Z jakých atomů se skládá? Lekce: Struktura atomu

Jakákoli látka je tvořena velmi malými částicemi tzv atomy . Atom je nejmenší částice chemického prvku, která si zachovává všechny své charakteristické vlastnosti. Pro představu velikosti atomu stačí říci, že pokud by mohly být umístěny blízko sebe, pak by jeden milion atomů zabíral vzdálenost pouze 0,1 mm.

Další vývoj nauky o struktuře hmoty ukázal, že atom má také složitou strukturu a skládá se z elektronů a protonů. Tak vznikla elektronová teorie struktury hmoty.

V dávných dobách bylo zjištěno, že existují dva druhy elektřiny: pozitivní a negativní. Množství elektřiny obsažené v těle se začalo nazývat náboj. V závislosti na typu elektřiny, kterou tělo má, může být náboj kladný nebo záporný.

Experimentálně bylo také zjištěno, že podobné náboje se odpuzují a na rozdíl od nábojů přitahují.

Uvažujme elektronová struktura atomu. Atomy jsou tvořeny ještě menšími částicemi, než jsou ony samy, tzv elektrony.

DEFINICE:Elektron je nejmenší částice hmoty, která má nejmenší záporný elektrický náboj.

Elektrony obíhají kolem centrálního jádra sestávajícího z jednoho nebo více protony A neutrony, na soustředných drahách. Elektrony jsou záporně nabité částice, protony jsou kladně nabité a neutrony jsou neutrální (obrázek 1.1).

DEFINICE:Proton je nejmenší částice hmoty, která má nejmenší kladný elektrický náboj.

O existenci elektronů a protonů nelze pochybovat. Vědci nejen určovali hmotnost, náboj a velikost elektronů a protonů, ale dokonce je přiměli pracovat v různých elektrických a radiotechnických zařízeních.

Bylo také zjištěno, že hmotnost elektronu závisí na rychlosti jeho pohybu a že se elektron v prostoru nejen pohybuje dopředu, ale také se otáčí kolem své osy.

Nejjednodušší strukturou je atom vodíku (obr. 1.1). Skládá se z protonového jádra a elektronu rotujícího velkou rychlostí kolem jádra a tvořící vnější obal (orbitu) atomu. Složitější atomy mají několik obalů, kterými rotují elektrony.

Tyto slupky jsou plněny elektrony postupně od jádra (obrázek 1.2).

Nyní se na to podíváme . Vnější plášť se nazývá mocenství, a počet elektronů v něm obsažených se nazývá mocenství. Čím dále od jádra valenční skořápka, tím menší přitažlivou sílu zažije každý valenční elektron z jádra. Atom tedy zvyšuje schopnost vázat na sebe elektrony v případě, že valenční obal není naplněn a nachází se daleko od jádra, nebo je ztratí.
Elektrony vnějšího obalu mohou přijímat energii. Pokud elektrony umístěné ve valenčním obalu přijmou potřebnou úroveň energie z vnějších sil, mohou se od ní odtrhnout a opustit atom, to znamená stát se volnými elektrony. Volné elektrony se mohou náhodně pohybovat z jednoho atomu na atom. Nazývají se ty materiály, které obsahují velké množství volných elektronů vodičů .

Izolátory , je opakem vodičů. Zabraňují toku elektrického proudu. Izolátory jsou stabilní, protože valenční elektrony některých atomů vyplňují valenční obaly jiných atomů a spojují je. Tím se zabrání tvorbě volných elektronů.
Zaujměte mezilehlou polohu mezi izolátory a vodiči polovodiče , ale o nich si povíme později
Uvažujme vlastnosti atomu. Atom, který má stejný počet elektronů a protonů, je elektricky neutrální. Atom, který získá jeden nebo více elektronů, se nabije záporně a nazývá se záporný iont. Pokud atom ztratí jeden nebo více elektronů, stane se kladným iontem, to znamená, že se nabije kladně.

Lekce je věnována utváření představ o složité struktuře atomu. Zvažuje se stav elektronů v atomu, jsou představeny pojmy „atomový orbital a elektronový mrak“ a tvary orbitalů (s--, p-, d-orbitaly). Aspekty jako maximální počet elektronů na energetických hladinách a podúrovních, distribuce elektronů napříč energetickými hladinami a podúrovněmi v atomech prvků prvních čtyř period a valenční elektrony s-, p- a d-prvků jsou rovněž považováno. Je uvedeno grafické schéma struktury elektronových vrstev atomů (elektronový grafický vzorec).

