Fundamentele structurii atomului. Cam despre complex. Chimie (Structura atomului) (prezentare) Principiile umplerii orbitale

lucrări de laborator

lectii practice

munca independentă la clasă

independent Teme pentru acasă(calcul tipic)

control (apărare, colocvii, test, examen)

Manuale și ghiduri de studiu

N.V. Korovin. Chimie generală

Curs de chimie generală. Teorie și probleme (sub redactia lui N.V. Korovin, B.I. Adamson)

N.V. Korovin și alții. Lucrări de laboratorîn chimie

Planul calendaristic

Curs de introducere în chimie

Chimia la Institutul de Energie este o disciplină teoretică generală fundamentală.

Chimie - științele naturii, care studiază compoziția, structura, proprietățile și transformările substanțelor, precum și fenomenele care însoțesc aceste transformări.

au loc transformări.”

„Epoca de aur a chimiei” (sfârșit începutul XIX secolele XX)

Legea periodică a lui D.I. Mendeleev (1896)

Conceptul de valență introdus de E. Frankland (1853)

Teoria structurii compusi organici A.M. Butlerova (1861-1863)

Teorie compuși complecși A. Werner

Legea acțiunii în masă de M. Gultberg și L. Waage

Termochimia, dezvoltată în principal de G.I. Hess

Teoria disocierii electrolitice de S. Arrhenius

Principiul echilibrului în mișcare de A. Le Chatelier

Regula fazei J.W. Gibbs

Teorie structura complexa atom Bohr-Sommerfeld (1913-1916)

Semnificația stadiului modern de dezvoltare a chimiei

Înțelegerea legilor chimiei și a aplicării acestora vă permite să creați noi procese, mașini, instalații și dispozitive.

Obținerea de energie electrică, combustibil, metale, diverse materiale, alimente etc. legate direct de reacții chimice. De exemplu, energia electrică și mecanică se obține în prezent în principal prin conversia energiei chimice a combustibilului natural (reacții de ardere, interacțiunea apei și a impurităților acesteia cu metalele etc.). Fără o înțelegere a acestor procese, este imposibil să se asigure funcționarea eficientă a centralelor electrice și a motoarelor cu ardere internă.

Cunoștințele de chimie sunt necesare pentru:

- formarea perspectivei științifice,

- pentru dezvoltarea gândirii figurative,

- creșterea creativă a viitorilor specialiști.

Etapa modernă în dezvoltarea chimiei se caracterizează prin utilizarea pe scară largă a mecanicii cuantice (unde) pentru interpretarea și calculul parametrilor chimici ai substanțelor și sistemelor de substanțe și se bazează pe un model mecanic cuantic al structurii atomului.

Un atom este un microsistem electromagnetic complex, care este purtătorul proprietăților unui element chimic.

STRUCTURA ATOMULUI

Izotopii sunt varietăți de atomi ai aceleiași substanțe chimice

elemente care au același număr atomic, dar numere atomice diferite

Domnul (Cl) \u003d 35 * 0,7543 + 37 * 0,2457 \u003d 35,491

Fundamentele mecanicii cuantice

Mecanica cuantică- comportamentul micro-obiectelor în mișcare (inclusiv electronii) este

manifestarea simultană atât a proprietăților particulelor, cât și a proprietăților undelor este de natură duală (undă corpusculară).

Cuantificarea energiei: Max Planck (1900, Germania) -

substanțele emit și absorb energie în porțiuni discrete (quanta). Energia unui cuantum este proporțională cu frecvența radiațiilor (oscilațiilor) ν:

h este constanta lui Planck (6,626 10-34 J s); ν=с/λ , s – viteza luminii, λ este lungimea de undă

Albert Einstein (1905): orice radiație este un flux de cuante de energie (fotoni) E = m v 2

Louis de Broglie (1924, Franța): electronul este de asemenea caracterizatcorpuscular-undădualitate - radiația se propagă ca o undă și constă din particule mici (fotoni)

mai puțin de h/2

x (mv) h/2 (- eroare, incertitudine) I.e. poziția și impulsul unei particule nu pot fi determinate în principiu în niciun moment cu acuratețe absolută.

Orbital atomic al norului de electroni (AO)

Acea. locația exactă a unei particule (electron) este înlocuită de conceptul de probabilitate statistică de a o găsi într-un anumit volum (în apropierea spațiului nuclear).

Mișcarea e- are caracter ondulatoriu și este descrisă

2 dv este densitatea probabilității de a găsi e- într-un anumit volum în apropierea spațiului nuclear. Acest spațiu se numește orbital atomic (AO).

În 1926, Schrödinger a propus o ecuație care descrie matematic starea lui e într-un atom. Rezolvarea

găsiți funcția de undă. ÎN caz simplu depinde de 3 coordonate

Un electron poartă o sarcină negativă, orbitalul său reprezintă o anumită distribuție a sarcinii și se numește nor de electroni

NUMERE CUANTICE

Introdus pentru a caracteriza poziția unui electron într-un atom în conformitate cu ecuația Schrödinger

1. Numărul cuantic principal(n)

Determină energia unui electron - nivelul energetic

arată dimensiunea norului de electroni (orbitali)

ia valori de la 1 la

n (numărul nivelului energetic): 1 2 3 4 etc.

2. Numărul cuantic orbital(l):

determină - momentul unghiular orbital al electronului

arată forma orbitalului

ia valori - de la 0 la (n -1)

Grafic, AO este reprezentat de numărul cuantic orbital: 0 1 2 3 4

Subnivel energetic: s p d f g

E crește

Fiecare n corespunde unui anumit număr de valori l, adică. fiecare nivel de energie este împărțit în subniveluri. Numărul de subniveluri este egal cu numărul de nivel.

