Глава 1 строение атома, периодический закон и периодическая система элементов д. И. Менделеева

После изучения этой главы вы должны:

- иметь представление о строении атома и корпускулярно- волновой природе электрона;

• знать квантовые числа и принципы заполнения электронами атомных орбиталей;

• знать периодический закон Д. И. Менделеева, принципы по­строения периодической системы элементов, написание электрон­ных формул атомов элементов;

• уметь прогнозировать химические свойства элементов, исхо­дя из их положения в периодической системе и электронных фор­мул соответствующих атомов;

• знать основные характеристики атомов элементов и измене­ние этих величин по группам и периодам периодической системы.

1.1. Строение атома

Понятие атома как мельчайшей неделимой частицы веще­ства было предложено еще в V веке до н. э. греческими фило­софами Демокритом и Эпикуром. Экспериментальные факты, свидетельствующие о сложной структуре атома, были получены при исследовании электролиза, природы катодных и каналовых лучей, фотоэффекта, радиоактивности элементов и оптиче­ских спектров атомов различных элементов. Обобщая извест­ные экспериментальные данные, Э. Резерфорд в 1911 г. пред­ложил планетарную модель атома, согласно которой 99,9 % массы атома и его положительный заряд сосредоточены в ядре, а электроны - отрицательно заряженные частицы - движутся вокруг ядра подобно планетам в Солнечной системе. Планетарная модель, благодаря своей наглядности и идеям Н. Бора, сфор­мулированным им в 1913 г., долгое время использовалась для объяснения атомно-молекулярных явлений. Однако оказалось, что движение электрона в атоме и устойчивость атомной систе­мы, в отличие от устойчивости Солнечной системы, нельзя опи­сать законами классической механики. Это вызвано прежде все­го очень большой разницей в размерах этих двух систем. Для описания строения атома необходимо применять законы квантово-волновой механики, которым подчиняется микромир и которые сформулировали в 1920-е годы Л. де Бройль, В. Гейзенберг, Э. Шредингер и П. Дирак.

Согласно современным представлениям атом является слож­ной электромагнитной системой, включающей элементарные час­тицы - протоны, нейтроны, находящиеся в ядре атома, и электроны. Протон имеет массу 1,67 • 10^-27 кг и положительный за­ряд 1,6 • 10^-19 Кл, нейтрон имеет примерно такую же массу, но лишен заряда, электронейтрален. Электрон имеет массу покоя в 1836 раз меньше массы протона - 9,1 • 10^-31 кг и отрицатель­ный заряд, равный по величине заряду протона 1,6 • 10^-19 Кл. Атом электронейтрален, так как число электронов в атоме равно числу протонов. Пользуясь периодической системой Д. И. Мен­делеева, легко определить число элементарных частиц в атоме. Так, элемент калий имеет порядковый номер 19 и атомную мас­су 39. Следовательно, в ядре имеется 19 протонов и 20 нейтро­нов (39 - 19 = 20), а вокруг ядра атома калия движется 19 элек­тронов.

В ядрах атомов одного и того же элемента может содержать­ся при одинаковом числе протонов разное число нейтронов. Та­кие атомы имеют различную массу, но одинаковый заряд ядра и, следовательно, одинаковое число электронов.

Разновидности атомов одного и того же химического элемента, отличающиеся массовыми числами, но имею­щие одинаковый заряд ядра, называются изотопами.

Массовое число элемента является средней величиной мас­совых чисел его природных изотопов с учетом их распростра­ненности. Например, элемент хлор имеет два естественных изотопа: (35 17) Сl - 75,43% и (37 17) Cl - 24,57%, поэтому относи­тельная масса атома хлора приблизительно равна 35 * 0,7543 + 37 • 0,2457 = 35,491.

Устойчивость атомного ядра зависит от соотношения чисел содержащихся в нем нейтронов и протонов. Для легких эле­ментов ядро максимально устойчиво при отношении число нейтронов/число протонов, равном приблизительно 1, а для тяжелых элементов - около 1,6. При иных соотношениях прото­нов и нейтронов ядро атома становится неустойчивым и склон­ным к самопроизвольным радиоактивным превращениям в дру­гие ядра за счет испускания а- или (B- частиц и у-лучей.

При химическом взаимодействии ядра атомов элементов ос­таются без изменения, а строение внешних электронных оболочек их атомов изменяется вследствие перераспределения электро­нов между ними. Способность атома отдавать или присоединять электроны, зависящая от заряда ядра, от строения электронной оболочки атома и его радиуса, определяет химические свойства соответствующего элемента. Поэтому рассмотрим электронную структуру атома с учетом его квантово-механической модели.

По современным представлениям электрон имеет двойствен­ную (корпускулярно-волновую) природу, проявляя одновременно свойства как корпускулы (частицы), так и волны (см. табл. 1.1). Наличие у электрона массы и заряда характеризует его как корпускулу, а способность пучка электронов к явлениям дифракции и интерференции свидетельствует о волновых свойствах электрона и используется в электронной микроскопии биологиче­ских объектов. Особенности поведения электрона в атоме вызваны прежде всего его волновыми свойствами, так как волновое движение принципиально отличается от движения корпускулы. При описании движения волны нельзя пользоваться понятием "траектория". Поэтому для характеристики движения электрона вместо терминов "траектория" и "орбита" применяют вероятно­стный подход, т. е. движение электрона описывают через веро­ятность нахождения электрона в данной точке атомного про­странства. Таким образом, согласно квантово-волновой механике электрон в атоме оказывается как бы "размазанным" по всему объему атома, образуя электронное облако с неравномерной плот­ностью, т. е. атомную орбиталь.

Часть атомного пространства, где вероятность пребы­вания электрона составляет свыше 90 %, называется атомной орбиталью.

На схемах атомная орбиталь обычно изображается как ячейка: О или .

Другая особенность поведения электрона в атоме также связа­на с его волновыми свойствами. Вследствие закономерностей дви­жения электронной волны и с учетом граничных условий, элек­трон в атоме может принимать не любые состояния, а только определенные, т. е. для состояний электрона в атоме и величин, их характеризующих, свойственна квантованность (дискретность).

Электрон, находящийся в атоме, участвует в двух видах движения (орбитальное движение относительно ядра и собст­венное вращательное движение). Поэтому для полного описа­ния состояния электрона в атоме необходимо знать следующие четыре параметра:

Все эти четыре параметра, описывающие состояние электро­на в атоме (табл. 1.1), вследствие его волновых свойств должны квантоваться, т. е. все их возможные значения обязательно должны быть пропорциональны определенным числам, называе­мым квантовыми.