"Химия (углублённый уровень)", Пузаков С.А., Машнина Н.В., Попков В.А.
Атом состоит из небольшого массивного ядра и электронной оболочки, которая занимает почти весь его объём. Число протонов определяет химический элемент, а распределение электронов по уровням и орбиталям помогает объяснить его свойства и химические связи. Современная модель описывает электрон не как планету на заданной орбите, а через область вероятного нахождения. Понимание строения атома нужно для чтения периодической системы и записи электронных конфигураций.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Атом — электрически нейтральная частица, состоящая из ядра и электронной оболочки. В нейтральном атоме число электронов равно числу протонов, поэтому их заряды взаимно компенсируются. Если атом теряет или присоединяет электроны, он превращается в ион; число протонов при этом не меняется.
Атомное ядро — центральная часть атома, представляющая собой совокупность протонов и нейтронов. Протоны имеют положительный заряд, а нейтроны не имеют электрического заряда. Поэтому заряд ядра определяется числом протонов, которое обозначают Z и которое совпадает с атомным номером элемента.
Электронная оболочка — совокупность электронов атома, распределённых по энергетическим уровням и подуровням. Энергетические уровни — состояния с определёнными значениями энергии, а подуровни составляют каждый уровень. Такое описание помогает установить, как электроны распределены вокруг ядра и почему атомы разных элементов различаются по свойствам.
Атомная орбиталь — область пространства вокруг ядра, в которой вероятность обнаружить электрон особенно велика. Она не является классической траекторией с точно заданным путём движения. Понятие орбитали нужно, чтобы описывать расположение электронов в квантовой модели и учитывать, сколько электронов может занимать каждое состояние.
Представления об атоме менялись по мере того, как учёные получали новые экспериментальные данные. Сначала атом считали неделимой частицей, затем модель Томсона описывала его как положительно заряженное тело с распределёнными внутри электронами. Однако результаты опытов по рассеянию частиц показали, что положительный заряд и почти вся масса сосредоточены в очень малой области. Так возникла ядерная модель Резерфорда: в центре находится компактное ядро, а вокруг него — электроны.
Ядро содержит протоны и нейтроны, масса которых намного больше массы электрона. Поэтому даже при малом размере ядра в нём сосредоточена почти вся масса атома. Размер же атома определяется электронной оболочкой: вероятность нахождения электронов заметна далеко за пределами ядра. Следовательно, атом в основном состоит из пространства, занятого электронной оболочкой, хотя его масса сосредоточена в центре.
Электрон в атоме может иметь не любое значение энергии: возможны лишь определённые, разрешённые значения. Это свойство называют квантованием энергии. Совокупности состояний с близкими характеристиками образуют энергетические уровни, а внутри уровней выделяются подуровни. Различия энергий состояний объясняют, почему оболочку описывают не одной общей областью, а системой уровней, подуровней и орбиталей.
Состояние электрона характеризуют четыре квантовых числа. Главное число n задаёт энергетический уровень, орбитальное l — подуровень и форму орбитали, магнитное mₗ — конкретную орбиталь в подуровне, а спиновое mₛ описывает собственный момент электрона и принимает значения +½ или −½. По принципу Паули два электрона одного атома не могут иметь одинаковый набор всех четырёх чисел. Поэтому одна орбиталь, для которой совпадают первые три числа, вмещает максимум два электрона с противоположными спинами.
Электроны занимают доступные состояния так, чтобы энергия атома была как можно меньше, поэтому сначала заполняются подуровни с меньшей энергией. Это принцип наименьшей энергии; при записи конфигурации его применяют вместе с принципом Паули. Если в подуровне есть несколько орбиталей одинаковой энергии, электроны сначала размещаются по одному на разных орбиталях и только затем образуют пары. Такое правило Хунда уменьшает взаимное отталкивание электронов и помогает определить правильную конфигурацию.
| Объект или характеристика | Обозначение | Что определяет | Основное свойство |
|---|---|---|---|
| Протон | p⁺ | Заряд ядра | Положительный заряд, масса около 1 а.е.м. |
| Нейтрон | n⁰ | Число нейтронов в ядре | Нет заряда, масса около 1 а.е.м. |
| Электрон | e⁻ | Электронную оболочку | Отрицательный заряд, масса намного меньше массы нуклона |
| Атомный номер | Z | Число протонов | Заряд ядра равен +Z |
| Массовое число | A | Сумму протонов и нейтронов | A = Z + N |
| Энергетический уровень | n | Основное состояние энергии электрона | Главное квантовое число — целое положительное |
| Энергетический подуровень | l | Подуровень внутри уровня | l принимает значения от 0 до n − 1 |
| Атомная орбиталь | Обычно задаётся n, l, mₗ | Состояние и область вероятного нахождения электрона | Вмещает до двух электронов |
| Главное квантовое число | n | Уровень электрона | n = 1, 2, 3… |
| Орбитальное квантовое число | l | Подуровень и форму орбитали | 0 ≤ l ≤ n − 1 |
| Магнитное квантовое число | mₗ | Орбиталь внутри подуровня | Целые значения от −l до +l |
| Спиновое квантовое число | mₛ | Спиновое состояние электрона | +½ или −½ |
В таблице удобно проверять как состав ядра, так и допустимые состояния электронов. Для квантовых чисел сначала выбирают n, затем проверяют разрешённые значения l, mₗ и mₛ. Если хотя бы одно значение выходит за свой диапазон, такой набор не описывает возможное состояние электрона.
