1.3.3. Сучасна періодична система

Періодична система елементів була надрукована Д. І. Менделєєвим у двох формах: корот­кій, у якій великі періоди підрозділяються на два ряди — парний і непарний, і довгій, де еле­менти великих періодів розташовуються в один ряд (сам Менделєєв користувався коротким варіантом).

З моменту відкриття періодичної системи було опубліковано декілька сотень варіантів її зображення не тільки на площині, але й у просторі.

У новій енциклопедії Британіка, яка виходила друком у 1974—1994 рр., а також в інших іноземних виданнях і наукових журналах наводиться сучасна періодична система елементів Д. І. Менделєєва (довгий варіант).

У цьому варіанті таблиці збережені періоди, але відсутні парні та непарні ряди. Таблиця має 18 груп, у групах немає розподілу на головні й побічні підгрупи. Номери груп позначені арабськими цифрами (інколи ще паралельно зазначають стару нумерацію римськими циф­рами).

Перша група — група лужних металів, друга — лужноземельних, третя — група Скандію. Після групи Нікелю розташована 11 група Купруму, 17 — група галогенів, 18 — інертних газів.

Крім нового розташування елементів, поруч з кожним із них зазначено відносну атомну масу, атомний номер, розподіл електронів, температуру плавлення, температуру кипіння, електронегативність, назву, латинську назву.

Кожний варіант має свої переваги та недоліки (до останніх відносять, як правило, неви­правдані складнощі щодо її використання).

1.4. Будова атома

1.4.1. Протон, нейтрон, електрон. Квантові числа

З курсу фізики відомо, що атом складається з позитивно зарядженого ядра та електронів,

*

що рухаються навколо нього.

Ядро атома

Якщо уявити собі кулю радіусом 100 м, а в її центрі розташувати тенісний м'ячик, то це дасть можливість уявити, який об'єм має ядро по відношенню до об'єму атома. Ядро займає одну стотисячну об'єму атома.

Але, незважаючи на це, практично вся маса атома міститься в його ядрі. Це пов'язано з тим, що густина ядерної речовини дуже висока. 1 см³ такої ядерної речовини мав би вагу приблизно 250 млн тонн.

Нуклони

Ядро складається з нуклонів (від. пусІ08 — ядро) — протонів і нейтронів.

Протони (позначаються {р або ^Н ) — частинки, що мають заряд +1 і масу, що дорівнює 1 а. о. м.

Нейтрони (0п) — частинки, що не мають заряду, їх маса дорівнює 1 а. о. м.

Заряд і маса ядра атома

Кількість протонів у ядрі атома обумовлює величину його позитивного заряду. Оскільки за­ряд ядра атома — це основна характеристика елемента, то кількість протонів у ядрах атомів тих чи інших елементів — завжди стале число.

Нейтрони впливають на масу ядра, але не можуть змінити його заряд, тому ядра атомів одного й того ж елемента можуть мати різну кількість нейтронів.

ізотоп, нуклід

Різновиди атомів з однаковим зарядом ядра, але різними масами, називаються ізотопами.

Так, наприклад, в ядрі атома ³⁵С1 міститься 17 протонів і 18 нейтронів, а у ³⁷С1 — 17 про­тонів і 20 нейтронів.

Нуклід можна охарактеризувати числами: 2 — протонне число, що позначає число про­тонів у ядрі даного нукліду, N — нейтронне число, яке показує число нейтронів даного ну­кліду, А — масове число — сума протонного та нейтронного чисел. Останнє дорівнює відносній атомній масі, округленій до цілого числа, тому що маси протона та нейтрона дорівнюють 1 а. о. м., а маса електрона дуже мала.

Існують атоми різних елементів, що мають однакові атомні маси: 19К і 18 Аг, 54 Сг і 54. Вони називаються ізобарами.

Електрони 1

Електрони (позначаються е) — це елементарні частинки, що мають масу .. ₀₀„ в. а. м.

1ооО

і заряд, який дорівнює —1. Електрони в атомі розподіляються навколо ядра в шарах, що на­зиваються стаціонарними орбітами, або енергетичними рівнями.

