03. Строение атома.

Изменено: 31.03.2015 Posted on

1.2.  ФИЗИКА: строение атома, связи и реакции

Атомы в химии считали неделимыми, но радиоактивный распад их и другие открытия показали, что атом состоит из очень малого ядра с положительным зарядом и электронов — частиц “электричества” с зарядом -1.

  Заряд ядра (Z) оказался равен порядковому номеру элемента в Периодической системе Менделеева! Это связало химию с физикой, объяснив эту систему и строение вещества.

  Атомные ядра состоят из “протонов” (p) — ядер Н с зарядом +1 и нейтральных — “нейтронов” (n). Массы p и n около 1 а.е. — массы атома Н, масса ядра тогда равна сумме масс его протонов и нейтронов, а в а.е. — сумме числа их Z+N=Ar — атомной массе (приближенно, т.к. энергия связи их E=mc2 <1% масс, а электроны в 1837 раз легче).

  Атомы одного элемента имеют равное число электронов и протонов — Z, но могут быть с разными числом нейтронов и массой — “изо-топами” (изо — равное, топос — место — в ПС). Изотопы разных элементов называют также “нуклидами”.

Контрольные вопросы (с вариантами ответа):

?1а Число нейтронов 18О равно 1) 6 2) 8 3) 10 4) 18

2с Атомы нуклидов 39К и 40К различаются числом 1- электронов 2- протонов 3- нейтронов 4- Аг

Средняя масса атомов получается дробной: Аг(С1)=35.5 из-за С135 — с 17 p и 18 n, и С137 c 17 p и 20 n). 

3а Массовая доля 35С1 в обычном хлоре равна 1) 25% 2) 50% 3) 75% 4) 100%.

У водорода кроме Н1 обнаружили доли процента изотопа Н2 (дейтерий) и Н3 (тритий), у углерода кроме С12 — С13 и С14, причем состав может зависеть от источника (интересно, что организмы предпочитают обычные Н1, С12).

  Поэтому с 1961 г. за атомную единицу массы (а.е.) точнее приняли не 1 массу Н, а 1/12 массы изотопа углерода С12 и

— Относительной атомной массой Аr химического элемента называется (масса атома в а.е.) отношение средней массы атома естественного изотопного состава элемента к 1/12 массы атома углерода С12. (Ar=m атома/ mС12/12.)

Также — Относительной молекулярной массой Мr вещества называется отношение средней массы молекулы естественного изотопного состава вещества к 1/12 массы атома углерода С12. (Мr=m молекулы/ mС12/12 = сумме Аг)

  Моль — единица количества вещества (СИ), содержащего столько единиц, сколько атомов содержится в 0.012 кг изотопа углерода С12 (число Авогадро NA=6.02х1023 ед./моль или моль-1).

  Отсюда масса атомов, например, углерода — 12 г/6х1023=2х10-23 г, 1 а.е.м. ~1/NА=1.66 10-24г= mH=1836 — 1838me=938 Мэв).

Контрольные вопросы (с вариантами ответа):

? 4а В качестве эталона относительной атомной массы сейчас используется 1- водород 2- кислород 3- изотоп углерода 4- масса 1 л воды при 4оС.

5а Количество воды, содержащее 1023 молекул примерно 1- 1 моль 2- 3 г 3- 9 г 4- 0,6 моль.

6с Масса атома магния 1. 24 2. 24 а.е.м. 3. 24 г 4. 4х10-26 кг

Физический смысл порядкового номера химического элемента Z = заряд ядра= число протонов в ядре=число электронов в атоме (в целом — нейтральном).

Электронное строение атома. Электроны вокруг ядра подобно планетам Солнечной системы (планетарная модель атома Бора — с притяжением не масс, а зарядов по закону Кулона) в классической механике могли иметь любые орбиты и быстро упасть. Но в квантовой механике разрешались лишь определенные их значения, уровни энергии и число. Электрон есть и частица и волна, “делокализованная” в пространстве с определенной длиной волны (при уменьшении ее — “локализации”, сосредоточении его у ядра, растет ее частота — энергия, по принципу неопределенности h=px=Et, с уравнением силы притяжения Кулона V=-eZ/r “отталкиванием” T=p2/2m в E=T+V Шредингера). Поэтому вместо орбиты говорят атомная орбиталь, “электронное облако” — место около ядра, где нахождение электрона наиболее вероятно.

