Тема 3 Строение атома. Химическая связь

Тела, окружающие нас, состоят из веществ, вещества– из молекул. Молекула – наименьшая частица вещества, сохраняющая его химические свойства. Молекулы состоят из атомов. Атом – наименьшая частица химического элемента. Атом состоит из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов. Ядро состоит из протонов (р⁺, заряд +1, масса 1) и нейтронов (n, заряд 0, масса 1). Электроны (е, заряд –1, масса 1836 раз меньше массы протона) создают оболочку вокруг ядра, число электронов в атоме равно числу протонов.

Химический элемент – атомы c одинаковым зарядом ядра, они тождественны по химическим свойствам.

Изотопы – атомы с одинаковым числом протонов, но разным числом нейтронов (отличаются массой). Большинство элементов имеет несколько изотопов, поэтому атомные массы элементов отклоняются от целочисленных значений.

Электрон – микрочастица и имеет двойственную корпускулярно-волновую природу, его движение носит вероятностно-волновой характер.

Атомная орбиталь (АО) – пространство, в котором вероятность нахождения электрона более 90%. Занимая АО, электрон образует электронное облако. Движение электрона по АО характеризуется набором четырех параметров – квантовых чисел (n, l, m_l, m_s). Три числа характеризуют АО: ее размер и энергию (n), форму (l) и ориентацию в пространстве (m_l). Четвертое число (m_s) характеризует вращение электрона по АО по или против часовой стрелки.

Главное квантовое число (n) принимает целые значения от 1 до n – номера периода элемента в Таблице Менделеева. Чем ближе АО к ядру, тем меньше n и ниже энергия электрона на этой АО. Электроны с одинаковым значением n образуют энергетический уровень (электронный слой).

Орбитальное квантовое число (l) принимает значения от 0 до (n–1), характеризует подуровни энергетического уровня. АО разных подуровней имеют разную форму. Число подуровней в уровне равно главному квантовому числу уровня.

Так: для n=2 l=0, 1;

для n=3 l=0, 1, 2;

для n=4 l=0, 1, 2, 3.

Орбитали, для которых l = 0, 1, 2, 3,

соответственно называются s-, p-, d-, f-орбиталями,

а электроны, занимающие эти орбитали, s-, p-, d-, f-электронами.

Больше четырех подуровней не заполняется, l = 0,1,2,3 описывают электроны в атомах всех известных элементов.

Магнитное квантовое число (m_l) принимает значения (2l+1) и определяет количество и ориентацию орбиталей одного подуровня.

l = 0, m_l = 0

l = 1, m_l = -1, 0, +1

l = 2 m_l = -2, -1, 0, +1, +2

l = 3, m_l =-3, -2, -1, 0, +1, +2, +3

Спиновое квантовое число (m_s) принимает значение ±1/2, характеризует движение электрона вокруг своей оси (спин). На одной АО может находиться максимально два электрона, у которых числа n, l и m_l одинаковы, а числа m_s имеют обратные значения (обратные спины).

Так для n=4 числа l и m_l могут иметь значения.

	Для l=0, ml имеет одно значение, на энергетическом уровне существует одна s-орбиталь сферической формы. Максимально на s-орбитали располагает 2 электрона.
	Для l=1, ml имеет три значения, т.е. на одном уровне существует три р-орбитали. Они имеют форму гантели и ориентированы по осям X, Y и Z. На р-подуровне максимально располагается 6 электронов.
	Для l=2, ml имеет пять значений, т.е. на одном энергетическом уровне существует пять d-орбиталей, их формы, представленны на рисунке. На d-подуровне максимально располагается 10 электронов.
	Для l=3, ml имеет семь значений, т.е. на одном энергетическом уровне существует семь f-орбиталей, их формы не представлены на рисунке. На f-подуровне максимально располагается 14 электронов.

Рисунок 1 Форма электронных s-, р-и f-орбиталей

Электроны распределяются по АО в соответствие с правилами:

1. Принцип наименьшей энергии: электроны заполняют орбитали в порядке повышения уровня энергии орбиталей. Для орбиталей одного уровня: E_s < E_p < E_d < E_f.

2. Правило Хунда: при заполнении АО электроны располагаются так, чтобы суммарный спин был максимальным: сначала на каждой АО подуровня по одному электрону, затем по второму с противоположными спинами. Суммарный спин спаренных электронов равен нулю.

3. Принцип Паули: в атоме не может быть двух электронов с одинаковыми значения всех четырех квантовых чисел. На одной АО может находиться не более двух электронов с противоположными спинами. Максимальное число электронов на уровне равно 2n².

4. Правило Клечковского: подуровни заполняются в порядке возрастания суммы квантовых чисел (n+l), а при равной сумме (n+l) – в порядке возрастания числа n. Порядок заполнения орбиталей:

1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d¹⁰ 4p⁶ 5s² 4d¹⁰ 5p⁶ 6s² 5d¹ 4f¹⁴ 5d^2-10 6p⁶ 7s² 6d¹ 5f¹⁴ 6d^2-10 7p⁶ 8s²

Цифры означают энергетические уровени, буквы энергетические подуровни, степени – число электронов на подуровне.

Например:

после 3p-подуровня (n+l=3+1=4; n=3)

заполняется 4s-подуровень (n+l=4+0=4; n=4),

затем 3d-подуровень (n+l=3+2=5; n=3),

4p-подуровень (n+l=4+1=5; n=4) и

5s-подуровень (n+l=5+0=5; n=5).

Схематически АО обозначают клетками, электроны – стрелками. Стрели направлены в одну сторону, если спины одинаковы, в обратные – если спины противоположны.

Задание 3 контрольной работы

Для химического элемента: определить в какой группе и каком периоде Периодической таблицы находится, к какому семейству относится, записать электронную формулу для нормального и возбужденного состояния атома, перечислить валентные электроны и возможные степени окисления, привести примеры соединений элемента в этих степенях окисления.

Номер задания	Химический элемент	Номер задания	Химический элемент		Номер задания	Химический элемент
61	5B	71	56Ba		81	19K
62	79Au	72	32Ge	82		82Pb
63	56Ba	73	105Db		83	40Zr
64	55Cs	74	34Se		84	39Y
65	67Ho	75	48Cd		85	30Zn
66	66Dy	76	50Sn		86	81Tl
67	74W	77	46Pd		87	20Ca
68	56Ba	78	52Te		88	103Lr
69	16S	79	44Ru		89	84Po
70	62Sm	80	37Rb		90	38Sr