§ 2. Теория строения атома как научная основа изучения химии

Определения и обозначения

Атом — электрически нейтральная частица химического элемента, состоящая из положительно заряженного ядра и электронной оболочки. Нейтральность означает равенство положительных и отрицательных зарядов. Это определение помогает отличать атом от иона, у которого число электронов не равно числу протонов.

Атомное ядро — центральная часть атома, в которой сосредоточена почти вся его масса. Ядро состоит из положительно заряженных протонов и нейтральных нейтронов. Число протонов задаёт вид элемента, а число нейтронов может изменяться у его изотопов.

Электронная оболочка — совокупность электронов атома, распределённых по энергетическим уровням и орбиталям. Электроны имеют отрицательный заряд и занимают область вокруг ядра. Именно оболочка определяет, как атом взаимодействует с другими атомами.

Электронная конфигурация — запись распределения электронов атома по энергетическим уровням и орбиталям. Например, распределение по уровням для натрия можно записать как 2, 8, 1. Такая запись показывает строение внешнего уровня и помогает предсказывать химические свойства.

Как это устроено

Представления об атоме менялись по мере появления новых экспериментальных данных. Сначала атом считали неделимой частицей, но открытие электрона показало наличие внутреннего строения, а исследования рассеяния частиц выявили маленькое массивное ядро. Последующие наблюдения за спектрами атомов обнаружили дискретные энергетические состояния, поэтому прежние модели пришлось уточнять и заменить квантовой моделью с уровнями и орбиталями.

Заряд ядра определяется числом протонов, потому что каждый протон несёт заряд +1, а нейтрон заряда не имеет. Если в ядре Z протонов, его заряд равен +Z в элементарных зарядах, и именно это число соответствует порядковому номеру элемента. Нейтральный атом содержит столько же электронов с зарядом −1, сколько протонов, поэтому суммарный заряд равен нулю; при потере или присоединении электронов образуется ион.

Электроны располагаются не произвольно: они занимают энергетические уровни, а внутри уровней — орбитали. Орбиталь — область пространства, где вероятность обнаружить электрон наиболее велика; на одной орбитали могут находиться не более двух электронов. Электроны сначала занимают состояния с меньшей энергией, поэтому положение электрона в оболочке связано с его энергетическим запасом и возможностью участвовать в реакции.

Порядковый номер элемента задаёт заряд ядра и число электронов в нейтральном атоме, а значит, позволяет составить электронную конфигурацию. Число занятых энергетических уровней связано с номером периода. Строение внешнего уровня особенно важно: оно повторяется по закономерности в группах и отражается в сходстве химических свойств элементов.

Теория строения атома позволяет предсказывать свойства, потому что химическая реакция связана с изменением электронной оболочки. Атомы стремятся к более устойчивому состоянию, отдавая, принимая или обобществляя электроны. Поэтому по числу внешних электронов можно предположить тип связи, заряд иона, валентность и реакционную способность элемента.

Строение атома и его связь с характеристиками элемента

Сначала по порядковому номеру определяют число протонов и электронов, затем устанавливают число занятых уровней. После этого анализируют внешний уровень, поскольку именно он чаще всего изменяется при химических превращениях. Таблица удобна как последовательная схема перехода от строения атома к его свойствам.

Разбор задач

Задача 1. Для нейтрального атома магния с порядковым номером 12 укажите заряд ядра и число электронов. Нужно использовать связь между порядковым номером, протонами и электронами.

1. Порядковый номер магния равен 12, значит, в его ядре 12 протонов.
2. Заряд ядра равен +12 элементарных зарядов.
3. Атом нейтрален, поэтому число электронов равно числу протонов: 12.

Ответ: заряд ядра Mg равен +12, число электронов — 12.

Задача 2. Запишите распределение электронов по энергетическим уровням в атоме хлора с порядковым номером 17 и определите число электронов на внешнем уровне. Сначала найдём общее число электронов, затем распределим их по уровням.

1. У нейтрального атома хлора 17 электронов.
2. На первый уровень помещаются 2 электрона, на второй — 8.
3. Оставшиеся 7 электронов занимают третий уровень: распределение равно 2, 8, 7.

Ответ: у хлора три занятых уровня, на внешнем уровне 7 электронов.

Задача 3. Сопоставьте электронные конфигурации атомов натрия и калия и объясните сходство их свойств и различие в периодах. Нужно отдельно сравнить внешний уровень и общее число занятых уровней.

1. Натрий имеет распределение 2, 8, 1, а калий — 2, 8, 8, 1.
2. У обоих атомов на внешнем уровне по одному электрону, поэтому они относятся к одной группе и проявляют сходные свойства.
3. У натрия заняты три уровня, у калия — четыре, поэтому натрий находится в третьем периоде, а калий — в четвёртом.

Ответ: сходство объясняется одним внешним электроном, а различие в периодах — числом занятых энергетических уровней.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что порядковый номер равен числу нейтронов. Так происходит из-за смешения разных характеристик ядра. Проверьте себя: порядковый номер должен совпадать с числом протонов, а нейтроны находят по формуле n = A − Z.

Ошибка — путать массовое число с зарядом ядра. Массовое число A равно сумме протонов и нейтронов, тогда как заряд ядра определяется только протонами и равен +Z. Для проверки подпишите отдельно p, n и A: A = p + n.

Ошибка — распределять электроны по уровням без учёта энергии и правил заполнения орбиталей. Ученик может механически заполнять оболочки, не проверяя допустимую вместимость и порядок состояний. Проверьте результат по общему числу электронов и электронной конфигурации элемента.

Ошибка — считать, что свойства одинаково определяются всеми электронами. В химических реакциях особенно важны электроны внешнего уровня, хотя внутренние электроны влияют на экранирование и размер атома. Сначала анализируйте внешнюю конфигурацию, а затем учитывайте остальные факторы.

Связь с другими темами

До изучения темы нужно знать устройство периодической системы и смысл порядкового номера элемента. Также необходимо различать атом и ион: ион имеет электрический заряд из-за изменения числа электронов.

Знания о строении атома понадобятся при объяснении периодического изменения свойств, образования химических связей и строения молекул. Электронная конфигурация связывает положение элемента в таблице с его реакционной способностью.

Тема опирается на физические представления об электрическом заряде, атомном ядре и квантовых свойствах частиц. Поэтому химическое описание уровней и орбиталей дополняет знания, полученные на уроках физики.

Что запомнить

• Атом состоит из ядра и электронной оболочки.
• В ядре находятся протоны и нейтроны; вокруг ядра располагаются электроны.
• Порядковый номер элемента равен числу протонов в ядре.
• В нейтральном атоме число электронов равно числу протонов.
• Электроны распределяются по энергетическим уровням и орбиталям.
• Строение внешнего электронного уровня помогает объяснить химические свойства элемента.
• Теория строения атома связывает положение элемента в периодической системе с его свойствами.