Строение атома - это самая основополагающая тема, на которой в дальнейшем базируется весь курс химии. Поэтому данный вопрос, необходимо знать и понимать в совершенстве. Давайте попробуем разобрать его вместе. И начнем мы с повторения таких элементарных понятий как: Химия, Вещество, Молекула и Атом.
Вспомним, что же такое химия?
Химия ( происходит предположительно от египетского Xemet - "чёрный" (наука черной земли), либо от древнегреческого Xumos — "влага, сок, эссенция", либо от древнегреческого Xuma — "сплав (металлов), литьё, поток") — одна из важнейших и обширных областей естествознания, наука, изучающая вещества, также их состав и строение, их свойства, зависящие от состава и строения, их превращения, ведущие к изменению состава — химические реакции, а также законы и закономерности, которым эти превращения подчиняются. То есть по простому, химия - это наука о веществах.
Что же такое вещество?
Вещество - это одна из форм материи, состоящая из молекул и обладающая определенными физическими и химическими характеристиками.
Молекула (от лат. moles – масса) - это наименьшая частица вещества, обладающая рядом его характерных отличительных свойств. Молекулы состоят из атомов.
И наконец, что же такое атом?
Атом (от древнегреческого atomos - «неделимый») — это частица вещества микроскопических размеров и массы, наименьшая часть химического элемента, являющаяся носителем его химических свойств.
Хотя, в переводе с греческого атом означает «неделимый», научные открытия конца XIX и начала ХХ веков опровергли представление об атоме как о неделимой частице.
Оказывается, атом состоит из ядра и электронного облака. Внутри ядра атома находятся, такие частицы как протоны и нейтроны, а в электронном облаке атома, находятся электроны.
Протоны и нейтроны, часто объединяются под общим термином, нуклоны (от лат. nucleus - "ядро", то есть дословно "ядерные частицы").
Разберемся подробнее с тем, что же представляют из себя эти мелкие атомные частицы.
Протоны (от греч. Protos - первый) - это положительно заряженные частицы в ядре атома. Они часто обозначаются в записях символом "P+".
Электроны (от греч еlektron — янтарь) - это отрицательно заряженные частицы в электронном облаке атома. Они часто изображаются символом "е-".
Нейтроны (от лат. neuter — неопределенный) - это электронейтральные тяжелые частицы в ядре атома. Они изображаются символом "n0".
Чтобы научится определять количество протонов, электронов и нейтронов в атоме, нам просто необходимо взглянуть на тот или инной химический элемент в таблице менделеева.
Итак, запоминаем!!!
- Количество протонов в атоме, всегда равно порядковому номеру химического элемента.
- Количество электронов в атоме, всегда совпадает с количеством протонов.
- Количество нейтронов в атоме, рассчитывается по формуле:
N=A-Z
где:
N - количество нейтронов.
A - атомная масса химического элемента.
Z - заряд ядра (количество протонов).
Кстати, многие ученики, совершенно не понимают в чем смысл нейтронов. Протоны и электроны, тут вроде бы все ясно, это положительные и отрицательные частицы, которые как бы взаимокомпенсируют друг друга. Но зачем же нужны эти нейтральные нейтроны? Ответ кроится в определение. Это ТЯЖЕЛЫЕ нейтральные частицы.
Дело в том что, радиус ядра в сто раз меньше радиуса всего атома. Некоторые даже приводят такую аналогию: представьте футбольный стадион - это весь атом, а мячик в центре этого стадиона - это ядро атома. Тем не менее, весь вес атома сосредоточен в этом маленьком участке ядра. Электронное облако с находящимися в нем электронами, весит ничтожно мало и его вес фактически просто не учитывается. Так что нейтроны - это частицы, которые добовляют вес атомному ядру.
Теперь давайте попробуем определить на практики, количество протонов, электронов, нейтронов в каком нибудь химическом элементе.
Возьмем для примера фосфор:
р= 15
е= 15
N(P)=31-15=16
Возьмем химический элемент углерод:
р=6
е=6
N(C)=12-6=6
Все крайне просто.
Однако, не подумайте, что количество нейтронов, совпадает с количеством протонов и электронов, либо отличается от них очень незначительно. Такое наблюдается лишь в случае легких химических элементов. Если же мы возьмем более сложный химический элемент пятого или шестого периода, ситуация будет резко отличатся. Например ртуть:
p=80
e=80
N(Hg)=201-80=121
Сами все видите.
Поняв это, мы почти готовы перейти к тому, чтобы научиться рисовать схему строения атома, осталось лишь усвоить еще несколько моментов:
Во первых, электроны в электронном облаке атома перемещаются не хаотически, как им вздумается, а по определенным электронным уровням.