Primul nivel de energie → 1 subnivel → 1s Al doilea nivel de energie → 2 subniveluri → 2s2p Al treilea nivel de energie → 3 subniveluri → 3s 3p 3d

Nivelul 4 de energie → 4 subniveluri → 4s 4p 4d 4f etc.

3. Numărul cuantic magnetic(ml)

definește – valoarea proiecției momentului unghiular orbital al electronului pe o axă selectată în mod arbitrar

arată - orientarea spațială a AO

ia valori – de la –l la +l

Orice valoare a lui l corespunde valorilor (2l +1) ale numărului cuantic magnetic, adică. (2l +1) locații posibile ale unui nor de electroni de un anumit tip în spațiu.

s - stare - un orbital (2 0+1=1) - m l = 0, deoarece l = 0

p - stare - trei orbitali (2 1+1=3)

m l : +1 0 -1, deoarece l=1

Toți orbitalii aparținând aceluiași subnivel au aceeași energie și se numesc degenerați.

Concluzie: AO se caracterizează printr-un anumit set de n, l, m l , i.e. anumite dimensiuni, formă și orientare în spațiu.

4. Spin număr cuantic (m s )

"rotire" - "fus"

determină - momentul mecanic intrinsec al unui electron asociat cu rotația acestuia în jurul axei sale

ia valorile - (-1/2 h/2) sau (+1/2 h/2)

Principii și reguli

Configurații electronice ale atomilor

(sub formă de formule de configurare electronică)

Indicați numerele numărului nivelului de energie

Literele indică subnivelul energetic (s, p, d, f);

Exponentul de subnivel înseamnă număr

electroni la un subnivel dat

19 K 1s2 2s2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 1

minim

Electronii dintr-un atom ocupă cea mai mică stare de energie corespunzătoare stării sale cele mai stabile.

1s 2s 2p 3s 3p 3d 4s 4p 4d 4f

Creste E

Klechkovsky

Electronii sunt plasați secvențial în orbitali caracterizați printr-o creștere a sumei numerelor cuantice principale și orbitale (n + l) ; pentru aceleași valori ale acestei sume, orbitalul cu o valoare mai mică a numărului cuantic principal n este completat mai devreme

1s<2 s < 2 p = 3 s < 3 p = 4 s < 3 d = 4 p и т. д

LUCRARE DE CONTROL Nr 1 Tema „Structura atomului” Clasa a 11-a

Opțiunea 1

1. Numărul perioadei din sistemul periodic este determinat de:

A. Sarcina nucleului unui atom

B. Numărul de electroni din stratul exterior al atomului.

B. Numărul de straturi de electroni dintr-un atom

D. Numărul de electroni dintr-un atom.

A. S și Cl B. Be și B C. Kr și Xe D. Mo și Se

3. p - Elementul este:

A. Scandiul.

B. Bariu.

B. Arsenic

G. Heliu

10 4s 2 se potrivește cu elementul:

A. Calciu.

B. Krypton.

V. Cadmiu.

G. Zincu.

A. Zn(OH) 2

B. Mg(OH) 2

B. Ca (OH) 2

D. Cr(OH) 2

A. Mg - Ca - Zn.

B.Al - Mg - Ca.

B.Sr - Rb - K.

G.Ge - Si - Sb.

2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 10 4s 2 4p 1

A.E 2 O

B.E 2 O 3

V.EO 2

G.EO 3

8. Un izotop de calciu, al cărui nucleu conține 22 de neutroni, este notat:

A. 20 40 Ca

B. 20 42 CaV. 20 44 Ca

G. 20 48 Ca

9. Potrivire:

Element:

1. Aluminiu. II. Potasiu. III. Seleniu. IV. Magneziu.

Formula electronica:

A.1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 1

B.1s 2 2s 2 2p 6 3s 2

B.1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 10 4s 2 4p 4

D.1s 2 2s 2 3s 2 3p 6 4s 1

Formula superioară de oxid:

1. E 2 O 2.E 2 O 3 3.EO 4.EO 3

Formula de hidroxid mai mare:

A. EON. b. E(OH)2. V. E(OH) 3 g. H2EO4

10. Pe baza poziției în sistemul Periodic, aranjați elementele: germaniu, arsen, sulf, fosfor - în ordinea descrescătoare a proprietăților oxidante. Explicați răspunsul.

11. Cum și de ce se modifică proprietățile metalice în Tabelul Periodic?

A. Într-o perioadă.

B. În cadrul subgrupului principal.

12. Realizați o formulă electronică pentru elementul cu numărul de serie 30 din sistemul periodic. Faceți o concluzie despre dacă acest element aparține metalelor sau nemetalelor. Notați formulele oxidului și hidroxidului său superior, indicați natura lor.

13. Ce proprietăți chimice sunt caracteristice celui mai mare oxid al elementului din perioada a 3-a, principalul subgrup al grupei VI a sistemului periodic? Sprijiniți-vă răspunsul scriind ecuațiile de reacție.

