Атом – наименьшая нейтрально заряженная частица химического элемента, сохраняющая все его свойства. Это сложная микросистема, состоящая из находящихся в движении элементарных частиц. Атом состоит из положительно заряженного ядра, расположенного в центре атома, и отрицательно заряженных электронов. В состав ядра входят протоны и нейтроны. Линейные размеры атома в среднем достигают 10⁻⁸ см, а ядра – 10⁻¹² см. Средний объем ядра (10⁻³⁶см³) незначителен по сравнению с объемом всего атома (10⁻²⁴ см³). Заряд ядра обозначают буквой Z и указывают в левом нижнем углу рядом с символом элемента, масса указывается в левом верхнем углу, например: .

Квантовые числа. Состояние электрона в атоме характеризуется набором квантовых чисел: n, l, m_l, m_s. Три первых числа были получены при решении уравнения Шредингера. Они могут быть только целочисленными, что обусловливает дискретность энергетических уровней, на которых располагаются электроны.

а) главное квантовое число  ( n ) характеризует энергетическое состояние атома. Энергия атома, прежде всего, зависит от расстояния электрона от ядра. Величина n теоретически может принимать значения от 1 до бесконечности. Она показывает, дальше или ближе расположен электрон от ядра. Если n = 1, значит, электрон находится на возможно ближайшем расстоянии от ядра (на первом энергетическом уровне). Правильнее говорить о вероятности нахождения электрона или о плотности электронного облака, но для простоты часто употребляют понятие «атомная орбиталь (АО)».

Может быть несколько состояний электрона с одинаковой энергией. Чем больше электронов в атоме, тем сложнее структура его спектра. Теория Бора не смогла объяснить расщепление спектральных линий, т. е. тонкой структуры линий. Следовательно, движение электрона в атоме гораздо сложнее и энергия электрона будет зависеть не только от значения главного квантового числа «n».

б) побочное  (орбитальное) квантовое число  ( l ) характеризует момент количества движения электрона в пространстве. Момент количества движения может принимать лишь дискретные квантовые значения и в зависимости от главного квантового числа орбитальное квантовое число l меняется от 0 до (n−1). Влияние квантового числа l на энергию атома сказывается на атомах, имеющих более 1 электрона.

Движение электрона можно рассматривать как замкнутый электрический ток. Как всякий ток, он взаимодействует с магнитным полем и обладает определенным магнитным моментом. Для характеристики поведения атома в магнитном поле вводится третье квантовое число.

в) магнитное квантовое число ( m _l ) определяет значение проекции момента количества движения на направление магнитного поля. Принимает целые значения от –l до +l. Энергия электрона, движущегося в магнитном поле при одних и тех же значениях n и l будет отличаться в зависимости от значения магнитного квантового числа m_l, в результате чего уровень энергии расщепляется на подуровни и каждая спектральная линия расщепляется на несколько. Было обнаружено, что спектральные линии оказываются расщепленными и при отсутствии магнитного поля. Существование этих тонких линий, мало отличающихся по длине волны, объясняется небольшим различием в энергии электронов с одинаковым квантовым числом «m_l». Таким образом, m_l характеризует пространственную ориентацию орбитали. Число значений магнитного квантового числа равно (2l+1).

Электрон вращается вокруг собственной оси и обладает собственным механическим и магнитным моментом количества движения. Это свойство электрона называется «спином».

г) спиновое квантовое число ( m _s ) − соответствует механическому моменту вращения электрона вокруг собственной оси. Оно может быть равно или +½ или −½ (в единицах момента количества движения). Спин электрона квантован, и возможны только две ориентации по отношению к моменту количества движения электрона в пространстве. Если у каждого из двух электронов m_s = +½, то говорят, что спины электронов параллельны, что обозначается стрелками, направленными в одну сторону: ­­. Если у одного электрона m_s = +½, а у другого m_s = −½, то такие электроны называются электронами с антипараллельными спинами, и они обозначаются так: ¯­.

Правила заполнения  электронами уровней и подуровней атомных орбиталей:

1. Принцип наименьшей энергии  (принцип минимума энергии): в невозбужденном атоме электроны размещаются в первую очередь на орбиталях с наименьшей энергией.

2. Принцип Паули : в атоме не может быть электронов с одинаковым набором четырех квантовых чисел.

Следствия из принципа Паули:

а) число электронов на орбитали равно двум, т. е. N _{орбитали} = 2;

б) число электронов на уровне равно удвоенному квадрату главного квантового числа, т. е. N _уровня = 2 n ²;

в) число электронов на подуровне равно удвоенному числу орбиталей подуровня, т. е. N _{подуровня} = 2(2 l +1):

для s -подуровня при l = 0 N = 2(2∙0 + 1) = 2;

для p -подуровня при l = 1 N = 2(2∙1 + 1) = 6;

для d -подуровня при l = 2 N = 2(2∙2 + 1) = 10;

для f -подуровня при l = 3 N = 2(2∙3 + 1) = 14.

3. Правило Хунда  (Гунда) : в невозбужденном атоме электроны в пределах подуровня размещаются таким образом, чтобы суммарный спин был максимальным. Это значит, что сначала все орбитали данного подуровня заполняются по одному электрону с одинаковым спином, а затем идет заполнение вторым электроном.

