Строение атома. Периодический закон Д. И. Менделеева

Атомы – мельчайшие частицы вещества, которые можно рассматривать как совокупность положительного и отрицательного зарядов. В центре атома находится ядро, оно является носителем положительного заряда. Вокруг ядра движутся отрицательно заряженные электроны. Число электронов равно заряду ядра. Движение электронов вокруг ядра описывается квантовыми числами.

n – главное квантовое число, определяет энергию электрона, характеризует электронное облако, его величину, т.е. расстояние электрона от ядра атома. Оно может принимать целочисленные значения: 1, 2, 3, …, ¥.

l – орбитальное (побочное) квантовое число, определяет форму электронного облака, принимает значения от 0 до n – 1. Электроны могут занимать орбитали четырех различных типов в зависимости от значения l, которые называют s -, p -, d - и f -орбиталями:

m_l – магнитное квантовое число, определяет пространственную ориентацию электронного облака, принимает значения в интервале
– l …0…+ l. Число значений m_l соответствует числу орбиталей в подуровне. Например: l = 1, m_l принимает три значения: –1, 0, +1, т.е. p -орбиталей в подуровне – три.

s – спиновое квантовое число, характеризует вращение электрона вокруг собственной оси по часовой стрелке и против нее, поэтому принимает два значения: +1/2 и –1/2.

Каждый электрон имеет набор из четырех квантовых чисел.

Для правильного понимания химических свойств элементов необходимо знать и учитывать электронное строение атомов. Распределение электронов в атоме по энергетическим уровням и электронным орбиталям происходит в соответствии с принципом Паули, правилом Хунда, принципом наименьшей энергии (правило Клечковского).

Принцип Паули: в атоме не может быть двух электронов с одинаковыми значениями всех четырех квантовых чисел.

Правило Хунда: электроны в пределах данного подуровня располагаются так, чтобы суммарное спиновое число их было максимальным (по абсолютному значению).

Принцип наименьшей энергии: в невозбужденном атоме электроны располагаются таким образом, чтобы энергия атома была минимальной, т.е. в первую очередь заполняются орбитали с наименьшей энергией.

Правило Клечковского: энергия орбиталей увеличивается в порядке возрастания суммы квантовых чисел n + l, а при одинаковой сумме этих чисел – в порядке возрастания главного квантового числа.

Энергетические уровни и подуровни заполняются в такой последовательности:

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

Пример 1. Распределите электроны по энергетическим уровням и подуровням для атома хлора.

Решение. Хлор находится в третьем периоде, порядковый номер 17, значит, его 17 электронов распределены на трех энергетических уровнях.

В соответствии с последовательностью заполнения уровней и подуровней электронная формула хлора имеет вид:

₁₇Cl 1 s ²2 s ²2 p ⁶3 s ²3 p ⁵.

Сокращенная электронная формула: ₁₇Cl …3 s ²3 p ⁵.

Электронно-графическая формула отражает распределение электронов по квантовым ячейкам:

Пример 2. Распределите электроны по энергетическим уровням и подуровням для атома с порядковым номером 23.

Решение. Элемент № 23 – это ванадий, находящийся в четвертом периоде, следовательно, его 23 электрона распределены на четырех энергетических уровнях:

₂₃V 1 s ²2 s ²2 p ⁶3 s ²3 p ⁶4 s ²3 d ³.

Сокращенная электронная формула: ₂₃V …3 d ³4 s ².

Электронно-графическая формула распределения электронов по квантовым ячейкам для атома ванадия имеет вид:

В зависимости от того, на каком энергетическом подуровне располагается последний электрон, элементы делятся на s -, p -, d - и f - элементы. Так, хлор является p -элементом, а ванадий – d -элемент.

Послойное заполнение электронных оболочек атомов химических элементов объясняет периодическое изменение их физических и химических свойств. Периодическое изменение свойств элементов с увеличением порядкового номера объясняется периодическим изменением числа электронов на внешних энергетических уровнях.

Элементы, имеющие одинаковую электронную конфигурацию внешнего энергетического уровня, составляют группы периодической системы. Номер группы совпадает с числом валентных электронов, находящихся на внешнем энергетическом уровне у s - и p -элементов (главные А подгруппы) или на внешнем и d -предвнешнем подуровне у d -элементов (побочные В подгруппы).

Повторение электронных структур атомов через некоторые промежутки в периодической системе и повторение химических свойств элементов через такие же промежутки позволило более глубоко понять периодический закон Д.И. Менделеева. Современная формулировка периодического закона: физические и химические свойства элементов, а также формы и свойства образуемых ими соединений находятся в периодической зависимости от порядкового номера элемента, т. е. от величины заряда атомного ядра.

К числу свойств, которые периодически изменяются по мере роста положительного заряда ядра атома элемента, относятся:

– атомные и ионные радиусы;

– энергия ионизации;

– энергия сродства к электрону;

– электроотрицательность;

– температура плавления и кипения;

– стандартные окислительно-восстановительные потенциалы;

– оптические и магнитные свойства и др.

Периодичность в изменении свойств сохраняется и для химических соединений. Знание характера изменения свойств элементов и их соединений позволит глубже их изучить и даст возможность объяснять и предсказывать химические реакции, делать расчеты и прогнозы.

Поиск по сайту: