутри 2s орбитали).

Электроны, находящиеся на этой орбитали имеют большую энергию, по сравнению с 1s орбиталью, т.к они расположены дальше от ядра. Максимум на этой орбитали может находится также 2 электрона. Электронная конфигурация лития: 1s 2 2s 1 Электронная конфигурация бериллия: 1s 2 2s 2

У следующего элемента — бора — уже 5 электронов, и пятый электрон будет заполнять орбиталь, обладающую ещё большей энергией- 2р орбиталь. Р-орбитали имеют форму гантели или восьмерки и располагаются вдоль координатных осей перпендикулярно друг другу.

На каждой р-орбитали может находится не более двух электронов, таким образом на трех р-орбиталях — не более шести. Валентные электроны следующих шести элементов заполняют р-орбитали, поэтому их относят к р-элементам.

Электронная конфигурация атома бора: 1s 2 2s 2 2р 1 Электронная конфигурация атома углерода: 1s 2 2s 2 2р 2 Электронная конфигурация атома азота: 1s 2 2s 2 2р 3 Электронная конфигурация атома кислорода: 1s 2 2s 2 2р 4 Электронная конфигурация атома фтора: 1s 2 2s 2 2р 5 Электронная конфигурация атома неона: 1s 2 2s 2 2р 6

Графически электронные формулы этих атомов изображены ниже:

Квадратик — это орбиталь или квантовая ячейка, стрелочкой обозначается электрон, направление стрелочки — это особая характеристика движения электрона — спин (упрощенно можно представить как вращение электрона вокруг своей оси по часовой и против часовой стрелки). Нужно знать то, что на одной орбитали не может быть двух электронов с одинаковыми спинами (в одном квадратике нельзя рисовать две стрелочки в одном направлении!). Это и есть принцип запрета В.Паули: «В атоме не может быть даже двух электронов, у которых все четыре квантовых числа были бы одинаковыми»

Существует ещё одно правило (правило Гунда ), по которому электроны расселяются на одинаковых по энергии орбиталях сначала по одиночке, и лишь когда в каждой такой орбитали уже находится по одному электрону, начинается заполнение этих орбиталей вторыми электронами. Когда орбиталь заселяется двумя электронами, такие электроны называют спаренными.

Атом неона имеет завершенный внешний уровень из восьми электронов (2 s-электрона+6 p-электронов =8 электронов на втором энергетическом уровне), такая конфигурация является энергетически выгодной, и её стремятся приобрести все другие атомы. Именно поэтому элементы 8 А группы — благородные газы — столь инертны в химическом отношении.

Следующий элемент — натрий, порядковый номер 11, первый элемент третьего периода, у него появляется ещё один энергетический уровень — третий. Одиннадцатый электрон будет заселять следующую по энергии орбиталь -3s орбиталь.

Электронная конфигурация атома натрия: 1s 2 2s 2 2р 6 3s 1

Далее происходит заполнение орбиталей элементов третьего периода, сначала заполняется 3s подуровень с двумя электронами, а потом 3р подуровень с шестью электронами (аналогично второму периоду) до благородного газа аргона, имеющего, подобно неону, завершенный восьмиэлектронный внешний уровень. Электронная конфигурация атома аргона (18 электронов): 1s 2 2s 2 2р 6 3s 2 3р 6

Четвертый период начинается с элемента калия (порядковый номер 19), последний внешний электрон которого располагается на 4s орбитали. Двадцатый электрон кальция также заполняет 4s орбиталь.

За кальцием идет ряд из 10 d-элементов, начиная со скандия (порядковый номер 21) и заканчивая цинком (порядковый номер 30). Электроны этих атомов заполняют 3d орбитали, внешний вид которых представлен на рисунке ниже.

Итак, подведем итоги:

Атом - электронейтральная частица, состоящая из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженной электронной оболочки. Ядро находится в центре атома и состоит из положительно заряженных протонов и незаряженных нейтронов, удерживаемых ядерными силами. Ядерное строение атома экспериментально доказал в 1911 г. английский физик Э.Резерфорд.

