Реферат: Строение атома

Введение. 2

Глава I. История атома. 3

1.1Исследования Резерфорда Эрнеста… 4

1.2. Исследования Нильса Бора.. 8

Глава II. Строение атома… 12

2.1Природа электричества.. 12

2.2Электрон… 13

2.2.1Свойства электрона… 14

2.2.2.Общие принципы заполнения электронных оболочек атомов элементов по периодам… 14

2.3Ядра атомов… 16

2.4Атомная орбиталь… 17

Атомная орбиталь –пространство вокруг ядра, в котором наиболее вероятно нахождение электрона. 17

Таблица 1. 19

Заключение. 21

Список литературы:… 22

Введение

Первые представления отом, что вещество состоит из отдельных неделимых частиц, появилось в глубокойдревности. В древней Индии признавалось не только существование первичныхнеделимых частиц вещества, но и их способность соединяться друг с другом,образуя новые частицы. Древнегреческий ученый Аристотель писал, что причинамивсех вещей являются определенные различия в атомах, а именно: форма, порядок иположение. Позднее древнегреческий философ – материалист ввел понятие о массеатомов и их способности к самопроизвольному отклонению во время движения.Французский ученый Пьер Гассенди ввел понятие о молекуле, под которой онпонимал качественно новое образование, составленное путем соединения несколькихатомов.

 По мысли английскогоученого Р. Бойля, мир корпускул (молекул), их движение и «сплетение» оченьсложны. Мир в целом и его мельчайшие части – это целесообразно устроенныемеханизмы. Великий русский ученый М. В. Ломоносов развил и обосновал учение оматериальных атомах и корпускулах. Он приписывал атомам не только неделимость,но и активное начало – способность к движению и взаимодействию.

Английский ученый Дж.Дальтон рассматривал атом как мельчайшую частицу химического элемента,отличающуюся от атомов других элементов прежде всего массой.

Большой вклад в атомно-молекулярное учение внеслифранцузский ученый Ж. Гей-Люссак, итальянский ученый А. Авогадро, русскийученый Д. И. Менделеев. В 1860 году в г. Карлсруэ состоялся международныйконгресс химиков. Благодаря усилиям итальянского ученого С. Канниццаро былиприняты следующие определения атома и молекулы: молекула – «количество тела,вступающее в реакции и определяющее химические свойства»; атом – «наименьшееколичество элемента, входящее в частицы (молекулы) соединений.

Установленные С.Канниццаро атомные массы элементов послужили Д. И. Менделееву основной приоткрытии периодического закона.

Глава I. История атома

В далёком прошломфилософы Древней Греции предполагали, что вся материя едина, но приобретает теили иные свойства в зависимости от её «сущности». Некоторые из них утверждали,что вещество состоит из мельчайших частиц, называемых атомами. Научные основыатомно-молекулярного учения были заложены позднее в работах русского учёногоМ.В. Ломоносова, французских химиков Л. Лавуазье и Ж. Пруста, английскогохимика Д. Дальтона, итальянского физика А. Авогадро и других исследователей. [1 ]

Периодический закон Д.И.Менделеева показывает существование закономерной связи между всеми химическимиэлементами. Это говорит о том что в основе всех атомов лежит нечто общее. Доконца XIX века в химии царило убеждение, чтоатом есть наименьшая неделимая частица простого вещества. Считалось, что привсех химических превращениях разрушаются и создаются только молекулы, атомы жеостаются неизменными и не могут дробиться на части. И наконец в конце XIX века были сделаны открытия,показавшие сложность строения атома и возможность превращения одних атомов вдругие. [ 7 ]

Это послужило толчком кобразованию и развитию нового раздела химии «Строение атома». Первым указаниемна сложную структуру атома — были опыты по изучению катодных лучей, возникающихпри электрическом разряде в сильно разреженных газах. Для наблюдения этих лучейиз стеклянной трубки,  в которую впаяны два металлических электрода, выкачивается  по возможности  весь  воздух и затем пропускается сквозь нее токвысокого напряжения. При таких условиях от катода трубки перпендикулярно к его  поверхностираспространяются «невидимые» катодные лучи, вызывающие яркое зеленоесвечение в том месте, куда они попадают. Катодные лучи обладают способностьюприводить в движение. На их пути легко подвижные тела откланяются  от  своего   первоначального пути в магнитном и электрическом поле (в последнем всторону положительно заряженной пластины).  Действие катодных лучей обнаруживается только внутри трубки,  так как стекло для них непроницаемо.Изучение свойств катодных лучей привело к заключению, что они состоят измельчайших частиц, несущих отрицательный заряд и летящих со скоростью,достигающей половины скорости света. Также удалось определить массу и величинуих заряда. Масса каждой частицы равнялась 0,00055 углеродной частицы. Зарядравняется 1,602 на 10 в минус 19 степени. Особенно замечательно, что масса частиц и величина ихзаряда не зависит ни от природы газа, остающегося в трубке, ни от вещества изкоторого сделаны электроды, ни от прочих  условий опыта. Кроме того, катодныечастицы известны только в заряженном состоянии и не  могут существовать безсвоих зарядов, не могут быть превращены в электронейтральные   частицы:электрический заряд составляет, самую сущность их природы. Эти частицы получилиназвание электронов. В катодных трубках электроны отделяются от катода подвлиянием электрического заряда. Но они могут возникать и вне всякой связи сэлектрическим зарядом. Так, например при электронной эмиссии металлы испускаютэлектроны; при фотоэффекте многие вещества также выбрасывают электроны.Выделение  электронов самыми разнообразными веществами указывает на то, что этичастицы входят в состав всех атомов; следовательно атомы являются сложными образованиями, построенными из более мелких «составных частей».