Téma: Struktura atomu. Periodický zákon D.I. Mendělejev

Lekce: Struktura atomu

Přeloženo z řečtiny, slovo „ atom" znamená „nedělitelný“. Byly však objeveny jevy, které demonstrují možnost jeho rozdělení. Jsou to emise rentgenového záření, emise katodových paprsků, jev fotoelektrického jevu, jev radioaktivity. Elektrony, protony a neutrony jsou částice, které tvoří atom. Jmenují se subatomární částice.

Stůl 1

Kromě protonů patří mezi jádra většiny atomů neutrony, které nenesou žádný poplatek. Jak je vidět z tabulky. 1 se hmotnost neutronu prakticky neliší od hmotnosti protonu. Protony a neutrony tvoří jádro atomu a nazývají se nukleony (nucleus - jádro). Jejich náboje a hmotnosti v jednotkách atomové hmotnosti (amu) jsou uvedeny v tabulce 1. Při výpočtu hmotnosti atomu lze hmotnost elektronu zanedbat.

Atomová hmotnost ( hromadné číslo) rovna součtu hmotností protonů a neutronů, které tvoří jeho jádro. Hmotnostní číslo je označeno písmenem A. Z názvu této veličiny je zřejmé, že úzce souvisí s atomovou hmotností prvku, zaokrouhlenou na celé číslo. A = Z + N

Tady A- hmotnostní číslo atomu (součet protonů a neutronů), Z- jaderný náboj (počet protonů v jádře), N- počet neutronů v jádře. Podle doktríny izotopů lze pojem „chemický prvek“ definovat takto:

Chemický prvek je soubor atomů se stejným jaderným nábojem.

Některé prvky existují ve formě několika izotopy. "Izotopy" znamená "zabírající stejné místo." Izotopy mají stejný počet protonů, ale liší se hmotností, tedy počtem neutronů v jádře (číslo N). Protože neutrony mají malý vliv na chemické vlastnosti prvků, všechny izotopy stejného prvku jsou chemicky nerozlišitelné.

Izotopy jsou odrůdy atomů stejného chemického prvku se stejným jaderným nábojem (tj. se stejným počtem protonů), ale s různým počtem neutronů v jádře.

Izotopy se od sebe liší pouze hmotnostním číslem. To je označeno buď horním indexem v pravém rohu, nebo řádkem: 12 C nebo S-12 . Pokud prvek obsahuje několik přírodních izotopů, pak v periodické tabulce D.I. Mendělejevova průměrná atomová hmotnost je uvedena s přihlédnutím k její hojnosti. Například chlor obsahuje 2 přírodní izotopy 35 Cl a 37 Cl, jejichž obsah je 75 % a 25 %. Atomová hmotnost chloru se tedy bude rovnat:

Ar(Cl)=0,75 . 35+0,25 . 37=35,5

U těžkých uměle syntetizovaných atomů je jedna hodnota atomové hmotnosti uvedena v hranatých závorkách. Jedná se o atomovou hmotnost nejstabilnějšího izotopu daného prvku.

Základní modely atomové struktury

Historicky první byl Thomsonův model atomu v roce 1897.

Rýže. 1. Model struktury atomu od J. Thomsona

Anglický fyzik J. J. Thomson navrhl, že atomy se skládají z kladně nabité koule, ve které jsou uloženy elektrony (obr. 1). Tento model se obrazně nazývá „švestkový nákyp“, houska s rozinkami (kde „rozinky“ jsou elektrony) nebo „vodní meloun“ se „semínky“ - elektrony. Od tohoto modelu však bylo upuštěno, protože byly získány experimentální údaje, které mu odporovaly.

Rýže. 2. Model struktury atomu podle E. Rutherforda

V roce 1910 provedli anglický fyzik Ernst Rutherford a jeho studenti Geiger a Marsden experiment, který přinesl pozoruhodné výsledky, nevysvětlitelné z hlediska Thomsonova modelu. Ernst Rutherford experimentálně prokázal, že ve středu atomu se nachází kladně nabité jádro (obr. 2), kolem kterého stejně jako planety kolem Slunce rotují elektrony. Atom jako celek je elektricky neutrální a elektrony jsou drženy v atomu v důsledku sil elektrostatické přitažlivosti (Coulombovy síly). Tento model měl mnoho rozporů a hlavně nevysvětloval, proč elektrony nedopadají na jádro, ani možnost absorpce a emise energie jím.

Dánský fyzik N. Bohr v roce 1913 na základě Rutherfordova modelu atomu navrhl model atomu, ve kterém částice elektronů rotují kolem jádra atomu přibližně stejným způsobem, jako se planety točí kolem Slunce.