Testul nr. 1 Tema „Structura atomului” Clasa a 11-a

Opțiunea 2

1. Numărul grupului (pentru elementele subgrupelor principale) în sistemul periodic determină:

A. Numărul de protoni dintr-un atom.

B. Numărul de electroni din stratul exterior al atomului.

B. Numărul de straturi de electroni dintr-un atom.

D. Numărul de neutroni dintr-un atom.

2. O pereche de elemente cu o structură similară a nivelurilor energetice exterioare și pre-exterioare:

A.Ba si K B.Ti si Ge

B.Sb și Bi G.Kr și Fe

3. p - Elementul este:

A.Kaliy

B. Siliciu

V.Argon

G.Cupru

4. Configurare electronică. . .3d 5 4s 2 se potrivește cu elementul:

A. Broma

B. Calciu

V. mangan

G. clor

5. Oxidul amfoter este o substanță a cărei formulă este:

A. CrO B.Cr 2 O 3 C. CrO 3 D. FeO

6. Un număr de elemente, dispuse în ordinea întăririi proprietăților metalice:

A. Al - Ga - Ge.

B. Ca-Sr-Ba.

B. K-Na-Li.

G. Mg - Ca - Zn.

7.Elementul E cu formula electronică 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 10 4s 2 4p 3 se formează un oxid superior, corespunzător formulei:

A.EO

B.E 2 O 3

V.E 2 O 5

G.EO 3

8. Un izotop de fier, al cărui nucleu conține 30 de neutroni, denotă:

A. 26 54 Fe

B. 26 56 Fe

B. 26 57 Fe

D. 26 58 Fe

9. Potrivire:

Element:

1. Bor. II. Brom. III. Fosfor. IV. Litiu.

Formula electronica:

A.1s 2 2s 2 2p 1

B.1s 2 2s 1

B. 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 3

D. 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 10 4s 2 4p 5

Formula superioară de oxid:

1. E 2 O 2.E 2 O 3 3.E 2 O 5 4.E 2 O 7

Formula de hidroxid mai mare:

A. EON. b. NET 3 . V. N 3 EO 3 g. NET 4

PARTEA B. Teme cu răspuns liber

10. Pe baza poziției în sistemul Periodic, aranjați elementele: aluminiu, potasiu, calciu, magneziu - în ordinea crescătoare a proprietăților reducătoare. Explicați răspunsul.

11. De ce sarcinile nucleelor ​​atomilor elementelor, dispuse în ordinea crescătoare a numerelor de serie în sistemul Periodic, se modifică monoton, iar proprietățile elementelor – periodic?

12. Realizați o formulă electronică a elementului cu numărul de serie 38 din sistemul Periodic. Faceți o concluzie despre dacă acest element aparține metalelor sau nemetalelor. Notați formulele oxidului și hidroxidului său superior, indicați natura lor.

13. Ce proprietăți chimice sunt caracteristice hidroxizilor metalici? Sprijiniți-vă răspunsul scriind ecuațiile de reacție.

Opțiunea 3

1. Numărul total de electroni dintr-un atom al unui element se determină folosind sistemul periodic, după număr:

A. Grupuri.

B. Perioada.

V. Rând.

G. Comanda.

2. O pereche de elemente cu o structură similară a nivelurilor energetice exterioare și pre-exterioare:

A. Sn și Si B. As și Se C. Zn și Ca D. Mo și Te

3. f - Elementul este:

A. Germaniu.

B. Potasiu.

V. Seleniu.

G. Uranus.

4. Configurare electronică. . .4s 24p6 se potrivește cu elementul:

A. Brom.

B. Fierul.

V. Neon.

G. Krypton.

5. Hidroxidul amfoter este o substanță a cărei formulă este:

A. Ga(OH) 3.

B. Mg(OH) 2.

B. LiOH.

D. Sc(OH) 2

6. Un număr de elemente, dispuse în ordinea întăririi proprietăților metalice:

A. K - Rb - Sr.

B.Al - Mg - Ca.

B. Be - Li - Cs.

G.Ge - Sn - Sb.

7.Elementul E cu formula electronică 1s 2 2s 2 2p 6 3s 1 se formează un oxid superior, corespunzător formulei:

A.E 2 O

B.E 2 O 3

V.EO 2

G.EO 3

8. Un izotop de calciu, al cărui nucleu conține 24 de neutroni, este notat:

A. 20 40 Ca

B. 20 42 Ca

B. 20 44 Ca

G. 20 48 Ca

9. Potrivire:

Element:

1. Azot. II. Calciu. III. Siliciu. IV. Sulf.

Formula electronica:

A.1s 2 2s 2 2p 3

B.1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 4

B.1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 2

D.1s 2 2s 2 3s 2 3p 6 4s 2

Formula superioară de oxid:

1. EO 2.EO 2 3.E 2 O 5 4.EO 3

Formula de hidroxid mai mare:

A. H2OE4. b. E(OH)2. V. N 2 EO 3 g. NET 3

PARTEA B. Teme cu răspuns liber

10. Pe baza poziției în sistemul Periodic, aranjați elementele: oxigen, arsen, sulf, fosfor - în ordinea descrescătoare a proprietăților oxidante. Explicați răspunsul.

11. Enumerați regulile (legile) de bază, conform cărora nivelurile, subnivelurile și orbitalii sunt umpluți cu electroni în învelișul de electroni a atomilor elementelor.

12. Realizați o formulă electronică a elementului cu numărul de serie 34 din sistemul Periodic. Faceți o concluzie despre dacă acest element aparține metalelor sau nemetalelor. Notați formulele oxidului și hidroxidului său superior, indicați natura lor.

13. Ce proprietăți chimice sunt caracteristice hidroxizilor nemetalici? Sprijiniți-vă răspunsul scriind ecuațiile de reacție.

Electronii

Conceptul de atom a apărut în lumea antică pentru a desemna particulele de materie. În greacă, atom înseamnă „indivizibil”.

Fizicianul irlandez Stoney, pe baza unor experimente, a ajuns la concluzia că electricitatea este transportată de cele mai mici particule care există în atomii tuturor elementelor chimice. În 1891, Stoney a propus să numească aceste particule electroni, care în greacă înseamnă „chihlimbar”. La câțiva ani după ce electronul și-a primit numele, fizicianul englez Joseph Thomson și fizicianul francez Jean Perrin au demonstrat că electronii poartă o sarcină negativă. Aceasta este cea mai mică sarcină negativă, care în chimie este luată ca unitate (-1). Thomson a reușit chiar să determine viteza electronului (viteza unui electron pe orbită este invers proporțională cu numărul orbitei n. Razele orbitelor cresc proporțional cu pătratul numărului orbitei. În prima orbită a atomului de hidrogen (n=1; Z=1), viteza este ≈ 2,2 106 ori mai mică decât viteza luminii de aproximativ 2,2 106 m/1 a s. s.) și masa electronului (este de aproape 2000 de ori mai mică decât masa atomului de hidrogen).

