Строение атома

Строение атома
Атомы не сразу вошли в научный обиход, хотя само слово "атом" появилось еще в
сочинениях древнегреческих философов. В переводе с греческого оно означает "неделимый". Философы объясняли окружающий мир доступными средствами, среди которых не
было современных приборов, но были наблюдательность и логика. Чисто логическим путем можно прийти к выводу, что дробление вещества не может происходить бесконечно.
В конце концов должна остаться некая мельчайшая и неделимая крупинка вещества или
атом вещества. Если бы таких неделимых крупинок не оставалось, то любую вещь можно
было бы уничтожить до конца.
Атом состоит из ядра и окружающего его электронного "облака". Находящиеся в
электронном облаке электроны несут отрицательный электрический заряд. Протоны,
входящие в состав ядра, несут положительный заряд. В любом атоме число протонов в
ядре в точности равно числу электронов в электронном облаке, поэтому атом в целом нейтральная частица, не несущая заряда. Атом может потерять один или несколько электронов или наоборот - захватить чужые электроны. В этом случае атом приобретает положительный или отрицательный заряд и называется ионом.
Практически вся масса атома сосредоточена в его ядре, так как масса электрона составляет всего лишь 1/1836 часть массы протона. Плотность вещества в ядре фантастически велика - порядка 1013 - 1014 г/см3. Спичечный коробок, наполненный веществом такой
плотности, весил бы 2,5 миллиарда тонн!
Внешние размеры атома - это размеры гораздо менее плотного электронного облака, которое примерно в 100000 раз больше диаметра ядра.
Кроме протонов, в состав ядра большинства атомов входят нейтроны, не несущие
никакого заряда. Масса нейтрона практически не отличается от массы протона.
Из таблицы 1 видно, что
Таблица 1. Субатомные частицы.
массы субатомных частиц чрезвычайно малы.
Частица
Заряд
Масса:
Показатель степени
(например, десять в микг
а.е.м.
нус двадцать седьмой
степени) показывает,
Протон
+1
1,67·10-27
1,00728
сколько нулей после за-27
пятой нужно записать,
Нейтрон
0
1,67·10
1,00867
чтобы получилась десяЭлектрон
-1
9,11·10-31
0,000549
тичная дробь, выражающая массу субатомной
частицы в килограммах. Это ничтожнейшая часть килограмма, поэтому массу субатомных
частиц удобнее выражать в атомных единицах массы (сокращенно - а.е.м.). За атомную
единицу массы принята ровно 1/12 часть массы атома углерода, в ядре которого содержится 6 протонов и 6 нейтронов.
Число протонов в ядре атома называют зарядом ядра атома и обозначают буквой
Z. Это очень важная величина. Число протонов в ядре совпадает с порядковым номером
атома в Периодической таблице Д.И.Менделеева.
Заряд ядра (число протонов) совпадает также с числом электронов в атоме. Когда
атомы сближаются, то в первую очередь они взаимодействуют друг с другом не ядрами, а
электронами. Число электронов определяет способность атома образовывать связи с другими атомами, то есть его химические свойства. Поэтому атомы с одинаковым зарядом
ядра (и одинаковым числом электронов!) ведут себя в химическом отношении практически одинаково и рассматриваются как атомы одного химического элемента. ЭЛЕМЕНТОМ называется определенный вид атомов с одинаковым ЗАРЯДОМ ЯДРА.
Сумма тяжелых частиц (нейтронов и протонов) в ядре атома какого-либо элемента
называется массовым числом и обозначается буквой А. Из названия этой величины видно, что она тесно связана с округленной до целого числа атомной массой элемента.
A=Z+N
Здесь A - массовое число атома (сумма протонов и нейтронов), Z - заряд ядра (число протонов в ядре), N - число нейтронов в ядре.
Природа устроена так, что один и тот же элемент может существовать в виде двух
или нескольких изотопов. Изотопы отличаются друг от друга только числом нейтронов в
ядре (числом N). Поскольку нейтроны практически не влияют на химические свойства
элементов, все изотопы одного и того же элемента химически неотличимы Изотопами
называются атомы с одинаковым зарядом ядра (то есть с одинаковым числом протонов), но с разным числом нейтронов в ядре. Изотопы отличаются друг от друга
только массовым числом. Все элементы состоят из одного или нескольких изотопов.
Существует несколько моделей строения
атома. Английский ученый Томсон предположил,
что атомы состоят из положительно заряженной
сферы, в которую вкраплены электроны (рис. а).
Эта модель атома получила среди ученых прозвище "сливовый пудинг", хотя не менее точно она
похожа и на булочку с изюмом (где "изюминки" это электроны), или на "арбуз" с "семечками" электронами.
Физик Резерфорд предположил, что атом состоит
из плотного, положительно заряженного ядра, в
котором сосредоточена практически вся масса атома, и окружающих это ядро электронов
(рис. б). Электроны вращаются вокруг ядра по круговым орбитам, при этом на электроны
действует центробежная сила, которая в точности уравновешивается электростатическим
притяжением электрона к ядру.
В 1913 году датский физик Н. Бор предложил модель атома, в которой электронычастицы вращаются вокруг ядра атома примерно так же, как планеты обращаются вокруг
Солнца. Бор предположил, что электроны в атоме могут устойчиво существовать только
на орбитах, удаленных от ядра на строго определенные расстояния. Эти орбиты он назвал
стационарными. Вне стационарных орбит электрон существовать не может. Почему это
так, Н. Бор в то время объяснить не мог. Но он выяснил, что такая модель позволяет объяснить многие экспериментальные факты.
Электронные орбиты в модели Бора обозначаются целыми числами 1, 2, 3, … n,
начиная от ближайшей к ядру. В дальнейшем мы будем называть такие орбиты уровнями.
Уровни, в свою очередь, могут состоять из близких по энергии подуровней. Например, 2-й
уровень состоит из двух подуровней (2s и 2p). Третий уровень состоит из 3-х подуровней
(3s, 3p и 3d). Четвертый уровень состоит из подуровней 4s, 4p,4d, 4f.
В электронной оболочке любого атома ровно столько электронов, сколько протонов в его ядре, поэтому атом в целом электронейтрален. Электроны в атоме заполняют
ближайшие к ядру уровни и подуровни, потому что в этом случае их энергия меньше, чем
если бы они заполняли более удаленные уровни. На каждом уровне и подуровне может
помещаться только определенное количество электронов.
Подуровни, в свою очередь, состоят из одинаковых по энергии орбиталей. Орбитали тоже удалось обнаружить экспериментально. Каждая орбиталь - это как бы "квартира" для электронов в "доме"-подуровне. Например, любой s-подуровень - это "дом" из одной "квартиры" (s-орбиталь), p-подуровни - "трехквартирные дома" (в каждом из них по
три p-орбитали), d-подуровени - "дома" из 5 "квартир"-орбиталей, а f-подуровень - "дом"
из 7 одинаковых по энергии орбиталей. В каждой "квартире"-орбитали могут "жить" не
больше двух электронов. Запрещение электронам "селиться" более чем по-двое на одной
орбитали называют запретом Паули - по имени ученого, который выяснил эту важную
особенность строения атома. "Адрес" каждого электрона в атоме записывается набором
квантовых чисел. Здесь мы упомянем лишь о главном квантовом числе n, которое в "адресе" электрона указывает номер уровня, на котором этот электрон существует.
Во всех моделях атома электроны называют s-, p-, d- и f-электронами в зависимости от подуровня, на котором они находятся. Элементы, у которых внешние (то есть
наиболее удаленные от ядра) электроны занимают только s-подуровень, принято называть
s-элементами. Точно так же существуют p-элементы, d-элементы и f-элементы.
Существует условное изображение электронных уровней и подуровней, называемое орбитальной диаграммой или электронной схемой. На такой диаграмме орбитали
условно изображаются квадратиками, а электроны - стрелочками. Если стрелочки направлены в разные стороны, это означает, что электроны различаются между собой особым
свойством, которое назывется спином электрона.
На схеме показана орбитальная диаграмма
атома водорода. Слева пронумерованы электронные
уровни (1, 2, 3, … n) из которых у водорода частично
заполнен только 1-й уровень. Он состоит из единственной s-орбитали, которая на схеме показана
квадратиком. Собственно, этот квадратик с изображением внутри электрона-стрелочки и является орбитальной диаграммой. В ядре атома водорода только 1
протон, поэтому в электронном облаке имеется только 1 электрон, который размещается на самом близком к ядру 1s-подуровне, на 1sорбитали.
В атоме гелия (2 протона в ядре) уже два электрона, причем оба еще могут поместиться на 1-м уровне. Значит, "адрес" этих электронов такой же, как у водорода: 1s. Но чтобы показать, что здесь находится уже не 1, а 2 электрона,
пишут “адрес” с указанием количества “жильцов”электронов: 1s2. Эта короткая запись описывает
электронное строение атома гелия. Поэтому такие
записи называют электронными формулами. 1s1 электронная формула атома водорода. 1s2 - электронная формула атома гелия.
