Глава II. Периодический закон и периодическая система Д. И. Менделеева на основе учения о строении атома

 

Строение атома

 

Согласно современным представлениям, атом является сложной электромагнитной системой, включающей элементарные частицы – протоны, нейтроны, находящиеся в ядре атома, и электроны. Протоны имеют массу 1,67*10^-27 кг и положительный заряд, нейтрон имеет примерно такую же массу, но лишен заряда, электронейтрален. Электрон имеет массу покоя в 1836 раз меньше массы протона – 9,1*10^-31 кг и отрицательный заряд, равный по величине заряду протона. Атом электронейтрален, т.к. число электронов в атоме равно числу протонов. Масса атома практически равна массе ядра и характеризуется массовым числом атома (А), которая равна сумме чисел протонов (Z) и нейтронов (N) в ядре:

А = Z + N

Пользуясь периодической системой Д.И.Менделеева, легко определить число элементарных частиц в атоме. Так, элемент калий имеет порядковый номер 19 и атомную массу 39. Следовательно, в ядре имеется 19 протонов и 20 нейтронов (39 – 19 = 20), а вокруг ядра атома калия движется 19 электронов.

В ядрах атомов одного и того же элемента может содержаться при одинаковом числе протонов разное число нейтронов. Такие атомы имеют различную массу, но одинаковый заряд ядра и, следовательно, одинаковое число электронов.

Разновидности атомов одного и того же химического элемента, отличающиеся массовыми числами, но имеющие одинаковый заряд ядра, называются изотопами.

При химическом взаимодействии ядра атомов элементов остаются без изменения, а строение внешних электронных оболочек их атомов изменяется вследствие перераспределения электронов между ними. Способность атома отдавать или присоединять электроны, зависящая от заряда ядра, от строения электронной оболочки атома и его радиуса, определяет химические свойства соответствующего элемента. Так как электрон обладает двойственными свойствами (частицы и волны), его свойства характеризуют использую квантово-механическую теорию. При движении электрон оказывается как бы «размазанным» по всему объему атома, образуя электронное облако, атомную орбиталь.

Атомной орбиталью называется часть атомного пространства, где вероятность пребывания электрона составляет свыше 90 %.

На схемах атомная орбиталь обычно изображается как квантовая ячейка □.

Электрон, находящийся в атоме, участвует в двух видах движения – орбитальное движение относительно ядра и собственное вращательное движение.

Для полного описания каждого электрона в атоме используются квантовые числа.

Главное квантовое число п – это положительное целое число от 1 до бесконечности, которое характеризует в основном энергию электрона, т.е. энергетический уровень. При п = 1 электрон находится на самом низком энергетическом уровне. По мере возрастания п энергия уровня увеличивается. Помимо энергии главное квантовое число также характеризует удаленность данного электрона от ядра. Чем больше величина п, тем дальше электрон находится от ядра и тем больше его энергия. Таким образом, главное квантовое число п определяет энергетический уровень электрона в атоме, в настоящее время оно изменяется от 1 до 7, что соответствует числу периодов в современной периодической системе Менделеева.

Орбитальное квантовое число l – характеризует величину орбитального момента количества движения электрона, т.е. энергетическое состояние электронов в пределах данного уровня – энергию подуровня и форму атомных орбиталей электрона, соответствующих данному подуровню.

Для электронов, находящихся не энергетическом уровне с главным квантовым числом п, орбитальное квантовое число l может принимать значения 0,1,2,3, …, (п – 1). При l = 0 имеем энергетический s-подуровень, которому соответствует сферическая форма атомной орбитали, называемой s-орбиталью. При l = 1 имеем энергетический р-подуровень, содержащий атомные орбитали двулепестковой формы (объемная восьмерка), которые называются р-орбиталями. Если l = 2, то имеем энергетический d-подуровень, где форма атомных орбиталей (d-орбиталей) – четырехлепестковая. В случае l = 3 имеем энергетический f-подуровень, на котором форма атомных орбиталей (f-орбиталей) – шестилепестковая. Энергия электронов, которые находятся на одном уровне и на одном и том же подуровне, т.е. на атомных орбиталях одного типа, одинакова.