/>

Резерфорд Эрнест (1871-1937)

 Изучение строения атома практически началось в 1897-1898  гг.,  после того как была окончательноустановлена природа катодных   лучей как потока электронов  и были определенывеличина заряда и масса электрона. Факт выделения электронов самымиразнообразными  веществами приводил к выводу, что электроны входят в составвсех атомов. Но атом, как известно, электрически нейтрален, из этого следовало,что в его состав должна была входить ещё одна составная часть, уравновешивавшаясумму отрицательных зарядов электронов. Эта  положительно заряженная частьатома была открыта в 1911 г.  Резерфордом при  исследовании движения

a-частиц в газахи других веществах. [ 1 ]

1.1Исследования Резерфорда Эрнеста.

a- частицы, выбрасываемые веществамиактивных элементов представляют собой положительно заряженные ионы гелия,скорость движения которых достигает 20000 км/сек. Благодаря такой огромнойскорости a-частицы,пролетая через воздух и сталкиваясь с молекулами газов, выбивают из нихэлектроны. Молекулы, потерявшие электроны, становятся  заряженнымиположительно, выбитые же электроны тотчас присоединяются  к другим  молекулам,заряжая их отрицательно. Таким  образом, в воздухе на  пути  a-частиц образуются положительно иотрицательно заряженные ионы газа. Способность a-частиц ионизировать воздух  былаиспользована английским физиком  Вильсоном  для  того,  чтобы сделать видимымипути движения отдельных частиц и сфотографировать их.

Впоследствииаппарат для фотографирования частиц получил название камеры Вильсона. (Первыйтрековый детектор заряженных частиц. Изобретена Ч. Вильсоном в 1912. ДействиеВильсона камеры основано на конденсации пересыщенного пара (образовании мелкихкапелек жидкости) на ионах, возникающих вдоль следа (трека) заряженной частицы.В дальнейшем вытеснена другими трековыми детекторами.)

Исследуя путидвижения частиц с помощью камеры, Резерфорд заметил, что в камере онипараллельны (пути), а при пропускании пучка параллельных лучей через слой газаили тонкую металлическую пластинку, они выходят не параллельно, а несколькорасходятся, т.е. происходит отклонение частиц от их первоначального пути.Некоторые частицы отклонялись очень сильно, некоторые вообще не проходили черезтонкую пластинку. [ 1, 7 ]

/>

Рис. 1. Модель атома Бор-Резерфорд

Исходя изэтих наблюдений, Резерфорд предложил свою схему строения атома: в центре атоманаходится положительное ядро, вокруг которого по разным орбиталям вращаютсяотрицательные электроны. (рис.1.)

Центростремительные силы, возникающиепри их вращении удерживают их на своих орбиталях и не дают им улететь. Этамодель атома легко объясняет явление отклонения a- частиц. Размеры  ядра  и электроновочень малы по сравнению с размерами всего атома,  которые определяются орбитаминаиболее удаленных от ядра электронов; поэтому большинство a-частиц  пролетает через атомы беззаметного  отклонения. Только в тех случаях, когда a-частицы очень близко подходит кядру, электрическое отталкивание вызывает резкое   отклонение ее отпервоначального пути. Таким  образом, изучение рассеяние a-частиц  положило  начало ядернойтеории атома.  Одной  из задач, стоявших перед теорией строения атома в началеее развития, было определение величины заряда ядра различных атомов. Так какатом в целом  электрически  нейтрален,  то,  определив заряд ядра, можно былобы установить и число окружающих ядро электронов. В решении этой задачи этойбольшую помощь оказало изучение спектров рентгеновских   лучей. Рентгеновскиелучи возникают при ударе быстро летящих электронов о какое-либо твердое тело иотличаются  от лучей видимого света только значительно меньшей длиной волны. Вто время как короткие световые волны  имеют длину около 4000 ангстремов(фиолетовые лучи),  длины волн рентгеновских лучей лежат в пределах от 20 до0,1 ангстрема. Чтобы  получить спектр рентгеновских  лучей, нельзя пользоватьсяобыкновенной призмой  или дифракционной  решеткой. (Дифракционная РЕШЕТКА, оптический прибор;совокупность большого количества параллельных щелей в непрозрачном экране илиотражающих зеркальных полосок (штрихов), равноотстоящих друг от друга, накоторых происходит дифракция света. Дифракционная решетка разлагает падающий нанее пучок света в спектр, что используется в спектральных приборах. )

