СТРОЕНИЕ АТОМОВ

Наука » Химия

Многочисленные эксперименты, про­ведённые физиками в начале XX в.. показали, что атомы состоят из ядер, вокруг которых движутся электро­ны — в этом отношении атомы напо­минают Солнечную систему. Недаром модель атома, предложенную в 1911 г. английским физиком Эрнестом Резерфордом (1871 — 1937), назвали планетарной. Действительно, в Сол­нечной системе почти вся масса (99,87 %) сосредоточена в централь­ном светиле, а на планеты приходят­ся лишь сотые доли процента. Оказы­вается, в атомах тоже практически вся масса сосредоточена в ядре (в част­ности, в атоме водорода — 99,95 %).

Но если сравнивать не массы, а размеры, то окажется, что атом на­много более «пустой», чем Солнечная система. Её диаметр примерно в 4 тыс. раз больше диаметра Солнца. Разме­ры же атомов (порядка 10-10 м) при­близительно в 100 тыс. раз превыша­ют размеры ядра (порядка 10-15 м для лёгких ядер)! Если увеличить ядро до 1 мм (булавочная головка), то сам атом вырастет до 100 000 мм = 100 м (размер футбольного поля). Ещё рази­тельнее сопоставление объёмов ядра и атома — получается разница в 15 порядков. Это означает, например, что практически вся масса огромно­го свинцового куба с ребром 100 м (она равна 11 млн. тонн) сосредоточе­на в ядрах атома свинца, суммарный объём которых меньше спичечной го­ловки! Трудно даже представить себе, насколько высока плотность ядерно­го вещества.

  

СТРОЕНИЕ АТОМОВ

  

 

  

Ядра всех элементов состоят из по­ложительно заряженных протонов (р от греч. «протос» — «первый») и

не имеющих заряда нейтронов (n; от лат. neutrum — «ни то, ни другое»). Только ядро атома водорода состоит из единственного протона. Число протонов в ядре (Z) определяет атом­ный номер химического элемента (под этим номером он и числится в периодической системе), а сумма про­тонов и нейтронов называется мас­совым числом (А); очевидно, что оно всегда целое. Протоны и нейтроны имеют общее название — нуклоны (от лат. nucleus — «ядро»). Термином нуклид обозначают атом с определён­ным атомным номером Z и массовым числом А, т. е. с определённым набо­ром протонов и нейтронов. Нуклиды с одним и тем же атомным номером, но с разными массовыми числами на­зываются изотопными нуклидами или просто изотопами (от греч. «изос» — «равный» и «топос» — «мес­то»). Другими словами, в ядрах всех изотопов данного элемента содер­жится одинаковое число протонов, но разное число нейтронов.

Нуклиды обозначают символом элемента и массовым числом: 12С, 14N, l6O; другая форма записи: угле­род-12, азот-14, кислород-16. Если массовое число не указывать, то под­разумеваются все природные изото­пы данного элемента. Иногда указы­вают и атомный номер элемента, но это не обязательно, поскольку символ элемента однозначно связан с опре­делённым Z. Так, для атомов водоро­да Z=1, для азота Z=7, для кислоро­да Z=8 и т. д. Разных нуклидов значительно больше, чем элементов. Например, в природе найдены три

изотопа водорода — нуклиды 1Н, 2Н (другое обозначение D — дейтерий) и 3Н (или Т — тритий), три изотопа углерода (12С, 13С и 14С), четыре — се­ры, пять — кальция, шесть — селена, семь — молибдена, восемь — кадмия, девять — ксенона и десять — олова (это рекорд). Есть и элементы-оди­ночки, представленные всего одним нуклидом: 9Ве, 19F, 23Na, 27Al, 31P и др. Некоторые природные нуклиды нестабильны: со временем они распа­даются; это — радионуклиды (см. ста­тью «Превращения атомных ядер»).

