Материал: Теоретические основы химии

Строение атома и периодическая система элементов Д.И. Менделеева

Атомы имеют сложное строение. Большой вклад в представление о современной модели атома внесли такие ученые как Дж. Резерфорд, Томпсон, Нильс Бор, де-Бройль и др.

Современная теоретическая модель электронного строения атома позволяет успешно объяснить и даже предсказать многие свойства химических элементов, поэтому широко используется в естественных науках. Современная модель атома предполагает:

• - в центре атома находится положительно заряженное ядро очень малых размеров, в котором сосредоточена почти вся масса атома;
• - вокруг ядра послойно вращаются электроны, их число равно заряду ядра;
• - электрон может вращаться вокруг ядра не по любым, а только по строго определенным орбитам, причем электрон не излучает электромагнитной энергии, излучение происходит при скачкообразном переходе электрона с одной орбиты на другую.

С этой точки зрения наиболее важным является то, что вся совокупность сложных движений электрона в атоме описывается четырьмя квантовыми числами: n - главное квантовое число, l - орбитальное квантовое число, me - магнитное квантовое число, ms - спиновое квантовое число.

Волновая функция электрона зависит от трех квантовых чисел n, l, и m. Индекс n волновой функции электрона в атоме называется главным квантовым числом, характеризующим энергетический уровень электрона. Оно может принимать целочисленные значения от 1, 2, 3, ...до ?. Если n = ?, то это значит, что электрону сообщена энергия, достаточная для его полного отделения от ядра (ионизация атома). Число энергетических уровней в атоме равно номеру периода в таблице Д.И. Менделеева, в котором находится элемент.

Орбитальное квантовое число l отражает симметрию пространства, в котором движется электрон. Квантовое число l является мерой орбитального механического момента электрона. Абсолютная величина этого момента зависит от n и может принимать значения: l = n-1.

Волновую функцию электрона в атоме называют атомной орбиталью. В соответствии со значением орбитального квантового числа 1 приняты следующие обозначения атомных орбиталей:

• 1 = 0 1 2 3 - орбитальное квантовое число;
• s p d f - обозначение орбитали.

Для уровня с главным квантовым числом n = 1 возможна 1s-орбиталь, для n = 2 возможны 2s- и 2p-орбитали, для n=3 возможны 3s-, 3p- и 3d-орбитали, для n=4 - (4s-, 4p-, 4d- и 4f) орбитали.

Магнитное квантовое число mе характеризует пространственное расположение орбиталей относительно некоторого фиксированного направления. Магнитное квантовое число зависит от орбитального квантового числа и принимает значения от (-l до +l).

Соотношения между значениями 1 и mе для различных подуровней следующие:

Следовательно, s-орбиталь не ориентирована в пространстве и ее граничной поверхностью является сфера, р-орбитали ориентированы в трех направлениях (px, py, pz) и каждая имеет вид замкнутой гантелеобразной поверхности. d- и f-орбитали имеют более сложную форму.

Рис. 2.1. Модели атомных орбиталей

Рис.2.2.Значение квантовых чисел элементов по периодам

Кроме орбитального механического момента 1, электрон обладает собственным или врожденным механическим моментом S. Этот момент называется спином (В. Паули, 1924г.) Спин электрона возникает за счет вращения его вокруг собственной оси. По аналогии с орбитальным квантовым числом 1 вводится спиновое квантовое число ms. Спиновое магнитное число может принимать только два значения: + Ѕ и - Ѕ. Состояния электрона с ms = Ѕ часто называют "спин вверх", и с ms = - Ѕ - "спин вниз". Обычно эти состояния электрона условно обозначают стрелкой, направленной вверх или вниз ^ v.

Таким образом, состояние электрона в атоме можно описать с помощью четырех квантовых чисел: n, l, me и ms.

