1. Строение атома. Радиоактивность. Изотопы

В середине XIX в. большинство ученых признавали реальное существование атомов. Но понятие о них было неправильное (ме­тафизическое).

Лишь в конце XIX в. были сделаны открытия, показавшие сложность строения атомов. Первыми обнаруженными в атоме частицами были электроны.

В 1896 г. А. Беккерель обнаружил, что соединения урана обла­дают способностью испускать невидимые лучи, действующие на фотографическую пластинку, завернутую в черную бумагу.

М.Склодовская-Кюри и П. Кюри, продолжая исследования Беккереля, в 1898 г. открыли в урановой руде два новых элемента — радий и полоний, обладающих очень большой активностью излу­чения. Они установили, что этим свойством обладают и другие элементы, находящиеся в VII периоде системы Д. И. Менделеева (торий, актиний).

Самопроизвольный распад атомов элементов, сопровождающийся ис­пусканием излучения, называется радиоактивностью (от лат. «радиус» — луч и «актиус» — действенный).

α-Лучи отклоняются в сторону отрицательного полюса и пред­ставляют собой поток частиц, заряженных положительным элек­тричеством. Масса α-частиц 4 у. е.

β-Лучи отклоняются в сторону положительного полюса и пред­ставляют собой поток отрицательно заряженных частиц — элект­ронов.

γ-Лучи не отклоняются в электрическом поле. По своей приро­де они подобны световым лучам, но в отличие от них характери­зуются очень малой длиной волны. γ-лучи обладают исключитель­но большой способностью проникать через различные вещества, непроницаемые для обычных световых лучей.

Исследованиями М. Склодовской-Кюри и другими учеными было установлено, что при радиоактивном распаде радия образуются гелий и неизвестный в то время элемент радон с поряд­ковым номером 222. Таким образом, новые открытия доказали, что атом является сложной системой и состоит из более простых частиц.

Электроны выделяются из самых различных веществ. Отсюда было сделано заключение, что они являются составной частью всех элементов. Но так как электроны заряжены отрицательно, а атом в целом электронейтрален, то, очевидно, внутри атома находится положительно заряженная часть, которая своим зарядом компенсирует отрицательный заряд электронов.

Экспериментальные данные о наличии положительно заряженного ядра и его расположении в атоме были получены английским ученым Э. Резерфордом совместно с учениками при исследовании движения α-частиц в газах и других веществах.

На основе экспериментальных работ Резерфорд в 1911 г. выска­зал гипотезу о планетарном строении атома. Согласно этой гипо­тезе, атом представляет собой систему из очень малого по разме­рам ядра (10^-12— Ю^-13 см), по круговым орбитам которого дви­жется такое число электронов, что они своим отрицательным зарядом нейтрализуют положительный заряд ядра.

Датский ученый Н. Бор в 1913 г. на основе квантовой теории излучения М. Планка развил квантовую теорию строения атома. В основу своей теории Бор положил следующие постулаты: элек­трон может двигаться вокруг ядра атома не по любым орбитам, а только по вполне определенным, дозволенным.

Атомы различных элементов характеризуются определенным зарядом ядра и равным ему числом электронов, которые находят­ся на определенных энергетических уровнях. Энергетические уровни характеризуются главным квантовым числом n, которое показыва­ет удаленность электронного слоя от ядра и средний запас энер­гии электронов в этом слое: чем больше значение n, тем больше электронное облако и энергия электрона.

Энергетические уровни состоят из определенного числа под­уровней: первый уровень — из одного подуровня, второй — из двух, третий — из трех и т.д. Подуровень характеризует побочное (или орбитальное) квантовое число l. Оно определяет форму элек­тронного облака и показывает запас энергии электрона в под­уровне. Подуровни имеют буквенное и числовое обозначения:

В одном подуровне может содержаться несколько электрон­ных облаков (орбиталей) одной и той же формы, но различно расположенных в пространстве. Каждое положение в простран­стве электронного облака условно обозначается ячейкой . Чис­ло ячеек определяется магнитным квантовым числом m₁:

подуровень s состоит из 1s орбитали и 2 электронов (s²);

подуровень p состоит из Зр орбиталей и 6 электронов (р⁶);

подуровень d состоит из 5d орбиталей и 10 электронов (d¹⁰);

подуровень f состоит из 7f орбиталей и 14 электронов (f¹⁴).

Число электронов на орбитали определяется четвертым кван­товым числом — спиновым (обозначается s). Оно показывает соб­ственное вращение электрона. На орбитали (в квантовой ячейке) может находиться не более двух электронов.