Starea electronilor într-un atom

Starea unui electron într-un atom este un set de informații despre energia unui anumit electron și spațiul în care se află. Un electron dintr-un atom nu are o traiectorie de mișcare, adică se poate vorbi doar despre probabilitatea de a-l găsi în spațiul din jurul nucleului.

Poate fi situat în orice parte a acestui spațiu care înconjoară nucleul, iar totalitatea diferitelor sale poziții este considerată ca un nor de electroni cu o anumită densitate de sarcină negativă. Figurat, acest lucru poate fi imaginat după cum urmează: dacă ar fi posibil să se fotografieze poziția unui electron într-un atom în sutimi sau milionatimi de secundă, ca într-un finisaj foto, atunci electronul din astfel de fotografii ar fi reprezentat ca puncte. Suprapunerea a nenumărate astfel de fotografii ar avea ca rezultat o imagine a unui nor de electroni cu cea mai mare densitate, acolo unde vor exista majoritatea acestor puncte.

Spațiul din jurul nucleului atomic, în care electronul este cel mai probabil să se găsească, se numește orbital. Conține aproximativ 90% e-cloud, și asta înseamnă că aproximativ 90% din timp electronul se află în această parte a spațiului. Se distinge prin formă 4 tipuri de orbitali cunoscute în prezent, care sunt notate prin latină literele s, p, d și f. O reprezentare grafică a unor forme de orbitali electronici este prezentată în figură.

Cea mai importantă caracteristică a mișcării unui electron pe o anumită orbită este energia conexiunii sale cu nucleul. Electronii cu valori energetice similare formează un singur strat de electroni, sau nivel de energie. Nivelurile de energie sunt numerotate începând de la nucleu - 1, 2, 3, 4, 5, 6 și 7.

Un număr întreg n, care indică numărul nivelului de energie, se numește număr cuantic principal. Caracterizează energia electronilor care ocupă un anumit nivel de energie. Electronii primului nivel energetic, cel mai apropiat de nucleu, au cea mai mică energie.În comparație cu electronii primului nivel, electronii nivelurilor următoare vor fi caracterizați de o cantitate mare de energie. În consecință, electronii de la nivelul exterior sunt cei mai puțin puternic legați de nucleul atomului.

Cel mai mare număr de electroni din nivelul de energie este determinat de formula:

N = 2n2,

unde N este numărul maxim de electroni; n este numărul de nivel sau numărul cuantic principal. În consecință, primul nivel de energie cel mai apropiat de nucleu nu poate conține mai mult de doi electroni; pe al doilea - nu mai mult de 8; pe a treia - nu mai mult de 18; pe a patra - nu mai mult de 32.

Începând de la al doilea nivel energetic (n = 2), fiecare dintre niveluri este subdivizat în subniveluri (substraturi), care diferă oarecum unele de altele prin energia de legare cu nucleul. Numărul de subniveluri este egal cu valoarea numărului cuantic principal: primul nivel de energie are un subnivel; al doilea - doi; a treia - trei; al patrulea - patru subniveluri. Subnivelurile, la rândul lor, sunt formate din orbitali. Fiecare valoaren corespunde numărului de orbitali egal cu n.

Se obișnuiește să se desemneze subnivelurile cu litere latine, precum și forma orbitalilor din care constau: s, p, d, f.

Protoni și neutroni

Un atom al oricărui element chimic este comparabil cu un sistem solar minuscul. Prin urmare, se numește un astfel de model al atomului, propus de E. Rutherford planetar.

Nucleul atomic, în care este concentrată întreaga masă a atomului, este format din particule de două tipuri - protoni si neutroni.

Protonii au o sarcină egală cu sarcina electronilor, dar opusă în semn (+1), și o masă egală cu masa unui atom de hidrogen (este acceptată în chimie ca unitate). Neutronii nu poartă nicio sarcină, sunt neutri și au masa egală cu cea a unui proton.

Protonii și neutronii sunt numiți colectiv nucleoni (din latinescul nucleus - nucleus). Suma numărului de protoni și neutroni dintr-un atom se numește număr de masă. De exemplu, numărul de masă al unui atom de aluminiu:

13 + 14 = 27

numărul de protoni 13, numărul de neutroni 14, numărul de masă 27

Deoarece masa electronului, care este neglijabilă, poate fi neglijată, este evident că întreaga masă a atomului este concentrată în nucleu. Electronii reprezintă e - .

Pentru că atomul neutru din punct de vedere electric, este, de asemenea, evident că numărul de protoni și electroni dintr-un atom este același. Este egal cu numărul de serie al elementului chimic atribuit acestuia în sistemul periodic. Masa unui atom este formată din masa de protoni și neutroni. Cunoscând numărul de serie al elementului (Z), adică numărul de protoni și numărul de masă (A), egal cu suma numerelor de protoni și neutroni, puteți găsi numărul de neutroni (N) folosind formula:

N=A-Z

De exemplu, numărul de neutroni dintr-un atom de fier este:

56 — 26 = 30

izotopi

Sunt numite varietăți de atomi ai aceluiași element care au aceeași sarcină nucleară, dar numere de masă diferite izotopi. Elementele chimice găsite în natură sunt un amestec de izotopi. Deci, carbonul are trei izotopi cu o masă de 12, 13, 14; oxigen - trei izotopi cu o masă de 16, 17, 18 etc. Masa atomică relativă a unui element chimic, dată de obicei în Sistemul Periodic, este valoarea medie a maselor atomice ale unui amestec natural de izotopi ai unui element dat, ținând cont de conținutul lor relativ în natură. Proprietățile chimice ale izotopilor majorității elementelor chimice sunt exact aceleași. Cu toate acestea, izotopii de hidrogen diferă foarte mult în proprietăți datorită creșterii dramatice a masei lor atomice relative; li s-au dat chiar nume individuale și simboluri chimice.