Элемент с тремя протонами в ядре (литий) содержит в своем электронном облаке 3 электрона, для
чего занимает электронами сначала весь 1-й уровень
(там помещается только 2 электрона), а оставшийся
электрон вынужден переместиться на более высокий
2-й уровень, где займет ближайшую к ядру свободную 2s-орбиталь. "Адрес" трех электронов этого элемента таков: 1s2 2s1. Мы записали электронную формулу для лития.
Из этих простых примеров становится ясен
принцип минимума энергии заполнения электронных оболочек: в первую очередь заполняются
более низкие, ближайшие к ядру уровни и подуровни.
На рис. 8 показана более подробная орбитальная диаграмма для первых электронных уровней большинства атомов.
Рис. 8. Порядок заполнения орбиталей на первых, наиболее близких к ядру электронных
уровнях атома. Заполнение электронами происходит снизу вверх. Справа показано
наибольшее количество электронов, способных разместиться на орбиталях данного подуровня. 4-й уровень показан не полностью.
Чем дальше от ядра располагаются уровни и подуровни, тем выше их энергия. По
некоторым (до сих пор не вполне понятным) причинам 4s-подуровень большинства атомов (за исключением атомов самых "легких" элементов) заполняется электронами раньше,
чем 3d-подуровень. Такие аномалии встречаются и на более высоких уровнях. Вот как выглядит порядок заполнения уровней и подуровней в атомах большинства элементов:
1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p, 5s, 4d, 5p, 6s, 4f, 5d, 6p, 7s, 5f, 6d, ...
Электронная формула описывает распределение электронов по энергетическим
уровням, существующим в электронном облаке. Такое распределение называется также
электронной конфигурацией атома.
Запись электронной формулы проще показать на конкретном примере. Допустим,
нам надо выяснить электронную формулу элемента с порядковым номером 7. В атоме такого элемента должно быть 7 электронов. Заполним орбитали семью электронами, начиная с нижней 1s-орбитали. Итак, 2 электрона расположатся на 1s-орбитали, еще 2 электрона - на 2s-орбитали, а оставшиеся 3 электрона смогут разместиться на трех 2pорбиталях. Электронная формула элемента с порядковым номером 7 (это элемент азот,
имеющий символ “N”) выглядит так:
Существует правило (оно называется правилом Гунда), по которому электроны
предпочитают расселяться на одинаковых по энергии орбиталях (например, на трех pорбиталях) сначала по одиночке, и лишь когда в каждой такой орбитали уже находится по
одному электрону, начинается заполнение этих орбиталей вторыми электронами. Когда
орбиталь заполняется двумя электронами, такие электроны называют спаренными.
Рис. 9. Правильная (а) и неправильная (б) орбитальная диаграмма азота.
Внешним уровнем атома называется самый далекий от ядра уровень, на котором
еще есть электроны. Именно эта оболочка соприкасается при столкновении с внешними
уровнями других атомов в химических реакциях. При взаимодействии с другими атомами
азот способен принять 3 дополнительных электрона на свой внешний уровень. При этом
атом азота получит завершенный, то есть максимально заполненный внешний электронный уровень, на котором расположатся 8 электронов.
Завершенный уровень энергетически выгоднее незавершенного. Поэтому атом азота должен легко реагировать с любым другим атомом, способным предоставить ему 3 дополнительных электрона для завершения его внешнего уровня.
Другой пример: элемент с порядковым номером 18:
1s2 2s2 2p6 3s2 3p6
Элемент с порядковым номером 18 - это аргон. Он уже имеет полностью завершенный внешний уровень и, следовательно, не склонен реагировать с другими элементами.
Действительно, химическое поведение аргона настолько выделяется своей пассивностью
среди других элементов, что он получил название инертного газа или благородного газа
(последнее, вероятно, за свою "химическую лень"). Аргон (в переводе с греческого "недеятельный") не реагирует ни с одним химическим элементом. В свободном состоянии он
существует не в виде двухатомных молекул (как другие газы), а в виде отдельных атомов
(вот мы и ответили на один из вопросов параграфа 2.1 этой главы!) Инертность аргона такова, что до сих пор, несмотря на все попытки, не удалось получить ни одного его химического соединения.