Строение электронной оболочки атомов и ионов изображают электронной или электронно-графической формулой.

Электронная формула показывает распределение электронов в атомах по энергетическим уровням и подуровням, где уровни обо­значают цифрами 1, 2, 3, 4, ..., подуровни — буквами s, p, d, f. Верхний правый индекс обозначает число электронов на подуровне.

Электронно-графическая формула изображает атом элемента в виде совокупности орбиталей или квантовых ячеек.

На примере марганца покажем написание электронной

и электронно-графической формул

Ядра всех атомов содержат одинаковое число протонов, но раз­ное число нейтронов, ядро протия состоит из 1 протона, ядро дей­терия — из 1 протона и 1 нейтрона, ядро трития — из 1 протона и 2 нейтронов.

Атомы, имеющие одинаковый заряд ядра, но разные массовые числа, называют изотопами.

Атомы, имеющие одинаковые массовые числа, но разные заряды ядер, называют изобарами. Ядра изобар содержат разные числа протонов, следователь­но, несут различный заряд, а поэтому занимают различные места в Периодиче­ской системе Д. И.Менделеева.

В Периодической системе элементов Д. И. Менделеева атомная масса элемента указывается как средняя величина массовых чи­сел всех его изотопов, взятых в процентном отношении, отвеча­ющем их распространенности в природе.

Атомы различных изотопов одного и того же химического эле­мента наряду с разными ядерными свойствами имеют одинако­вое строение электронной оболочки, поэтому химические и фи­зические свойства изотопов почти одинаковы. Изотопы занимают одно и то же место в Периодической системе.

Превращения изотопов могут быть изображены в виде ядерных реакций. В уравнениях реакций у символа элемента верхний индекс соответствует массовому числу, а нижний — заряду ядра атома.

Например, уравнение ядерной реакции превращения в уран в результате потери ct-частицы имеет следующий вид:

Превращения изотопов происходят в соответствии с законом смещения:

если атомное ядро изотопа элемента теряет а-частицу, то при этом образуется ядро изотопа нового элемента с массовым числом меньше на 4 единицы и с зарядом на 2 единицы меньше, т.е. элемент смеща­ется в Периодической системе на две клетки влево.

Если атомное ядро изотопа элемента теряет (3-частицу, то смеща­ется на одно место вправо, т.е. заряд ядра увеличивается на едини­цу, массовое число при этом не изменяется. Например,

В ядерных превращениях сумма масс и сумма зарядов в левой и правой частях уравнения равны. Например, при бомбардировке атомов азота α-частицами образуются протоны и атомы изотопа кислорода

Сумма верхних индексов в левой части (14 + 4) равна сумме индексов правой части данного уравнения (1 + 17). То же относит­ся к сумме нижних индексов: 7 + 2=1 + 8 – уравнение удовлетво­ряет правилу равенства сумм индексов.

Задача 1. Хлор имеет изотопы с массовыми числами 35 и 37. Укажите для каждого изотопа порядковый номер, число протонов и нейтронов, заряд ядра. Определите массовую долю в нем изотопа с массовыми числами 35 и 37, приняв атомную массу хлора 35,453.

Решение: Изотопы хлора имеют одинаковый порядковый но­мер 17, следовательно, и одинаковый заряд ядра — 17 протонов, а так как атом электронейтральный, то 17 электронов. Согласно протонно-нейтронной теории, у изотопа хлора будет 18 ней­тронов (35 - 17), а у изотопа с массовым числом 37 — 20 нейтро­нов (37 - 17). Если обозначить массовую долю (в %) изотопа в природном хлоре через х, а изотопа — через (100 - х), то можно составить уравнение

,

откуда х = 77,4 %.

Следовательно, хлор содержит 77,4 % изотопа и 22,6 % изо­топа .

Задача 2. Напишите схему распределения электронов в атоме хлора, его электронную и электронно-графическую формулы.

Решение: Хлор расположен в третьем периоде, следователь­но, у его атома три энергетических уровня. Хлор находится в VII группе главной подгруппы, поэтому число электронов на последнем уровне равно семи. Число электронов на остальных уровнях определяется по формуле N= 2л², т. е. 2 и 8. Следовательно, схема строения атома хлора:

электронная формула хлора

электронно-графическая формула

Задача 3. Дайте характеристику элемента хлора и его соедине­ний (с кислородом и водородом) на основании его положения в Периодической системе элементов.

