Раздел 1. АТОМ

Определения и обозначения

Атом — электрически нейтральная частица, состоящая из ядра и электронной оболочки. В ядре находятся протоны и нейтроны, а в оболочке — электроны. Число протонов определяет порядковый номер элемента в периодической таблице, поэтому по нему устанавливают, к какому элементу относится атом.

Изотопы — атомы одного химического элемента, имеющие одинаковое число протонов, но разное число нейтронов. Их массовые числа отличаются, поскольку массовое число складывается из числа протонов и нейтронов. Это понятие помогает различать разновидности атомов одного элемента, не смешивая их с разными элементами.

Атомная орбиталь — область пространства около ядра, где вероятность обнаружить электрон велика. Это не точная дорожка, по которой электрон движется вокруг ядра. Представление об орбиталях позволяет описывать электронную оболочку с учётом того, что положение электрона нельзя задать как положение маленькой планеты на орбите.

Электронная конфигурация — запись распределения электронов атома по энергетическим уровням и подуровням. Например, цифры указывают уровень, буквы s, p, d, f — подуровень, а верхний индекс — число электронов на нём. Такая запись компактно показывает устройство оболочки и помогает предсказывать химические свойства.

Как это устроено

Заряд ядра возникает из-за протонов: каждый протон несёт положительный заряд, а нейтрон заряда не имеет. Поэтому суммарный заряд ядра определяется именно количеством протонов. Если атом нейтрален, его отрицательный заряд должен уравновешивать положительный заряд ядра, значит, электронов столько же, сколько протонов.

Число нейтронов может меняться, потому что ядра одного элемента не обязательно имеют одинаковый состав. Добавление или удаление нейтронов меняет суммарное число частиц в ядре, то есть массовое число, но не число протонов. Поэтому химическая принадлежность сохраняется: элемент задаётся зарядом ядра, а не его полной массой.

Электроны занимают энергетические уровни и подуровни, потому что в атоме возможны только определённые состояния с определёнными энергиями. Состояния, принадлежащие одному уровню, могут отличаться типом подуровня и формой орбитали. Поэтому электроны не расположены на одинаковом расстоянии от ядра: их распределение зависит от энергии и вероятности нахождения в разных областях пространства.

Подуровень включает орбитали одного типа. На s-подуровне одна орбиталь, на p — три, на d — пять, на f — семь; каждая орбиталь вмещает не более двух электронов. Отсюда максимальная вместимость подуровней составляет соответственно 2, 6, 10 и 14 электронов. Число орбиталей важно при заполнении оболочки и определении неспаренных электронов.

При записи конфигурации электроны размещают сначала в состояниях с меньшей энергией, поскольку именно такое распределение соответствует основному состоянию атома. На каждой орбитали может быть максимум два электрона с противоположными спинами. Если несколько орбиталей равноценны, электроны сперва занимают их по одному: так их взаимное отталкивание меньше, чем если сразу образовывать пары.

Строение атома и вместимость энергетических уровней и подуровней

Используйте таблицу, чтобы связать число орбиталей с вместимостью: на каждую орбиталь приходится не более двух электронов. Для уровня подставьте его номер n в формулу 2n², а для отдельного подуровня возьмите указанную вместимость. Строки ядра и атома описывают состав частицы, а не вместимость электронных состояний.

Разбор задач

Натрий-23: число протонов, нейтронов и электронов

Дан нейтральный атом натрия с порядковым номером 11 и массовым числом 23. Нужно найти три числа частиц. Порядковый номер показывает число протонов, нейтральность связывает число электронов с числом протонов, а нейтроны находятся как остаток массового числа после вычитания протонов.

1. Число протонов равно порядковому номеру: Z = 11.
2. Атом нейтрален, поэтому число электронов тоже равно 11.
3. Число нейтронов: N = A − Z = 23 − 11 = 12.

Ответ: 11 протонов, 12 нейтронов и 11 электронов. Проверка: 11 + 12 = 23, то есть сумма протонов и нейтронов совпала с массовым числом.