Rýže. 3. Planetární model N. Bohra

Bohr navrhl, že elektrony v atomu mohou stabilně existovat pouze na drahách vzdálených od jádra v přesně určitých vzdálenostech. Tyto dráhy nazval stacionární. Mimo stacionární dráhy nemůže elektron existovat. Proč tomu tak bylo, Bohr v té době nedokázal vysvětlit. Ale ukázal, že takový model (obr. 3) umožňuje vysvětlit mnoho experimentálních faktů.

V současné době se používá k popisu struktury atomu kvantová mechanika. Jedná se o vědu, jejímž hlavním aspektem je, že elektron má vlastnosti částice a vlny zároveň, tedy vlnově-částicovou dualitu. Podle kvantové mechaniky, Oblast prostoru, ve které je největší pravděpodobnost nalezení elektronu, se nazýváorbitální. Čím dále je elektron od jádra, tím nižší je jeho interakční energie s jádrem. Vznikají elektrony s podobnými energiemi energetickou hladinu. Počet úrovní energie rovná se číslo období, ve kterém se tento prvek nachází v tabulce D.I. Mendělejev. Existují různé tvary atomových orbitalů. (obr. 4). Orbital d a orbital f mají složitější tvar.

Rýže. 4. Tvary atomových orbitalů

V elektronovém obalu každého atomu je přesně tolik elektronů, kolik je protonů v jeho jádře, takže atom jako celek je elektricky neutrální. Elektrony v atomu jsou umístěny tak, aby jejich energie byla minimální. Čím dále je elektron od jádra, tím více orbitalů je a tím je jejich tvar složitější. Každá úroveň a podúroveň může obsahovat pouze určitý počet elektronů. Podúrovně se zase skládají ze stejné energie orbitaly.

Na první energetické úrovni, nejblíže k jádru, může existovat jeden sférický orbital ( 1 s). Na druhé energetické úrovni je sférický orbital, velké velikosti, a tři p-orbitaly: 2 s2 ppp. Na třetí úrovni: 3 s3 ppp3 ddddd.

Kromě pohybu kolem jádra mají elektrony také pohyb, který lze považovat za jejich pohyb kolem vlastní osy. Tato rotace se nazývá točit ( v jízdním pruhu z angličtiny "vřeteno"). Jeden orbital může obsahovat pouze dva elektrony s opačnými (antiparalelními) spiny.

Maximum počet elektronů na energetickou hladinu určeno vzorcem N=2 n 2.

Kde n je hlavní kvantové číslo (číslo energetické hladiny). Viz tabulka. 2

Stůl 2

V závislosti na tom, ve kterém orbitálu je poslední elektron, existují s-, p-, d-Prvky. Prvky hlavních podskupin se týkají s-, p-Prvky. V sekundárních podskupinách jsou d-Prvky

Grafický diagram struktury elektronových vrstev atomů (elektronový grafický vzorec).

Elektronová konfigurace se používá k popisu uspořádání elektronů v atomových orbitalech. Chcete-li to napsat, orbitaly jsou napsány na řádku v symbolech ( s--, p-, d-,F-orbitaly) a před nimi jsou čísla udávající číslo energetické hladiny. Čím vyšší číslo, tím dále je elektron od jádra. Velkým písmenem nad označením orbitalu se píše počet elektronů umístěných v daném orbitalu (obr. 5).

Rýže. 5

Graficky lze distribuci elektronů v atomových orbitalech znázornit ve formě buněk. Každá buňka odpovídá jednomu orbitalu. Pro p-orbital budou tři takové buňky, pro d-orbital - pět, pro f-orbital - sedm. Jedna buňka může obsahovat 1 nebo 2 elektrony. Podle Hundovo pravidlo, jsou elektrony rozmístěny v orbitalech stejné energie (například ve třech p-orbitalech) nejprve jeden po druhém, a teprve když každý takový orbital již obsahuje jeden elektron, začíná plnění těchto orbitalů druhými elektrony. Takové elektrony se nazývají spárované. To se vysvětluje tím, že v sousedních buňkách se elektrony navzájem méně odpuzují, jako podobně nabité částice.

Viz Obr. 6 pro atom 7 N.

Rýže. 6

Elektronová konfigurace atomu skandia

21 Sc: 1 s 2 2 s 2 2 p 6 3 s 2 3 p 6 4 s 2 3 d 1

Elektrony ve vnější energetické hladině se nazývají valenční elektrony. 21 Sc odkazuje na d-Prvky.