Решение: Хлор расположен в VII группе главной подгруппы. Хлор — неметалл. На последнем энергетическом уровне семь электронов, высшая степень окисления в кислородных соединениях равна семи. Высший оксид имеет формулу Сl_2O7 — кислотный, его гидроксид является кислотой НСlO₄. Водородное соединение отвечает формуле НС1. Исходя из электронно-графической формулы (наличия свободных d-орбиталей в третьем слое) может проявлять в возбужденном состоянии степень окисления 3, 5, 7.

Задача 4. Напишите электронные формулы атомов хрома и меди. Объясните расположение одного s-электрона на четвертом уровне.

Решение. У элементов четвертого периода хрома (Z = 24) и меди (Z= 29), атомы которых имеют четыре электронных слоя, происходит начиная с Sc заполнение третьего подуровня и поэто­му следовало бы ожидать, что их формулы будут иметь вид

Однако в действительности расположение электронов на вне­шних уровнях атомов этих элементов выражается соответственно формулами 3d⁵4s¹ и 3d¹⁰4s¹, что объясняется провалом одного из электронов 4s-подуровня на 3d-подуровень.

ЗАДАЧИ

1. Укажите для атомов , , : а) общее число нуклонов; б) число протонов и нейтронов в ядре; в) общее число электронов в атоме.

2. Ядро атома элемента содержит 45 нейтронов, а электронная обо­лочка атома — 34 электрона. Какой это элемент и чему равен заряд ядра атома?

3. Масса атома некоторого изотопа равна 127 а.е.м. В электронной оболочке атома содержится 53 электрона. Какой это элемент, сколько протонов и нейтронов содержится в ядре атома?

4. Углерод имеет изотопы с массовыми числами 12 и 13. Укажите для каждого изотопа порядковый номер, число протонов и нейтронов, за­ряд ядра.

5. Атомная масса бора 10,81. Бор состоит из двух изотопов: и . Определите массовую долю в нем изотопа .

6. Сколько нейтронов в ядрах следующих изотопов: , , , , , , , , , ?

7. На один атом изотопа , приходится приблизительно три атома изотопа . Какой средней атомной массе это соответствует?

8. Определите среднюю относительную атомную массу магния, если массовые доли его изотопов, , в земной коре 78,60; 10,11; 11,29%.

9. Медь имеет изотопы с массовыми числами 65 и 63. Укажите для каждого изотопа порядковый номер, число протонов и нейтронов, за­ряд ядра. Определите массовую долю изотопа с массовым числом 65, приняв относительную атомную массу меди равной 63,54. Какова массо­вая доля изотопа меди 65 в гидроксиде меди(II)?

10. Массовая доля изотопа серебра составляет, %: — 44, — 56. Определите среднюю относительную атомную массу серебра.Неустойчивый изотоп испускает (β-частицу. В ядро какого элемента он при этом превращается?

11. Изотоп испускает α-частицу. В ядро какого элемента он при этом превращается?

12. Торий-232 под действием нейтронов и в результате захвата двух (β-частиц превращается в отличное ядерное горючее. Что это за горючее? Напишите уравнения ядерных превращений.

13. Сколько α- и β-частиц должен потерять изотоп свинца Рb, что­бы превратиться в атом ртути ?

14. Какой элемент получится при естественном распаде ядра = ? + ?

15. Какой элемент образуется в результате последовательного распада' полония, если при этом образовалось три α- и две β-частицы? Какова его валентность по кислороду и водороду, масса атома и заряд ядра?

16. Соблюдено ли правило сумм индексов в следующих ядерных ре­акциях:

1. К какой группе Периодической системы принадлежит элемент, получившийся из путем последовательного распада, в процессе которого образовались три α-частицы, три β-частицы и два нейтрона ? Каков заряд полученного элемента и какова его атомная масса?

2. На основании строения атома докажите, у какого элемента II груп­пы: у магния или стронция, сильнее проявляются металлические свойства.

3. Что общего в строении атомов лития, натрия, калия?

4. Назовите элементы I группы, в предпоследнем слое атомов кото­рых содержится 8 электронов, 18 электронов.

5. Напишите электронные формулы для ионов: Fe2+, Fe3+, Cl-, S2-, Cu2+, Cr3+.

6. Может ли ион двухвалентного металла иметь электронную конфи­гурацию 1s²2s²2p⁶3s¹; 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶?

7. На основании электронной структуры установите химические свой­ства элементов с порядковыми номерами 7, 17, 20, 26.

