СТРОЕНИИ АТОМА. Цель: изучение строения атома Учебные

Лекция 2 ( 2 часа)
СТРОЕНИИ АТОМА.
Цель: изучение строения атома
Учебные вопросы:
1. Теория строения атома.
2. Квантово механическая модель атома.
3. Квантовые числа, их назначение и взаимосвязь.
4.
Распределение электронов атома.
5.
Электронные конфигурации атомов.
Учебная информация
Теория строения атома.
Впервые понятие “атом” (неделимый) было введено греческим
философом Демокритом в V веке до нашей эры. В конце Х1Х и начале ХХ
веков появились экспериментальные доказательства сложной структуры
атома: фотоэффект, катодные лучи, рентгеновские лучи, радиоактивность.
Было установлено, что атомы состоят из отрицательно и положительно
заряженных частиц, сильно взаимодействующих между собой. В 1897г
Дж.Томсон ( Англия) открыл электрон, 1909 г Р. Милликен определил его
заряд ( 1,610-19 Кл, me = 9,1110-28г).
Одна из первых моделей строения атома была предложена
Томсоном в 1904 г. Атом - положительно заряженная сфера с вкрапленными
в нее электронами. Суммарный отрицательный заряд электронов равен
суммарному положительному заряду атома.
Э. Резерфорд ( Англия) в 1910 г. изучал прохождение - частиц через
металлическую фольгу, за которой располагался детектор -частиц, и
установил, что большинство - частиц проходит сквозь фольгу без
отклонения, а небольшая часть рассеивается фольгой. Резерфорд предложил
“планетарную” модель атома. Согласно планетарной модели в центре атома
находится очень маленькое положительно заряженное ядро (Rяд= 10-14 – 10-
15
м,
Rат=10-10м) , вокруг которого по орбитам двигаются электроны, число
которых определяется зарядом ядра.
В 1920г Э. Резерфорд открыл протон, в 1932г Дж. Чедвик открыл
элементарную частицу – нейтрон. Д.Д. Иванченко, В. Гейзенберг предложили
протонно-нейтронную теорию состава атомных ядер.
Ядро атома состоит из элементарных частиц: нейтральных нейтронов и
положительно заряженных протонов , которые условно обозначаются как n
и p, их масса 1 а.е. м. ( mn = 1,0087 а.е.м. , mp = 1,0078 а.е. м), заряд нейтрона
= 0, заряд протона =+ 1,610-19 Кл или +1 ( в относительных единицах).
Нейтроны и протоны называют нуклонами.
Порядковый номер элемента равен числу протонов в ядре и числу электронов
в атоме.
Запись каждого элемента Э характеризуется массовым числом A и зарядом
ядра Z.
A= N+ Z
А – массовое число,
N – число нейтронов в ядре,
Z – число протонов в ядре.
Изотопы – разновидность атомов одного и того же элемента,
отличающиеся друг от друга только атомной массой. Ядра таких атомов
имеют одинаковое число протонов, но различное число нейтронов.
Например, Cl (75,4%) Cl ( 24,6%)
Число изотопов колеблется от 2 ( Сl) до 10 (Sn).
Изотопы водорода:
Н – протий входит в состав обычной воды Н2О (М18 г/моль)
Н или D - дейтерий входит в состав тяжелой воды D2О
(М20 г/моль)
Н или Т – тритий входит в состав сверхтяжелой воды Т2О (М22 г/моль)
Изобары – элементы, имеющие одинаковую атомную массу, но различное
число протонов. Например, К и Са.
При нагревании вещества испускают излучение определенных частот.
При разложении излучения получают спектр излучения. Было установлено,
что свет, испускаемый атомами газов, имеет линейчатый спектр, в котором
спектральные линии объединены в серии. Спектры испускания и поглощения
атомов и молекул указывают на то, что энергия испускается и поглощается не
непрерывно, а отдельными порциями.
