Із атомів яких елементів складається. Урок: Будова атома

Будь-яка речовина складається з дуже маленьких частинок, які називаються атомами . Атом-це найменша частка хімічного елемента, що зберігає всі його характерні властивості. Щоб уявити розміри атома, досить сказати що якби їх вдалося вкласти впритул один до одного, то один мільйон атомів зайняв би відстань всього в 0,1 мм.

Подальший розвиток науки про будову речовини показав, що атом також має складну будову і складається з електронів та протонів. Так виникла електронна теорія будови речовини.

У давнину було виявлено, що існують два роду електрики: позитивне і негативне. Кількість електрики, що міститься в тілі, почали називати зарядом. Залежно від роду електрики, якою володіє тіло, заряд може бути позитивним чи негативним.

Було також встановлене досвідченим шляхом, що однойменні заряди відштовхуються, а різноіменні притягуються.

Розглянемо електронна будова атома. Атоми складаються з ще більш дрібних частинок, ніж вони самі називаються електронами.

ВИЗНАЧЕННЯ:Електрон - це найдрібніша частка речовини, що має найменший негативний електричний заряд.

Електрони обертаються навколо центрального ядра, що складається з одного чи більше протоніві нейтронів, за концентричними орбітами Електрони є негативно зарядженими частинками, протони – позитивними, а нейтрони – нейтральними (рисунок 1.1).

ВИЗНАЧЕННЯ:Протон - найдрібніша частка речовини, що має найменший позитивний електричний заряд.

Існування електронів та протонів не викликає жодного сумніву. Вчені не тільки визначили масу, заряд та розміри електронів та протонів, але навіть змусили їх працювати у різних електричних та радіотехнічних приладах.

Було також встановлено, що маса електрона залежить від швидкості його руху і що електрон як поступово рухається у просторі, а й обертається навколо своєї осі.

Найбільш простим за своєю будовою є атом водню (рис. 1.1). Він складається з ядра-протона і обертається з величезною швидкістю навколо ядра електрона, що утворює зовнішню оболонку (орбіту) атома. Більш складні атоми мають кілька оболонок, якими обертаються електрони.

Ці оболонки послідовно від ядра заповнюються електронами (рисунок 1.2).

Тепер розберемо . Найзовнішня оболонка називається валентної, А число електронів, що міститься в ній, називається валентністю. Що далі від ядра валентна оболонка,отже, тим меншу силу тяжіння відчуває кожен валентний електрон із боку ядра. Тим самим у атома збільшується можливість приєднувати себе електрони в тому випадку, якщо валентна оболонка не заповнена і розташована далеко від ядра, або втрачати їх.
Електрони зовнішньої оболонки можуть одержувати енергію. Якщо електрони, що знаходяться у валентній оболонці, отримають необхідний рівень енергії від зовнішніх сил, вони можуть відірватися від неї і залишити атом, тобто стати вільними електронами. Вільні електрони здатні довільно переміщатися від одного до атома атома. Ті матеріали, в яких міститься велика кількість вільних електронів, називаються провідниками .

Ізолятори є протилежність провідникам. Вони перешкоджають протіканню електричного струму. Ізолятори стабільні тому, що валентні електрони одних атомів заповнюють валентні оболонки інших атомів, приєднуючись до них. Це перешкоджає утворенню вільних електронів.
Проміжне положення між ізоляторами та провідниками займають напівпровідники , але про них ми поговоримо пізніше
Розглянемо властивості атома. Атом, який має однакову кількість електронів та протонів, електрично нейтральний. Атом, який отримує один або більше електронів, стає негативно зарядженим і має назву негативний іон. Якщо атом втрачає один чи більше електронів, він стає позитивним іоном, тобто заряджається позитивно.

Урок присвячений формуванню уявлень про складну будову атома. Розглядається стан електронів в атомі, вводяться поняття «атомна орбіталь та електронна хмара», форми орбіталей (s-, p-, d-орбіталі). Також розглядаються такі аспекти, як максимальна кількість електронів на енергетичних рівнях та підрівнях, розподіл електронів за енергетичними рівнями та підрівнями в атомах елементів перших чотирьох періодів, валентні електрони s-, p- та d-елементів. Наводиться графічна схема будови електронних верств атомів (електронно-графічна формула).

