Строение атома

Планетарная модель строения атома

(Э.Резерфорд, 1911 г.)

1. Атомы химических элементов имеют сложное внутреннее строение.
2. В центре атома находится положительно заряженное ядро, занимающее ничтожную часть пространства внутри атома.
3. Весь положительный заряд и почти вся масса атома сосредоточена в ядре атома(масса электрона равна 1/1823 а.е.м.).
4. Вокруг ядра по замкнутым орбиталям движутся электроны. Их число равно заряду ядра, поэтому атом в целом — электронейтрален.

КВАНТОВАЯ МОДЕЛЬ СТРОЕНИЯ АТОМА

При химических реакциях ядра атомов остаются без изменений, изменяется лишь строение электронных оболочек вследствие перераспределения электронов между атомами. Способностью атомов отдавать или присоединять электроны определяются его химические свойства.

Электрон имеет двойственную (корпускулярно-волновую) природу. Благодаря волновым свойствам электроны в атоме могут иметь только строго определенные значения энергии, которые зависят от расстояния до ядра. Электроны, обладающие близкими значениями энергии образуют энергетический уровень. Каждый энергетический уровень содержит строго определенное число электронов — максимально 2n². Энергетические уровни подразделяются на s-, p-, d- и f- подуровни; их число соответствует номеру уровня.

Состояние каждого электрона в атоме описывают с помощью четырех квантовых чисел: главного (n), орбитального (l), магнитного (m) и спинового (s).Первые три характеризуют движение электрона в пространстве, а четвертое — вокруг собственной оси.

Квантовые числа электронов

Главное квантовое число (n). Определяет энергетический уровень электрона, удаленность уровня от ядра, размер электронного облака. Принимает целые значения (n = 1, 2, 3 …) и n максимальное соответствует номеру периода. Из периодической системы для любого элемента по номеру периода можно определить число энергетических уровней атома и какой энергетический уровень является внешним.

Пример.

Элемент иттрий расположен в пятом периоде, значит n = 5. В его атоме электроны распределены по пяти энергетическим уровням (n = 1, n = 2, n = 3, n = 4, n = 5); внешним будет пятый уровень (n = 5).

Орбитальное квантовое число (l) характеризует геометрическую форму орбитали. Принимает значение целых чисел от 0 до (n — 1). Независимо от номера энергетического уровня, каждому значению орбитального квантового числа соответствует орбиталь особой формы. Набор орбиталей с одинаковыми значениями n называется энергетическим уровнем, c одинаковыми n и l — подуровнем.

Для

l=0 s- подуровень, s- орбиталь – орбиталь сфера

l=1 p- подуровень, p- орбиталь – орбиталь гантель

l=2 d- подуровень, d- орбиталь – орбиталь сложной формы

f-подуровень, f-орбиталь – орбиталь еще более сложной формы

На первом энергетическом уровне (n = 1) орбитальное квантовое число l принимает единственное значение l = (n — 1) = 0. Форма обитали — сферическая; на первом энергетическом только один подуровень — 1s. Для второго энергетического уровня (n = 2) орбитальное квантовое число может принимать два значения: l = 0, s- орбиталь — сфера большего размера, чем на первом энергетическом уровне; l =  1, p- орбиталь — гантель. Таким образом, на втором энергетическом уровне имеются два подуровня — 2s и 2p. Для третьего энергетического уровня (n = 3) орбитальное квантовое число l принимает три значения: l = 0, s- орбиталь — сфера большего размера, чем на втором энергетическом уровне; l = 1, p- орбиталь — гантель большего размера, чем на втором энергетическом уровне; l = 2, d- орбиталь сложной формы.

Таким образом, на третьем энергетическом уровне могут быть три энергетических подуровня — 3s, 3p и 3d.

Магнитное квантовое число (m) характеризует положение электронной орбитали в пространстве и принимает целочисленные значения от -I до +I, включая 0. Это означает, что для каждой формы орбитали существует (2l + 1) энергетически равноценных ориентации в пространстве.

Для s- орбитали (l = 0) такое положение одно и соответствует m = 1. Сфера не может иметь разные ориентации в пространстве.

Для p- орбитали (l = 1) — три равноценные ориентации в пространстве (2l + 1 = 3): m = -1, 0, +1.

Для d- орбитали (l = 2) — пять равноценных ориентаций в пространстве (2l + 1 = 5): m = -2, -1, 0, +1, +2.

Таким образом, на s- подуровне — одна, на p- подуровне — три, на d- подуровне — пять, на f- подуровне — 7 орбиталей.

Спиновое квантовое число (s) характеризует магнитный момент, возникающий при вращении электрона вокруг своей оси. Принимает только два значения +1/2 и –1/2 соответствующие противоположным направлениям вращения.

Принципы заполнения орбиталей

Принцип Паули. В атоме не может быть двух электронов, у которых значения всех квантовых чисел (n, l, m, s) были бы одинаковы, т.е. на каждой орбитали может находиться не более двух электронов (c противоположными спинами).

Правило Клечковского (принцип наименьшей энергии). В основном состоянии атома каждый электрон располагается так, чтобы энергия его орбитали была минимальной. Чем меньше сумма (n + l), тем меньше энергия орбитали. При одинаковом значении суммы(n + l) наименьшую энергию имеет орбиталь с меньшим n. Энергия орбиталей возрастает в ряду:

Правило Хунда. Атом в основном состоянии должен иметь максимально возможное число неспаренных электронов в пределах валентного подуровня.

Полная электронная формула элемента

Запись, отражающая распределение электронов в атоме химического элемента по энергетическим уровням и подуровням, называется электронной конфигурацией атома. В основном состоянии атома все электроны распределяются по орбиталям, удовлетворяющим принципу наименьшей энергии:

1. Заполнение каждого энергетического уровня начинается с s-подуровня, а заканчивается p-подуровнем;
2. Выбор каждого подуровня определяется правилом Клечковского;
3. У s- и p- элементов главное квантовое число совпадает с номером периода,
4. У d — элементов валентные электроны идут на уровень ниже периода на 1
5. У f — элементов валентные электроны идут на уровень ниже периода на 2

Пример:

Цезий (Сs) находится в 6 периоде, его 55 электронов (порядковый номер 55) распределены по 6 энергетическим уровням и их подуровням. Соблюдая последовательность заполнения электронами орбиталей, получим:

₅₅Cs 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 4p⁶ 4d¹⁰ 5s² 5p⁶ 5d¹⁰ 6s¹

Задачи:

1. Запишите полную электронную конфигурацию следующих химических элементов: K, Br, Mo, Ce. Затем определите, какие электроны являются валентными.
2. Запишите полную электронную конфигурацию атомов следующих химических элементов и электронно-графическую схему валентных электронов: S, Fe, Sr.