8. Сколько электронных слоев у атомов с числом протонов в ядре 4, 9, 17, 19? Ответ обоснуйте.

9. Для всех ли элементов номер группы соответствует числу электро­нов в последнем слое атома? Ответ поясните.

10. Сколько неспаренных электронов содержится в основном состоя­нии в электронных оболочках атомов хлора, серы, углерода?

11. Образует ли элемент газообразное соединение с водородом, если он имеет формулу высшего оксида X₂O₇, а внешний квантовый слой содержит 4р⁵-электроны? Напишите электронную формулу этого эле­мента.

12. Среди приведенных ниже конфигураций укажите возможные и невозможные: а) 1р²; б) 4s²; в) 5f⁴; г) 3d³; д) 4р⁵; е) 2р⁴; ж) 3d⁸.

13. В следующих конфигурациях укажите, какие подуровни дострое­ны, а какие не заполнены электронами до полной их емкости: a) 3s²; б) 5d⁸; в) 4f¹4; г) 6s¹; д) 2р⁶; е) 3d¹⁰.

14. Составьте электронную формулу атома элемента, расположенного: а) в шестой группе 3-го периода; б) в четвертой группе в пятом ряду 4-го периода; в) в седьмой группе в седьмом ряду 5-го периода.

15. Назовите элементы 4-го, 5-го и 6-го периодов, у которых заканчивается заполнение d-орбиталей (3d¹⁰, 4d¹⁰, 5d¹⁰).

16. Напишите электронные формулы атомов 4-го периода седьмой группы.

17. 

    Назовите элементы, имеющие следующие электронные формулы:

18. Напишите электронную формулу атома железа. Как распределяют­ ся электроны на d-подуровне и какова высшая валентность железа?

19. Назовите элементы, имеющие по одному электрону на 3d- и 4d-подуровнях. Напишите электронные формулы атомов этих элементов 1 укажите их положение в Периодической системе.

20. Исходя из распределения электронов по орбиталям атома кремния в возбужденном состоянии, объясните проявление этим элементом валентности, равной четырем.

21. На примере марганца и мышьяка покажите применимость правила Хунда.

22. Главную подгруппу восьмой группы образуют так называемые благородные газы», некоторые из них — гелий, неон и аргон — являются инертными газами, остальные образуют химические соединения. На основании электронно-графических формул гелия, неона и аргона обоснуйте возможность существования соединений одного из них и невозможность иметь соединения для двух других.

23. Назовите элементы, имеющие по одному электрону на 3p¹- и 4p¹- подуровнях. Напишите электронные формулы атомов этих элементов и укажите их положение в Периодической системе.

24. Сколько свободных d-орбиталей имеет атом ванадия? Напишите его электронную и электронно-графическую формулы.

25. Пользуясь правилом Хунда, покажите распределение электронов по квантовым ячейкам (орбиталям) у атомов хлора, кобальта, азота.

26. Напишите электронно-графическую формулу для атома хлора. Сколько электронных пар в атоме хлора и какие орбитали они занимают? Сколько неспаренных электронов в атоме хлора?

27. Могут ли содержаться d-электроны в данном слое, если его структура заканчивается одной из следующих конфигураций: 3s¹; 4p¹; 5f¹¹?

28. Напишите электронные формулы атомов элементов: цезия, лантана, тантала, свинца. К каким элементам они относятся (s, p, d или f)?

45. Определите период, ряд и группу, в которых находятся элементы с порядковыми номерами 14, 24, 52, 63, 76, 101.

46. Какими химическими свойствами должен обладать элемент с по­рядковым номером 34? С каким элементом в Периодической системе он должен быть наиболее сходен? Дайте обоснованный ответ.

47. Элемент побочной подгруппы имеет высший оксид ХO3. Образует ли этот элемент газообразное соединение с водородом? Дайте обосно­ванный ответ.

48. У какого из элементов VII группы, у хлора или иода, сильнее выра­жены неметаллические свойства? Почему? Какой из них образует более сильную кислоту? Исходя из максимальной валентности элемента по кислороду напишите формулы этих кислот.

49. У какого из элементов I группы, у калия или цезия, сильнее выра­жены металлические свойства? Почему? Какой из них образует более сильный гидроксид? Как можно получить этот гидроксид?

50. Пользуясь Периодической системой Д. И. Менделеева, укажите фор­мулы высших кислородных соединений элементов: марганца, ванадия, германия.