В 1900 году М. Планк ( Германия) предположил, что вещества поглощают
и испускают энергию дискретными порциями ( квантами). Энергия кванта
или энергия Планка (Е):
где h - постоянная Планка, h = 6,63·10-34 Дж.с,
v - частота,
с – скорость света,
- длина волны
В 1913 г Н. Бор ( Дания), используя теорию Планка, внес в модель
Резерфорфа квантовые представления. Постулаты Бора:
1. В атоме, электрон двигается, не излучая энергии, по строго определенным
орбитам
( уровням), где электрон обладает определенной энергией.
2.Атом излучает или поглощает энергию при переходе электрона с одного
энергетического уровня на другой.
E = Eн – Eк = h·v ;
Если Eн > Eк, то энергия выделяется ,
если Eн < Eкто энергия поглощается.
Изучение природы и распространения света показало, что он обладает как
корпускулярными, так и волновыми свойствами. Согласно квантовой теории
Планка, энергия кванта равна:
E = h·v
Согласно теории А. Эйнштейна, энергия равна:
E = m·c2.
Луи де Бройль (1924 г, Франция) распространил идею Эйнштейна о
двойственности природы света на вещество, предположив, что поток любых
материальных частиц должен обладать и волновыми свойствами.
где - скорость движения частицы с массой m.
Полученное
выражение
связывает
друг
с
другом
характеристики
корпускулярные (m) и волновые (v) свойств электрона.
КВАНТОВЫЕ ЧИСЛА, ИХ НАЗНАЧЕНИЕ И ВЗАИМОСВЯЗЬ
Электронное облако – это модель квантовой механики, описывающая
состояние ( движение) электрона в атоме. Движение электрона в атоме носит
вероятностный характер.
наибольшей
Пространство вокруг ядра,
вероятностью
(0,9—0,95)
называется атомной орбиталью
в
котором
может находиться
с
электрон,
(АО). Атомная орбиталь, как любая
геометрическая фигура, характеризуется тремя параметрами (координатами),
получившими название квантовых чисел (n, l, m).
Состояние электрон характеризуется четырьмя квантовыми числами:
Главное квантовое число n- характеризует энергию электрона в атоме или
его энергетический уровень, определяет размеры атомной орбитали. Главное
квантовое число может принимать целочисленные значения от 1 до . Чем
меньше значение n, тем меньше энергия. Чем больше n, тем дальше от ядра
располагается область наиболее вероятного нахождения электрона.
Электроны, имеющие одно и то же значение n, находятся на одном
энергетическом уровне.
Орбитальное квантовое число l – характеризует энергию электрона на
подуровне и определяет форму электронного облака и. Орбитальное
квантовое число принимает значения в зависимости от n от 0 до (n-1). Для
удобства использования численные значения l заменяются на буквенные:
l = 0, 1, 2, 3
s p d f
На одном и том же уровне энергия подуровней изменяется в ряду:
Еs < Ep < Ed < Ef
Занимая ту или иную атомную орбиталь, электрон образует электронное
облако, которое у электронов одного и того же атома может иметь
различную форму
Магнитное квантовое число m (ml ) - определяет возможные ориентации
электронного облака в пространстве. Магнитное квантовое число, принимает
целочисленные значения от -l до +l, включая 0, всего таких значений может
быть (2l+1). m = -l...0...+l. Всего таких ориентаций ( 2l+1). .?Условно,
атомную орбиталь обозначают в виде
Спиновое квантовое число или спин s (ms) – характеризует движение
электрона вокруг своей оси ( по часовой стрелки и против часовой стрелки).
Спиновое квантовое число принимает два значения (+1/2 и -1/2) и
обозначается противоположно направленными стрелками ( и ).
РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ЭЛЕКТРОНОВ В АТОМЕ
Распределение электронов в многоэлектронных атомах основано на трех
закономерностях: принципе Паули и правиле Хунда, принципе наименьшей
энергии.
Принцип Паули: в атоме не может быть даже двух электронов с
одинаковыми значениями всех четырех квантовых чисел.
Электрон может характеризоваться только одним набором квантовых чисел
n, l, m и s , поэтому в одной квантовой ячейке может разместиться только два
электрона с противоположными спинами.
Следствия из принципа Паули:
1.Максимальное количество электронов на энергетическом уровне равно 2n2 .