Если атом нейтрален, его положи­тельно заряженное ядро удерживает столько же отрицательно заряжен­ных электронов (е), сколько протонов в ядре. Электроны в атомах формиру­ют оболочки, называемые также энер­гетическими уровнями. Из всех воз­можных способов расположения электронов в атоме данного элемента реализуется тот, при котором энергия атома, т. е. системы «ядро — электро­ны», является минимальной. Чем бли­же к ядру расположены электроны, чем больше сила притяжения между ними и ядром, тем меньше суммарная энергия атома. А по мере увеличения числа электронов они стремятся рас­положиться подальше друг от друга, что уменьшает взаимное отталкивание электронов и также снижает энергию атома. При расчёте полной энергии атома следует учитывать оба эти фак­тора. Неудивительно, что подобные расчёты представляют собой очень сложную задачу.

Электрон движется около ядра в определённом пространстве, кото­рое называется атомной орбиталью. Орбитали могут иметь разную фор­му — шарообразную (s-орбиталь), гантелеобразную (p-орбиталь) или более сложную (d-, f-орбитали и т. д.), В этом отношении между движением планет вокруг Солнца и движением электронов около ядра нет ничего об­щего: электроны подчиняются другим (квантовым) законам. На каждой орбитали могут одновременно нахо­диться максимум два электрона, обла­дающие противоположными спинами (спин — собственная характеристика электрона, имеющая квантовую при

 

роду). Графически орбитали часто изображают в виде ячеек, а находящи­еся на них электроны — стрелками (стрелки, направленные в разные сто­роны указывают на противополож­ные спины двух электронов).

Для первого, самого нижнего энер­гетического уровня (K-оболочка) воз­можна только s-орбиталь, для второ­го (L-оболочка) —s и p, для третьего (М-оболочка) — s, p и d и т. д. Для изо­лированного атома орбитали с одина­ковой формой и энергией образуют энергетические подуровни (подслои). Их обозначают, указывая номер уров­ня и характер орбитали, скажем 2s, 4f Справа вверху указывают число элек­тронов на данной орбитали, напри­мер 1s1 (у атома водорода) или 5d10 (у атома золота). На каждом подуров­не может поместиться строго опреде­лённое число электронов: на s-подуровне — 2 (он состоит из одной s-орбитали), на p-подуровне — 6 ( три p-орбитали: рх, ру, pz), на d-подуровне — 10 (пять d-орбиталей: dxy, dxz, dyz , а на f-подуровне — 14 (семь f-орбиталей). При последовательном заполнении подуровней электроны

ведут себя примерно так, как пассажи­ры, входящие в пустой автобус: они вначале рассаживаются на сиденьях по одному, и лишь когда все места у окошек заняты, начинают занимать соседние.

Энергия данной орбитали не по­стоянна: она снижается (причём не всегда плавно) при переходе от более лёгких к более тяжёлым ато­мам. Это объясняется тем, что для лёг­ких атомов энергия данного уровня определяется в основном притяжени­ем электронов к ядру, тогда как для тяжёлых атомов велико влияние вза­имного отталкивания электронов. В результате происходит как бы со­ревнование между разными энергети­ческими уровнями.

Эта особенность позволяет понять ряд «исключений» в размещении электронов по энергетическим уров­ням и подуровням некоторых эле­ментов. Всё это очень важно для объяснения химических свойств эле­ментов: ведь именно перестройка электронных орбиталей при сближе­нии атомов и составляет сущность химической реакции.

Форма атомных орбиталей.



Источник: Мир Энциклопедий Аванта+
Авторы: Андрей Дроздов, Илья Леенсон, Дмитрий Трифонов, Денис Жилин, Александр Серов, Андрей Бреев, Андрей Шевельков, Вадим Ерёмин, Юлия Яковлева, Оксана Рыжова, Виктория Предеина, Наталья Морозова, Алексей Галин, Сергей Каргов, Сергей Бердоносов, Александр Сигеев, Оксана Помаз, Григорий Середа, Владимир Тюрин, Антон Максимов, Вячеслав Загорский, Леонид Каневский, Александр Скундин, Борис Сумм, Игнат Шилов, Екатерина Менделеева, Валерий Лунин, Абрам Блох, Пётр Зоркий, Александр Кури, Екатерина Иванова, Дмитрий Чаркин, Сергей Вацадзе, Григорий Серела, Анастасия Ростоцкая, Александр Серое, Анастасия Сигеева
Авторское право на материал
Копирование материалов допускается только с указанием активной ссылки на статью!

Похожие статьи

Информация
Посетители, находящиеся в группе Гости, не могут оставлять комментарии к данной публикации.