lecture-8

Структура атомов и Периодическая система элементов

Еще в первые десятилетия ХIX века обнаружилось, что некоторые свойства химических элементов (например, инертность благородных газов, легкость окисления щелочных металлов, потенциал ионизации и др.) периодически зависят от их атомной массы. В 1869-1871 годах Д.И.Менделеев сформулировал общий периодический закон:

«Химические и физические свойства элементов находятся в периодической зависимости от их атомного веса» и построил первую таблицу элементов, наглядно выражающую этот закон.

В основе периодического закона находятся фундаментальные принципы строения атома, открытые в 20-е годы ХХ века и ставшие его теоретическим обоснованием. Важное уточнение было сделано еще в 1913 году Г. Мозли, установившим, что

положение элементов в таблице определяется скорее зарядом атомного ядра (незадолго до этого открытого Резерфордом), чем атомной массой. Полная теория периодической системы была предложена Н. Бором в 1922 году как следствие его же теории строения атома.

? ?

С точки зрения классической теории планетарная модель оказывалась полностью несостоятельной, т.к. электроны, двигающиеся по круговым или эллиптическим орбитам, должны излучать непрерывно во всем диапазоне частот. Значит, спектры атомов должны были бы быть сплошными, чего не наблюдается. Кроме того, темп потерь энергии на излучение оказывается настолько большим, что электроны практически моментально должны были бы падать на атомные ядра.

Теория строения атома Бора дала в виде постулатов описание характера заполнения электронных оболочек атома в планетарной модели (предложенной ранее Резерфордом на основании экспериментов по рассеянию альфа-частиц) при последовательном увеличении заряда ядра и числа электронов на единицу.

Постулаты Бора теории строения атома водорода

1) электрон в атоме может находиться только в состояниях со строго определенными значениями (уровнями) энергии E, каждому из которых соответствует своя устойчивая (стационарная) орбита. Причем размеры орбиты таковы, что на каждой укладывается целое число длин волн де Бройля — 1, 2, 3 и т.д.

Постулаты Бора получили объяснение в рамках квантовой теории. Электрон в атоме не движется как классическая частица, он обладает волновыми свойствами. Поэтому он должен иметь строго определенные дискретные значения 4 своих основных характеристик:

энергии E, момента импульса L, проекции момента импульса Lz и проекции спина Sz.

Каждое значение можно пронумеровать — сопоставить квантовое число. Так что значения каждой характеристики электрона образуют некоторую последовательность значений, которую называют спектр.

Любое состояние электрона в атоме можно определить всего четырьмя квантовыми числами:

n = 1, 2, ...

главное квантовое число, определяющее энергию электрона и радиус его орбиты

l = 0, 1, 2, ..., n-1

орбитальное квантовое число, определяющее момент импульса электрона

m = -l, -l+1, ..., l-1, l

магнитное квантовое число, определяющее проекцию момента импульса электрона

σ = ± 1

спиновое квантовое число, определяющее проекцию спина электрона.

Электроны в атоме могут иметь одну и ту же энергию, но так, чтобы:

1) согласно принципу Паули состояние каждого электрона было бы уникальным, т.е. ему соответствовала бы уникальная комбинация квантовых чисел (n, l, m, s).

2) каждый вновь присоединенный к атому электрон занял бы состояние с наименее возможной энергией, т.е. с наименьшим числом n.

Молекулы и химические превращения

Молекула представляет собой связанное состояние некоторого числа атомов. Это становится возможным благодаря силам притяжения между атомами, имеющим электрическую природу.

Поскольку соединение атомов в молекулы происходит в результате химических реакций, соответствующие виды связей получили название химических. Опыт показывает, что химические свойства элементов полностью зависят от числа электронов на внешних оболочках их атомов — числа валентных электронов.

Виды химических связей:

1) ионная связь возникает, когда один из атомов отдает валентный электрон другому атому