Для рентгеновскихлучей требовалась решётка с очень большим количеством делений на один миллиметр(примерно 1млн./1мм.). Такую решётку искусственно приготовить было невозможно.В 1912  г. у швейцарского физика Лауэ возникла мысль использоватькристаллы в качестве дифракционной решетки   для   рентгеновских   лучей.

/>

Рис. 2. Модель кристалла

 Упорядоченное расположение атомов в кристалле и малое расстояние между нимидавало повод предполагать, что как раз кристаллы и подойдут на роль требуемойдифракционной решётки. (рис. 1.)

Опыт  блестяще  подтвердил предположение Лауэ, вскоре удалосьпостроить приборы, которые давали возможность получать спектр рентгеновскихлучей  почти всех элементов. Для получения рентгеновских спектров антикатод врентгеновских трубках делают из того металла, спектр которого  хотят получить,или же наносят соединение исследуемого элемента. Экраном для спектра служитфотобумага; после проявления на ней видны все линии спектра. В 1913 г.английский ученый Мозли, изучая рентгеновские спектры, нашел соотношение между длинами  волн  рентгеновских лучей и порядкового номерами соответствующихэлементов — это носит название закона Мозли и может быть сформулированоследующим образом: Корни квадратные из обратных значений длин волн находятся влинейной зависимости от порядковых номеров элементов.

       Еще до работМозли  некоторые учёные предполагали, что порядковый номер элемента указываетчисло зарядов ядра его атома. В тоже время Резерфорд,  изучая рассеивание  a-частиц  при прохождении через тонкиеметаллические пластинки, выяснил, что если заряд электрона   принять заединицу, то выражаемый в таких единицах заряд ядра  приблизительно  равенполовине атомного веса элемента. Порядковый номер, по крайне  мере  болеелегких элементов,  тоже равняется примерно половине атомного веса.  Все  вместевзятое привело к выводу, что Заряд ядра численно равен порядковому номеру элемента. Таким  образом,  закон Мозли  позволил  определить заряды атомныхядер. Тем самым, ввиду нейтральности атомов, было установлено и числоэлектронов,  вращающихся  вокруг  ядра в атоме каждого элемента. [ 1 ]

/>

1.2. Исследования Нильса Бора.

Ядерная модель атомаРезерфорда получила свое дальнейшее развитие благодаря  работам  Нильс  Бора,в которых учение о строении атома неразрывно  связывается с учением опроисхождении спектров.

Бор (Bohr) Нильс Хенрик Давид (1885-1962)

Линейчатые спектры получаются при разложении светаиспускаемого раскаленными парами или газами. Каждому  элементу отвечает свойспектр, отличающийся от спектров других элементов. Большинство металлов даеточень сложные спектры, содержащие огромное число линий (в железе  до 5000),          но встречаются и сравнительно простые  спектры.

/>

Планк (Planck) Макс (1858-1947)

         Развивая ядернуютеорию Резерфорда,  ученые пришли  к мысли,  что  сложная  структура линейчатых спектров обусловлена происходящими внутри атомов колебаниямиэлектронов.  По теории  Резерфорда, каждый электрон вращается вокруг ядра,причем сила  притяжения  ядра уравновешивается центробежной силой,  возникающейпри вращении электрона. Вращение электрона  совершенно аналогично его быстрым колебаниям и должно вызвать испускание  электромагнитных волн.  Поэтому можнопредположить,  что вращающийся электрон излучает свет определенной  длины волны,  зависящий  от   частоты обращения  электрона по орбите. Но, излучаясвет, электрон теряет часть своей энергии, вследствие чего нарушается  равновесие   между   ним  и  ядром;  для восстановления равновесия электрондолжен  постепенно передвигаться ближе к ядру,  причем так же постепенно будет изменяться  частота  обращения электрона и характер  испускаемого  им  света. В  конце концов, исчерпав всю энергию,  электрон  должен  «упасть» на ядро, и излучение света прекратится. Если бы на самом деле происходило такоенепрерывное изменение  движения электрона, то и спектр получался бы всегданепрерывный,  а не с лучами определенной длины волны. Кроме  того, «падение» электрона на ядро означало бы разрушение атома  и прекращения  его существования. Таким образом, теория  Резерфорда  была бессильна объяснить не только  закономерности  в  распределении