Количество электронных уровней в атоме, всегда совпадает с номером периода в котором находится химический элемент.
H (1 период) - у элемента 1 электронный уровень.
Be (2 период) - у элемента 2 электронных уровня.
Al (3 период) - у элемента 3 электронных уровня.
и т.д.
На каждом электронном уровне может быть определенное максимально возможное число электронов:
И самое важное!!! Число электронов на внешнем энергетическом уровне, ДЛЯ ЭЛЕМЕНТОВ ГЛАВНЫХ ПОДГРУПП, равно номеру группы.
Попробуем использовать полученные знания на практике.
Изобразим схемы строения атомов водорода, азота и алюминия.
Слева на рисунки изображены схемы строения атомов, а справа их краткие электронные формулы. Краткая электронная формула атома составляется очень легко, вы просто указываете количество электронов на уровнях с добавлением буковки "е".
По краткой электронной формуле, легко можно назвать элемент, который за ней скрывается. Нужно лишь сосчитать общее число электронов и по порядковому номеру найти элемент, например:
2е8е8е2е
2+8+8+2=20
20 - это номер Ca (Кальция).
Дальше будет чуть посложнее.
Энергетические уровни атома, скрывают в себе еще более мелкие структуры, такие как энергетические подуровни. Всего существует четыре типа подуровней: s, p, d и f. Каждый подуровень может вмещать определенное предельное число электронов.
Каждый энергетический уровень начинается с s-подуровня и на каждом следующем уровне открываются подуровни с более высокой энергией.
Подуровни в свою очередь состоят из орбиталей.
Орбиталь - это область наиболее вероятного местонахождения электрона в атоме.
Каждая орбиталь может вмещать в себя максимум 2 электрона. Таким образом.
Порядок размещения электронов в пределах одного подуровня определяется правилом Хунда: в пределах подуровня электроны размещаются так, чтобы их суммарный спин был максимальным. Иными словами, орбитали данного подуровня заполняются сначала по одному электрону с одинаковыми спинами, а затем по второму электрону с противоположными спинами. А если еще проще, то электроны сначала размещаются по одному, а затем уже образуют пары.
Попробуем нарисовать электронно графические формулы, для элементов кремний, хлор и азот.
Теперь еще сложнее. Поговорим о многоэлектронных атомах.
Дело в том, что подуровни в многоэлектронных атомах находятся в начале на довольно отдаленном друг от друга расстояние, но затем они становятся все ближе и ближе друг к другу, да так, что в определенные моменты перекрывают друг друга. В этих моментах удобно, чтобы сначала заполнялся подуровень с более низкой энергией, а затем уже подуровень с более высокой энергией. Поэтому надо учесть, что порядок заполнения подуровней в многоэлектронных атомах таков:
1s2s2p3s3p4s3d4p5s4d5p...
У элементов четвертого периода после заполнения 4s–подуровня, начиная со скандия (Sc), происходит последовательное заполнение 3d –подуровня. Однако у хрома вместо ожидаемой электронной конфигурации 4s23d4 электронная конфигурация иная: 4s13d5. Это связано с так называемым «пeрeскоком электрона», когда один s-электрон переходит на d–подуровень предыдущего уровня. В результате этого d–подуровень становится наполовину заполненным, что является энергетически более выгодным состоянием. Из элементов 4-го периода «пeрeскок электрона» наблюдается также у меди, но в этом случае d–подуровень становится заполненным полностью и содержит 10 электронов: 4s13d10.
Кстати можно запомнить как правило, у всех d–элементов 4-го периода два электрона на внешнем электронном уровне, кроме хрома и меди, у которых 1 электрон (в результате уже упомянутого «пeрeскока электрона»).
Кроме атомов хрома и меди «перескок» электрона с s-подуровня внешнего слоя на d-подуровень предыдущего слоя характерен и для атомов элементов других больших периодов: Nb, Mo, Ru, Rh, Pd, Ag, Pt, Au. Особо следует отметить палладий, у которого происходит «перескок» двух электронов:
Pd 1s22s22p63s23p64s23d104p65s04d10
Атомы элементов VIII группы главной подгруппы — He, Ne, Ar, Kr — имеют завершенный внешний электронный уровень, который содержит 2 электрона у атома гелия (1s2) и 8 электронов у атомов остальных благородных газов: ns2np6, где n — номер периода, в котором находится данный элемент.
Завершенный внешний электронный уровень обладает наибольшей устойчивостью и обусловливает химическую инертность благородных газов. Атомы остальных химических элементов имеют незавершенные внешние электронные уровни.
Продолжение следует...