Shrnutí lekce

Lekce zkoumala strukturu atomu, stav elektronů v atomu a představila koncept „atomového orbitálního a elektronového mraku“. Studenti se dozvěděli, jaký je tvar orbitalů ( s-, p-, d-orbitaly), jaký je maximální počet elektronů na energetických hladinách a podúrovních, rozložení elektronů na energetických hladinách, co je s-, p- A d-Prvky. Je uvedeno grafické schéma struktury elektronových vrstev atomů (elektronový grafický vzorec).

Bibliografie

1. Rudzitis G.E. Chemie. Základy obecné chemie. 11. ročník: učebnice pro všeobecně vzdělávací instituce: základní stupeň / G.E. Rudzitis, F.G. Feldman. - 14. vyd. - M.: Vzdělávání, 2012.

2. Popel P.P. Chemie: 8. ročník: učebnice pro všeobecně vzdělávací instituce / P.P. Popel, L.S. Krivlya. - K.: IC "Academy", 2008. - 240 s.: ill.

3. A.V. Manuilov, V.I. Rodionov. Základy chemie. Online učebnice.

Domácí práce

1. č. 5-7 (str. 22) Rudzitis G.E. Chemie. Základy obecné chemie. 11. ročník: učebnice pro všeobecně vzdělávací instituce: základní stupeň / G.E. Rudzitis, F.G. Feldman. - 14. vyd. - M.: Vzdělávání, 2012.

2. Napište elektronické vzorce pro tyto prvky: 6 C, 12 Mg, 16 S, 21 Sc.

3. Prvky mají tyto elektronické vzorce: a) 1s 2 2s 2 2p 4.b) 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 1. c) 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 6 4s 2. Jaké jsou tyto prvky?

DEFINICE

Atom– nejmenší chemická částice.

Rozmanitost chemických sloučenin je způsobena různými kombinacemi atomů chemických prvků do molekul a nemolekulárních látek. Schopnost atomu vstupovat do chemických sloučenin, jeho chemické a fyzikální vlastnosti jsou určeny strukturou atomu. V tomto ohledu je pro chemii nejdůležitější vnitřní struktura atomu a především struktura jeho elektronického obalu.

Modely atomové struktury

Počátkem 19. století oživil D. Dalton atomovou teorii, opírající se o základní zákony chemie v té době známé (stálost složení, vícenásobné poměry a ekvivalenty). První experimenty byly provedeny ke studiu struktury hmoty. Navzdory učiněným objevům (atomy stejného prvku mají stejné vlastnosti a atomy jiných prvků mají jiné vlastnosti, byl zaveden koncept atomové hmotnosti) byl atom považován za nedělitelný.

Po získání experimentálních důkazů (konec XIX - začátek XX století) o složitosti struktury atomu (fotoelektrický efekt, katoda a rentgenové záření, radioaktivita) bylo zjištěno, že atom se skládá z negativně a pozitivně nabitých částic, které interagují s navzájem.

Tyto objevy daly impuls k vytvoření prvních modelů atomové struktury. Byl navržen jeden z prvních modelů J. Thomson(1904) (obr. 1): atom si představovali jako „moře pozitivní elektřiny“ s oscilujícími elektrony.

Po experimentech s α-částicemi v roce 1911. Rutherford navrhl tzv planetární model atomová struktura (obr. 1), podobná struktuře sluneční soustavy. Podle planetárního modelu se ve středu atomu nachází velmi malé jádro s nábojem Z e, jehož rozměry jsou přibližně 1 000 000 krát menší než rozměry samotného atomu. Jádro obsahuje téměř celou hmotnost atomu a má kladný náboj. Elektrony se pohybují kolem jádra po drahách, jejichž počet je určen nábojem jádra. Vnější dráha elektronů určuje vnější rozměry atomu. Průměr atomu je 10 -8 cm, zatímco průměr jádra je mnohem menší -10 -12 cm.

Rýže. 1 Modely atomové struktury podle Thomsona a Rutherforda

Experimenty se studiem atomových spekter ukázaly nedokonalost planetárního modelu struktury atomu, protože tento model odporuje liniové struktuře atomových spekter. Na základě Rutherfordova modelu, Einsteinovy ​​doktríny světelných kvant a Planckovy kvantové teorie záření Niels Bohr (1913) formulované postuláty, která se skládá teorie atomové struktury(obr. 2): elektron se může otáčet kolem jádra ne po žádné, ale pouze po některých konkrétních drahách (stacionárních), pohybem po takové dráze nevyzařuje elektromagnetickou energii, záření (absorpce nebo emise kvanta elektromagnetické energie ) nastává během přechodu (skokového) elektronu z jedné dráhy na druhou.