линий  спектра, ни  и  самосуществование линейчатых спектров. В 1913 г. Бор предложил сою теорию строенияатома, в которой ему удалось с большим искусством согласовать спектральныеявления  с  ядерной  моделью атома,  применив к последней так называемуюквантовую теорию излучения, введенную в науку немецким ученым-физиком Планком. Сущность теории квантов сводится к тому, что лучистая энергия испускается ипоглощается не непрерывно,  как принималось раньше, а отдельными малыми, новполне определенными порциями — квантами энергии. Запас энергии  излучающеготела изменяется скачками,  квант за квантом; дробное  число квантов тело неможет ни испускать,  ни поглощать. Величина кванта энергии зависит от частоты излучения: чем больше частота излучения,  тем больше величина кванта. Квантылучистой энергии называются также фотонами.  Применив квантовые представления квращению электронов  вокруг ядра,  Бор положил в основу своей теории оченьсмелые предположения,  или постулаты.  Хотя эти постулаты  и противоречатзаконам классической электродинамики, но они  находят  свое  оправдание  в  техпоразительных результатах,  к  которым приводят,  и в том полнейшем согласии,которое обнаруживается между теоретическими  результатами   и  огромным числом  экспериментальных фактов. Постулаты Бора заключаются в   следующем:Электрон может двигаться вокруг не по любым орбитам, а только по таким, которые удовлетворяют  определенными условиям, вытекающим из теории квантов.Эти орбиты получили название устойчивых или квантовых орбит. Когда  электрондвижется по одной из возможных для него устойчивых орбит, то он не излучает.Переход электрона с удаленной  орбиты  на  более  близкую сопровождаетсяпотерей энергии. Потерянная атомом при каждом переходе энергия превращается водин квант лучистой энергии. Частота излучаемого при этом света определяетсярадиусами тех двух орбит, между которыми совершается  переход   электрона. Чембольше  расстояние от орбиты, на которой находится электрон, до той, на которуюон переходит, тем больше частота излучения. Простейшим из атомов является атомводорода; вокруг ядра которого вращается только один электрон. Исходя изприведенных постулатов, Бор рассчитал радиусы возможных орбит для этогоэлектрона  и  нашел, что они относятся, как квадраты натуральных чисел: 1: 2:3:… n Величина n получила название главного квантового числа. Радиусближайшей  к  ядру орбиты в атоме водорода равняется 0,53 ангстрема.Вычисленные отсюда частоты излучений, сопровождающих  переходы  электрона содной орбиты на другую, оказались в точности совпадающими с частотами,найденными на опыте для линий водородного спектра.Тем самым была доказанаправильность расчета устойчивых  орбит, а  вместе  с  тем и приложимостьпостулатов Бора для таких расчетов. В дальнейшем теория Бора былараспространена и на атомную структуру других элементов, хотя это было связаннос некоторым трудностями из-за ее новизны.

   Теория Бора  позволила  разрешить очень важный вопрос о расположении электронов в  атомах  различных элементов иустановить зависимость свойств элементов от строения электронных  оболочек ихатомов. В настоящее время  разработаны схемы  строения атомов всех химическихэлементов. Однако, иметь ввиду, что все эти схемы это лишь более или менеедостоверная гипотеза,  позволяющая объяснить многие физические и химическиесвойства  элементов. Как раньше уже было сказано, число электронов, вращающихся вокруг ядра атома, соответствует порядковому  номеру элемента впериодической системе. Электроны расположены  по слоям, т.е. каждому слоюпринадлежит определенное заполняющие или как бы насыщающее его числоэлектронов.  Электроны одного и того же слоя характеризуются почти одинаковымзапасом энергии, т.е. находятся примерно на одинаковом энергетическом уровне.Вся оболочка атома распадается

 на несколько энергетических уровней.Электроны каждого следующего слоя находятся на более высоком энергетическом  уровне, чем электроны предыдущего слоя.  Наибольшее число   электронов N,могущих находиться  на  данном энергетическом уровне,  равно удвоенномуквадрату номера слоя:

    N=2n2,

     где n — номер слоя;

            N– наибольшее количество элементов.

