Современные представления о строении атома

Число протонов как и число электронов в атоме определяется порядковым номером элемента в периодической системе химических элементов. Число протонов определяет заряд ядра атома (обозначается Z). Количество нейтронов рассчитывается как разность между массовым числом атома и зарядом ядра (A-Z).
Совокупность атомов с определенным значением заряда ядра Z , массового числа A, называется нуклидом. Например: 37Cl, 15P.
Если атомы одного и того же элемента отличаются по массе, то они являются изотопами.
В атомах изотопов содержится разное количество нейтронов Например: 1H , 2H,3H – водород (H), дейтерий (D) и тритий (T).

Понятие об электронном облаке
и s -,p -, d -, f- электронах
Область пространства вокруг ядра, где наиболее вероятно нахождение электрона, называют атомной орбиталью. Атомные орбитали имеют различные формы, размеры и ориентацию в пространстве.

Состояние электронов в пространстве описывают с помощью четырех квантовых чисел.
Главное квантовое число n – соответствует номеру энергетического уровня, на котором расположен электрон. (Количество энергетических уровней в атоме соответствует номеру периода, в котором расположен элемент.). Энергетический уровень – это совокупность энергетических состояний электрона в атоме, характеризующихся одним и тем же значением квантового числа n. Максимальное число электронов на каждом энергетическом уровне равно 2n2. Главное квантовое число принимает значения из множества натуральных чисел.

Орбитальное квантовое число l – определяет форму атомной орбитали. Принимает значения: для s- орбитали= 0, для p-орбитали=1, для d =2, а для f =3 Орбитальное квантовое число принимает значения (n-l).
Совокупность орбиталей одной формы (с одинаковым значением орбитального квантового числа) на данном энергетическом уровне образует энергетический подуровень.
На основании математических расчетов определили, что электронные облака имеют следующую форму: s – орбиталь - форму сферы, р – орбиталь форму вытянутой восьмерки, формы d - и f - еще более сложные. На каждом энергетическом уровне (кроме первого) содержится несколько разных орбиталей. На первом уровне – одна - s. На втором - две- s и p . На третьем – три s,p,d. На четвертом – четыре s, p, d, f и т.д.

Строение
первых четырех энергетических уровней
Если электрон находится на s орбитали, то его называют s- электроном и т.д.

Магнитное квантовое число ml – определяет ориентацию атомных орбиталей в пространстве.
Значение меняется от -l до +l. Число значений l определяется по формуле: (2l+1).

Магнитное спиновое квантово число – ms - принимает два значения -1\2 и +1\2.
На каждой орбитали могут одновременно находиться не более двух электронов, они будут отличаться друг от друга значением спинового квантового числа.

Принцип заполнения электронами атомных орбиталей подчиняется запрету Паули: в атоме не может быть двух электронов с одинаковым значением всех четырех квантовых чисел, т.е. в атоме не может быть электронов, которые находились бы в одинаковом квантовом состоянии.
Правило Хунда: Наиболее устойчивым состоянием является такое, при котором будет максимально возможное число неспаренных электронов на каждом из подуровней.

Строение электронных оболочек описывают с помощью электронных формул, ее также называют электронной конфигурацией. Заполнение электронами электронных оболочек подчиняется правилу Хунда и правилу Клечковского.
В соответствии с правилом Клечковского атомные орбитали заполняются электронами в порядке плавного возрастания суммы (n+l). При одинаковых значениях (n+l) сначала заполняются орбитали с наименьшим значением n.

Таким образом, электронная конфигурация будет иметь вид:
1s2s2p3s3p4s3d4p5s4d5p6s4f5d6p7s5f6d и т.д.
Примеры:
S 1s22s22p63s23p4 p – элемент (т.к. последней заполняемой орбиталью является p-орбиталь);
Ca 1s22s22p63s23p64s2 s – элемент;
V 1s22s22p63s23p64s43d3 d – элемент;
Pr 1s22s22p63s23p64s43d104p65s24d105p66s24f35d0 f - элемент

Радиус атома.
Радиус атома – половина межъядерного расстояния в молекулах простых и сложных веществ в среднем достигают 10-10м.
По периоду радиус атома немонотонно уменьшается. С увеличением заряда ядра атома число энергетических уровней остается постоянным. Т.о. электронная оболочка испытывает более сильное притяжение ядра, которое приводит к сжатию атома, т.е. уменьшению радиуса.
В главных подгруппах радиус атома увеличивается. По мере увеличения номера периода происходит увеличение заполняющихся электронами уровней.