Rýže. 2. Model struktury atomu podle N. Bohra

Nashromážděný experimentální materiál charakterizující strukturu atomu ukázal, že vlastnosti elektronů, stejně jako jiných mikroobjektů, nelze popsat na základě konceptů klasické mechaniky. Mikročástice se řídí zákony kvantové mechaniky, které se staly základem jejich stvoření moderní model atomové struktury.

Hlavní teze kvantové mechaniky:

- energie je emitována a absorbována tělesy v oddělených částech - kvanta, proto se energie částic prudce mění;

- elektrony a další mikročástice mají dvojí povahu - vykazují vlastnosti jak částic, tak vlnění (dualita vlna-částice);

— kvantová mechanika popírá přítomnost určitých drah pro mikročástice (u pohybujících se elektronů nelze určit přesnou polohu, jelikož se pohybují v prostoru blízko jádra, lze určit pouze pravděpodobnost nalezení elektronu v různých částech vesmíru).

Nazývá se prostor v blízkosti jádra, ve kterém je pravděpodobnost nalezení elektronu poměrně vysoká (90 %) orbitální.

Kvantová čísla. Pauliho princip. Klechkovského pravidla

Stav elektronu v atomu lze popsat pomocí čtyř kvantová čísla.

n– hlavní kvantové číslo. Charakterizuje celkovou energetickou rezervu elektronu v atomu a číslo energetické hladiny. n nabývá celočíselných hodnot od 1 do ∞. Elektron má nejnižší energii, když n=1; s rostoucí n – energií. Stav atomu, kdy jsou jeho elektrony na takové energetické úrovni, že jejich celková energie je minimální, se nazývá základní stav. Stavy s vyššími hodnotami se nazývají vzrušené. Energetické hladiny jsou označeny arabskými číslicemi podle hodnoty n. Elektrony mohou být uspořádány v sedmi úrovních, proto n ve skutečnosti existuje od 1 do 7. Hlavní kvantové číslo určuje velikost elektronového oblaku a určuje průměrný poloměr elektronu v atomu.

l– orbitální kvantové číslo. Charakterizuje energetickou rezervu elektronů v podúrovni a tvar orbitalu (tab. 1). Přijímá celočíselné hodnoty od 0 do n-1. l závisí na n. Pokud n=1, pak l=0, což znamená, že na 1. úrovni existuje 1. podúroveň.

mě– magnetické kvantové číslo. Charakterizuje orientaci orbitalu v prostoru. Přijímá celočíselné hodnoty od –l přes 0 do +l. Když tedy l=1 (p-orbital), m e nabývá hodnot -1, 0, 1 a orientace orbitalu může být různá (obr. 3).

Rýže. 3. Jedna z možných orientací v prostoru p-orbitalu

s– spinové kvantové číslo. Charakterizuje vlastní rotaci elektronu kolem jeho osy. Přijímá hodnoty -1/2(↓) a +1/2(). Dva elektrony ve stejném orbitalu mají antiparalelní spiny.

Stanoví se stav elektronů v atomech Pauliho princip: atom nemůže mít dva elektrony se stejnou sadou všech kvantových čísel. Je určena posloupnost plnění orbitalů elektrony Klechkovský vládne: orbitaly jsou pro tyto orbitaly zaplněny elektrony v rostoucím pořadí od součtu (n+l), pokud je součet (n+l) stejný, pak se nejprve zaplní orbital s menší hodnotou n.

Atom však obvykle obsahuje ne jeden, ale několik elektronů a pro zohlednění jejich vzájemné interakce se používá koncept efektivního jaderného náboje - elektron ve vnější hladině je vystaven náboji, který je menší než náboj. jádra, v důsledku čehož vnitřní elektrony stíní ty vnější.

Základní charakteristiky atomu: atomový poloměr (kovalentní, kovový, van der Waalsův, iontový), elektronová afinita, ionizační potenciál, magnetický moment.

Elektronické vzorce atomů

Všechny elektrony atomu tvoří jeho elektronový obal. Je znázorněna struktura elektronového obalu elektronický vzorec, který ukazuje rozložení elektronů napříč energetickými hladinami a podúrovněmi. Počet elektronů v podúrovni je označen číslem, které je zapsáno vpravo nahoře od písmene označujícího podúroveň. Například atom vodíku má jeden elektron, který se nachází v s-podúrovni 1. energetické hladiny: 1s 1. Elektronový vzorec helia obsahujícího dva elektrony je zapsán takto: 1s 2.