Для атома хлора заданы атомный номер Z = 17 и массовое число A = 37. Нужно найти числа протонов, нейтронов и электронов. В условии речь идёт об атоме, а не об ионе, поэтому он электрически нейтрален.
Ответ: 17 протонов, 20 нейтронов и 17 электронов. Проверка: число нуклонов равно 17 + 20 = 37, как указано в условии.
Фосфор имеет атомный номер 15, следовательно, у нейтрального атома 15 электронов. Нужно записать конфигурацию и указать распределение электронов по уровням и подуровням. Заполнение начинаем с состояний меньшей энергии, не помещая на одну орбиталь больше двух электронов.
Ответ: конфигурация фосфора — 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p³; распределение по уровням — 2, 8, 5. Проверка: сумма показателей степеней равна 15, то есть атомному номеру фосфора.
Пусть для электрона предложен набор n = 3, l = 2, mₗ = −1, mₛ = +½. Нужно проверить его допустимость и определить орбиталь. Проверять следует в строгом порядке, потому что значения последующих чисел зависят от предыдущих.
Ответ: набор допустим и соответствует электрону на орбитали 3d. Если бы, например, при l = 2 было записано mₗ = 3, набор оказался бы невозможным, даже при допустимых остальных числах.
Атомный номер часто принимают за массовое число. Причина путаницы — оба числа записывают рядом с символом элемента, хотя Z показывает только число протонов, а A — сумму протонов и нейтронов. Проверь себя: вычисли N = A − Z; если вычитаешь Z из A, получаешь число нейтронов, а не электронов.
Электрон иногда представляют как планету, которая движется по фиксированной орбите. Такая картинка удобна для первого знакомства, но неверно передаёт квантовое описание, где можно говорить о вероятности нахождения, а не о точной траектории. Проверка: если описание требует указать путь электрона в каждый момент времени, речь идёт о классической модели, а не об атомной орбитали.
На одной орбитали могут ошибочно записать три электрона или пару с одинаковыми спинами. Это нарушает принцип Паули: состояние орбитали задаётся тремя квантовыми числами, а два электрона в ней должны различаться четвёртым, спиновым. Проверь каждую пару: на орбитали не больше двух электронов, и их спины противоположны.
На орбиталях одного подуровня иногда начинают создавать пары, не оставив одиночных электронов. Так пропускают правило Хунда, потому что привычнее заполнять ячейки по очереди парами. Перед спариванием проверь, есть ли в подуровне свободные орбитали той же энергии: сначала размести на них по одному электрону с параллельными спинами.
Для изучения строения атома пригодятся знания о строении вещества, электрическом заряде и элементарных частицах. Нужно уметь находить элемент в периодической системе и читать обозначение изотопа, где указаны атомный номер и массовое число. Эти сведения позволяют перейти от записи нуклида к подсчёту протонов, нейтронов и электронов.
Распределение электронов помогает объяснять периодическое изменение свойств элементов и устройство периодической системы. Оно также понадобится при изучении химической связи, валентности и степеней окисления. При образовании ионов и соединений важно понимать, какие электроны участвуют во взаимодействиях и как меняется электронная конфигурация.
Чем атом отличается от иона?
В нейтральном атоме число электронов равно числу протонов, поэтому суммарный заряд равен нулю. Ион образуется, когда атом отдаёт или присоединяет электроны: при потере электронов он становится положительным, при присоединении — отрицательным.
Почему электроны не падают на ядро?
В квантовой модели электрон не движется по классической траектории вокруг ядра, а находится в состоянии с определённой энергией и распределением вероятности. Устойчивые разрешённые состояния не предполагают непрерывной потери энергии, поэтому электрон не «падает» на ядро.
Как по записи нуклида определить число протонов, нейтронов и электронов?
Нижний индекс Z показывает число протонов, а верхний индекс A — общее число нуклонов, то есть протонов и нейтронов. Число нейтронов равно A − Z; у нейтрального атома электронов столько же, сколько протонов.
Чем орбиталь отличается от орбиты?
Орбита в классическом представлении — определённая траектория движения тела. Атомная орбиталь — область пространства, где вероятность обнаружить электрон велика; она не задаёт точный путь электрона.
Зачем нужны четыре квантовых числа?
Четыре квантовых числа описывают состояние электрона: его уровень энергии, подуровень, ориентацию орбитали и спин. По ним можно различать состояния электронов и проверять, какие из них допустимы и как заполняются орбитали.
§ 1. Строение атома