Число протонов определяет положительный заряд ядра и равно порядковому номеру элемента. Число нейтронов вычисляется как разность атомной массы и порядкового номера элемента. Элементы, имеющие одинаковый заряд ядра (одинаковое число протонов), но разную атомную массу (разное количество нейтронов) называются изотопами. Масса атома в основном сосредоточена в ядре, т.к. ничтожно малой массой электронов можно пренебречь. Атомная масса равна сумме масс всех протонов и всех нейтронов ядра.Химический элемент - это вид атомов с одинаковым зарядом ядра. В настоящее время известно 118 различных химических элементов.

Все электроны атома образуют его электронную оболочку. Электронная оболочка имеет отрицательный заряд, равный общему количеству электронов. Число электронов в оболочке атома совпадает с числом протонов в ядре и равно порядковому номеру элемента. Электроны в оболочке распределены по электронным слоям согласно запасам энергии (электроны с близкими значениями энергий образуют один электронный слой): электроны с меньшей энергией находятся ближе к ядру, электроны с большей энергией находятся дальше от ядра. Число электронных слоёв (энергетических уровней) совпадает с номером периода, в котором располагается химический элемент.

Различают завершённые и незавершённые энергетические уровни. Уровень считается завершённым, если содержит максимально возможное количество электронов (первый уровень - 2 электрона, второй уровень - 8 электронов, третий уровень - 18 электронов, четвёртый уровень - 32 электрона и т.д.). Незавершённый уровень содержит меньшее число электронов.Уровень, максимально удалённый от ядра атома, называется внешним. Электроны, находящиеся на внешнем энергетическом уровне, называются внешними (валентными) электронами. Число электронов на внешнем энергетическом уровне совпадает с номером группы, в которой находится химический элемент. Внешний уровень считается завершённым, если содержит 8 электронов. Завершённым внешним энергетическим уровнем обладают атомы элементов 8А группы (инертные газы гелий, неон, криптон, ксенон, радон).

Область пространства вокруг ядра атома, в которой наиболее вероятно нахождение электрона, называют электронной орбиталью. Орбитали отличаются уровнем энергии и формой. По форме различают s-орбитали (сфера), p-орбитали (объёмная восьмёрка), d-орбитали и f-орбитали. На каждом энергетическом уровне есть свой набор орбиталей: на первом энергетическом уровне - одна s-орбиталь, на втором энергетическом уровне - одна s- и три p-орбитали, на третьем энергетическом уровне - одна s-, три p-, пять d-орбиталей, на четвертом энергетическом уровне одна s-, три p-, пять d-орбиталей и семь f-орбиталей. На каждой орбитале могут располагаться максимально два электрона.Распределение электронов по орбиталям отражается с помощью электронных формул. Например, для атома магния распределение электронов по энергетическим уровням будет следующим: 2е, 8е, 2е. Данная формула показывает, что 12 электронов атома магния распределены по трём энергетическим уровням: первый уровень завершён и содержит 2 электрона, второй уровень завершён и содержит 8 электронов, третий уровень не завершён, т.к. содержит 2 электрона. Для атома кальция распределение электронов по энергетическим уровням будет следующим: 2е, 8е, 8е, 2е. Данная формула показывает, что 20 электронов кальция распределены по четырём энергетическим уровням: первый уровень завершён и содержит 2 электрона, второй уровень завершён и содержит 8 электронов, третий уровень не завершён, т.к. содержит 8 электронов, четвёртый уровень не завершён, т.к. содержит 2 электрона.

Основные положения атомно-молекулярной теории. Основные стехиометрические законы химии. Законы сохранения массы вещества, постоянства состава, объемных отношений, Авогадро, эквивалентов. Молярная масса эквивалента. Способы определения атомных и молекулярных масс.

Все веществ состоят из молекул.

Молекула- это наименьшая частица вещества, сохраняющая свойства тогo вещества. Молекулы разрушаются при химических реакциях.

Между молекулами имеются промежутки: у газов - самые большие, у твердых веществ - самые маленькие.

Молекулы двигаются беспорядочно и непрерывно.

Молекулы одного вещества имеют одинаковый состав и свойства, молекулы разных веществ отличаются друг от. друга по составу и свойствам.

Молекулы состоят из атомов.

Атом- это электронейтральная частица, состоящая из положительно заряженного ядра и электронов.

Химический элемент- вид атомов с одинаковым положительным зарядом ядра.

Атомы одного элемента образуют молекулы простого вещества (02, Н2, О3, Fe...). Атомы разных элементов образуют молекулы сложного вещества (Н20, Na2S04, FeClg...).