U prvků druhé periody elektrony vyplňují 2. energetickou hladinu, která může obsahovat maximálně 8 elektronů. Nejprve elektrony zaplní s-podúroveň, poté p-podúroveň. Například:

5 B 1s 2 2s 2 2p 1

Vztah mezi elektronovou strukturou atomu a pozicí prvku v periodické tabulce

Elektronický vzorec prvku je určen jeho pozicí v periodické tabulce D.I. Mendělejev. Číslo periody tedy odpovídá V prvcích druhé periody elektrony vyplňují 2. energetickou hladinu, která může obsahovat maximálně 8 elektronů. Nejprve elektrony vyplňují V prvcích druhé periody elektrony vyplňují 2. energetickou hladinu, která může obsahovat maximálně 8 elektronů. Nejprve elektrony zaplní s-podúroveň, poté p-podúroveň. Například:

5 B 1s 2 2s 2 2p 1

V atomech některých prvků je pozorován jev elektronového „skoku“ z vnější energetické hladiny na předposlední. K úniku elektronů dochází v atomech mědi, chrómu, palladia a některých dalších prvků. Například:

24 kr 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 5 4s 1

energetická hladina, která nemůže obsahovat více než 8 elektronů. Nejprve elektrony zaplní s-podúroveň, poté p-podúroveň. Například:

5 B 1s 2 2s 2 2p 1

Počet skupin prvků hlavních podskupin je roven počtu elektronů ve vnější energetické hladině, takové elektrony se nazývají valenční elektrony (podílejí se na tvorbě chemické vazby). Valenčními elektrony pro prvky vedlejších podskupin mohou být elektrony vnější energetické hladiny a d-podúrovně předposlední hladiny. Skupinový počet prvků sekundárních podskupin III-VII skupin, stejně jako pro Fe, Ru, Os, odpovídá celkovému počtu elektronů v s-podúrovni vnější energetické hladiny a d-podúrovni předposlední hladiny.

úkoly:

Nakreslete elektronové vzorce atomů fosforu, rubidia a zirkonia. Označte valenční elektrony.

Odpovědět:

15 P 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 3 Valenční elektrony 3s 2 3p 3

37 Rb 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 10 4s 2 4p 6 5s 1 Valenční elektrony 5s 1

40 Zr 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 10 4s 2 4p 6 4d 2 5s 2 Valenční elektrony 4d 2 5s 2

Protože při chemických reakcích zůstávají jádra reagujících atomů nezměněna (s výjimkou radioaktivních přeměn), závisí chemické vlastnosti atomů na struktuře jejich elektronových obalů. Teorie elektronová struktura atomu postavený na základě aparátu kvantové mechaniky. Strukturu atomových energetických hladin lze tedy získat na základě kvantově mechanických výpočtů pravděpodobností nalezení elektronů v prostoru kolem atomového jádra ( rýže. 4.5).

Rýže. 4.5. Schéma rozdělení energetických hladin do podúrovní

Základy teorie elektronové struktury atomu jsou redukovány na následující ustanovení: stav každého elektronu v atomu je charakterizován čtyřmi kvantovými čísly: hlavním kvantovým číslem n = 1, 2, 3,; orbitální (azimutální) l=0,1,2, n–1; magnetický m l = –l, –1,0,1,  l; roztočit m s = -1/2, 1/2 .

Podle Pauliho princip, ve stejném atomu nemohou být dva elektrony se stejnou sadou čtyř kvantových čísel n, l, m l , m s; soubory elektronů se stejnými hlavními kvantovými čísly n tvoří elektronové vrstvy nebo energetické hladiny atomu, číslované od jádra a označované jako K, L, M, N, O, P, Q, a v energetické vrstvě s danou hodnotou n nemůže být více než 2n 2 elektrony. Soubory elektronů se stejnými kvantovými čísly n A l, tvořit podúrovně, označené jako se vzdalují od jádra jako s, p, d, f.

Pravděpodobnostní určení polohy elektronu v prostoru kolem atomového jádra odpovídá Heisenbergově principu neurčitosti. Podle kvantově mechanických koncepcí nemá elektron v atomu specifickou trajektorii pohybu a může být umístěn v jakékoli části prostoru kolem jádra a jeho různé polohy jsou považovány za elektronový mrak s určitou zápornou hustotou náboje. Prostor kolem jádra, ve kterém se s největší pravděpodobností nachází elektron, se nazývá orbitální. Obsahuje asi 90 % elektronového oblaku. Každá podúroveň 1s, 2s, 2p atd. odpovídá určitému počtu orbitalů určitého tvaru. Například, 1s- A 2s- orbitaly jsou kulové a 2p- orbitaly ( 2p X , 2p y , 2p z-orbitaly) jsou orientovány ve vzájemně kolmých směrech a mají tvar činky ( rýže. 4.6).