Будова атома. Періодичний закон Д.І. Менделєєва

Урок: Будова атома

У перекладі з грецької мови слово « атом»означає "неподільний". Однак були відкриті явища, які демонструють можливість його поділу. Це випромінювання рентгенівських променів, катодних променів, явище фотоефекту, явище радіоактивності. Електрони, протони та нейтрони - це частинки, з яких складається атом. Вони називаються субатомними частинками.

Табл. 1

Крім протонів, до складу ядра більшості атомів входять нейтрони, що не несуть ніякого заряду. Як очевидно з табл. 1 маса нейтрона практично не відрізняється від маси протона. Протони та нейтрони складають ядро ​​атома і називаються нуклонами (Nucleus - ядро). Їхні заряди та маси в атомних одиницях маси (а.е.м.) показані в таблиці 1. При розрахунку маси атома масою електрона можна знехтувати.

Маса атома ( масове число)дорівнює сумі мас, що становлять його ядро ​​протонів і нейтронів. Масове число позначається буквою А. З назви цієї величини видно, що вона тісно пов'язана із заокругленою до цілого числа атомною масою елемента. A = Z + N

Тут A- масове число атома (сума протонів та нейтронів), Z- Заряд ядра (число протонів в ядрі), N- Число нейтронів в ядрі. Згідно з вченням про ізотопи, поняття «хімічний елемент» можна дати таке визначення:

Хімічним елементом називається сукупність атомів із однаковим зарядом ядра.

Деякі елементи існують у вигляді кількох ізотопів. «Ізотопи» означає «що займає одне і те ж місце». Ізотопи мають однакову кількість протонів, але відрізняються масою, тобто числом нейтронів у ядрі (числом N). Оскільки нейтрони практично не впливають на хімічні властивості елементів, всі ізотопи одного й того самого елемента хімічно не відрізняються.

Ізотопами називаються різновиди атомів одного і того ж хімічного елемента з однаковим зарядом ядра (тобто з однаковим числом протонів), але з різним числом нейтронів у ядрі.

Ізотопи відрізняються один від одного лише масовим числом. Це позначається або верхнім індексом у правому кутку, або в рядок: 12 С або С-12 . Якщо елемент містить кілька природних ізотопів, то періодичній таблиці Д.І. Менделєєва вказується, його середня атомна маса з урахуванням поширеності. Наприклад, хлор містить 2 природні ізотопи 35 Cl і 37 Cl, вміст яких становить відповідно 75% і 25%. Таким чином, атомна маса хлору дорівнюватиме:

Аr(Cl)=0,75 . 35+0,25 . 37=35,5

Для важких штучно-синтезованих атомів наводиться одне значення атомної маси квадратних дужках. Це атомна маса найбільш стійкого ізотопу даного елемента.

Основні моделі будови атома

Історично першою 1897 року була модель атома Томсона.

Мал. 1. Модель будови атома Дж. Томсона

Англійський фізик Дж. Дж. Томсон припустив, що атоми складаються з позитивно зарядженої сфери, в яку вкраплені електрони (рис. 1). Цю модель образно називають "сливовий пудинг", булочка з родзинками (де "родзинки" - це електрони), або "кавун" з "насінням" - електронами. Однак від цієї моделі відмовилися, тому що були отримані експериментальні дані, що суперечать їй.

Мал. 2. Модель будови атома Е. Резерфорда

У 1910 році англійський фізик Ернст Резерфорд зі своїми учнями Гейгером і Марсденом провели експеримент, який дав разючі результати, незрозумілі з погляду моделі Томсона. Ернст Резерфорд довів на досвіді, що в центрі атома є позитивно заряджене ядро ​​(рис. 2), навколо якого, подібно до планет навколо Сонця, обертаються електрони. Атом загалом електронейтральний, а електрони утримуються в атомі за рахунок сил електростатичного тяжіння (кулонівських сил). Ця модель мала багато протиріч і, головне, не пояснювала, чому електрони не падають на ядро, а також можливість поглинання та випромінювання ним енергії.

Датський фізик Н. Бор у 1913 році, взявши за основу модель атома Резерфорда, запропонував модель атома, в якій електрони-частинки обертаються навколо ядра атома приблизно так, як планети обертаються навколо Сонця.