Закон сохранения массы

Масса веществ, вступивших в химическую реакцию, равна массе веществ, образующихся в результате реакции.

ученым М.В. Ломоносовым.Закон постоянства состава

Всякое химически чистое соединение независимо от способа его получения имеет вполне определенный состав.

На основании этого закона состав веществ выражается химической формулой с помощью химических знаков и индексов. Например, Н 2 О, СН 4, С 2 Н 5 ОН и т.п.

Закон постоянства состава справедлив для веществ молекулярного строения.

Состав соединений молекулярного строения, то есть состоящих из молекул, является постоянным независимо от способа получения.Закон эквивалентов

Химические элементы соединяются друг с другом в строго определенных количествах, соответствующих их эквивалентам.

Эквивалентное соотношение означает одинаковое число моль эквивалентов. Т.о. закон эквивалентов можно сформулировать иначе: число моль эквивалентов для всех веществ, участвующих в реакции, одинаково.

Закон кратных отношений

Кратных отношений закон Дальтона, один из основных законов химии: если два вещества (простых или сложных) образуют друг с другом более одного соединения, то массы одного вещества, приходящиеся на одну и ту же массу другого вещества, относятся как целые числа, обычно небольшие.

Закон объемных отношений

Гей-Люссак, 1808 г.

"Объемы газов, вступающих в химические реакции, и объемы газов, образующихся в результате реакции, относятся между собой как небольшие целые числа".

Следствие.Стехиометрические коэффициенты в уравнениях химических реакций для молекул газообразных веществ показывают, в каких объемных отношениях реагируют или получаются газообразные вещества.

V 1:V 2:V 3 = ν 1:ν 2:ν 3.

Периодический закон и периодическая система элементов Д.И.Менделеева. Основные представления о строении атома и ядра. Периодически изменяющиеся и периодически неизменяющиеся свойства атомов и ионов. Варианты периодической таблицы.

Периодические изменения свойств химических элементов обусловлены правильным повторением электронной конфигурации внешнего энергетического уровня (валентных электронов) их атомов с увеличением заряда ядра.

Графическим изображением периодического закона является периодическая таблица. Она содержит 7 периодов и 8 групп.

Период- горизонтальные ряды элементов с одинаковым максимальным значением главного квантового числа валентных электронов.

Номер периода обозначает число энергетических уровней в атоме элемента.

Периоды могут состоять из 2 (первый), 8 (второй и третий), 18 (четвертый и пятый) или 32 (шестой) элементов, в зависимости от количества электронов на внешнем энергетическом уровне. Последний, седьмой период незавершен.

Все периоды (кроме первого) начинаются щелочным металлом (s-элементом), а заканчиваются благородным газом (ns 2 np 6).

Металлические свойства рассматриваются, как способность атомов элементов легко отдавать электроны, а неметаллические - присоединять электроны из-за стремления атомов приобрести устойчивую конфигурацию с заполненными подуровнями.

Группы- вертикальные столбцы элементов с одинаковым числом валентных электронов, равным номеру группы. Различают главные и побочные подгруппы.

Главные подгруппы состоят из элементов малых и больших периодов, валентные электроны которых расположены на внешних ns- и np- подуровнях.

Побочные подгруппы состоят из элементов только больших периодов. Их валентные электроны находятся на внешнем ns- подуровне и внутреннем (n - 1) d- подуровне (или (n - 2) f- подуровне).

В зависимости от того, какой подуровень (s-, p-, d- или f-) заполняется валентными электронами, элементы периодической системы подразделяются на:

s- элементы (элементы главной подгруппы I и II групп),

p- элементы (элементы главных подгрупп III - VII групп),

d- элементы (элементы побочных подгрупп),

f- элементы (лантаноиды, актиноиды).

Состав атома.

Атом состоит из атомного ядра и электронной оболочки.Ядро атома состоит из протонов (p + ) и нейтронов (n 0).

Для характеристики атомных ядер вводится ряд обозначений. Число протонов, входящих в состав атомного ядра, обозначают символом Z и называютзарядовым числомили атомным номером (это порядковый номер в периодической таблице Менделеева). Заряд ядра равен Ze, где e – элементарный заряд. Число нейтронов обозначают символом N.