Elemente ale primei perioade

Schema structurii electronice a atomului de hidrogen:

Schemele structurii electronice a atomilor arată distribuția electronilor peste straturile electronice (nivelurile de energie).

Formula electronică grafică a atomului de hidrogen (arată distribuția electronilor pe niveluri și subniveluri de energie):

Formulele electronice grafice ale atomilor arată distribuția electronilor nu numai în niveluri și subnivele, ci și în orbite.

Într-un atom de heliu, primul strat de electroni este completat - are 2 electroni. Hidrogenul și heliul sunt elemente s; pentru acești atomi, orbitalul s este umplut cu electroni.

Toate elementele celei de-a doua perioade primul strat de electroni este umplut, iar electronii umplu orbitalii s și p ai celui de-al doilea strat de electroni în conformitate cu principiul energiei minime (întâi s, apoi p) și cu regulile lui Pauli și Hund.

În atomul de neon, al doilea strat de electroni este completat - are 8 electroni.

Pentru atomii elementelor din a treia perioadă, primul și al doilea strat de electroni sunt completați, astfel încât al treilea strat de electroni este umplut, în care electronii pot ocupa subnivelurile 3s, 3p și 3d.

Un orbital de electroni 3s este completat la atomul de magneziu. Na și Mg sunt elemente s.

Pentru aluminiu și elementele ulterioare, subnivelul 3p este umplut cu electroni.

Elementele din a treia perioadă au orbitali 3d neumpluți.

Toate elementele de la Al la Ar sunt elemente p. Elementele s- și p formează principalele subgrupe din sistemul periodic.

Elemente ale perioadei a patra - a șaptea

Un al patrulea strat de electroni apare la atomii de potasiu și calciu, subnivelul 4s este umplut, deoarece are mai puțină energie decât subnivelul 3d.

K, Ca - s-elemente incluse în principalele subgrupe. Pentru atomii de la Sc la Zn, subnivelul 3d este umplut cu electroni. Acestea sunt elemente 3D. Sunt incluse în subgrupele secundare, au un strat de electroni pre-extern umplut, sunt denumite elemente de tranziție.

Acordați atenție structurii învelișurilor de electroni ale atomilor de crom și cupru. În ele, are loc o „eșec” a unui electron de la nivelul 4s la subnivelul 3d, care se explică prin stabilitatea energetică mai mare a configurațiilor electronice rezultate 3d 5 și 3d 10:

În atomul de zinc, al treilea strat de electroni este completat - toate subnivelurile 3s, 3p și 3d sunt umplute în el, în total sunt 18 electroni pe ele. În elementele care urmează zincului, al patrulea strat de electroni continuă să fie umplut, subnivelul 4p.

Elementele de la Ga la Kr sunt elemente p.

Stratul exterior (al patrulea) al atomului de cripton este complet și are 8 electroni. Dar pot fi doar 32 de electroni în al patrulea strat de electroni; subnivelurile 4d și 4f ale atomului de cripton rămân încă neumplute Elementele perioadei a cincea umplu subnivelurile în următoarea ordine: 5s - 4d - 5p. Și există și excepții legate de " eșec» electroni, y 41 Nb, 42 Mo, 44 ​​​​Ru, 45 Rh, 46 Pd, 47 Ag.

În perioadele a șasea și a șaptea, apar elemente f, adică elemente în care sunt umplute subnivelurile 4f și, respectiv, 5f ale celui de-al treilea strat electronic exterior.

Elementele 4f se numesc lantanide.

Elementele 5f se numesc actinide.

Ordinea de umplere a subnivelurilor electronice în atomii elementelor din perioada a șasea: 55 Cs și 56 Ba - 6s-elemente; 57 La … 6s 2 5d x - 5d element; 58 Ce - 71 Lu - elemente 4f; 72 Hf - 80 Hg - 5d elemente; 81 T1 - 86 Rn - 6d elemente. Dar chiar și aici există elemente în care ordinea de umplere a orbitalilor electronici este „încălcată”, ceea ce, de exemplu, este asociat cu o mai mare stabilitate energetică a subnivelurilor f jumătate și complet umplute, adică nf 7 și nf 14. În funcție de subnivelul atomului umplut cu electroni, toate elementele sunt împărțite în patru familii electronice sau blocuri:

• s-elemente. Subnivelul s al nivelului exterior al atomului este umplut cu electroni; Elementele s includ hidrogenul, heliul și elementele principalelor subgrupe ale grupelor I și II.

• p-elemente. Subnivelul p al nivelului exterior al atomului este umplut cu electroni; p-elementele includ elemente ale principalelor subgrupe ale grupurilor III-VIII.

• d-elemente. Subnivelul d al nivelului preextern al atomului este umplut cu electroni; Elementele d includ elemente ale subgrupurilor secundare ale grupelor I-VIII, adică elemente ale deceniilor intercalare de perioade mari situate între elementele s și p. Ele sunt numite și elemente de tranziție.

• elemente f. Subnivelul f al celui de-al treilea nivel exterior al atomului este umplut cu electroni; acestea includ lantanidele și antinoidele.

Fizicianul elvețian W. Pauli în 1925 a stabilit că într-un atom dintr-un orbital nu pot exista mai mult de doi electroni având spini opuși (antiparalel) (tradus din engleză - „spindle”), adică având astfel de proprietăți care pot fi imaginate în mod convențional ca rotația unui electron în jurul axei sale imaginare: în sensul acelor de ceasornic sau invers.