Мал. 3. Планетарна модель Н. Бора

Бор припустив, що електрони в атомі можуть стійко існувати тільки на орбітах, віддалених від ядра на певні відстані. Ці орбіти він назвав стаціонарними. Поза стаціонарними орбітами електрон існувати не може. Чому це так, Бор на той час пояснити не міг. Але він показав, що така модель (рис. 3) дозволяє пояснити багато експериментальних фактів.

В даний час для опису будови атома використовується квантова механіка.Це наука, головним аспектом якої є те, що електрон володіє властивостями частки і хвилі одночасно, тобто корпускулярно-хвильовим дуалізмом. Згідно з квантовою механікою, область простору, в якій ймовірність знаходження електрона найбільша, називаєтьсяорбіталлю. Чим далі електрон знаходиться від ядра, тим менша його енергія взаємодії з ядром. Електрони з близькими енергіями утворюють енергетичний рівень. Число енергетичних рівніводно номеру періоду, У якому знаходиться даний елемент у таблиці Д.І. Менделєєва. Існують різні форми атомних орбіталей. (Мал. 4). d-орбіталь та f-орбіталь мають більш складну форму.

Мал. 4. Форми атомних орбіталей

В електронній оболонці будь-якого атома рівно стільки електронів, скільки протонів у його ядрі, тому атом загалом електронейтральний. Електрони в атомі розміщуються так, щоб їхня енергія була мінімальною. Чим далі електрон знаходиться від ядра, тим більше орбіталей і тим складніше вони формою. На кожному рівні та підрівні може міститися лише певна кількість електронів. Підрівні, у свою чергу, складаються з однакових по енергії орбіталей.

На першому енергетичному рівні, найближчому до ядра, може існувати одна сферична орбіталь ( 1 s). На другому енергетичному рівні - сферична орбіталь, велика за розміром і три р-орбіталі: 2 s2 ppp. На третьому рівні: 3 s3 ppp3 ddddd.

Крім руху навколо ядра, електрони мають ще рух, який можна уявити, як їх рух навколо власної осі. Це обертання називається спином (у пров. з англ. "веретено"). На одній орбіталі можуть бути лише два електрони, які мають протилежні (антипаралельні) спини.

максимальнечисло електронів на енергетичному рівнівизначається за формулою N=2 n 2.

Де n – головне квантове число (номер енергетичного рівня). табл. 2

Табл. 2

Залежно від цього, який орбіталі перебуває останній електрон, розрізняють s-, p-, d-Елементи.Елементи головних підгруп відносяться до s-, p-Елементів.У побічних підгрупах знаходяться d-Елементи

Графічна схема будови електронних верств атомів (електронно-графічна формула).

Для опису розташування електронів атомних орбіталях використовують електронну конфігурацію. Для її написання в рядок пишуться орбіталі в умовних позначеннях ( s--, p-, d-,f-орбіталі), а перед ними – числа, що позначають номер енергетичного рівня. Чим більше число, тим далі електрон знаходиться від ядра. У верхньому регістрі, над позначенням орбіталі, пишеться кількість електронів, що є даної орбіталі (Рис. 5).

Мал. 5

Графічно розподіл електронів на атомних орбіталях можна у вигляді осередків. Кожен осередок відповідає одній орбіталі. Для р-орбіталі таких осередків буде три, для d-орбіталі – п'ять, для f-орбіталі – сім. В одному осередку може бути 1 або 2 електрони. Згідно правилу Гунда, Електрони розподіляються на однакових енергією орбіталях (наприклад, на трьох p-орбіталях) спочатку по одному, і тільки коли в кожній такій орбіталі вже знаходиться по одному електрону, починається заповнення цих орбіталей іншими електронами. Такі електрони називають спареними.Пояснюють це тим, що у сусідніх осередках електрони менше відштовхуються одна від одної, як однойменно заряджені частинки.

рис. 6 атома 7 N.

Мал. 6

Електронна конфігурація атома скандію

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

Електрони зовнішнього енергетичного рівня називаються валентними. 21 Scвідноситься до d-Елементів.

Підбиття підсумку уроку

На уроці було розглянуто будову атома, стан електронів в атомі, запроваджено поняття «атомна орбіталь та електронна хмара». Учні дізналися, що таке форма орбіталей ( s-, p-, d-орбіталі), якою є максимальна кількість електронів на енергетичних рівнях і підрівнях, розподіл електронів за енергетичними рівнями, що таке s-, p- І d-Елементи. Наведено графічну схему будови електронних шарів атомів (електронно-графічна формула).