Кроме того, установлено,что число электронов в наружном слое для всех элементов, кроме палладия,  непревышает восьми, а в предпоследнем — восемнадцати. Электроны наружного   слоя, как наиболее удаленные от ядра и, следовательно, наименее прочносвязанные с ядром, могут отрываться от атома  и присоединяться к другим атомам, входя в состав наружного  слоя последних. Атомы, лишившиеся одного или нескольких  электронов,  становятся  заряженные положительно, так как заряд ядра атома превышает сумму зарядов оставшихся электронов.  Наоборот атомы,присоединившие электроны  становятся заряженные отрицательно.  Образующиеся таким  путем  заряженные частицы, качественно  отличные  от  соответствующихатомов. называются ионами. Многие ионы в свою очередь могут терять илиприсоединять электроны, превращаясь при этом или в электронейтральные атомы,или в новые ионы с другим зарядом. Теория Бора оказала огромные услуги физике и химии,подойдя, с одной стороны, к раскрытию законов спектроскопии и объяснениюмеханизма лучеиспускания, а с другой — к выяснению структуры отдельных атомов иустановлению связи между ними. Однако оставалось еще много явлений в этойобласти, объяснить которые теория Бора не могла.

Движение электронов ватомах Бор представлял как простое механическое, однако, оно является сложным исвоеобразным. Это своеобразие было объяснено новой квантовой теорией. Отсюда ипошло: «Карпускулярно-вролновой дуализм».

И так, электрон в атомехарактеризуется:

1.   Главным квантовым числом n, указывающим на энергию электрона;

2.   Орбитальным квантовым числом l, указывающим на характер орбиты;

3.   Магнитным квантовым числом,характеризующим положение облаков в пространстве;

4.   И спиновым квантовым числом,характеризующим веретенообразное движение электрона вокруг своей оси. [ 1, 4 ]

ГлаваII. Строение атома

Химики XIXв. Не в состоянии были ответить навопрос, в чем суть различий между атомами разных элементов, например меди ийода. Лишь в период 1897-1911гг. удалось установить, что сами атомы состоят изеще более мелких частиц. Открытие этих частиц и исследование строения атомов –того, каким образом построены атомы разного вида из более мелких частиц, — однаиз наиболее интересных страниц истории науки. Более того, знание строенияатомов позволило затем провести исключительно успешную систематизациюхимических фактов, а это сделало химию более легкой для понимания и усвоения.Величайшую помощь каждому, изучающему химию, окажет, прежде всего, ясноепредставление о строении атома.

Частицы, из которыхсостоят атомы, — это электроны и атомные ядра. Электроны и атомные ядра несутэлектрические заряды, которые в значительной степени обуславливают свойствасамих частиц и строение атомов.

2.1Природа электричества.

Еще древние греки знали,что если янтарь натереть шерстью или мехом, то он будет притягивать легкиепредметы, например перья или кусочки соломы. Это явление изучал Уильям Гильберт(1540-1603), который предложил прилагательное электрический для описаниядействующей в данном случае силы притяжения; оно происходит от греческого словаэлектрон, означающего янтарь. Гильберт и многие другие ученые, в томчисле и Бенджамин Франклин, исследовали электрические явления; на протяжении XIX ст. были сделаны многочисленныеоткрытия, объясняющие явления электричества и магнетизма (тесно связанного сэлектричеством).

Было установлено, чтоесли сургучный стержень, ведущий себя так же, как янтарь, натереть шерстянойтканью и сблизить его со стеклянным стержнем, натертым шелковой тканью, томежду стержнями проскакивает электрическая искра. Было найдено также, что междутакими стержнями действует сила притяжения. Так, если сургучный стержень,получивший электрический заряд в результате натирания шерстяной тканью,подвесить на нитке и приблизить к нему заряженного стеклянного стержня, тозаряженный конец сургучного стержня повернется к стеклянному стержню. В то жевремя конец наэлектризованного сургучного стержня; точно так женаэлектризованный стеклянный стержень отталкивается от такого женаэлектризованного стеклянного стержня.

В результатеэкспериментального изучения такого рода явлений сложилось представление осуществовании двух видов электричества, получивших название смоляногоэлектричества (которое собирается на стеклянном стержне); было установлено, чтопротивоположные виды электричества протягиваются, тогда, как одинаковые отталкиваются.Франклин несколько упростил это представление, приняв допущение, согласнокоторому может перетекать от объекта к другому объекту электричество лишьодного вида. Он предположил, что в процессе натирания стеклянного стержняшелковой тканью некий электрический «флюид» переходит из ткани в стекло истеклянный стержень становится положительно заряженным благодаря избыткуэлектрического флюида. В ткани создается недостаток электрического флюида. Вткани создается недостаток электрического флюида, и она становится отрицательнозаряженной. Он подчеркивал, что на самом деле не знает, перешел лиэлектрический флюид из шелковой ткани в стеклянный стержень или из стеклянногостержня в ткань, и поэтому решение считать электричество на стеклянномзаряженном стержне положительным является позволительным. В настоящее времядействительно известно, что когда стеклянный стержень натирают шелковой тканью,то отрицательно заряженные частицы – электроны – переходят со стеклянногостержня на шелковую ткань, и что Франклин в своем допущении сделал ошибку. [5]

