Строение атома

Понятие атом. Состав ядра атома.

Наиболее важным понятием в химии является понятие атома. Из атомов образуются молекулы, а их структура определяет химические и физические свойства различных соединений. 

        Атом — это наименьшая частица химического элемента, которая в процессе химических реакций не изменяется. 

Но атом составляют частицы еще меньшего размеры: протонов, электронов и нейтронов. Данные частицы имеют различный заряд, так протоны заряжены положительно, электроны — отрицательно, а нейтроны не заряжены вовсе. В процессе становлении теории о строении атома выдвигались различные модели, которые демонстрировали расположение частиц в атоме. Одной из наиболее наглядных и простых для понимания моделей оказалась планетарная модель атома Резерфорда.

Планетарная модель атома Резерфорда

Опираясь на данную модель атом состоит из положительно заряженного ядра, в которое в свою очередь помещены протоны и нейтроны. Ядро окружено орбиталями, по которым в свою очередь двигаются электроны. Вся основная масса атома сосредоточена в его ядре, а вращающиеся электроны практически не вносят изменение в суммарную массу атома.  Сумма протонов и нейтронов формируют атомную массу(массовое число).

Атом является электронейтральной частицей, то есть суммарный заряд на атоме равен нулю. Порядковый номер элемента в Периодической системе определяет число протонов и электронов в атоме.  А число нейтронов можем вычислить как разность между массовым числом A и числом протонов Z.

Химический элемент.

Еще одним важным понятием в химии является понятие о химическом элементе.

        Химический элемент — это вид атомов с одинаковым числом протонов в ядрах.

Строение электронных оболочек атомов элементов первых четырёх периодов.

Где располагаются протоны и нейтроны в атоме определили. Электрон же в атоме может находиться с разной вероятностью в различных точках пространства вокруг ядра. За расположение электрона отвечает атомная орбиталь.  

        Атомная орбиталь — это область пространства, в которой наиболее вероятно нахождение электрона.

Для изображения атомной орбитали используют квантовую ячейку, которую рисую в виде квадрата⬜. Электроны и орбитали с близкими значениями энергии (или по-другому с одинаковым значение n-номер периода, в котором находиться элемент) образуют энергетический уровень. Подуровни и соответственно электроны на них делятся на s,p,d,f. Число электронов на уровне можно определить по формуле: 2n^2, число орбиталей на уровне — n^2.

Электронная конфигурация атома.

Для записи схемы заполнения уровней и подуровней электронами используют электронную конфигурацию. 

        Электронная конфигурация — распределение электронов по орбиталям. Для верной её записи используют ряд правил.

Принцип наименьшей энергии: Согласно этому правилу электроны заполняют орбитали в порядке увеличения их энергии Т.е. электроны заполняют орбитали, начиная с подуровня с наименьшей энергией.

Энергия орбиталей

Принцип Паули: на каждой орбитали может находиться не более двух электронов с противоположными спинами

Правило Хунда: наиболее устойчивое состояние атома то, при котором в пределах одного подуровня атом обладает максимально возможным числом неспаренных электронов. Такое наиболее устойчивое состояние атома называется основным состоянием.

«Проскок» электрона.

Кроме этого, у некоторых элементов наблюдается эффект “проскока” электрона. Появление такого эффекта можно объяснить возрастанием устойчивости у полностью или наполовину заполненных подуровней (s1 или s2,d5 или d10 и т.д.).  Если электронная конфигурация атома близка к устойчивой, то электрон стремясь занять более выгодное по энергии положение, проскакивает на формируемый уровень с внешнего уровня. Такой эффект нужно учитывать при записи электронных конфигураций атома хрома, меди, золота, серебра, платины и некоторых других элементов.

Электронная конфигурация хрома с учётом «проскока» электрона

Основное и воздужденное состояние атома.

Согласно принципу наименьшей энергии атом находиться в основном состоянии, то есть в состоянии с наименьшей энергией. Если сообщить атому энергию извне, то под её действием электроны в атоме начинают распариваться и переходить в новые ячейки. Такое состояние атома называется возбужденным и такое состояние атома нестабильно из-за большей энергии по сравнению с энергией в основном состоянии. В возбужденном состоянии атом не может находиться долго, так как все стремится к минимуму энергию. В конечном итоге атом отдает избыток энергии и переходит снова в основное состояние.

Основное и возбужденное состояние атома углерода