Acest principiu se numește principiul Pauli. Dacă există un electron în orbital, atunci se numește nepereche, dacă sunt doi, atunci aceștia sunt electroni perechi, adică electroni cu spini opuși. Figura prezintă o diagramă a împărțirii nivelurilor de energie în subnivele și ordinea în care sunt umplute.

Foarte des, structura învelișurilor de electroni ale atomilor este descrisă folosind energie sau celule cuantice - ei notează așa-numitele formule electronice grafice. Pentru această înregistrare se folosește următoarea notație: fiecare celulă cuantică este notată cu o celulă care corespunde unui orbital; fiecare electron este indicat printr-o săgeată corespunzătoare direcției spinului. Când scrieți o formulă electronică grafică, trebuie reținute două reguli: Principiul Pauli și regula lui F. Hund, conform căreia electronii ocupă celule libere, mai întâi unul câte unul și, în același timp, au aceeași valoare de spin și abia apoi pereche, dar spinii, conform principiului Pauli, vor fi deja direcționați opus.

regula lui Hund și principiul lui Pauli

regula lui Hund- regula chimiei cuantice, care determină ordinea de umplere a orbitalilor unui anumit substrat și se formulează astfel: valoarea totală a numărului cuantic de spin al electronilor acestui substrat să fie maximă. Formulat de Friedrich Hund în 1925.

Aceasta înseamnă că în fiecare dintre orbitalii substratului, un electron este mai întâi umplut și numai după ce orbitalii neumpluți sunt epuizați, un al doilea electron este adăugat la acest orbital. În acest caz, într-un orbital există doi electroni cu spini semiîntregi de semn opus, care pereche (formează un nor cu doi electroni) și, ca urmare, spinul total al orbitalului devine egal cu zero.

Altă formulare: Mai jos în energie se află termenul atomic pentru care sunt îndeplinite două condiții.

1. Multiplicitatea este maximă
2. Când multiplicitățile coincid, impulsul total orbital L este maxim.

Să analizăm această regulă folosind exemplul de umplere a orbitalilor subnivelului p p- elemente din a doua perioadă (adică de la bor la neon (în diagrama de mai jos, liniile orizontale indică orbitali, săgețile verticale indică electronii, iar direcția săgeții indică orientarea spinului).

regula lui Klechkovsky

regula lui Klechkovsky - pe măsură ce numărul total de electroni din atomi crește (cu o creștere a sarcinilor nucleelor ​​lor sau a numerelor de serie ale elementelor chimice), orbitalii atomici sunt populați în așa fel încât apariția electronilor în orbitalii de energie superioară depinde numai de numărul cuantic principal n și nu depinde de toate celelalte numere cuantice, inclusiv l. Din punct de vedere fizic, aceasta înseamnă că într-un atom asemănător hidrogenului (în absența repulsiei interelectronilor) energia orbitală a unui electron este determinată numai de distanța spațială a densității de sarcină a electronului față de nucleu și nu depinde de caracteristicile mișcării sale în câmpul nucleului.

Regula empirică a lui Kleschkovsky și schema de înclinare a extroților din ea este mai multe secvențe energetice contradictorii ale orbitalilor atomici în doar două aceleași cazuri: în atomii CR, CU, NB, MO, RU, RH, PD, AG, PT, AU există o „eșec” a electronului cu stratul extern al stratului D anterior, care conduce la stratul anterior de energie, care conduce la stratul anterior de energie, care conduce la stratul anterior al energiei. starea realizabilă a atomului, Scop: după umplerea orbitalilor cu doi electroni 6 s

Structura atomului

În timpul reacțiilor chimice, nucleii atomilor rămân neschimbați, doar structura învelișurilor de electroni se modifică din cauza redistribuirii electronilor între atomi. Capacitatea unui atom de a dona sau de a accepta electroni determină proprietățile sale chimice.

Electronul are o natură duală (undă corpusculară). Datorită proprietăților undei, electronii dintr-un atom pot avea doar valori de energie strict definite, care depind de distanța până la nucleu. Electronii cu valori energetice similare formează un nivel de energie. Conține un număr strict definit de electroni - maxim 2n 2 . Nivelurile de energie sunt subdivizate în subniveluri s-, p-, d- și f-; numărul lor este egal cu numărul nivelului.

Numerele cuantice de electroni.

Starea fiecărui electron dintr-un atom este de obicei descrisă folosind patru numere cuantice: principal (n), orbital (l), magnetic (m) și spin (s). Primele trei caracterizează mișcarea unui electron în spațiu, iar al patrulea - în jurul propriei axe.

Numărul cuantic principal (n). Determină nivelul de energie al electronului, distanța nivelului de la nucleu, dimensiunea norului de electroni. Ia valori întregi (n = 1, 2, 3 ...) și corespunde numărului perioadei. Din sistemul periodic pentru orice element, după numărul perioadei, puteți determina numărul de niveluri de energie ale atomului și care nivel de energie este extern.

Exemplu.