Список літератури

1. Рудзітіс Г.Є. Хімія. Основи загальної хімії. 11 клас: підручник для загальноосвітніх установ: базовий рівень/Г.Є. Рудзітіс, Ф.Г. Фельдман. - 14-те вид. - М: Просвітництво, 2012.

2. Попіль П.П. Хімія: 8 кл.: підручник для загальноосвітніх навчальних закладів/П.П. Попель, Л.С.Крівля. – К.: ІЦ «Академія», 2008. – 240 с.: іл.

3. А.В. Мануйлов, В.І. Родіонів. Основи хімії. Інтернет-підручник.

Домашнє завдання

1. №№5-7 (с. 22) Рудзітіс Г.Є. Хімія. Основи загальної хімії. 11 клас: підручник для загальноосвітніх установ: базовий рівень/Г.Є. Рудзітіс, Ф.Г. Фельдман. - 14-те вид. - М: Просвітництво, 2012.

2. Напишіть електронні формули для наступних елементів: 6 C, 12 Mg, 16 S, 21 Sc.

3. Елементи мають такі електронні формули: а) 1s 2 2s 2 2p 4 .б) 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 1 . в) 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 6 4s 2 . Які це елементи?

ВИЗНАЧЕННЯ

атом- Найменша хімічна частка.

Різноманітність хімічних сполук обумовлено різним поєднанням атомів хімічних елементів у молекули та немолекулярні речовини. Здатність атома вступати в хімічні сполуки, його хімічні та фізичні властивості визначаються структурою атома. У зв'язку з цим хімії першорядне значення має внутрішню будову атома й у першу чергу структура його електронної оболонки.

Моделі будови атома

На початку ХІХ століття Д. Дальтон відродив атомістичну теорію, спираючись на відомі на той час основні закони хімії (постійності складу, кратних відносин, і еквівалентів). Провели перші експерименти з вивчення будови речовини. Проте, попри зроблені відкриття (атоми однієї й тієї ж елементи мають одними й тими самими властивостями, а атоми інших елементів – іншими властивостями, запроваджено поняття атомної маси), атом вважали неподільним.

Після отримання експериментальних доказів (кінець XIX початок XX століття) складності будови атома (фотоефект, катодні та рентгенівські промені, радіоактивність) було встановлено, що атом складається з негативно та позитивно заряджених частинок, які взаємодіють між собою.

Ці відкриття дали поштовх до створення перших моделей будови атома. Одна з перших моделей була запропонована Дж. Томсоном(1904) (рис. 1): атом представлявся як «море позитивної електрики» з електронами, що коливаються в ньому.

Після дослідів з α-частинками, 1911р. Резерфорд запропонував так звану планетарну модельбудови атома (рис. 1), схожу на будову сонячної системи. Згідно з планеєтарною моделлю, в центрі атома знаходиться дуже маленьке ядро ​​з зарядом Z е, розміри якого приблизно в 1000000 разів менше розмірів самого атома. Ядро містить практично всю масу атома і має позитивний заряд. Навколо ядра орбітами рухаються електрони, кількість яких визначається зарядом ядра. Зовнішня траєкторія руху електронів визначає зовнішні розміри атома. Діаметр атома становить 10 -8 см, тоді як діаметр ядра набагато менше -10 -12 см.

Мал. 1 Моделі будови атома за Томсоном та Резерфордом

Досліди щодо вивчення атомних спектрів показали недосконалість планетарної моделі будови атома, оскільки ця модель суперечить лінійній структурі атомних спектрів. На підставі моделі Резерфорда, вченні Енштейна про світлові кванти та квантову теорію випромінювання планка Нільс Бор (1913)сформулював постулати, в яких полягає теорія будови атома(рис. 2): електрон може обертатися навколо ядра не за будь-якими, а лише за деякими певними орбітами (стаціонарними), рухаючись по такій орбіті він не випромінює електромагнітної енергії, випромінювання (поглинання або випромінювання кванта електромагнітної енергії) відбувається при переході (стрибкоподібному) електрона з однієї орбіти в іншу.