  Волна имеет целое число n длин (n=R/λ , как у струны, на границе R равняясь 0) — т.н. “главное квантовое”. Оно определяет ее частоту и энергию, энергетический уровень (электронный слой, оболочка) — совокупность электронов с равным n, с близкой энергией E(n). При переходе между уровнями разность их энергии излучается или поглощается в виде квантов излучения, фотонов, как видно в спектрах

Спектр звезды класса А5 с линиями поглощения водорода (Hb, Нg, Нd) и других элементов (К и Н — линии кальция).

  Принцип запрета (Паули) разрешает находиться вместе электронам лишь в разных состояниях, с разными квантовыми числами — ограниченное число их. Повторение их на уровнях, заполняемых по мере роста энергии E(n) определяет периодичность и химию: каждый слой n соответствует периоду, а химические свойства определяют только внешние — валентные электроны. Максимальное число электронов на уровне = число элементов в периоде Nэл.=2 n2 (где n — номер периода и слоя — главное квантовое число, определяет радиус r и Е). В первом периоде — n=1 и всего 2 элемента (Н, Не), во втором n=2 и 2х2*2=8 элементов *(Минимум — пара электронов, 2е- с противоположными спинами заполняет и молекулярные орбитали и связи типа Н-Н и Н-С, элементы второго периода заполняют октет 8е- 4 пары sp3- орбиталей (тетраэдр — простейшее тело в R3), повторяемые далее в короткой форме ПС, в.4-5).

Контрольные вопросы (с вариантами ответа):

?7с Одинаковое число электронов имеют (изоэлектронны Ne) 1) Na+ 2) O2- 3) CH4 4) H2O

  Энергетический подуровень, s-, p-орбитали в атоме.

 

lepestok0lepestok1lepestok2lepestok3Подуровни и форму “орбиталей” в пространстве определяет второе — орбитальное квантовое число l со значениями от 0 до n-1, обозначаемыми буквами s (l=0 — сферические орбитали), p (с моментом l=1 — по осям x, y, z — гантелеобразные), d и f (l=2 и 3 — более сложной формы). Третье число (магнитное ml от -l до +l) определяет число орбиталей — “клеток” подуровня l, четвертое — направление спина (ms=1/2 — стрелки вверх и вниз). На s — подуровне 1 орбиталь (с l=0 ml=0), на p — 3 (ml=-1, 0, +1), на d- 5, на f- 7 орбиталей, могущих включать по 2 электрона (с ms) и т.о. 2 s, 6 p, 10 d и 14 f- электронов и элементов периода (Энергия nd-орбитали оказывается выше и ns, nр и (n+1)s, заполняясь 3d-элементами после 4s в 4-м большом периоде, в 6-м и 7-м также заполняются f- семейства лантаноидов и актиноидов, Д2.2).

  Электронная формула (конфигурация — размещение их) включает номер уровня n, вид подуровня (s,p) и число электронов на нем. На схеме (граф.) клетки изображают орбитали, стрелки в них — электроны.

Строение электронных оболочек атомов на примере элементов 1, 2, 3 периодов Периодической системы (ПС): 1-й Н — водород, включает 1s1 — схема [↑ ] и гелий Не 1s2, [↑↓],

  2-й и 3-й периоды содержат s- и p- 2+6 — по 8 элементов: 2s-орбиталь заполняется у Li и Be, 2р- с В (сначала по одному в ячейке) до Ne:

 

6 C s p

4гр.

7 N s p 5гр 8 O s p 6гр 9 F s p 7гр 10Ne s p 8гр
2 ↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑↓
1s ↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑↓

  Аналогично в третьем периоде — s- Na и Mg, p — с Al до 18Ar (1s22s22p63s23p6) и т.д. (Д2.2).

* Неспаренные электроны определяют химические связи и валентность, м.б. равную номеру группы, в 2,3,4 группах за счет возбуждения свободных р-орбиталей (ns2→ns1p1, ns2p1→ns1p2, ns2p2→nsp3), в 5, 6, 7 — d-орбит (их нет у N,O,F).

Контрольные вопросы (с вариантами ответа):

8а Ядро атома состоит из 1- электронов 2- протонов 3- протонов и электронов 4- протонов и нейтронов.

9а Электронная конфигурация ns1np3 может соответствовать атому 1- Li 2- B 3- Si 4- As.

10а Невозможны энергетические подуровни 1)1p 2) 2s 3) 3d 4) 10f

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *