атом
TRANSCRIPT
Атомно – молекулярное учение
Модели строения атома
Свойства электрона
Квантовые числа
Электронные конфигурации
атомов
Радиоактивность
Первый определил химию
как науку М. В. Ломоносов.
Он считал, что химия
должна строиться на точных
количественных данных
– “на мере и весе”.
Ломоносов создал учение о строении вещества, заложил
основу атомно-молекулярной теории. Оно сводится к
следующим положениям, изложенным в работе “Элементы
математической химии”:
Каждое вещество состоит из мельчайших, далее физически
неделимых частиц ( Ломоносов называл их
корпускулами, впоследствии они были названы
молекулами).
1. Молекулы находятся в постоянном, самопроизвольном
движении.
3. Молекулы состоят из атомов ( Ломоносов назвал их
элементами).
4. Атомы характеризуются определенным размером и массой.
5. Молекулы могут состоять как из одинаковых, так и
различных атомов.
Молекула - это наименьшая частица вещества, сохраняющая его состав
и химические свойства. Молекула не может дробиться дальше без
изменения химических свойств вещества. Между молекулами вещества
существует взаимное притяжение, различное у разных веществ.
Молекулы в газах притягиваются друг к другу очень слабо, тогда как
между молекулами жидких и твердых веществ силы притяжения
относительно велики. Молекулы любого вещества находятся в
непрерывном движении. Этим явлением
объясняется, например, изменение объема веществ при нагревании.
Атомами называются мельчайшие, химически неделимые частицы, из
которых состоят молекулы. Атом - это наименьшая частица
элемента, сохраняющая его химические свойства. Атомы различаются
зарядами ядер, массой и размерами.
При химических реакциях атомы не возникают и не исчезают, а
образуют молекулы новых веществ.
Элемент следует рассматривать как вид атомов с одинаковым зарядом
ядра.
Современное изложение основных положений атомно-
молекулярного учения:
1. Все вещества состоят из атомов.
2. Атомы каждого вида (элемента) одинаковы между собой, но
отличаются от атомов любого другого вида (элемента).
3. При взаимодействии атомов образуются молекулы:
гомоядерные (при взаимодействии атомов одного элемента)
или гетероядерные (при взаимодействии атомов разных
элементов).
4. При физических явлениях молекулы сохраняются, при
химических - разрушаются; при химических реакциях атомы
в отличие от молекул сохраняются.
5. Химические реакции заключаются в образовании новых
веществ из тех же самых атомов, из которых состоят
первоначальные вещества.
Аристотель
Бойль
Ньютон
Модель строения атома
Научные исследования, проводившиеся в конце XIX – начале XX вв.
позволили предложить следующую модель строения атома:
1. В центре атома находится положительно заряженное
ядро, занимающее ничтожную часть пространства внутри атома.
2. Весь положительный заряд и почти вся масса атома сосредоточены в
его ядре.
3. Ядра атомов состоят из протонов и нейтронов ( нуклонов). Число
протонов в ядре равно порядковому номеру элемента, а сумма чисел
протонов и нейтронов соответствует его массовому числу.
4. Вокруг ядра по замкнутым орбитам вращаются электроны. Их число
равно положительному заряду ядра.
Ядро – это центральная позитивно заряженная часть атома, в которой
сосредоточена его масса.
Электрон – частица с негативным зарядом, который условно принят за
–1.
Нейтрон — нейтральная частица, не имеющая электрического заряда.
Масса нейтрона равна 1 а. е. м.
Протон — положительно заряженная частица, с такой же массой, как и
нейтрон. Заряд протона равен заряду электрона и противоположен по
знаку.
Самой характерной особенностью электронов
является двойственность их
поведения, заключающаяся в способности
проявлять одновременно как свойства частиц, так и
свойства волн: подобно частице, электроны
обладают массой и зарядом; движущийся же поток
электронов проявляет волновые
свойства, например, способностью к дифракции.
Для электрона нельзя одновременно определить
его координаты в атоме и скорость. Электрон может
находиться в любой части пространства около
ядра, однако вероятность его нахождения в разных
частях этого пространства различна.
Пространство вокруг ядра, в котором вероятность
нахождения электрона велика, называется
орбиталью.