Elementul cadmiu Cd este situat în perioada a cincea, ceea ce înseamnă n = 5. În atomul său, electronii sunt distribuiți pe cinci niveluri de energie (n = 1, n = 2, n = 3, n = 4, n = 5); al cincilea nivel va fi extern (n = 5). Numărul cuantic orbital (l) caracterizează forma geometrică a orbitalului. Ia o valoare întreagă de la 0 la (n - 1). Indiferent de numărul nivelului de energie, fiecare valoare a numărului cuantic orbital corespunde unui orbital cu o formă specială. Un set de orbitali cu aceleași valori ale lui n se numește un nivel de energie, cu același n și l - un subnivel.

l=0 s- subnivel, s- orbital - orbital sferă

l=1 p- subnivel, p- orbital - orbital haltere

l=2 d- subnivel, d- orbital - orbital de formă complexă

f-sublevel, f-orbital - un orbital de formă și mai complexă

S - orbital

Trei orbitali p

Cinci d - orbitali

La primul nivel energetic (n = 1), numărul cuantic orbital l ia o singură valoare l = (n - 1) = 0. Forma locuinței este sferică; pe primul nivel de energie există un singur subnivel - 1s. Pentru al doilea nivel de energie (n = 2), numărul cuantic orbital poate lua două valori: l = 0, s-orbital - o sferă de dimensiuni mai mari decât la primul nivel de energie; l = 1, p-orbital - gantere. Astfel, la al doilea nivel energetic există două subniveluri - 2s și 2p. Pentru al treilea nivel energetic (n = 3), numărul cuantic orbital l ia trei valori: l = 0, s-orbital - o sferă de dimensiuni mai mari decât la al doilea nivel energetic; l \u003d 1, p-orbital - o ganteră de o dimensiune mai mare decât la al doilea nivel de energie; l = 2, d este un orbital de formă complexă.

Astfel, la al treilea nivel energetic pot exista trei subniveluri energetice - 3s, 3p și 3d.

Număr cuantic magnetic (m) caracterizează poziția orbitalului electronic în spațiu și ia valori întregi de la -I la +I, inclusiv 0. Aceasta înseamnă că pentru fiecare formă a orbitalului există (2l + 1) orientări echivalente energetic în spațiu.

Pentru orbitalul s (l = 0), există o singură astfel de poziție și corespunde lui m = 0. Sfera nu poate avea orientări diferite în spațiu.

Pentru orbitalii p (l = 1) - trei orientări echivalente în spațiu (2l + 1 = 3): m = -1, 0, +1.

Pentru d-orbitali (l = 2) - cinci orientări echivalente în spațiu (2l + 1 = 5): m = -2, -1, 0, +1, +2.

Astfel, pe subnivelul s - unu, pe subnivelul p - trei, pe subnivelul d - cinci, pe subnivelul f - 7 orbitali.

Numărul cuantic de rotație (e) caracterizează momentul magnetic care apare atunci când un electron se rotește în jurul axei sale. Ia doar două valori +1/2 și -1/2 corespunzătoare direcțiilor opuse de rotație.

Principii de umplere orbitală.

1. Principiul Pauli. Nu pot exista doi electroni într-un atom, pentru care valorile tuturor numerelor cuantice (n, l, m, s) ar fi aceleași, adică. Fiecare orbital nu poate conține mai mult de doi electroni (cu spini opuși).

2. Regula lui Klechkovsky (principiul energiei minime). În starea fundamentală, fiecare electron este poziționat astfel încât energia sa să fie minimă. Cu cât suma (n + l) este mai mică, cu atât energia orbitalului este mai mică. Pentru o valoare dată (n + l), orbitalul cu cel mai mic n are cea mai mică energie. Energia orbitalilor crește în seria:

1S< 2s < 2p < 3s < 3p < 4s < 3d < 4p < 5s < 4d < 5p < 6s < 5d " 4f < 6p < 7s.

3. Regula lui Hund. Un atom în starea fundamentală trebuie să aibă numărul maxim posibil de electroni nepereche într-un anumit subnivel.

Formula electronică completă a elementului.

O înregistrare care reflectă distribuția electronilor într-un atom al unui element chimic pe niveluri și subniveluri de energie se numește configurația electronică a acestui atom. În starea fundamentală (neexcitată) a unui atom, toți electronii satisfac principiul energiei minime. Aceasta înseamnă că subnivelurile sunt completate mai întâi, pentru care:

1) Numărul cuantic principal n este minim;

2) În interiorul nivelului, se umple mai întâi subnivelul s, apoi p- și abia apoi d- (l este minim);

3) Umplerea are loc astfel încât (n + l) să fie minimă (regula lui Klechkovsky);

4) În cadrul unui subnivel, electronii sunt localizați în așa fel încât spinul lor total să fie maxim, adică. conținea cel mai mare număr de electroni nepereche (regula lui Hund).

5) La umplerea orbitalilor atomici electronici este îndeplinit principiul Pauli. Consecința sa este că nivelul de energie cu numărul n poate avea nu mai mult de 2n 2 electroni situati pe n 2 subniveluri.

Exemplu.

Cesiu (Cs) se află în a 6-a perioadă, cei 55 de electroni ai săi (numărul de serie 55) sunt distribuiți pe 6 niveluri de energie și subnivelurile acestora. Observând succesiunea de umplere a orbitalilor cu electroni, obținem:

>55 >Cs 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 4p 6 4d 10 5s 2 5p 6 5d 10 6s 1

Bibliografie

Pentru pregătirea acestui articol s-au folosit materiale de pe Internet din domeniul public.

Totul în lume este alcătuit din atomi. Dar de unde au venit și în ce constau ei înșiși? Astăzi răspundem la aceste întrebări simple și fundamentale. Într-adevăr, mulți oameni care trăiesc pe planetă spun că nu înțeleg structura atomilor, din care ei înșiși sunt alcătuiți.

Desigur, dragul cititor înțelege că în acest articol încercăm să prezentăm totul la cel mai simplu și interesant nivel, prin urmare nu ne „încărcăm” cu termeni științifici. Pentru cei care doresc să studieze problema la un nivel mai profesional, vă sfătuim să citiți literatură de specialitate. Cu toate acestea, informațiile din acest articol pot face o treabă bună în studiile tale și doar te pot face mai erudit.

Un atom este o particulă de materie de dimensiune și masă microscopică, cea mai mică parte a unui element chimic, care este purtătorul proprietăților sale. Cu alte cuvinte, este cea mai mică particulă dintr-o substanță care poate intra în reacții chimice.