Мал. 2. Модель будови атома за Н. Бором

Накопичений експериментальний матеріал, що характеризує будову атома, показав, що властивості електронів та інших мікрооб'єктів не можуть бути описані на основі уявлень класичної механіки. Мікрочастинки підпорядковуються законам квантової механіки, яка стала основою створення сучасної моделі будови атома.

Основні тези квантової механіки:

- енергія випромінюється і поглинається тілами окремими порціями - квантами, отже, енергія частинок змінюється стрибкоподібно;

- електрони та інші мікрочастинки мають подвійну природу - виявляє властивості і частинки, і хвилі (корпускулярно-хвильовий дуалізм);

— квантова механіка заперечує наявність певних орбіт у мікрочастинок (для електронів, що рухаються, неможливо визначити точне положення, тому що вони рухаються в просторі поблизу ядра, можна лише визначити ймовірність знаходження електрона в різних частинах простору).

Простір поблизу ядра, в якому досить велика ймовірність знаходження електрона (90%), називається орбіталлю.

Квантові числа. Принцип Паулі Правила Клечковського

Стан електрона в атомі можна описати за допомогою чотирьох квантових чисел.

n- Головне квантове число. Характеризує загальний запас енергії електрона в атомі та номер енергетичного рівня. nнабуває цілих значень від 1 до ∞. Найменшою енергією електрон має при n=1; зі збільшенням n – енергія. Стан атома, коли його електрони знаходяться на таких енергетичних рівнях, що їхня сумарна енергія мінімальна, називається основним. Стани з вищими значеннями називаються збудженими. Енергетичні рівні позначаються арабськими цифрами відповідно до значення n. Електрони можна розмістити по семи рівнях, тому реально n існує від 1 до 7. Головне квантове число визначає розміри електронної хмари і визначає середній радіус знаходження електрона в атомі.

l- орбітальне квантове число. Характеризує запас енергії електронів у підрівні та форму орбіталі (табл. 1). Набуває цілих значень від 0 до n-1. l залежить від n. Якщо n=1, то l=0, що свідчить, що у 1-му рівні 1-н подуровень.

m e- Магнітне квантове число. Характеризує орієнтацію орбіталі у просторі. Приймає цілі чисельності від –l через 0 до +l. Так, при l=1 (p-орбіталь), m e набуває значення -1, 0, 1 і орієнтація орбіталі може бути різною (рис. 3).

Мал. 3. Одна з можливих орієнтацій у просторі p-орбіталі

s- Спинове квантове число. Характеризує власне обертання електрона навколо осі. Приймає значення -1/2(↓) та +1/2(). Два електрони на одній орбіталі мають антипаралельні спини.

Стан електронів в атомах визначається принципом Паулі: в атомі не може бути двох електронів з однаковим набором квантових чисел. Послідовність заповнення орбіталей електронами визначається правилами Клечковського: орбіталі заповнюються електронами у порядку зростання суми (n+l) цих орбіталей, якщо сума (n+l) однакова, то першої заповнюється орбіталь з меншим значенням n.

Однак, в атомі зазвичай присутні не один, а кілька електронів і, щоб врахувати їхню взаємодію один з одним, використовують поняття ефективного заряду ядра – на електрон зовнішнього рівня діє заряд, менший заряду ядра, внаслідок чого внутрішні електрони екранують зовнішні.

Основні характеристики атома: атомний радіус (ковалентний, металевий, ван-дер-ваальс, іонний), спорідненість до електрона, потенціал іонізації, магнітний момент.

Електронні формули атомів

Усі електрони атома утворюють його електронну оболонку. Будова електронної оболонки зображується електронною формулою, яка показує розподіл електронів за енергетичними рівнями та підрівнями. Число електронів на підрівні позначається цифрою, яка записується праворуч угорі від літери, що показує підрівень. Наприклад, атом водню має один електрон, розташований на s-підрівні 1-го енергетичного рівня: 1s 1 . Електронна формула гелію, що містить два електрони записується так: 1s 2 .