Общее число нуклонов (т. е. протонов и нейтронов) называютмассовым числомA :

Ядра химических элементов обозначают символом, где X – химический символ элемента. Например,– водород, – гелий, – углерод, – кислород, – уран.

Изотоп - совокупность атомов одного элемента с одинаковым числом нейтронов в ядре (или вид атомов с одинаковым числом протонов и одинаковым числом нейтронов в ядре).Разные изотопы отличаются друг от друга числом нейтронов в ядрах их атомов.Обозначение отдельного атома или изотопа: (Э - символ элемента), например:.

Строение электронной оболочки атома

Атомная орбиталь- состояние электрона в атоме. Условное обозначение орбитали -. Каждой орбитали соответствует электронное облако.Орбитали реальных атомов в основном (невозбужденном) состоянии бывают четырех типов: s, p, d и f Однотипные орбитали одного уровня группируются вэлектронные (энергетические)подуровни:s -подуровень (состоит из одной s -орбитали), условное обозначение -.p -подуровень (состоит из трех p d -подуровень (состоит из пяти d -орбиталей), условное обозначение -.f -подуровень (состоит из семи f -орбиталей), условное обозначение -.Энергии орбиталей одного подуровня одинаковы.При обозначении подуровней к символу подуровня добавляется номер слоя (электронного уровня), например: 2s, 3p, 5d означает s -подуровень второго уровня, p -подуровень третьего уровня, d -подуровень пятого уровня.Общее число подуровней на одном уровне равно номеру уровня n. Общее число орбиталей на одном уровне равно n 2. Соответственно этому, общее число облаков в одном слое равно также n 2.Обозначения: - свободная орбиталь (без электронов), - орбиталь с неспаренным электроном, - орбиталь с электронной парой (с двумя электронами).Порядок заполнения электронами орбиталей атома определяется тремя законами природы (формулировки даны упрощенно):1.Принцип наименьшей энергии- электроны заполняют орбитали в порядке возрастания энергии орбиталей.2.Принцип Паули- на одной орбитали не может быть больше двух электронов.3.Правило Хунда- в пределах подуровня электроны сначала заполняют свободные орбитали (по одному), и лишь после этого образуют электронные пары.Общее число электронов на электронном уровне (или в электронном слое) равно 2n 2.Распределение подуровней по энергиям выражается рядом (в прядке увеличения энергии):

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

Примеры электронного строения атомов:

Валентные электроны- электроны атома, которые могут принимать участие в образовании химических связей. У любого атома это все внешние электроны плюс те предвнешние электроны, энергия которых больше, чем у внешних.

Например: у атома Ca внешние электроны - 4s 2, они же и валентные; у атома Fe внешние электроны - 4s 2, но у него есть 3d 6, следовательно у атома железа 8 валентных электронов. Валентная электронная формула атома кальция - 4s 2, а атома железа - 4s 2 3d 6.

Само слово «атом» впервые упоминалось в трудах философов Древней Греции, и в переводе оно означает «неделимый». Не имея современных приборов, философ Демокрит, используя логику и наблюдательность, пришел к выводу, что любое вещество не может дробиться бесконечно, и в итоге должна остаться какая-то неделимая мельчайшая частица вещества – атом вещества.

И если бы не было атомов, то любое вещество или предмет можно было уничтожить полностью. Демокрит стал основоположником атомистики – целого учения, которое основывалось на понятии об атоме.

Что такое атом?

Атом – это наименьшая электронейтральная частица любого химического элемента. Он состоит из положительно заряженного ядра и оболочки, образованной отрицательно заряженными электронами. Положительно заряженное ядро – это сердцевина атома. Оно занимает мизерную часть пространства в центре атома, и в нем сосредоточены почти вся масса атома и весь положительный заряд.

Из чего состоит атом?

Составляют ядро атома элементарные частицы – нейтроны и протоны, а по замкнутым орбиталям вокруг атомного ядра движутся электроны.

Что такое нейтрон?

Нейтрон (n) представляет собой элементарную нейтральную частицу, относительная масса которой составляет 1,00866 атомной единицы массы (а.е.м.).

Что такое протон?

Протон (р) представляет собой элементарную частицу, относительная масса которой составляет 1,00728 атомной единицы массы, положительным зарядом +1 и спином 1/2. Протон (переводится с греческого как основной, первый) относится к барионам. В ядре атома число протонов равно порядковому номеру химического элемента в Периодической системе Д.И. Менделеева.