2.2Электрон

Представление осодержащихся в веществах электрических частицах было высказано в качествегипотезы английским ученым Г. Джонстоном Стонеем. Стоней знал, что веществаможно разложить электрическим током, – например, воду можно разложить такимспособом на водород и кислород. Ему было известно также о работах МайклаФарадея, установившего, что для получения некоторого количества элемента изтого или иного его соединения требуется определенное количество электричества.Обдумывая эти явления, Стоней в 1874г. пришел к выводу о том, что они указываютна существование электричества в виде дискретных единичных зарядов,причем эти единичные заряды связаны с атомами. В 1891г. Стоней предложилназвание электрон для постулированной им единицы электричества.Экспериментально электрон был открыт в 1897г Дж. Дж. Томсоном (1856-1940) вКембриджском университете. [5] 

2.2.1Свойства электрона

/>Электрон представляет собой частицу с отрицательным зарядомвеличиной –0,1602   10-18 Кл.

/>Масса электрона равна 0,9108   10-30кг, чтосоставляет 1/1873 массы атома водорода.

Электрон имеет оченьнебольшие размеры. Радиус электрона точно не определен, но известно, что онзначительно меньше 1·10-15м.

В 1925г. былоустановлено, что электрон вращается вокруг собственной оси и что он имеетмагнитный момент. [5]

2.2.2.Общие принципы заполнения электронных оболочек атомов элементов по периодам.

Число электронов вэлектронейтральном атоме закономерно повышается при переходе элемента от Z к Z + 1. Эта закономерность подчиняется квантовой теориистроения атома.

Максимальная устойчивостьатома, как системы электрических частиц, отвечает минимуму его полной энергии.Потому электроны при заполнении энергетических уровней в электромагнитном полеядра будут занимать (застраивать) в первую очередь наиболее низкий из них (К –уровень; n=1). В электронейтральномневозбужденном атоме электрон в этих условиях имеет наименьшую энергию (и,соответственно, наибольшую связь с ядром). Когда К – уровень будет заполнен (1s2 – состояние, характерное для атома гелия), электроныначнут застраивать уровень L (n = 2), затем M – уровень (n=3).При данном n электроны должны застраивать сначалаs-, затем p-, d- ит. д. подуровни.

Однако, как показываетрис. 3, энергетические уровни в атоме элемента не имеют ясных грани. Болеетого, здесь наблюдается даже взаимное перекрывание энергий отдельныхподуровней. Так, например, энергетическое состояние электронов в подуровнях 4s<sub/>и 3d, а так же 5s<sub/>и 4d<sub/>оченьблизки между собой, а 4s1 и 4s2 – подуровни отвечают более низким значениям энергии,чем 3d. Поэтому электроны, застраивающие, M- и N- уровни, в первую очередь попадут на 4s – оболочку, которая относится квнешнему электронному слою N (n=4), и лишь по ее заполнении (т. е.после завершения построения оболочки 4s2) будут размещаться в 3d – оболочке,относящейся к предвнешнему слою M (n=3). Аналогичное наблюдается и вотношении электронов 5s-и 4d – оболочек. Еще более своеобразноидет заполнение электронами f –оболочек: они при наличии электронов на внешнем уровне n (при n,равном 6 или 7) застраивают уровень n=2, т. е. предпревнешний слой, — пополняют оболочку 4f<sub/> (при n=6) или соответственно оболочку 5f (при n=7).

Обобщая, можно высказатьследующие положения.

1.    Уровни ns, (n-1)d и (n-2)f близки по энергии и лежат нижеуровня np.

2.    С увеличением числа электронов ватоме (по мере повышения величины Z) d – электроны «запаздывают» впостроении электронной оболочки атома на один уровень (застраивают предвнешнийслой, т. е. уровень n-1), а f – электроны запаздывают на двауровня: достраивают второй снаружи (т. е. предвнешний) слой n – 2. Появляющиеся f – электроны часто как бывклиниваются между (n-1)d1 и (n-1)d2¸10 – электронами.

Во всех указанных случаяхn – номер внешнего уровня, на которомуже содержатся два электрона (ns2 – электроны), причем n одновременно и номер того периода потаблице Менделеева, который включает данный элемент.

Элементы, в атомах которых при наличии электронов вовнешнем слое n (ns2– электроны) идет достройка одного из подуровней (3d,4d, 4f, 5d или 5f),находящихся на предвнешних слоях (n-1) или (n-2), называются переходными.