Основное и возбужденное состояние атома.
Основное состояние атома – это то состояние, которое следует при составлении электронной конфигурации с учетом принципа минимума энергии, когда каждый электрон стремиться занять положение ближайшее к ядру. Для объяснения валентных возможностей атома элемента иногда прибегают к понятию возбужденного состояния атома. При этом происходит распаривание общих электронных пар, расположенных на валентном уровне и перевод электронов на другую валентную орбиталь. Пример обозначения состояния атома: основное возбужденное, C C*

Задания для тренировки
1.Изобразить электронные конфигурации атомов, указать тип элемента:
Натрий, сера, фосфор, титан, гелий.
Серебро, селен, марганец, углерод, аргон.
Ванадий, скандий, теллур, цезий, криптон
2.По электронной конфигурации определите о каком элементе идет речь:
1S22S22P5;
1S22S22P63S23P64S1;
1S22S22P63S23P64S2 3D10 4P5.
3s23p2
4s23d3
4f35d06s2
5s24d2
3.Почему в атомах следующих элементов происходит «проскок» электрона? Напишите электронные конфигурации атомов следующих элементов и объясните этот эффект:
Cr, Ag, Mo, Pd

4.Почему в атомах следующих элементов вопреки ожиданию не происходит «проскока» электрона?
W, Pt
5.Могут ли атомы в основном (не в возбужденном) состоянии иметь следующие конфигурации:
2s22p3
3s23p53d1
3s23p33d1
4s14p33d2
6.Какие частицы могут иметь следующие конфигурации:
3s23p6
4s2
3s2
2s22p2

7.Какие, из приведенных ниже частиц, могут иметь одинаковые конфигурации: P5+; F-; S2-; Al0; K+; Ti4+; C4+; Na+; Si4+; N3-; Cu2+?
8.Можно ли считать, что S0 и S2- одна и та же частица? Объясните свою точку зрения, составив электронные конфигурации.
9.Можно ли считать, что Cl- и Ar0 абсолютно одинаковые частицы? Объясните свою точку зрения, приведя необходимые расчеты.

10.Числа 35 и 17 в обозначении атома 17 35Cl показывают...
число протонов и число нейтронов
массовое число и заряд ядра
атомную массу и порядковый номер хлора
общее число электронов и число валентных электронов в атоме
11.Главное квантовое число характеризует…
молекулярную орбиталь
ориентацию орбитали в пространстве
число электронов в атоме
общую энергию электрона

12.Распределение электронов по орбиталям в основном состоянии атома определяется…
принципом запрета Паули
правилом Хунда
принципом наименьшей энергии
всеми перечисленными выше принципами
13.Укажите, в каком из случаев орбитали перечислены в порядке увеличения их энергии:
2s,2p,2d
3s,3p,3d
4f,5s,6d
3p,3d,3f

14. Сколько электронов находится на 2p -подуровне в основном состоянии атома азота?
7
5
3
1
15. Какую из перечисленных электронных конфигураций может иметь атом хлора?
1s22s22p5
1s22s22p63s23p44p1
1s22s22p63s23p6
1s22s22p63s23p54s1

Тестовые задания
1. Число протонов, нейтронов и электронов в атоме изотопа 90Sr соответственно равно
38, 90, 38
38, 52, 38
90, 52, 38
38, 52, 90
2. Инертный газ, имеющий такую же электронную конфигурацию, что и ион K+
Ne
Ar
Cl
Kr
3. Частица, имеющая такую же электронную конфигурацию, что и атом Kr, это
Se2-
Br+5
S2-
Ar0

4. Ионы, имеющие такую же электронную конфигурацию, что и атом аргона, это
K+ и S2-
K+ и Na+
Al3+ и S2-
Na+ и Al3+
5. Электронная формула меди
1s22s22p63s23p63d94s2
1s22s22p6 3s23p63d104s1
1s22s22p6 3s23p63d34s24p6
1s22s22p6 3s23p63d104s2
6. Какой ряд не содержит d-элементов
Марганец, тантал, сера, углерод
Азот, натрий, аргон, йод
Вольфрам, железо, цинк, лантан
Хром, цезий, франций, бром

7. Заряд иона, образующегося в результате удаления всех валентных электронов атома с электронной конфигурацией 1s22s22p63s23p63d104s1 , равен
+14
+1
+5
+6
8. Суммарное число электронов в частице NO2- равно
22
23
24
25
9. 16 электронов содержит частица
Cl-
S2-
O0
S0

10. Число нейтронов в атоме 39К равно числу нейтронов в атоме
39Ar
40Ca
35Cl
40Ar
11. Число протонов в атоме 39К равно
39
20
19
4
12. Число электронов внешнего электронного слоя для атома кислорода равно
2
4
6
8

13. Не отвечает формуле 2s22p6 строение внешнего электронного слоя частицы
F-
Mg2+
Na+
O0
14. Число неспаренных электронов атома углерода в возбужденном состоянии равно
1
2
3
4
15. Число нейтронов в ядре атома 31Р равно
5
15
16
31

16. 20 нейтронов содержит атом
39K
42Ca
20Ne
10B
17. В четвертом электронном слое содержит 5 электронов атом
V
As
Sn
Zr
18. Электронную конфигурацию внешнего электронного слоя 4s24p3 имеет атом
As
Ga
Sc
V