У елементів другого періоду електрони заповнюють 2-й енергетичний рівень, на якому можуть бути не більше 8-ми електронів. Спочатку електрони заповнюють s-підрівень, потім – p-підрівень. Наприклад:

5 B 1s 2 2s 2 2p 1

Зв'язок електронної будови атома з положенням елемента у Періодичній системі

Електронну формулу елемента визначають за його становищем у Періодичній системі Д.І. Менделєєва. Так, номер періоду відповідає У елементів другого періоду електрони заповнюють 2-й енергетичний рівень, на якому можуть бути не більше 8-ми електронів. Спочатку електрони заповнюють У елементів другого періоду електрони заповнюють 2-й енергетичний рівень, на якому можуть бути не більше 8-ми електронів. Спочатку електрони заповнюють s-підрівень, потім – p-підрівень. Наприклад:

5 B 1s 2 2s 2 2p 1

У атомів деяких елементів спостерігається явище «проскоку» електрона із зовнішнього енергетичного рівня на передостанній. Проскок електрона відбувається у атомів міді, хрому, паладію та деяких інших елементів. Наприклад:

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

енергетичний рівень, на якому можуть перебувати не більше 8 електронів. Спочатку електрони заповнюють s-підрівень, потім – p-підрівень. Наприклад:

5 B 1s 2 2s 2 2p 1

Номер групи елементів головних підгруп дорівнює числу електронів на зовнішньому енергетичному рівні, такі електрони називають валентними (вони беруть участь у освіті хімічного зв'язку). Валентними електронами елементів побічних підгруп можуть бути електрони зовнішнього енергетичного рівня і d-підрівня передостаннього рівня. Номер групи елементів побічних підгруп III-VII груп, а також у Fe, Ru, Os відповідає загальній кількості електронів на s-підрівні зовнішнього енергетичного рівня та d-підрівні передостаннього рівня

Завдання:

Зобразіть електронні формули атомів фосфору, рубідія та цирконію. Вкажіть валентні електрони.

Відповідь:

15 P 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 3 Валентні електрони 3s 2 3p 3

37 Rb 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 10 4s 2 4p 6 5s 1 Валентні електрони 5s 1

40 Zr 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 10 4s 2 4p 6 4d 2 5s 2 Валентні електрони 4d 2 5s 2

Так як при хімічних реакціях ядра реагуючих атомів залишаються без змін (за винятком радіоактивних перетворень), то хімічні властивості атомів залежать від будови електронних оболонок. Теорія електронної будови атомапобудована на основі апарату квантової механіки. Так, структура енергетичних рівнів атома може бути отримана на основі квантовомеханічних розрахунків ймовірностей знаходження електронів у просторі навколо атомного ядра ( Мал. 4.5).

Мал. 4.5. Схема підрозділу енергетичних рівнів на підрівні

Основи теорії електронної будови атома зводяться до таких положень: стан кожного електрона в атомі характеризується чотирма квантовими числами: головним квантовим числом n = 1, 2, 3,; орбітальним (азимутальним) l=0,1,2, n-1; магнітним m l = -l, –1,0,1,  l; спиновим m s = -1/2, 1/2 .

Згідно принципу Паулів одному і тому ж атомі не може бути двох електронів, що мають однакову сукупність чотирьох квантових чисел n, l, m l m s; сукупності електронів з однаковими головними квантовими числами n утворюють електронні шари, або енергетичні рівні атома, що нумеруються від ядра і позначаються як K, L, M, N, O, P, Q,   причому в енергетичному шарі з цим значенням nможуть бути не більше, ніж 2n 2 електронів. Сукупності електронів з однаковими квантовими числами nі l,  утворюють підрівні, що позначаються в міру видалення їх від ядра як s, p, d, f.

Імовірнісне перебування становища електрона у просторі навколо атомного ядра відповідає принципу невизначеностей Гейзенберга. За квантовомеханічними уявленнями, електрон в атомі не має певної траєкторії руху і може знаходитися в будь-якій частині простору навколо ядра, а різні положення розглядаються як електронна хмара з певною щільністю негативного заряду. Простір навколо ядра, в якому найімовірніше знаходження електрона, називається орбіталлю. У ньому укладено близько 90% електронної хмари. Кожному підрівню 1s, 2s, 2pі т.д. відповідає певну кількість орбіталей певної форми. Наприклад, 1s- І 2s-орбіталі мають сферичну форму, а 2p-орбіталі ( 2p x , 2p y , 2p z-орбіталі) орієнтовані у взаємно перпендикулярних напрямках і мають форму гантелі ( Мал. 4.6).