2.Максимальное количество электронов на подуровне равно 2(2l+1).
Правило Хунда в данном подуровн электроны распределяются так, чтобы
суммарный спин был максимален.
Правила М.В. Клечковского (принцип наименьшей энергии ) электрон
занимает тот энергетический подуровень, на котором он обладает
наименьшей энергией.
При увеличении заряда ядра атома последовательное заполнение орбиталей
происходит в порядке возрастания суммы главного и орбитального квантовых
чисел (n+l) ( 1 правило).
При одинаковых значениях суммы (n+l) заполнение орбиталей происходит
последовательно в порядке возрастания значения главного квантового числа
n ( 2 правило).
Последовательность заполнения энергетических уровней и подуровней
следующая:
1s→2s→2p→3s→3p→4s→3d→4p→5s→4d→5p→6s→(5d1)→4f→5d
→6p→7s→ (6d1 ) →5f →6d→ 7f
ЭЛЕКТРОННЫЕ КОНФИГУРАЦИИ АТОМОВ
Электронные формулы отображают распределение электронов в атоме по
энергетическим уровням, подуровням. Электронная формула обозначается
группами символов пlx, где п - главное квантовое число, l - орбитальное
квантовое число (вместо него указывают соответствующее буквенное
обозначение - s, р, d, f), х - число электронов в данном подуровне
Порядковый
номер элемента в таблице Д.И. Менделеева соответствует
числу электронов в атоме, а номер периода определяет число энергетических
уровней.их
Электронные формулы составляют в следующем порядке:
- по номеру элемента в таблице Д.И. Менделеева определяют общее число
электронов в атоме;
- затем по номеру периода, в котором расположен уровней
определяют число энергетическ
Элемент,
Электронные формулы элементов № 15 (фосфор) и № 21 (скандий ):
15
Р
1s22s22p63s23p3
21
Sс
1s22s22p63s23p63d14s2
У фосфора происходит заполнение р–подуровня, поэтому она относится к р –
элементам, а у скандия – заполнение d–подуровня, поэтому он относится к d
–элементам.
Валентными электронами р –элементов являются s– и р –электроны
внешнего уровня, а
d –элементов являются s–электроны внешнего и d–
электроны предвнешнего уровня. Валентные электроны у фосфора – 3s23p4,
у скандия – 3d24s2.
Электронная структура атома может быть изображена также в виде схем
размещения электронов в квантовых ячейках (орбиталях). В соответствии с
правилом Хунда орбитали данного подуровня заполняются сначала по
одному электрону с одинаковыми спинами, а затем по второму электрону с
противоположными спинами.
Состояние с атома с полностью или наполовину заполненным подуровнем
( т.е. когда на каждой орбитали имеется по одному электрону) является более
устойчивым. Этим объясняется «провал» или «проскок» электрона.
Например, устойчивому состоянию атома хрома соответствует следующая
формула
1s22s22p63s23p63d54s1 , т.к. происходит провал электрона с 4s – подуровня
24Cr
на 3d – подуровень.
Резюме по теме:
Согласно планетарной модели в центре атома находится очень
маленькое положительно заряженное ядро, вокруг которого по орбитам
двигаются электроны, число которых определяется зарядом ядра. Электрон
обладает корпускулярными (m) и волновыми (v) свойствами. Состояние
электрон характеризуется четырьмя квантовыми числами: (n, l, m, s).
Распределение электронов в многоэлектронных атомах основано на трех
закономерностях: принципе Паули и правиле Хунда, принципе наименьшей
энергии.
Вопросы для самопроверки
1.
Модели строения атома
2.
Основные положения теории Планка и постулаты Бора.
3.
Что характеризуют квантовые числа?
4.
На каких закономерностях основано распределение электронов в
атоме?
5.
Что называется электронной, графической формулой?
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
1.
2.
3.
Коровин Н.В.. Общая химия: Учебн. Для техн. Направл. и спец.вузов–
М.: Высш. 2004 -560
Глинка. Н.А. «Химия» -Л.:2006– 702 с.
Фролов В.В.Химия: Уч. пособ.для втузов. М.: Высш. Шк..2002 -527 с.