Общая картинапоследовательности заполнения электронами оболочек атомов элементов,принадлежащих к периоду n,имеет вид:

Границы значений

величины n:

  ns1¸2(n-1) d1 (n-2)/1¸14(n-1)d2¸10 np1¸6 (a)

1¸7           4¸7      6¸7         4¸7       2¸7

В показателе степени при s-, p-, d- и f – обозначениях в строке (а) указановозможное число электронов в данной оболочке. Например, в оболочке s может содержаться либо один, либодва электрона, но не больше; в оболочке f – от 1 до 14 электронов и т. д.

Известно, что минимальноезначение коэффициента при обозначении d – электронов равно трем. Следовательно, d-электроны могут в атомное структуре появится не ранеечетырем. В связи с этим указанные электроны могут появиться в атомах не ранеекак в элементах шестого периода (т. е. при n-2=4; n=4+2=6).Это обстоятельство и отмечено во второй строке.

Теперь перейдем к общейхарактеристике отдельных периодов таблицы Менделеева. Размещение элементов поэлектронным семействам представлено в таблице Д. И. Менделеева. [ 3 ]

2.3Ядра атомов

В 1911г. английский физикЭрнест Резерфорд провел ряд опытов, которые показали, что каждый атом содержит,кроме одного или нескольких электронов, другую частицу, называемую ядром атома.Каждое ядро несет положительный заряд. Оно очень мало – диаметр ядра составляетлишь около 10-14м, но оно очень тяжелое – самое легкое ядро в 1836раз тяжелее электрона.

Существует много разныхвидов ядер, причем ядра атомов одного элемента отличаются от ядер атомовдругого элемента. Ядро атома водорода (протон) имеет точно такой жеэлектрический заряд, как и электрон, но противоположного знака (положительныйзаряд вместо отрицательного). Ядра других атомов имеют положительные заряды, вцелое число раз превышающие величину этого основного заряда – заряда протона. [5]

2.3.1 Протон и нейтрон

Протон – простейшее атомное ядро. Это ядронаиболее распространенного вида водорода, самого легкого из всех атомов.

Протон имеет электрическийзаряд 0,1602·10-18Кл. Этот заряд точно равен заряду электрона, но онположительный, тогда как заряд электрона отрицательный.

Масса протона равна1,672·10-27кг. Она в 1836 раз больше массы электрона.

Нейтрон был открыт английским физикомДжеймсом Чедвиком в 1932г. Масса нейтрона равна 1,675·10-27кг, что в1839 раз больше массы электрона. Нейтрон не имеет электрического заряда.

Среди химиков принятопользоваться единицей атомной массы, или дальтоном (d), приблизительно равной массепротона. Масса протона и масса нейтрона приблизительно равны единице атомноймассы. [5]

2.3.2 Строение атомных ядер

Известно осуществовании нескольких сот разных видов атомных ядер. Вместе с электронами,окружающими ядро, они образуют атомы разных химических элементов.

Хотя детальное строениеядер и не установлено, физики единодушно принимают, что ядра можно считатьсостоящими из протонов и нейтронов.

Вначале в качествепримера рассмотрим дейтрон. Это ядро атома тяжелого водорода, илиатома дейтерия. Дейтрон имеет такой же электрический заряд, как ипротон, но его масса приблизительно вдвое электрический заряд, как и протон, ноего масса приблизительно вдвое превышает массу протона. Полагают, что дейтронсостоит из одного протона и одного нейтрона.

Ядро атома гелия, которое также называют альфа– частицей илигелионом, имеет электрический заряд, в два разапревышающий заряд протона, и массу приблизительно в четыре раза больше массыпротона. Считают, что альфа-частица состоит из двух протонов и двух нейтронов.[5]

2.4Атомная орбитальАтомная орбиталь – пространство вокруг ядра, в котором наиболеевероятно нахождение электрона.

Электроны, движущиеся в орбиталях,образуют электронные слои, или энергетические уровни.

Максимальное число электронов наэнергетическом уровне определяется по формуле:

N= 2n2,

где n – главное квантовое число;

       N – максимальное количество электронов.

Электроны, имеющие одинаковоезначение главного квантового числа, находятся на одном энергетическом уровне.Электрические уровни, характеризующиеся значениями n=1,2,3,4,5 и тд., обозначают как K,L,M,N и тд. Согласно приведенной выше формуле, на первом(ближайшем к ядру) энергетическом уровне может находиться – 2, на втором – 8,на третьем – 18 электронов и тд.

Главным квантовым числомзадается значение энергии в атомах. Электроны, обладающие наименьшим запасомэнергии, находятся на первом энергетическом уровне (n=1). Ему соответствует s-орбиталь, имеющая сферическую форму. Электрон,занимающий s-орбиталь, называется s-электроном.

Начиная с n=2 энергетические уровниподразделяются на подуровни, отличающиеся друг от друга энергией связи сядром. Различают s-, p-, d- и f-подуровни.Подуровни образуют, обитали одинаковой формы.

