Строение атома

Химия это наука, изучающая свойства веществ и их превращения, которые сопровождаются изменением состава и/или строения.
Любое химическое соединение состоит из атомов, поэтому свойства вещества определяются в первую очередь свойствами образующих его атомов.

Строение атома

Историческая справка
Термин «атом» ввел более 2,5 тысяч лет назад греческий учёный Демокрит. Он назвал так мельчайшие неделимые частицы материи. Доказательство существования атомов было получено только в 18-м веке. Представления о том, что из себя представляет атом менялись с развитием науки. К концу 19-го века возникли серьёзные сомнения в его «неделимости».
Атом — наименьшая частица, обладающая химическими свойствами.

Историческая справка
В 1871 году Дмитрий Иванович Менделеев писал:
«Легко предположить, что ныне пока нет еще возможности доказать … что атомы простых тел суть сложные вещества, образованные сложением некоторых еще меньших частей… Выставленная мною периодическая зависимость, по-видимому, подтверждает такое предчувствие»
Александр Михайлович Бутлеров (1886):
«так называемые ныне «атомы» некоторых элементов, в сущности, быть может, способны подвергаться химическому делению, т.е. они не неделимы по своей природе, а неделимы только доступными нам ныне средствами и … могут быть разделены в процессах, которые будут открыты впоследствии»

Открытия конца 19 в., показавшие сложность строения атомов:
прохождение электрического тока в газах с возникновением катодных лучей;
электролиз;
открытие рентгеновских лучей (1895 г, Рентген);
открытие радиоактивности (1896 г., Беккерель).
Историческая справка

Историческая справка
В 1911 г. Эрнестом Резерфордом было окончательно установлено строение атома
Атом состоит из маленького и тяжелого ядра и электронной оболочки.

Состав атома
Атом - сложная микросистема находящихся в движении элементарных частиц.
Атом состоит из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов движущихся вокруг ядра. Ядра атомов всех элементов, за исключением водорода, состоят из так называемых нуклонов: протонов и нейтронов.
Число электронов и протонов атома равно порядковому номеру элемента. Число нейтронов в атоме равно разнице между массовым числом атома и числом протонов.

Состав атома
Пример
Изотоны – атомы с одинаковым числом нейтронов.
Изобары – атомы с одинаковым числом нуклонов (сумма протонов и нейтронов).
Изотопы – атомы с одинаковым числом протонов.
Химический элемент — совокупность атомов с одинаковым зарядом ядра.

Электронное строение атома
Химические свойства атома определяет строение его электронной оболочки.
Атомы имеют маленький размер, поэтому пространство, в котором движется электрон ограничено. Масса электрона очень мала, а скорость его движения очень высока. По этим причинам движение электрона в атоме нельзя описать, используя законы классической механики. Движение электронов подчиняется законам квантовой механики.
Основные положения квантовой механики:
1. Квантование энергии;
2. Волновой характер движения микрочастиц;
3. Вероятностное описание микрочастиц.

Электронное строение атома
В качестве модели нахождения электрона в атоме принято понятие об электронном облаке, плотность соответствующих участков которого пропорциональна вероятности нахождения там электрона.
Орбиталь – это пространство вокруг ядра, в котором наиболее вероятно пребывание электрона.
Каждый атом содержит бесконечное количество орбиталей, однако их заполнение подчиняется строгим правилам.
Модель движения электрона в атоме. Электронное облако

Квантовые числа
Каждую орбиталь и электрон атома можно однозначно описать с помощью четырех квантовых чисел (к.ч).
n – главное квантовое число, обозначающее номер энергетического уровня. Характеризует размер орбитали, а также, главным образом, энергию электрона, занимающего данный энергетический уровень.
Главное квантовое число может принимать любые целые числа от 1 до ∞.
n=1,2,3… ∞
Принятые буквенные обозначения:

Квантовые числа
l – орбитальное (азимутальное) квантовое число, характеризующее форму орбитали.
Орбитальное к.ч. зависит от главного. Оно может принимать значения, заключенные в диапазоне от 0 до значения (n-1).
l = 0, 1, 2 … (n-1)
Пара чисел n,l характеризует энергию электрона на конкретной орбитали. Поэтому l часто называют энергетическим подуровнем.

Формы орбиталей

Квантовые числа
ml – магнитное квантовое число, характеризующее пространственное расположение орбиталей и указывает на число орбиталей с данным значением орбитального к.ч. l.
ml = 0, ±1, ±2, … ±l
определяет значение проекции орбитального момента количества движения на выделенное направление (например, на ось z).
Число значений указывает на число орбиталей с данным значением l и равно (2l+1).
Орбитали с одинаковой энергией называются вырожденными. Таким образом, p-состояние вырождено трехкратно, d-состояние – пятикратно, а f-состояние – семикратно.

Квантовые числа
Орбитали с одинаковой энергией называются вырожденными. Таким образом, p-состояние вырождено трехкратно, d-состояние – пятикратно, а f-состояние – семикратно.

Формы и пространственное расположение орбиталей

Схема энергетических уровней многоэлектронного атома

Схема энергетических уровней многоэлектронного атома

Квантовые числа
ms – спиновое квантовое число, характеризующее вращение электрона вокруг собственной оси.
ms = ±½
Электрон у которого ms = +½ обозначают греческой буквой α или стрелкой вверх, а если ms = -½ обозначают греческой буквой β или стрелкой вниз.
Если на электрон не действуют внешние силы, то им более выгодно находиться в состоянии с ms = +½.
Под действием внешних сил электрон способен сменить спиновое состояние на противоположное.
Орбитали с одинаковой энергией называются вырожденными. Таким образом, p-состояние вырождено трехкратно, d-состояние – пятикратно, а f-состояние – семикратно.

Правила заполнения орбиталей электронами
1. Правило минимальной энергии:
Электроны стремятся занять в атоме низшую по энергии свободную орбиталь.
Следствие порядок заполнения орбиталей электронами в атоме:
1s,2s,2p,3s,3p,4s,3d,4p,5s,4d,5p,6s,5d1,4f,5d2-10,6p,7s,6d1,5f,6d2-10,7p...

Правила заполнения орбиталей электронами
2. Принцип Паули:
В атоме не может быть двух электронов с одинаковым набором всех четырех квантовых чисел.
Следствие из принципа Паули: на одной орбитали может находится не более двух электронов с противоположными спинами.
Таким образом, на s-орбитали может максимально находится два электрона, на p-орбиталях – шесть электронов, на d-орбиталях – 10, а на f-орбиталях – 14 электронов.

Правила заполнения орбиталей электронами
Следствие: орбитали заполняются электронами сначала по одному (ms=+½) т.е. направление стрелки наверх, а затем по второму (ms=−½) т.е. стрелка вниз.
3. Принцип Хунда:
Суммарное спиновое квантовое число в пределах данного подслоя должно быть максимальным.

Правила заполнения орбиталей электронами
1е 1р 0n
Нарушение правила минимальной энергии
Нарушение принципа Хунда (суммарный спин не максимален)
Правильный вариант!

Правила заполнения орбиталей электронами
1H 1s1
Энергетическая диаграмма распределения электронов по орбиталям атома водорода
Электронная конфигурация атома водорода
Два способа изображения строения электронной оболочки атома:

Эффект электронного провала

Эффект электронного провала