Тема 2. Строение атома. Химическая связь

 

Строение атома

Атом состоит из положительно заряженного ядра и движущихся вокруг него отрицательных частиц - электронов. Ядро состоит из протонов и нейтронов.

Количество протонов (N _p) определяет заряд ядра атома (Z) и равно порядковому номеру элемента в таблице Менделеева (Z):

N _p = Z

Атом заряда не имеет. Число электронов в нейтральном атоме равно числу протонов и равно порядковому номеру:

N_ē = N _p = Z

Суммарное число протонов и нейтронов (N _n) определяет значение массы ядра и является атомной массой А:

A = N _p + N _n

Число протонов соответствует порядковому номеру элемента. Тогда число нейтронов в ядре может быть найдено по разности между массовым числом и порядковым номером элемента:

N _n = А - Z

 

Пример 11. Сколько протонов, нейтронов, электронов содержится в атоме ²³⁸U?

Дано: ²³⁸U

Найти: N _p, N _n, N_ē -?

Решение: Порядковый номер урана по таблице Д.И. Менделеева равен 92, а массовое число изотопа равно 238. Следовательно, он содержит 92 протона, 92 электрона и 238 – 92 = 146 нейтронов.

Ответ: 238U содержит 92 протона, 92 электрона и 146 нейтронов.

В ходе развития теории строения атома было открыто явление корпускулярно-волнового дуализма, при котором электрон проявляет свойства как частицы, так и волны.

Принцип неопределенности Гейзенберга:

 

Невозможно одновременно точно определить координаты элементарной частицы (электрона) и её скорость.

 

Можно рассчитать, например, вероятность нахождения электрона в определенной области пространства. Области пространства с максимальной вероятностью нахождения в них электрона (> 90 %) называются электронными облаками или орбиталям.

Английский ученый Шредингер вывел уравнение для расчета вероятности нахождения электрона в той или иной точке пространства. В уравнении Шредингера необходимо задать 4 коэффициента для полного описания состояния электрона в атоме, которые называются квантовыми числами.

Квантовые числа

1. Главное квантовое число ( n ) определяет наиболее вероятное расстояние электрона от ядра, т.е. средние размеры электронного облака и энергию электрона. Совокупность электронов, характеризуемых определенным главным квантовым числом, образует в атоме энергетический уровень или слой. Главное квантовое число может принимать все целые значения от 1 до ∞, то есть 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, …Числовым значениям уровней соответствуют буквенные:

K L M N O P Q

1 2 3 4 5 6 7

Чем больше n, тем больше энергия электрона.

2. Орбитальное квантовое число ( l ), называемое также побочным или азимутальным, определяет форму электронного облака и отклонение энергетического состояния от среднего значения, характеризуемого главным квантовым числом, т.е. характеризует энергию электрона на энергетическом подуровне.

Орбитальное квантовое число может принимать целочисленные значения от 0 до (n – 1). Т. е. для первого энергетического уровня (n = 1) может иметь только одно значение: 0, для второго (n = 2) может иметь два значения: 0 и 1, для третьего – три значения: 0, 1 и 2 и т.д. Совокупность электронов данного уровня, характеризуемых определенным орбитальным квантовым числом, образует подуровень. Численным обозначениям подуровней соответствуют буквенные:

0 1 2 3 4 5

s p d f g h

3. Магнитное квантовое число, обозначаемое (m), определяет ориентацию электронного облака в пространстве; оно связано с орбитальным квантовым числом l и может принимать целочисленные значения от –l, 0, +l. Т.е. для s -подуровня (l = 0) m может иметь только одно значение 0, для р -подуровня (l = l), m может иметь три значения: -1, 0 и +1 и т.д. Таким образом, число значений m для данного подуровня составляет (2 l +1).

Состояние электрона в атоме, характеризующееся определенными значениями главного, орбитального и магнитного квантовых чисел (другими словами – размером, формой и ориентацией в пространстве электронного облака), называется атомной орбиталью. Формы и ориентации в пространстве электронных облаков, соответствующих 1 s -, 2s-, 2 р - и 3 d -opбитaлям, изображены на рис. 1.

Таблица 4