Состояние электрона в атоме описывается четырьмя квантовыми
числами.Главное квантовое число n определяет энергию электрона и степень его
удаления от ядра; оно принимает любые целочисленные
значения, начиная с 1 (n = 1, 2, 3, ..., и т.д.). Обозначает номер
энергетического уровня, на котором расположен электрон.
Орбитальное (побочное)
квантовое число l определяет
форму атомной орбитали. Оно
может принимать
целочисленные значения от 0
до n - 1 (l = 0, 1, ..., n - 1).
Каждому значению l
соответствует орбиталь особой
формы.
При l = 0 атомная орбиталь
независимо от значения
главного квантового числа
имеет сферическую форму
(называется s-орбиталью).
Значению l = 1 соответствует
атомная орбиталь, имеющая
форму вытянутой гантели ( p-
орбиталь). Намного более
сложную форму имеют
орбитали, соответствующие
высоким значениям l, равным
2, 3 и 4 (d-, f-, g-орбитали).
Магнитное квантовое число m определяет положение атомной
орбитали в пространстве относительно внешнего магнитного или
электрического поля. Магнитное квантовое число изменяется не
произвольным образом, а скачком и связано с орбитальным
квантовым числом, изменяясь от + l до - l , включая 0.
Следовательно, каждому значению l соответствует 2 l + 1 значений
магнитного квантового числа.
Спиновое квантовое число s может принимать лишь два возможных
значения: +1/2 и -1/2. Они соответствуют двум возможным и
противоположным друг другу направлениям магнитного момента
электрона.
Подобно любой системе, атомы стремятся к минимуму энергии. Это
достигается при определенном распределении электронов по
орбиталям, которое можно оценить на основе таких закономерностей:
Принцип Паули: в атоме не может быть электронов с одинаковым
значением всех четырех квантовых чисел.
Правило Гунда: электроны располагаются на одинаковых орбиталях
таким образом, чтобы суммарный спин был максимален.
Правило Клечковского: порядок заполнения энергетических состояний
определяется стремлением атома к минимальному значению суммы
главного и побочного квантовых чисел, причем в пределах
фиксированного значения n + l в первую очередь заполняются
состояния, отвечающие минимальным значениям n.
1s<2s<2p<3s<3p<4s<3d<4p<5s<4d<5p<6s<4f<5d<6p<7s<5f<6d<7p
Максимальная ѐмкость электронных
уровней
Пример:
Применение правила Клечковского для калия (Z =
19) и скандия (Z = 21).
Предшествующий калию элемент аргон (Z = 18)
имеет следующее распределение электронов по
орбиталям: 1s22s22p63s23p6.
При распределении электронов по орбиталям в
атоме К в соответствии с правилом Клечковского
предпочтение отдается орбитали 4s (сумма
квантовых чисел n + l равна 4 + 0 = 4) по сравнению
с орбиталью 3d (сумма квантовых чисел п + l равна
3 + 2 = 5), как орбитали, имеющей минимальное
значение n + l
Следовательно, для атома К: 1s22s22p63s23p64s1
Предшествующий скандию элемент кальций (Z = 20)
имеет такое распределение электронов по
орбиталям: 1s22s22p63s23p64s2
Из орбиталей 3d (n + l равно 3 + 2 = 5) и 4р (n + l
равно 4 + 1 = 5).
При распределении электронов в атоме Sc по
орбиталям предпочтение следует отдать орбитали
3d, как орбитали, имеющей минимальное значение n
= 3 при одинаковых суммах квантовых чисел n + l
, равных 5.
Поэтому скандий характеризуется таким
распределением электронов по орбиталям:
1s22s22p63s23p63d14s2
N
Явление спонтанного деления
атомов, сопровождающееся
испусканием альфа-, бета- и гамма-
лучей, называется естественной
радиоактивностью, а
элементы, атомы которых
подвержены такому
самопроизвольному
распаду, называются
радиоактивными элементами.
Было определено, что все
элементы с атомным номером
более 82 имеют нестабильные
ядра, поэтому они являются
природными радиоактивными
элементами. Самый тяжелый
элемент, имеющий стабильные
изотопы, - свинец (атомный номер
= 82). Поэтому его можно
использовать для защиты от
радиации.