Электронная конфигурация хлора и внешний уровень

У хлора порядковый номер 17, следовательно, в нейтральном атоме 17 электронов. Их нужно распределить, начиная с подуровней меньшей энергии, и после записи конфигурации определить наибольший номер занятого уровня. Так мы не принимаем число электронов на внешнем уровне за общее число электронов атома.

1. Заполняем 1s: на нём размещаются 2 электрона, остаётся 15.
2. Заполняем 2s² и 2p⁶: размещены ещё 8, остаётся 7.
3. Оставшиеся электроны занимают 3s² и 3p⁵.
4. Наибольший номер уровня в записи — 3; на нём 2 + 5 = 7 электронов.

Ответ: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁵; на внешнем уровне 7 электронов. Сумма показателей степени равна 17, что служит проверкой числа электронов.

Железо: конфигурация, уровни и неспаренные электроны

У железа Z = 26, поэтому в нейтральном атоме распределяем 26 электронов. После заполнения первых трёх уровней и подуровней получаем конфигурацию [Ar] 3d⁶ 4s², где [Ar] обозначает внутреннюю часть конфигурации, совпадающую с аргоном. Чтобы найти неспаренные электроны на d-подуровне, учитываем пять равноценных d-орбиталей.

1. Распределяем электроны по возрастанию энергии: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d⁶.
2. Считаем электроны по уровням: первый — 2, второй — 8, третий — 3s² + 3p⁶ + 3d⁶ = 14, четвёртый — 2.
3. Первые пять электронов d-подуровня занимают пять орбиталей по одному; шестой образует пару на одной из них.

Ответ: конфигурация [Ar] 3d⁶ 4s², распределение по уровням 2, 8, 14, 2; на d-подуровне 4 неспаренных электрона. Сумма электронов по уровням равна 26, а число пар на d-подуровне не превышает одной на каждой орбитали.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что порядковый номер показывает число нейтронов. Так путают частицы ядра, хотя номер элемента однозначно задаёт заряд ядра и число протонов; в нейтральном атоме он также равен числу электронов. Проверьте себя: для нейтронов нужны массовое число и вычитание Z, то есть N = A − Z.

Ошибка: принимать относительную атомную массу из таблицы за массовое число конкретного атома. Относительная атомная масса учитывает природную смесь изотопов, а массовое число относится к отдельному нуклиду и равно целому числу протонов и нейтронов. Для проверки выясните, о чём спрашивают: о среднем значении для элемента или о составе определённого ядра.

Ошибка: рисовать орбиталь как точную круговую траекторию электрона. Такая картинка кажется удобной, потому что напоминает движение планеты, но не отражает вероятностного описания электрона. Проверьте формулировку: орбиталь показывает область высокой вероятности обнаружения, а не путь, который электрон проходит во времени.

Ошибка: заполнять равноценные орбитали парами, не разместив сначала электроны по одному. Это происходит, если помнить вместимость орбитали, но забыть правило распределения электронов в пределах одного подуровня. Проверьте схему: сначала поставьте по одному электрону на каждую одинаковую орбиталь, а затем начинайте спаривание.

Связь с другими темами

Для понимания строения атома нужны знания о зарядах частиц, массовом числе и периодической таблице: порядковый номер помогает найти заряд ядра и число протонов. Электронные конфигурации объясняют периодическое изменение свойств элементов и помогают разбирать образование ионов. Представления об орбиталях и заполнении уровней пригодятся при изучении химических связей, потому что поведение внешних электронов связано с взаимодействием атомов.

Что запомнить

• Порядковый номер элемента равен числу протонов в ядре.
• В нейтральном атоме число электронов равно числу протонов.
• Массовое число равно сумме чисел протонов и нейтронов.
• Изотопы имеют одинаковое число протонов, но разное число нейтронов.
• На одной орбитали могут находиться не более двух электронов.
• s-, p-, d- и f-подуровни вмещают соответственно не более 2, 6, 10 и 14 электронов.
• Электронная конфигурация отражает распределение электронов по уровням и подуровням.