Магнитное (азимутальное) квантовое число m_l – характеризует направление орбитального момента количества движения электрона и связанного с ним магнитного момента, другими словами, она определяет ориентацию атомных орбиталей в магнитном поле, а также число атомных орбиталей на энергетическом подуровне. Магнитное квантовое число принимает целочисленные значения от –l до +l, включая и нуль, т.е. всего 2l + 1 значений, которым отвечает число атомных орбиталей в данном подуровне. Так, любой s-подуровень, где l = 0, m_l = 0, содержит одну s-орбиталь; р-подуровень, где l = 1, m_l = -1, 0, +1 – три р-орбитали, ориентированные по координатным осям x, y, z; d-подуровень, где l = 2, m_l = -2, -1, 0, +1, +2 – пять d-орбиталей, симметрично ориентированных в пространстве; f-подуровень, где l = 3, m_l = -3, -2, -1, 0, +1, +2, +3 – семь f-орбиталей.

Таким образом, с помощью трех квантовых чисел n, l и m_l полностью описывается состояние электрона относительно ядра, т.е. характеризуется атомная орбиталь, на которой он находится.

Спиновое квантовое m_s – характеризует собственный момент количества движения электрона, получивший название спин, и принимает два значения: +1/2 и -1/2. Так как спин может иметь два противоположных направления, его обозначают ↑и ↓. Электроны, находящиеся на одной орбитали и обладающие противоположно направленными спинами ↑↓, называются спаренными, а одиночный электрон на орбитали называется неспаренным.

Число электронов в атоме химического элемента определяется зарядом ядра, который равен порядковому номеру этого элемента в периодической системе Менделеева. Распределение электронов в атомах подчиняется трем основным принципам: принципу минимума энергии, принципу Паули и правилу Гунда.

Принцип минимума энергии – электроны в невозбужденном атоме распределяются по энергетическим уровням и подуровням так, чтобы их суммарная энергия была минимальна.

Энергия электрона в атоме в основном определяется главным п орбитальным l квантовыми числами, поэтому сначала заполняются те подуровни, для которых сумма n + l является наименьшей (правило В.М.Клечковского). В соответствии с этим в многоэлектронном атоме следующая последовательность заполнения электронами энергетических подуровней, согласно которой элементы расположены по периодам в периодической системе элементов Менделеева:

1s ˂2s ˂2p ˂3s ˂3p ˂4s ˂3d ˂4p ˂5s ˂4d˂ 5p ˂6s ˂4f˂ 5d ˂6p ˂7s ˂5f ˂6d ˂6p.

Принцип Паули – в атоме не может быть двух электронов с одинаковым набором значений всех четырех квантовых чисел.

В соответствии с принципом Паули на одной атомной орбитали может находится не больше двух электронов, причем их спины должны иметь противоположные направления ↑↓. Из принципа Паули также следует, что максимальное число электронов на всех орбиталях данного энергетического подуровня (X _l) равно:

X _l = 2(2l + 1) l = 0, s – подуровень, X _l = 2

l = 1, р – подуровень, X _l = 6

l = 2, d – подуровень, X _l = 10

l = 3, f – подуровень, X _l = 14

Максимальное число электронов на энергетическом уровне (Х_п) составляет:

Х_п = 2п² п 1 2 3 4

Х_п 2 8 18 32

Принцип Паули позволяет объяснить периодичность электронных структур атомов элементов по мере возрастания заряда их ядер и связать с ней периодичность химических и физических свойств элементов.

Правило Гунда – в невозбужденных атомах электроны в пределах данного подуровня занимают максимальное число свободных орбиталей, при этом суммарное спиновое число максимально.

Согласно этому правилу, вначале происходит последовательное заполнение всех орбиталей данного подуровня по одному электрону. Причем спины всех этих электронов одинаковы. Только после этого будет происходить окончательное заполнение орбитали двумя электронами. Необходимо помнить, что в невозбужденном атоме на внешнем энергетическом уровне не может быть больше восьми электронов, поэтому после достижения конфигурации ns²np⁶ начинается заполнение электронами следующего энергетического уровня n + 1. В целом последовательность заполнения электронами атомных орбиталей подчиняется общему принципу: стремлению системы к минимуму энергии.