Міністерство освіти і науки україни

КРИВОРІЗЬКИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

КАФЕДРА ХІМІЇ

МЕТОДИЧНІ ВКАЗІВКИ

до самостійного вивчення розділу загальної хімії

«БУДОВА АТОМА І ПЕРІОДИЧНИЙ ЗАКОН»

для студентів I курсу

всіх спеціальностей

(денної та заочної форм навчання)

Кривий Ріг

2006

Укладачі: к.х.н, доц. Мовчан В.В., к.х.н, доц. Часова Е.В., к.х.н, доц. Мовчан О.Г.

Вiдповiдальний за випуск: Мовчан В.В.

Рецензент: к.х.н, доц. Єрмак Л.Д.

Методичні вказівки до самостійного вивчення розділу загальної хімії «Будова атома і періодичний закон» для студентів 1 курсу всіх спеціальностей містять основні теоретичні відомості з будови атома, приклади, а також питання для самоконтролю та задачі для самостійного розв’язування .

РОЗГЛЯНУТО на засіданні кафедри хімії	СХВАЛЕНО на вченій раді металургійного факультету
Протокол №7 від «_10_» __03___2006 р.	Протокол № 5 від «_11_» __05___2006 р.

ЗМІСТ

1. Будова атома 4

1.1. Загальні уявлення про будову атома, природа електрона і характеристики його стану в атомі 4

1.2. Квантові числа 6

1.3. Розподіл електронів в атомі, електронні й електронно-графічні формули елементів 8

2. Критерії періодичності й властивості хімічних елементів 10

2.1. Періодичний закон та періодична система елементів Д.І.Менделєєва 11

2.2. Радіуси атомів та йонів елементів. 12

2.3. Закономірності зміни енергетичних характеристик елементів. 12

Енергія йонізації 12

Енергія спорідненості до електрона 14

2.4. Електронегативність атомів 15

3. Запитання для самоконтролю 17

4. Задачі для самоконтролю 20

5. Література 21

1. Будова атома

1. Загальні уявлення про будову атома, природа електрона і характеристики його стану в атомі

Слово “атом” у перекладі з грецької мови означає “неподільний”. За сучасними уявленнями атом — електронейтральна мікросистема, що складається з позитивно зарядженого ядра та негативно заряджених електронів. Ядра атомів складаються з двох типів мікрочастинок (нуклонів) — протонів і ней­тронів , основні характеристики яких подано в табл. 1.1.

Основна маса атома зосереджена в ядрі і характеризується масовим числом А, яке дорівнює сумі чисел протонів (тобто заряду ядра) Z і ней­тронів N:

A = Z + N

Таблиця 1.1.

Основні характеристики елементарних частинок, які входять до складу атома

Частинка	Символ	Маса спокою		Заряд
		абсолютна, кг	а.о.м.	електричний, Кл	відносний
Протон		1,673·10-27	1,007276	1,602·10-19	+1
Нейтрон		1,675·10-27	1,008665	0	0
Електрон		9,109·10-31	0,000549	1,602·10-19	-1

Атом і ядро характеризуються такими лінійними розмірами: атома — ~ 10^-10, ядра — ~ 10^-14 – 10^-15 м. Заряд ядра, як го­ловна характеристика атома, визначає число електронів, що обертаються навколо нього.

Отже, заряд ядра зумовлює належність атома до певного виду хімічних елементів і відповідає порядковому номеру елемента в періо­дичній системі елементів Д. І. Менделєєва. У позначенні елемента відобра­жають масове число А і кількість протонів Z, наприклад , .

Ато­ми з однаковими значеннями Z, але з різними значеннями А і N, на­приклад , , , називають ізотопами.

Атоми з однаковими значеннями N, але з різними значеннями Z і А, наприклад ,і , називають ізотонами; з однаковими значеннями А, але різними Z і N, наприклад , ,— ізобарами.

За сучасними уявленнями рух електронів в атомі описується законами квантової механіки, в основі якої лежать уявлення про квантування енергії, хвильово-корпускулярну (двоїсту) природу електрона, хвильовий характер його руху. Енергія є найважливішою характеристикою електрона. Вона може приймати лише визначені дискретні значення, поглинається і випромінюється лише порціями – квантами.