Электронная структура атома

В электронной оболочке любого атома столько электронов, сколько протонов в его ядре, поэтому атом в целом электронейтрален. Электроны в атоме заселяют ближайшие к ядру уровни и подуровни, потому что в этом случае их энергия меньше. На каждом уровне и подуровне может помещаться только определенное количество электронов.

Подуровни, в свою очередь, состоят из одинаковых по энергии орбиталей. Образно говоря, если электронное облако атома сравнить с городом или улицей, где "живут" все электроны данного атома, то уровень можно сравнить с домом, подуровень - с квартирой, а орбиталь - с комнатой для электронов. Все орбитали какого-нибудь подуровня имеют одинаковую энергию. На s-подуровне всего одна "комната"- орбиталь. На p-подуровне 3 орбитали, на d-подуровне 5, а на f-подуровне - целых 7 орбиталей. В каждой "комнате"-орбитали могут "жить" один или два электрона. Запрещение электронам находиться более чем по двое на одной орбитали называют запретом Паули - по имени ученого, который выяснил эту важную особенность строения атома. Каждый электрон в атоме имеет свой "адрес", который записывается набором четырех квантовых чисел. Главное квантовое число n в "адресе" электрона указывает номер уровня, на котором этот электрон находится. Электронная структура атома алюминия с n = 3 записывается следующим образом: 13 Al 1s2 2s2 2p6 3s2 3p1 .

Существует условное изображение электронных уровней и подуровней, называемое орбитальной диаграммой. На такой диаграмме орбитали условно изображаются квадратиками или черточками, а электроны - стрелочками. Если стрелочки направлены в разные стороны, это означает, что электроны различаются между собой особым свойством, которое называется спином электрона.

Данную систему можно назвать "гостиницей", в которую по одному "залетают" электроны и "поселяются" на определенный уровень n (1, 2, 3…), определенный подуровень (s, p, d, f). В одну "комнату" (орбиталь) может поселиться не более двух электронов (правило Паули). Поскольку s-комната (s-орбиталь) одна, то s-электронов максимум два (s2); p-комнат (p-орбиталей) - три, то p-электронов максимум шесть (p6); d-комнат (d-орбиталей) - пять, то d-электронов максимум десять (d10); f-комнат (f-орбиталей) - семь, то f-электронов максимум четырнадцать (f14). Заполнения электронов в пределах одного подуровня происходят согласно правилу Гунда - "сначала расселяем, а затем уплотняем". Согласно этому правилу электроны предпочитают расселяться на одинаковых по энергии орбиталях (например, на трех p-орбиталях) сначала по одиночке, и лишь когда в каждой такой орбитали уже находится по одному электрону, начинается заполнение этих орбиталей вторыми электронами. Когда орбиталь заселяется двумя электронами с противоположно направленными спинами, то такие электроны называют спаренными.

Во всех моделях атома электроны называют s-, p-, d- и f-электронами в зависимости от подуровня, на котором они находятся. Элементы, у которых внешние (то есть наиболее удаленные от ядра) электроны занимают только s-подуровень, принято называть s-элементами. Точно так же существуют p-элементы, d-элементы и f-элементы.

Как заполняются электронные уровни, подуровни и орбитали по мере усложнения атома.

Если говорить более строго, то относительное расположение подуровней обусловлено не столько их большей или меньшей энергией, сколько требованием минимума полной энергии атома.

Распределение электронов по атомным орбиталям происходит, начиная с орбитали, имеющей наименьшую энергию (принцип минимума энергии), т.е. электрон садится на ближайшую к ядру орбиталь. Это значит, что сначала заполняются электронами те подуровни, для которых сумма значений квантовых чисел (n + l) была минимальной. Так энергия электрона на 4s-подуровне меньше энергии электрона, находящегося на 3d-подуровне. Следовательно, заполнение электронами подуровней происходит в следующем порядке: 1s < 2s < 2p < 3s < 3p < 4s < 3d < 4p < 5s < 4d < 5p < 6s < 5d ~ 4f < 6p < 7s < 6d ~ 5f < 7p.