4. Правила Клечковского : 1) заполнение электронами атомных орбиталей идет в порядке возрастания суммы (n+l) − главного и орбитального квантовых чисел; 2) в случае равенства сумм первой заполняется орбиталь с меньшим значением главного квантового числа.

Электроотрицательность ЭО (æ) − величина, характеризующая способность атома элемента притягивать к себе общие (связевые) электроны в молекуле. Полингом составлена шкала относительных значений электроотрицательности. По ней за единицу принята электроотрицательность лития, т. е. æ (Li) = 1, тогда с учетом того, что по группе уменьшается, наименьшее значение этой величины будет у цезия − æ(Cs) = 0,7, наибольшее − у фтора æ(F) = 4,0.

Образцы решения задач

Задача 1. Указать строение изотопов хлора:   и  

Решение : Ядро каждого атома состоит главным образом из протонов и нейтронов, вокруг которого движутся электроны.

Почти вся масса атома сосредоточена в ядре. Заряд ядра определяется числом находящихся в нем протонов и равен Z. Сумма числа протонов и нейтронов дает массовое число (M) Совокупность атомов с одинаковым зарядом ядра называется химическим элементом. Разновидности элементов, атомы которых имеют одинаковый заряд ядра, но разные массовые числа, называют изотопами.

Вид атомов	Состав ядра	Электронная оболочка
	17p + 18n	17e
	17p + 20n	17e

Задача 2. Указать квантовые числа для формирующего электрона азота и хрома.

Решение : Азот: символ N, порядковый номер 7, что равно заряду ядра и общему числу электронов.

₇N 1s²2s²2p³ − полная электронная формула,                             

[He]2s²2p³ – сокращенная электронная формула

Электронно-графическая формула:                  n=2             

Энергетически выгодное состояние, так как один из подуровней заполнен наполовину, другой – полностью.

Чтобы указать квантовые числа формирующего электрона, нужна электронно-графическая формула:

Формирующий электрон: n = 2; l = 1; m_l = +1; m_s = ½    

Хром: ₂₄Cr

1s²2s²2p³3s²3p⁶4s¹3d⁵ − полная электронная формула;

[Ar]4s¹3d⁵ – сокращенная электронная формула;

Электронно-графическая формула:

              n =4

              n =3          

Формирующий электрон: n = 3; l = 2; m_l = +2; m_s = ½           

Задача 3. Указать электронные формулы ионов: а) Mg²⁺; б) S^2-.

Решение : Ион – частица, заряд которой определяется присоединением или отдачей электронов.

А. Указываем сокращенную формулу Mg⁰: [Ne]3s². Возникновение иона происходит по уравнению: Mg⁰ − 2e = Mg²⁺; электроны «уходят» с 3s-подуровня.

Ион Mg²⁺ получает электронную конфигурацию благородного газа неона − [Ne]. Это устойчивая конфигурация, и поэтому магний в природе находится в виде ионов.

Б. Указываем формулу S⁰: [Ne]3s²3p⁴.

Возникновение иона происходит при присоединении двух электронов на внешний 3р-подуровень по уравнению: S⁰ + 2e = S^2-. Частица приобретает устойчивую электронную конфигурацию благородного газа аргона:

[Ar] − 3s²3p⁶.

Задача 4. Определите элемент по формуле: а) [  ] 5s¹; б) [  ] 4s²3d².

Решение : Существуют три способа:

1. По сумме электронов = Z (порядковому номеру).

2. Координатный – определяем период и группу и на пересечении в периодической системе находится элемент.

3. По принадлежности к семейству или по формирующему электрону.

Первый способ. Запишем все электроны, которые будут находиться на уровнях и подуровнях до 5s¹: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰4s²4p⁶5s¹

                                            36 электронов

[Kr]5s¹, тогда Z = 37, т.е. это Rb.

Второй способ: 5s¹, n = 5, V период, сумма внешних электронов = 1.

(I группа, A подгруппа) − это Rb.

Третий способ. Из формулы видно, что формирующим электроном является s -электрон. В стадии заполнения находится s -подуровень, т.е. элемент семейства «s» (причем в пятом периоде), поэтому это Rb .

Первый способ: запишем все электроны, которые будут находиться на уровнях и подуровнях до предлагаемой конфигурации: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²3d², т. е. Σ электронов = 22 = Z – порядковому номеру. Это элемент – титан Ti.

Второй способ: из формулы [  ] 4s²3d² видно, что n_max= 4, т.е. 4 период,

Σ электронов = 4, но они на разных уровнях, значит элемент в 4 группе побочной подгруппе. Это Ti.       

Третий способ: в стадии заполнения находится 3d-подуровень, и по счету это второй элемент этого семейства, т.е. это титан.

Задача 5. Объясните периодичность изменения радиуса атома.

Радиус атома по Ван-дер-Ваальсу – это половина кратчайшего расстояния, на которое могут сблизиться ядра двух одинаковых атомов, если они принадлежат разным молекулам.

Радиусы уменьшаются по периоду слева направо из-за увеличения притяжения внешних электронов с ростом заряда и увеличиваются по группе из-за увеличения из-за числа электронных уровней.

Задание 3 по теме «Строение атома»