Ядро атома

Ядро атома состоит из протонов и нейтронов (общее название - нуклоны). Число протонов в ядре атома элемента строго определено - равно порядковому номеру элемента в периодической системе - Z.

Число нейтронов =A - Z (где А - относительная атомная масса элемента; Z - порядковый номер). Заряд ядра атома определяется числом протонов. 

Масса ядра определяется суммой протонов и нейтронов.

Изотопы

Изотопы - разновидности атомов определенного химического элемента, имеющие одинаковый атомный номер, но разные массовые числа. Обладают ядрами с одинаковым числом протонов и различным числом нейтронов, имеют одинаковое строение электронных оболочек и занимают одно и то же место в периодической системе химических элементов. Относительные атомные массы элементов, приводимые в периодической системе - есть средние массовые числа природных смесей изотопов. Поэтому они и отличаются от целочисленных значений.

Пример. Природный таллий (ат.н.81, ат. масса 204,383) состоит из двух изотопов:

таллий – 203

203 81

Tl (81

1 1

p;  122

1 0

n) - 29,5%

таллий - 205

205 81

Tl (81

1 1

p;  122

1 0

n) - 70,5%

Средняя атомная масса таллия равна:

Aср.(Tl) = (0,295 · 203 + 0,705 · 205) / 2 = 204,383а.е.м.

Изотопы водорода имеют специальные символы и названия:

1 1	H - протий;	2 1	D - дейтерий;	3 1	T - тритий.

Современные представления о строении атома

Подтверждённая экспериментально в 1927 г. двойственная природа электрона, обладающего свойствами не только частицы, но и волны, побудила учёных к созданию новой теории строения атома, учитывающей оба этих свойства. Современная теория строения атома опирается на квантовую механику. Двойственность свойств электрона проявляется в том, что он, с одной стороны, обладает свойствами частицы (имеет определённую массу покоя), а с другой—его движение напоминает волну и может быть описано определённой амплитудой, длиной волны, частотой колебаний и др. Поэтому нельзя говорить о какой-либо определённой траектории движения электрона—можно лишь судить о той или иной степени вероятности его нахождения в данной точке пространства.

Cледовательно, под электронной орбитой следует понимать не определённую линию перемещения электрона, а некоторую часть пространства вокруг ядра, в пределах которого вероятность пребывания электрона наибольшая.

Каждой АО соответствует область пространства определённого размера, формы и ориентации, равноценная понятию электронного облака. Электронное облако не имеет чётких границ, в связи с этим введено понятие граничная поверхность, т.е. поверхность с равной электронной плотностью, ограничивающая объём, который включает 90% заряда и массы электрона. Форма и размер граничной поверхности считается формой и размером электронного облака.

По современным представлениям состояние электрона в атоме описывается четырьмя квантовыми числами.

Главное квантовое число – n определяет энергию АО и номер энергетического уровня, на котором находится электрон (т.е. допустимые уровни энергии электрона) и может принимать значения от единицы до бесконечности.

Орбитальное квантовое число – определяет форму АО и энергетический подуровень (т.е. квантование вытянутости эллиптической орбиты) и может принимать значения от нуля до n-1.

Магнитное квантовое число – m_l определяет пространственную ориентацию данной АО и отчасти её форму (т.е. ориентацию электронных облаков в пространстве) и может принимать значения от – …0…+ .

Спиновое квантовое число – m_s характеризует собственный момент импульса и связанный с ним магнитный момент (т.е. вращение электрона вокруг оси), и может принимать значения ± 1/2.

Число АО в пределах энергетического подуровня определяется числовым значением магнитного квантового числа (2+1). Число АО в пределах всего энергетического уровня равно сумме АО всех его подуровней.

n=1	l=0	m=0	1s
n=2	l=0	m=0	2s
	l=1	m=-1,0,1	2px, 2py,2pz
n=3	l=0	m=0	3s
	l=1	m=-1,0,1	3px,3py,3pz
	l=2	m=±2,±1,0	3d (5 орбиталей)
n=4	l=0	m=0	4s
	l=1	m=-1,0,1	4px,4py,4pz
	l=2	m=±2,±1,0	4d (5 орбиталей)
	l=3	m=±3, ±2, ±1,0	4f (7 орбиталей)

Например строение атома фтора выражается электронной формулой

F 1s²2s²2p⁵ и электронно-графической формулой:

2s 2p

1s	¯­			¯­	¯­	­
¯­

При заполнении АО действуют правила:

1. Принцип Паули (или запрет Паули), согласно которому в атоме не может быть двух электронов, у которых все четыре квантовых числа одинаковые. Основным следствием этого принципа является то, что на одной АО не может находиться более двух электронов. Состояние электронов в атоме должно отличаться значением хотя бы одного квантового числа. При переходах электронов с одной орбиты на другую атом поглощает или излучает энергию.

Принцип Паули определяет ёмкость (максимальное число электронов) энергетических уровней и подуровней, которая соответственно равна 2n² и 2(2+1) т.е. удвоенному числу АО.

2. Заполнение энергетических подуровней подчиняется правилу Хунда, согласно которому устойчивому состоянию атома соответствует такое распределение электронов в пределах энергетического подуровня, при котором абсолютное значение суммарного спина атома максимально. Например, четыре валентных p – электрона атома кислорода размещаются в квантовых ячейках следующим образом:

2p

¯­

­

­

3. Закономерная последовательность заполнения энергетических уровней и подуровней в атомах с увеличением порядкового номера элемента выражается правилами Клечковкого,

Согласно I-му правилу Клечковского, при росте заряда ядра атома последовательное заполнение электронных орбиталей происходит от орбиталей с меньшим значением суммы главного и орбитального квантовых чисел к орбиталям с большим значением этой суммы n+.

При одинаковом значении этой суммы порядок заполнения электронами энергетических подуровней определяется II-ым правилом Клечковского: при одинаковых значениях суммы главного и орбитального квантовых чисел заполнение орбиталей происходит последовательно в направлении возрастания значения главного квантового числа.

Т.о. первым заполняется подуровень с меньшим значением n в этой сумме:

1 s ® 2 s ® 2 p ® 3 s ® 3 p ® 4 s ® 3 d ® 4 p ® 5 s ® 4 d ® 5 p ® 6 s ® …

Например:

Цезий (Сs) находится в 6 периоде, его 55 электронов (порядковый номер 55) распределены по 6 энергетическим уровням и их подуровням. Cоблюдая последовательность заполнения электронами орбиталей получим:

⁵⁵Cs 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d¹⁰4p⁶ 5s²4d¹⁰ 5p⁶ 6s¹

Если на валентных энергетических уровнях имеются вакантные АО, то при возбуждении атома становится возможным «распаривание» валентных электронов, то есть их переход с тех подуровней, где все АО заняты полностью (↑↓ ) на другие валентные подуровни того же уровня, имеющие незаполненные АО.

Возбуждение меняет валентное состояние атома (число его неспаренных электронов).

С 1s²2 s²2p² –основное электронное состояние; валентность равна 2.

С * 1s²2 s¹2p^3-возбужденное состояние атома; валентность равна 4.