Мал. 4.6. Форма та орієнтація електронних орбіталей.

При хімічних реакціях атомне ядро ​​не зазнає змін, змінюються лише електронні оболонки атомів, будовою яких пояснюються багато властивостей хімічних елементів. На основі теорії електронної будови атома було встановлено глибоке фізичне значення періодичного закону хімічних елементів Менделєєва та створено теорію хімічного зв'язку.

Теоретичне обґрунтування періодичної системи хімічних елементів включає дані про будову атома, що підтверджують існування зв'язку між періодичністю зміни властивостей хімічних елементів і періодичним повторенням подібних типів електронних конфігурацій їх атомів.

У світлі вчення про будову атома стає обґрунтованим поділ Менделєєвим всіх елементів на сім періодів: номер періоду відповідає числу енергетичних рівнів атомів, що заповнюються електронами. У малих періодах із зростанням позитивних заряду ядер атомів зростає кількість електронів на зовнішньому рівні (від 1 до 2 у першому періоді, і від 1 до 8 у другому та третьому періодах), що пояснює зміну властивостей елементів: на початку періоду (крім першого) знаходиться лужний метал, потім спостерігається поступове ослаблення металевих властивостей та посилення неметалевих. Ця закономірність простежується для елементів другого періоду таблиці 4.2.

Таблиця 4.2.

У великих періодах із зростанням заряду ядер заповнення рівнів електронами відбувається складніше, як і пояснює складніша зміна властивостей елементів проти елементами малих періодів.

Одинаковий характер властивостей хімічних елементів у підгрупах пояснюється подібною будовою зовнішнього енергетичного рівня, як це показано в табл. 4.3, що ілюструє послідовність заповнення електронами енергетичних рівнів для підгруп лужних металів

Таблиця 4.3.

Номер групи зазвичай вказує на число електронів в атомі, які можуть брати участь в утворенні хімічних зв'язків. У цьому полягає фізичне значення номера групи. У чотирьох місцях періодичної системи елементи розташовані не в порядку зростання атомних мас: Arі K,Coі Ni,Teі I,Thі Pa. Ці відступи вважалися недоліками періодичної системи хімічних елементів. Вчення про будову атома пояснило вказані відступи. Досвідчене визначення зарядів ядер показало, що розташування цих елементів відповідає зростанню їх ядер. Крім того, дослідне визначення зарядів ядер атомів дало можливість визначити кількість елементів між воднем та ураном, а також число лантаноїдів. Нині всі місця в періодичній системі заповнені в проміжку від Z=1до Z=114Проте періодична система не закінчена, можливе відкриття нових трансуранових елементів.

Все у світі складається з атомів. Але де вони взялися, і з чого складаються самі? Сьогодні відповідаємо на ці прості та фундаментальні питання. Адже багато людей, які живуть на планеті, кажуть, що не розуміють будови атомів, з яких самі складаються.

Звичайно, шановний читач розуміє, що в цій статті ми намагаємося викласти все на максимально простому та цікавому рівні, тому не «вантажимо» науковими термінами. Тим, хто хоче вивчити питання більш професійному рівні, радимо читати спеціалізовану літературу. Проте, відомості цієї статті можуть послужити хорошу службу у навчанні і просто зробити Вас більш ерудованими.

Атом – це частка речовини мікроскопічних розмірів та маси, найменша частина хімічного елемента, яка є носієм його властивостей. Іншими словами, це дрібна частка тієї чи іншої речовини, яка може вступати в хімічні реакції.

Історія відкриття та будова

Поняття атома було відоме ще у Стародавній Греції. Атомізм – фізична теорія, яка свідчить, що це матеріальні предмети складаються з неподільних частинок. Поряд із Стародавньою Грецією, ідеї атомізму паралельно розвивався ще й у Стародавній Індії.

Невідомо, розповіли тодішнім філософам про атоми інопланетяни, або вони додумалися самі, але експериментально підтвердити цю теорію хіміки змогли набагато пізніше – лише у сімнадцятому столітті, коли Європа випливла з безодні інквізиції та середньовіччя.

Довгий час панівним уявленням про будову атома було уявлення про нього як неподільну частинку. Те, що атом можна розділити, з'ясувалося лише на початку ХХ століття. Резерфорд завдяки своєму знаменитому досвіду з відхиленням альфа-частинок дізнався, що атом складається з ядра, навколо якого обертаються електрони. Було прийнято планетарну модель атома, відповідно до якої електрони обертаються навколо ядра, як планети нашої Сонячної системи навколо зірки.