Отже, електрон прийнято розглядати одночасно і як мікроматеріальну час­тинку (див. табл. 1.1), і як хвилю. Математично це положення описується рівнянням де Бройля (1924), відповідно до якого частин­ці, що має масу і рухається зі швидкістю v, відповідає хвиля довжини λ:

λ=h/mv,

де h — стала Планка (h = 6,626·10^-34Дж • с).

Із поняття подвійної природи електрона випливає важливий висновок, відомий під назвою принципу невизначеності Гейзенберга: мікрочастинка (електрон), так само як і електронна хвиля, не має одночасно точних зна­чень координат та імпульсу (mv). Цей принцип виявляється в тому, що чим точніше визначаються координати частинки, тим більш невизначеним стає її імпульс (або пов'язана з ним швидкість частинки v), і навпаки. Тому для описування руху мікрочастинки користуються імовірнісним підходом, коли визначають не її точне положення, а ймовірність знахо­дження її в тій чи іншій ділянці навколоядерного простору. Наприклад, якщо для вимірювання координати електрона користуватися розсіюван­ням світлових квантів — фотонів (тобто «освітлювати» електрон), то по­хибка такого вимірювання дорівнюватиме довжині хвилі світла: Δx ~ λ. Причому, чим менше значення λ, тим вища точність вимірювання. Про­те зі зменшенням довжини хвилі λ, світла одночасно зростає імпульс фо­тона p=2nh/λ, який частково передаватиметься електрону під час зіткнення з ним кванта світла.

Отже, в числове значення імпульсу електрона вноситься неконтрольована величина — змінна Δр_х, яка має порядок імпульсу фотона. Величи­ни Δх, Δр_х та інші однойменні компоненти пов'язані такими співвідно­шеннями:

Δx·Δp_x ≥ h; Δy·Δp_y≥h; Δz·Δp_z≥h,

які називають співвідношеннями невизначеності Гейзенберга. Тому умови, сприятливі для точного вимірювання координати електрона (мала довжина хвилі), виявляються несумісними з умовами, необхідними для точ­ного вимірювання його імпульсу (мале значення енергії кванта світла), і навпаки. Така ситуація є результатом того, що електрон з огляду на свою подвійну природу не допускає одночасної локалізації в координатному та імпульсному просторі. Звідси випливає, що рух електрона не можна опи­сати за допомогою поняття про траєкторію.

З огляду на хвильову природу електрон характеризується хвильовою функ­цією ψ, яка є амплітудою тривимірної електронної хвилі, тобто це ампліту­да ймовірності перебування електрона у певній ділянці простору.

Ймовірність знаходження електрона в об'ємі атомного простору dV (об'ємі, що знаходиться між двома сферами з радіусами r i(r + dr), і роз­раховується як добуток 4πr²dr) визначають величиною ψ²dV, або ψ²4πr²dr. Ця величина дає наочне уявлення про розподіл електронної густини в атомі, тобто про функцію радіального розподілу.

Густина ймовірності, або електронна густина, — квадрат абсолютної величини хвильової функції |ψ|², розрахований для певного моменту часу та певної точки простору. Ця величина пропорційна ймовірності вияв­лення електрона у цій точці в зазначений час.

Електронна хмара, або атомна електронна орбіталь (АО), — кванто­во-механічна модель стану (руху) електрона в атомі — ділянка навколоядерного простору атома, що обмежена умовною поверхнею, яка не має чітких меж і де густина ймовірності наявності електрона (тобто елект­ронна густина) досягає наперед заданої величини (як правило, 90 %).

Розрахунок хвильової функції ψ, тобто повне описування руху електро­на в будь-якому тривимірному полі U{x, y_f z), у квантовій механіці здійсню­ють за допомогою рівняння Шредінгера (1926):

де h — стала Планка; т — маса електрона; U, Е — відповідно потен­ційна і повна енергія електрона.

Розв'язування рівняння Шредінгера, отже, математичне опису­вання електронної орбіталі (АО) можливе лише за умови цілком визначе­них дискретних значень певних характеристик електрона, які називають квантовими числами: головним (п), орбітальним (l), магнітним (т_l) і спіновим (m_s).