Майже всі поняття, викладені в цьому розділі, є модельними. Насправді в атомі діють закони реля­тивістської і квантової механіки.

Усі електрони, що розташовані на одному рівні, мають однакову енергію. Електрони, що розташовані на одному енергетичному рівні, можуть відрізнятися формою орбіти, її орієнта­цією стосовно магнітного поля, а також власним моментом кількості руху.

Квантові числа

Стан електрона в атомі повністю описується чотирма параметрами, які називаються кван­товими числами.

Основною характеристикою електрона в атомі є його енергія, що відповідає номеру енер­гетичного рівня, на якому він розташований. Тому номер рівня п, на якому розташований електрон, називається головним квантовим числом. Головне квантове число може набувати значення п = 1, 2, 3, 4 і т. д. Значення п зумовлює ємність рівня, тобто максимальну кількість електронів, яка визначається за формулою 5 = 2п². Виходячи з цього, на першому енергетич­ному рівні можуть розташуватися 2 електрони, на другому — 8, на третьому — 18 і т. д.

5-Орбіталі

Електрони можуть обертатися як за кульовими, так і за витягнутими (умовно їх назива­ють еліпсоїдальними) орбітами. Ступінь еліпсоїдності орбіти (умовно визначається різницею між довгою і короткою осями еліпса) визначається побічним квантовим числом І. Значення, яких може набувати І, пов'язані з п. При заданому п значення І можуть змінюватися від 0 до п — 1. Це означає, що при п = 1 І набуває єдиного значення — І = 0. Електрони, в яких І = 0, називаються з-електронами. Орбіти з-електронів мають форму кулі. На другому енергетич­ному рівні (п = 2) І набуває двох значень — 0 (з-електрони) і 1 (р-електрони). р-Електрони під час свого руху утворюють хмару, що має форму гантелі. Якщо за початок осей координат узяти центр атомного ядра, то гантелеподібні хмари розташуються у просторі, як показано на рисунку.

/12

0

їй

У

X

X

На третьому енергетичному рівні (п = 3) знаходяться з-електрони, р-електрони (І = 1) та й-електрони (І = 2). На четвертому енергетичному рівні розташовані з-електрони, р-електрони, й-електрони та /-електрони (І = 3).

Магнітне квантове число (т) визначає проекцію довгої осі орбіти електрона на напрямок магнітного поля Землі або приладу, яким проводять вимірювання. Значення т змінюється від —І через 0 до +1, тобто при І = 0 т = 0, а при І = 1 т набуває трьох значень — —1, 0, +1.

Останнє квантове число зумовлює власний момент кількості руху електрона. Умовно його можна подати як обертання електрона (звідки й походить назва спін від зріп — веретено) нав-

1 1

коло осі. Спінове квантове число набуває лише двох значень — + — ; - — .

2 2

Принцип (заборона) Паулі

Слід пам'ятати, що в атомах чітко діє заборона Паулі, яка наголошує, що в атомі не може бути двох електронів, які мають однакові квантові числа. Але в атомі можуть бути електро­ни, що мають однакове значення п, І і т, але різне 5.

Якщо на орбіталі розташований один електрон, він називається неспареним, якщо два, то це спарені електрони, тобто електрони з протилежними спінами.

Оскільки 5 може набувати тільки двох значень, то таких електронів може бути два.

Атомні орбіталі

Пара електронів, стан яких відрізняється тільки спінами, називається атомною орбіталлю.

Атомні орбіталі можуть бути заповненими (якщо там 2 електрони), незаповненими (1 елек­трон, наприклад, атом Гідрогену) і вакантними (жодного електрона, наприклад, йон Гідро­гену Н+).

Послідовність енергетичних рівнів у атомі

Заповнення електронами енергетичних рівнів підпорядковане принципу мінімальної енер­гії, тобто в першу чергу заповнюються енергетичні рівні, що розташовані ближче до ядра. На власне енергетичних рівнях заповнюються спочатку з-орбіталі, потім р-орбіталі, й-орбіталі, а потім /-орбіталі.

На основі викладеного вище можна складати електронні формули атомів.