Что такое электрон?

Электрон (е–) представляет собой элементарную частицу, масса которой составляет 0,00055 а.е.м.; условный заряд электрона: - 1. Количество электронов в атоме равняется заряду ядра атома (соответствует порядковому номеру химического элемента в Периодической системе Менделеева).

Вокруг ядра электроны двигаются по орбиталям, которые строго определены и образуется электронное облако.

Область пространства вокруг атомного ядра, где с вероятностью более 90% присутствуют электроны, определяет форму электронного облака.

Электронное облако р-электрона по внешнему виду напоминает гантель; на трех р-орбиталях по максимуму могут находиться лишь шесть электронов.

Электронное облако s-электрона представляет собой сферу; на s-энергетическом подуровне максимальное количество электронов, которые могут там находиться – это 2.

Изображают орбитали в виде квадрата, снизу или сверху него прописывают значения главного и побочного квантовых чисел, которые описывают эту орбиталь.

Данная запись носит название графическая электронная формула. Она выглядит следующим образом:

С помощью стрелок в данной формуле обозначают электрон. Направление стрелки соответствует направлению спина – это собственный магнитный момент электрона. Электроны, имеющие противоположные спины (на картинке это направленные в противоположные стороны стрелочки), получили название спаренные.

Электронные конфигурации атомов элементов можно представить в виде формул, в которых:

• Указывают символы подуровня;
• Степень у символа показывает число электронов данного подуровня;
• Коэффициент, стоящий перед символом подуровня обозначает его принадлежность к данному уровню.

Определение числа нейтронов

Для определения числа нейтронов N в ядре нужно воспользоваться формулой:

N=A-Z, где А – массовое число; Z – заряд ядра, который равняется числу протонов (порядковому номеру химического элемента в таблице Менделеева).

Как правило, параметры ядра записывают так: сверху – массовое число, а слева внизу от символа элемента прописывают заряд ядра.

Это выглядит так:

Данная запись обозначает следующее:

• Массовое число равняется 31;
• Заряд ядра (и как следствие, и число протонов) для атома фосфора равняется 15;
• Число нейтронов равно 16. Его высчитывают так: 31-15=16.

Массовое число примерно соответствует относительной атомной массе ядра. Это вызвано тем, что массы нейтрона и протона практически не имеют отличий.

Ниже мы представили часть таблицы, в которой приведено строение электронных оболочек атомов первых двадцати элементов Периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева. Полная представлена в отдельной нашей публикации.

Химические элементы, в атомах которых происходит заполнение р-подуровня, носят название р-элементы. Электронов может быть от 1 до 6.

Химические элементы, в атомах которых s-подуровень внешнего уровня пополняется 1 или 2 электронами получили название s-элементы.

Число электронных слоев в атоме химического элемента равняется номеру периода.

Правило Хунда

Существует правило Хунда, в соответствии с которым электроны располагаются на однотипных орбиталях одного энергетического уровня так, чтобы совокупный спин был максимально возможным. Это означает, что, когда энергетический подуровень заполняется, каждый электрон сначала занимает отдельную ячейку, и лишь потом запускается процесс их соединения.

Изображение электронной формулы Азота в графическом виде

Изображение электронной формулы Кислорода в графическом виде

Изображение электронной формулы Неона в графическом виде

К примеру, у атома азота все р-электроны будут занимать отдельные ячейки, а у кислорода начнется их спаривание, которое завершится в полной мере у неона.

Что такое изотопы

Изотопы – это атомы одного и того же элемента, которые в своих ядрах содержат одинаковое количество протонов, но число нейтронов будет различное. Изотопы известны для всех элементов.

По этой причине атомные массы элементов в периодической системе представляют собой среднее значение из массовых чисел природных смесей изотопов и имеют отличия от целочисленных значений.

Есть ли что-то меньше ядра атома

Подведем итоги. Атомная масса природных смесей изотопов не может служить главнейшей характеристикой атома, и, как следствие, и элемента.

Подобной характеристикой атома будет являться заряд ядра, который определяет строение электронной оболочки и количество электронов в ней. Это интересно! Наука не стоит на месте и ученые смогли опровергнуть догму о том, что атом является самой маленькой частицей химических элементов. Сегодня мир знает кварки – из них состоят нейтроны и протоны.