Исходя из этого требования, минимум энергии достигается у большинства атомов тогда, когда их подуровни заполняются в показанной выше последовательности. Но есть и исключения, которые вы можете найти в таблицах "Электронные конфигурации элементов", однако эти исключения редко приходится принимать во внимание при рассмотрении химических свойств элементов.

Атом хрома имеет электронную конфигурацию не 4s2 3d4, a 4s1 3d5. Это является примером того, как стабилизация состояний с параллельными спинами электронов преобладает над незначительной разницей энергетических состояний подуровней 3d и 4s (правила Гунда), то есть энергетически выгодными состояниями для d-подуровня являются d5 и d10 . Энергетические диаграммы валентных подуровней атомов хрома и меди представлены на рис.2.1.1.

Подобный переход одного электрона с s-подуровня на d-подуровень происходит еще у 8 элементов: Cu, Nb, Mo, Ru, Ag, Pt, Au. У атома Pd происходит переход двух s-электронов на d-подуровень: Pd 5s04d10.

Рис.2.1.1. Энергетические диаграммы валентных подуровней атомов хрома и меди

Правила заполнения электронных оболочек:

• 1. Сначала выясняем, сколько всего электронов содержит атом интересующего нас элемента. Для этого достаточно знать заряд его ядра, который, всегда равен порядковому номеру элемента в Периодической таблице Д.И. Менделеева. Порядковый номер в точности равен и числу электронов во всем атоме.
• 2. Последовательно заполняем орбитали, начиная с 1s-орбитали, имеющимися электронами, учитывая принцип минимальной энергии. При этом нельзя располагать на каждой орбитали более двух электронов с противоположно направленными спинами (правило Паули).
• 3. Записываем электронную формулу элемента.

Атом - это сложная, динамически устойчивая микросистема взаимодействующих частиц: протонов р+, нейтронов n0 и электронов е-.

Рис.2.1.2. Заполнение энергетических уровней электронами элемента фосфора

Электронную структуру атома водорода (z=1) можно изобразить следующим образом:

+1Н 1s1 , n = 1 ^, где квантовая ячейка (атомная орбиталь) обозначается в виде линии или квадрата, а электроны - в виде стрелок.

Каждый атом последующего химического элемента в периодической системе представляет собой многоэлектронный атом.

Запись электронной формулы проще показать на конкретном примере. Допустим, нам надо выяснить электронную формулу элемента с порядковым номером 7. В атоме такого элемента должно быть 7 электронов. Заполним орбитали семью электронами, начиная с нижней 1s-орбитали.

Итак, 2 электрона расположатся на 1s-орбитали, еще 2 электрона - на 2s-орбитали, а оставшиеся 3 электрона смогут разместиться на трех 2p-орбиталях.

Рассмотрим действие правила Гунда на примере атома азота: N 1s2 2s2 2p3. На 2-м электронном уровне есть три одинаковых p-орбитали: 2px, 2py, 2pz. Электроны заселят их так, что на каждой из этих p-орбиталей окажется по одному электрону. Объясняют это тем, что в соседних ячейках электроны меньше отталкиваются друг от друга, как одноименно заряженные частицы. Полученная нами электронная формула азота несет очень важную информацию: 2-й (внешний) электронный уровень азота заполнен электронами не до конца (на нем 2 + 3 = 5 валентных электронов) и до полного заполнения не хватает трех электронов.

Внешним уровнем атома называется самый далекий от ядра уровень, на котором есть валентные электроны. Именно эта оболочка соприкасается при столкновении с внешними уровнями других атомов в химических реакциях. При взаимодействии с другими атомами азот способен принять 3 дополнительных электрона на свой внешний уровень. При этом атом азота получит завершенный, то есть максимально заполненный внешний электронный уровень, на котором расположатся 8 электронов.

Завершенный уровень энергетически выгоднее незавершенного, поэтому атом азота должен легко реагировать с любым другим атомом, способным предоставить ему 3 дополнительных электрона для завершения его внешнего уровня.