Сучасні ставлення до будову атома просунулися далеко. Ядро атома, у свою чергу, складається з субатомних частинок, або нуклонів – протонів і нейтронів. Саме нуклони становлять основну масу атома. У цьому протони і нейтрони також є неподільними частинками, і з фундаментальних частинок - кварків.

Ядро атома має позитивний електричний заряд, а електрони, що обертаються орбітою – негативний. Таким чином, атом електрично нейтральний.

Нижче наведемо елементарну схему будови атома вуглецю.

Властивості атомів

Маса

Масу атомів прийнято вимірювати в атомних одиницях маси – а. Атомна одиниця маси являє собою масу 1/12 частини вільного спокою атома вуглецю, що знаходиться в основному стані.

У хімії для виміру маси атомів використовується поняття "моль". 1 моль – це така кількість речовини, в якій міститься кількість атомів, що дорівнює числу Авогадро.

Розмір

Розміри атомів надзвичайно малі. Так, найменший атом – це атом Гелія, його радіус – 32 пікометри. Найбільший атом – атом цезію, що має радіус 225 пікометрів. Приставка піко означає десять мінус дванадцятого ступеня! Тобто якщо 32 метри зменшити в тисячу мільярдів разів, ми отримаємо розмір радіус атома гелію.

При цьому масштаби речей такі, що, по суті, атом на 99% складається з порожнечі. Ядро та електрони займають вкрай малу частину його обсягу. Для наочності розглянемо такий приклад. Якщо уявити атом у вигляді олімпійського стадіону в Пекіні (а можна і не в Пекіні, просто уявіть собі великий стадіон), то ядро ​​цього атома буде вишнею, що знаходиться в центрі поля. Орбіти електронів при цьому були б десь на рівні верхніх трибун, а вишня важила б 30 мільйонів тонн. Вражає, чи не так?

Звідки взялися атоми?

Як відомо, зараз різні атоми згруповані до таблиці Менделєєва. У ній налічується 118 (а якщо з передбаченими, але ще не відкритими елементами - 126) елементів, крім ізотопів. Але так було далеко не завжди.

На самому початку формування Всесвіту ніяких атомів не було й поготів, існували лише елементарні частинки, що під впливом величезних температур взаємодіють між собою. Як сказав би поет, то був справжній апофеоз частинок. У перші три хвилини існування Всесвіту, через зниження температури і збіг ще цілої купи факторів, запустився процес первинного нуклеосинтезу, коли з елементарних частинок з'явилися перші елементи: водень, гелій, літій і дейтерій (важкий водень). Саме з цих елементів утворилися перші зірки, у надрах яких проходили термоядерні реакції, внаслідок яких водень та гелій «згоряли», утворюючи важчі елементи. Якщо зірка була досить великою, то своє життя вона закінчувала так званим вибухом наднової, в результаті якого атоми викидалися в навколишній простір. Так і вийшла вся таблиця Менделєєва.

Так що можна сказати, що всі атоми, з яких ми складаємося, колись були частиною стародавніх зірок.

Чому ядро ​​атома не розпадається?

У фізиці існує чотири типи фундаментальних взаємодій між частинками та тілами, які вони становлять. Це сильна, слабка, електромагнітна та гравітаційна взаємодії.

Саме завдяки сильній взаємодії, яка проявляється в масштабах атомних ядер та відповідає за тяжіння між нуклонами, атом і є таким «міцним горішком».

Нещодавно люди зрозуміли, що при розщепленні ядер атомів вивільняється величезна енергія. Розподіл важких атомних ядер є джерелом енергії в ядерних реакторах та ядерній зброї.

Отже, друзі, познайомивши Вас зі структурою та основами будови атома, нам залишається лише нагадати про те, що готові будь-якої миті прийти Вам на допомогу. Не важливо, чи потрібно Вам виконати диплом з ядерної фізики, чи найменшу контрольну – ситуації бувають різні, але вихід є з будь-якого становища. Подумайте про масштаби Всесвіту, замовте роботу в Zaochnik та пам'ятайте – немає приводів для занепокоєння.