Istoria descoperirii și a structurii

Conceptul de atom era cunoscut în Grecia antică. Atomismul este o teorie fizică care afirmă că toate obiectele materiale sunt formate din particule indivizibile. Alături de Grecia Antică, ideea de atomism a fost dezvoltată în paralel și în India Antică.

Nu se știe dacă extratereștrii le-au spus filosofilor de atunci despre atomi, sau ei s-au gândit ei înșiși la asta, dar chimiștii au putut confirma experimental această teorie mult mai târziu - abia în secolul al XVII-lea, când Europa a ieșit din abisul Inchiziției și al Evului Mediu.

Pentru o lungă perioadă de timp, ideea dominantă a structurii atomului a fost ideea acestuia ca o particulă indivizibilă. Faptul că atomul poate fi încă divizat, a devenit clar abia la începutul secolului al XX-lea. Rutherford, grație celebrului său experiment cu deviația particulelor alfa, a aflat că atomul constă dintr-un nucleu în jurul căruia se rotesc electronii. A fost adoptat modelul planetar al atomului, conform căruia electronii se învârt în jurul nucleului, la fel ca planetele sistemului nostru solar în jurul unei stele.

Ideile moderne despre structura atomului au avansat mult. Nucleul unui atom, la rândul său, este format din particule subatomice sau nucleoni - protoni și neutroni. Nucleonii sunt cei care formează cea mai mare parte a atomului. În același timp, protonii și neutronii nu sunt, de asemenea, particule indivizibile și constau din particule fundamentale - quarci.

Nucleul unui atom are o sarcină electrică pozitivă, în timp ce electronii care orbitează au o sarcină negativă. Astfel, atomul este neutru din punct de vedere electric.

Mai jos este o diagramă elementară a structurii atomului de carbon.

proprietățile atomilor

Greutate

Masa atomilor este de obicei măsurată în unități de masă atomică - a.m.u. O unitate de masă atomică este masa a 1/12 dintr-un atom de carbon liber în repaus în starea sa fundamentală.

În chimie, pentru a măsura masa atomilor, se folosește conceptul "mol". 1 mol este cantitatea de substanță care conține un număr de atomi egal cu numărul lui Avogadro.

mărimea

Atomii sunt extrem de mici. Deci, cel mai mic atom este atomul de heliu, raza lui este de 32 picometri. Cel mai mare atom este atomul de cesiu, care are o rază de 225 picometri. Prefixul pico înseamnă zece la minus doisprezecea! Adică, dacă 32 de metri se reduc de o mie de miliarde de ori, vom obține dimensiunea razei unui atom de heliu.

În același timp, amploarea lucrurilor este de așa natură încât, de fapt, atomul constă în 99% din vid. Nucleul și electronii ocupă o parte extrem de mică din volumul său. Pentru a ilustra, să ne uităm la un exemplu. Dacă vă imaginați un atom sub forma unui stadion olimpic la Beijing (sau poate nu în Beijing, doar imaginați-vă un stadion mare), atunci nucleul acestui atom va fi o cireșă situată în centrul terenului. Orbitele electronilor ar fi atunci undeva la nivelul standurilor superioare, iar cireșul ar cântări 30 de milioane de tone. Impresionant, nu-i așa?

De unde au venit atomii?

După cum știți, acum diverși atomi sunt grupați în tabelul periodic. Are 118 (și dacă cu elemente prezise, ​​dar nedescoperite încă - 126) elemente, fără a număra izotopii. Dar nu a fost întotdeauna așa.

La începutul formării Universului, nu existau atomi și, cu atât mai mult, existau doar particule elementare, interacționând între ele sub influența unor temperaturi enorme. După cum ar spune un poet, a fost o adevărată apoteoză a particulelor. În primele trei minute de existență a Universului, din cauza scăderii temperaturii și a coincidenței unei grămadă de factori, a început procesul de nucleosinteză primară, când au apărut primele elemente din particule elementare: hidrogen, heliu, litiu și deuteriu (hidrogen greu). Din aceste elemente s-au format primele stele, în adâncurile cărora au avut loc reacții termonucleare, în urma cărora hidrogenul și heliul au „ars”, formând elemente mai grele. Dacă steaua era suficient de mare, atunci și-a încheiat viața cu așa-numita explozie „supernovă”, în urma căreia atomii au fost ejectați în spațiul înconjurător. Și așa s-a dovedit întregul tabel periodic.

Deci, putem spune că toți atomii din care suntem alcătuiți au fost cândva parte a stelelor antice.

De ce nu se descompune nucleul unui atom?

În fizică, există patru tipuri de interacțiuni fundamentale între particule și corpurile pe care le compun. Acestea sunt interacțiuni puternice, slabe, electromagnetice și gravitaționale.

Datorită interacțiunii puternice, care se manifestă la scara nucleelor ​​atomice și este responsabilă pentru atracția dintre nucleoni, atomul este o „nucă dură”.

Nu cu mult timp în urmă, oamenii și-au dat seama că atunci când nucleele atomilor se divid, se eliberează o energie uriașă. Fisiunea nucleelor ​​atomice grele este sursa de energie în reactoarele nucleare și în armele nucleare.

Așadar, prieteni, după ce v-am prezentat structura și fundamentele structurii atomului, nu putem decât să vă reamintim că suntem gata să vă ajutăm în orice moment. Nu contează dacă trebuie să terminați o diplomă în fizică nucleară sau cel mai mic test - situațiile sunt diferite, dar există o cale de ieșire din orice situație. Gândiți-vă la amploarea Universului, comandați un loc de muncă la Zaochnik și amintiți-vă - nu există niciun motiv să vă faceți griji.