Rýže. 4.6. Tvar a orientace elektronových orbitalů.

Při chemických reakcích nedochází k změnám atomového jádra, mění se pouze elektronové obaly atomů, jejichž struktura vysvětluje mnohé vlastnosti chemických prvků. Na základě teorie elektronové struktury atomu byl stanoven hluboký fyzikální význam Mendělejevova periodického zákona chemických prvků a byla vytvořena teorie chemické vazby.

Teoretické zdůvodnění periodického systému chemických prvků zahrnuje údaje o struktuře atomu, potvrzující existenci souvislosti mezi periodicitou změn vlastností chemických prvků a periodickým opakováním podobných typů elektronových konfigurací jejich atomů.

Ve světle doktríny o struktuře atomu se Mendělejevovo rozdělení všech prvků do sedmi period stává oprávněným: počet period odpovídá počtu energetických hladin atomů naplněných elektrony. V malých periodách, s nárůstem kladného náboje atomových jader, se počet elektronů na vnější úrovni zvyšuje (z 1 na 2 v první periodě a z 1 na 8 ve druhé a třetí periodě), což vysvětluje změna vlastností prvků: na začátku období (kromě prvního) je alkalický kov, pak je pozorováno postupné oslabování kovových vlastností a posilování nekovových vlastností. Tento vzor lze vysledovat pro prvky druhého období tabulka 4.2.

Tabulka 4.2.

Ve velkých periodách, jak se zvyšuje náboj jader, je plnění hladin elektrony obtížnější, což vysvětluje složitější změnu vlastností prvků oproti prvkům malých period.

Identická povaha vlastností chemických prvků v podskupinách se vysvětluje podobnou strukturou vnější energetické hladiny, jak ukazuje stůl 4.3, znázorňující sekvenci plnění energetických hladin elektrony pro podskupiny alkalických kovů.

Tabulka 4.3.

Číslo skupiny obvykle udává počet elektronů v atomu, které se mohou podílet na tvorbě chemických vazeb. Toto je fyzický význam čísla skupiny. Na čtyřech místech periodické tabulky nejsou prvky uspořádány v pořadí podle rostoucí atomové hmotnosti: Ar A K,spol A Ni,TE A já,Th A Pa. Tyto odchylky byly považovány za nedostatky periodické tabulky chemických prvků. Doktrína struktury atomu vysvětlila tyto odchylky. Experimentální stanovení jaderných nábojů ukázalo, že uspořádání těchto prvků odpovídá nárůstu nábojů jejich jader. Experimentální stanovení nábojů atomových jader navíc umožnilo určit počet prvků mezi vodíkem a uranem a také počet lanthanoidů. Nyní jsou všechna místa v periodické tabulce vyplněna v intervalu od Z=1 před Z=114 periodický systém však není úplný, objev nových transuraniových prvků je možný.

Všechno na světě se skládá z atomů. Ale odkud se vzaly a z čeho jsou vyrobeny? Dnes odpovíme na tyto jednoduché a základní otázky. Koneckonců mnoho lidí žijících na planetě říká, že nerozumí struktuře atomů, ze kterých se sami skládají.

Drahý čtenář samozřejmě chápe, že v tomto článku se snažíme prezentovat vše na nejjednodušší a nejzajímavější úrovni, takže jej „nezatěžujeme“ vědeckými termíny. Těm, kteří chtějí problematiku studovat na odbornější úrovni, se doporučuje prostudovat odbornou literaturu. Přesto mohou informace v tomto článku dobře posloužit při vašem studiu a jednoduše vás učinit erudovanějším.

Atom je částice látky mikroskopické velikosti a hmotnosti, nejmenší část chemického prvku, která je nositelem jeho vlastností. Jinými slovy, je to nejmenší částice látky, která může vstupovat do chemických reakcí.

Historie a struktura objevu

Koncept atomu byl znám již ve starověkém Řecku. Atomismus je fyzikální teorie, která tvrdí, že všechny hmotné objekty jsou složeny z nedělitelných částic. Spolu se starověkým Řeckem se myšlenka atomismu paralelně vyvíjela i ve starověké Indii.

Není známo, zda mimozemšťané vyprávěli tehdejším filozofům o atomech, nebo na to přišli sami, ale chemici byli schopni experimentálně potvrdit tuto teorii mnohem později - až v sedmnáctém století, kdy se Evropa vynořila z propasti inkvizice a středověk.