На втором энергетическомуровне (n=2) имеется s-орбиталь (обозначается 2s-орбиталь) и три p-орбитали (обозначаются 2p-орбиталь).2s-электрон находится от ядра дальше,чем 1s-электрон и обладает большейэнергией. Каждая 2p-орбиталь имеетформу объемной восьмерки, расположенной на оси, перпендикулярной осям двухдругих p-орбиталей  (обозначаются px-, py-, pz – орбитали). Электроны, находящиесяна p-орбитали, называются p-электронами.

На третьем энергетическомуровне имеются три подуровня (3s, 3p,3d). d- подуровень состоит из пяти орбиталей.

/>Четвертыйэнергетический уровень (n=4)имеет 4 подуровня (4s,4p, 4d и 4f). f-подуровеньсостоит из семи орбиталей.

/>В соответствии с принципом Паули наодной орбитали может находиться не более двух электронов. Если в орбиталинаходится один электрон, он называется неспаренным. Если два электрона –то спаренными. Причем спаренные электроны должны обладатьпротивоположными спинами. Упрощенно спин можно представить как вращениеэлектронов вокруг собственной оси по часовой и против часовой стрелки.

На рис. 3 изображеноотносительное расположение энергетических уровней и подуровней. Следует учесть,что 4s-подуровень расположен ниже 3d-подуровня.

Распределение электроновв атомах по энергетическим уровням и подуровням изображают с помощью электронныхформул, например:

H

1s1

He

1s2

Цифра перед буквой показывает номер энергетическогоуровня, буква – форму электронного облака, цифра справа над буквой – числоэлектронов с данной формой облака.

В графическихэлектронных формулах атомная орбиталь изображается в виде квадрата,электрон — стрелкой (направление спина) (табл. 1)

Таблица1

Примеры распределения электронов по орбиталям.

/>/>2He

n=1

1s2

/>/>/>/>/>/>/>7N

n=1

n=2

1s2

1s22s22px12py12pz1

В соответствии с принципомнаименьшей энергии каждый электрон, заполняющий оболочку атома, занимаеттакую орбиталь, чтобы атом имел наименьшую энергию.

Согласно правилу,сформулированному немецким физиком Ф. Хундом (1927г.), атомные орбитали,принадлежащие к одному подуровню, заполняются вначале каждая одним электроном,и только потом происходит заполнение вторыми электронами. Таким образом, призаполнении p-, d-, f-подуровнейчисло электронов с параллельными спинами (число неспаренных электронов) должнобыть максимальным.

Энергия орбиталейвозрастает так:

1s 2s 2p 3s 3p4s 3d 4p 5s 4d 5p 6s 4f 5d 6p 7s 5f ...

В этой же последовательностизаполняются электронные орбитали атомов электронов периодической системы.

При написании электронныхформул следует учитывать так называемый «проскок» электрона. Так электроннаяформула хрома должна быть 1s22s2p63s23p63d44s2. Однако расположение электронов уэтого элемента следующее: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d5 4s1. Электрон четвертого уровня«проскочил» на d-подуровеньвторого снаружи уровня.

На высшем энергетическомуровне свободного атома может находиться не более 8 (внешних) электронов. Длямногих элементов именно внешние электроны определяют  их химические свойства. Унекоторых элементов химические свойства зависят от числа как внешних, так ивнутренних электронов. Например, у атомов таких элементов, как Sc, Ti, Cr, Mn и др., такие электроны являются валентными.

Электроннаяконфигурацияэлемента – это запись распределения электронов в его атомах по энергетическимуровням, подуровням, орбиталям. Электронная конфигурация атомов обычнозаписывается для атомов элементов в основном состоянии. Состояние атома, прикотором его энергия минимальна, называют основным, прочие состояния носятназвания возбужденных. [2]

 Заключение

… В далеком прошлом философыдревней Греции предполагали, что вся материя едины, но приобретает те или иныесвойства в зависимости от ее «сущности». А сейчас, в наше время, благодарявеликим ученым, мы точно знаем, из чего на самом деле она состоит.

Список литературы:

 

1.   Коровин Н.В., Курс общей химии – М:Высшая школа,1990. — 446с.

2.   Кременчугская М., Васильева С., Химия– М: Слово, 1995. – 479с.

3.   Кульман А. Г., Общая химия- М: Наука,1982. – 578с.

4.   Некрасов Б. В., Основы общей химии-М:Химия, 1973.- 688с.

5.   Полинг Л., Полинг П. Химия –М: Мир,1978. – 685с.

6.   Савина О. М., Энциклопедия – М.: АСТ,1994. – 448с.

7.   Харин А.Н., Курс химии – М: Высшая школа,1983. — 511с.