Po dlouhou dobu byla dominantní myšlenkou struktury atomu představa o něm jako o nedělitelné částici. Skutečnost, že atom lze stále dělit, se ukázala až na počátku dvacátého století. Rutherford díky svému slavnému experimentu s vychylováním částic alfa zjistil, že atom se skládá z jádra, kolem kterého obíhají elektrony. Byl přijat planetární model atomu, podle kterého elektrony obíhají kolem jádra, jako planety naší sluneční soustavy kolem hvězdy.

Moderní představy o struktuře atomu pokročily daleko. Jádro atomu zase tvoří subatomární částice, neboli nukleony – protony a neutrony. Jsou to nukleony, které tvoří většinu atomu. Navíc protony a neutrony také nejsou nedělitelné částice a skládají se z fundamentálních částic - kvarků.

Jádro atomu má kladný elektrický náboj a elektrony rotující na oběžné dráze mají záporný elektrický náboj. Atom je tedy elektricky neutrální.

Níže uvádíme základní schéma struktury atomu uhlíku.

Vlastnosti atomů

Hmotnost

Hmotnost atomů se obvykle měří v atomových hmotnostních jednotkách - a.m.u. Atomová hmotnostní jednotka je hmotnost 1/12 volně spočívajícího atomu uhlíku v jeho základním stavu.

V chemii se koncept používá k měření hmotnosti atomů "mol". 1 mol je množství látky, které obsahuje počet atomů rovný Avogadrově číslu.

Velikost

Velikosti atomů jsou extrémně malé. Nejmenší atom je atom helia, jeho poloměr je 32 pikometrů. Největší atom je atom cesia, který má poloměr 225 pikometrů. Předpona pico znamená deset až mínus dvanáctá mocnina! To znamená, že pokud zmenšíme 32 metrů tisícmiliardkrát, dostaneme velikost poloměru atomu helia.

Přitom rozsah věcí je takový, že ve skutečnosti je atom z 99 % prázdný. Jádro a elektrony zabírají extrémně malou část jeho objemu. Pro jasnost zvažte tento příklad. Pokud si představíte atom v podobě olympijského stadionu v Pekingu (nebo možná ne v Pekingu, jen si představte velký stadion), pak jádro tohoto atomu bude třešničkou umístěnou ve středu pole. Dráhy elektronů by byly někde na úrovni horních tribun a třešeň by vážila 30 milionů tun. Působivé, že?

Odkud se berou atomy?

Jak víte, různé atomy jsou nyní seskupeny v periodické tabulce. Obsahuje 118 (a pokud s předpovězenými, ale dosud neobjevenými prvky - 126) prvků, nepočítaje izotopy. Ale nebylo tomu tak vždy.

Na samém počátku vzniku Vesmíru neexistovaly atomy, ba co víc, existovaly pouze elementární částice, které spolu interagovaly pod vlivem obrovských teplot. Jak by řekl básník, byla to skutečná apoteóza částic. V prvních třech minutách existence Vesmíru se vlivem poklesu teploty a souhrou celé řady faktorů rozběhl proces primární nukleosyntézy, kdy se z elementárních částic objevily první prvky: vodík, helium, lithium a deuterium (těžký vodík). Právě z těchto prvků se vytvořily první hvězdy, v jejichž hlubinách probíhaly termonukleární reakce, v důsledku kterých „hořely“ vodík a helium a tvořily těžší prvky. Pokud byla hvězda dostatečně velká, ukončila svůj život takzvanou „supernovou“ explozí, v jejímž důsledku byly atomy vymrštěny do okolního prostoru. Tak dopadla celá periodická tabulka.

Můžeme tedy říci, že všechny atomy, ze kterých se skládáme, byly kdysi součástí starověkých hvězd.

Proč se jádro atomu nerozpadá?

Ve fyzice existují čtyři typy základních interakcí mezi částicemi a těly, které tvoří. Jedná se o silné, slabé, elektromagnetické a gravitační interakce.

Právě díky silné interakci, která se projevuje v měřítku atomových jader a je zodpovědná za přitažlivost mezi nukleony, je atom takovým „tvrdým oříškem“.

Není to tak dávno, co si lidé uvědomili, že když se jádra atomů štěpí, uvolňuje se obrovská energie. Štěpení těžkých atomových jader je zdrojem energie v jaderných reaktorech a jaderných zbraních.

Takže, přátelé, když jsme vás seznámili se strukturou a základy struktury atomu, můžeme vám pouze připomenout, že jsme připraveni vám kdykoli pomoci. Nezáleží na tom, zda potřebujete dokončit diplom z jaderné fyziky nebo nejmenší test - situace jsou různé, ale z každé situace existuje cesta ven. Přemýšlejte o měřítku vesmíru, objednejte si práci od Zaochnika a pamatujte - není důvod k obavám.