Пособие по неорганической химии

Лубенская Фаина

Атом с определенным значением атомного номера (протонного числа) и массового числа (нуклонного числа) называется нуклидом. Нуклиды с одинаковым зарядом ядра, но различными массовыми числами (А), т.е. числом нейтронов, называются изотопами (³⁵₁₇Cl и ³⁷₁₇Cl; ¹⁶₈O и ¹⁷₈О).

Состояние электрона в атоме

Большинство свойств атома определяются его электронным строением. Согласно квантово-механическим представлениям, движущемуся электрону присуща двойственная

природа – дуализм. Электрон – это частица, которая имеет определённую массу и заряд. Его движение вокруг ядра носит волновой характер. Состояние электрона в атоме описывается с помощью квантово-механической модели – электронного облака. Электронная плотность облака неравномерна. По мере удаления от ядра электронная плотность возрастает и достигает максимального значения на расстоянии 0,053 нанометров (нм).

Электроны в атоме находятся лишь в определенных квантовых состояниях, соответствующих определенным значениям его энергии связи с ядром.

Значение энергии электрона является главным квантовым числом, которое может принимать только целостные значения n = 1,2,3 ….?.

Пространство вокруг ядра, в котором наиболее вероятно нахождение электрона, называется атомной электронной орбиталью, или просто орбиталью. В зависимости от энергии электронов, орбитали имеют различные формы и размеры. Орбиталь, имеющая сферическую форму, обозначается буквой s, а электроны, образующие эту орбиталь, называются s-электронами.

Орбитали, имеющие форму объемной восьмерки (гантелей) называются р-орбиталями, а электроны, которые на них размещаются – р-электронами. Существуют d- и f-орбитали, которые имеют сложную форму, им соответствуют d- и f-электроны. На одной орбитали может находиться не более двух электронов, имеющих противоположный момент вращения вокруг оси (спин 1 ). В этом случае два электрона называются спаренными.

Электроны с близкими значениями энергии составляют в атоме электронный слой, или энергетический уровень. Число энергетических уровней в атоме соответствует номеру периода, в котором находится химический элемент в периодической системе.

1

Подробнее см. в параграфе «Строение электронных оболочек атомов».

Каждый энергетический уровень обозначается своим номером: n = 1, 2, 3, 4 и т.д. или K, L, M, N, O, P, Q.

Наибольшее число электронов на энергетическом уровне равно удвоенному квадрату номера уровня:

N = 2n²

где N – число электронов;

n – номер уровня.

Значения энергии электронов одного и того же энергетического уровня могут несколько различаться, образуя подуровни (подслои). Они обозначаются буквами s, p, d, f.

Число энергетических подуровней на любом конкретном энергетическом уровне равно его номеру.

Электронное состояние атомов элементов 1–4 периодов показано в таблице

Строение электронных оболочек атомов

(Электронная структура атома)

Электроны, кроме движения вокруг ядра, обладают еще и внутренним движением, которое можно упрощенно представить как вращение вокруг собственной оси. Это явление получило название «спин» (от англ. Spin – волчок).

Электронные облака одинаковой формы могут перекрываться, если электроны обладают противоположными спинами, т.е. один как бы вращается вокруг оси по часовой стрелке, а другой против часовой стрелки ??.

Энергетические уровни (слои) подразделяются на подуровни (подслои), отличающиеся друг от друга энергией связи с ядром. Число подуровней в слое зависит от его номера.

Первый энергетический уровень имеет один подуровень,

второй – два, третий – три и т.д.

Подуровни в свою очередь состоят из орбиталей и соответственно называются s p d f.

Электронные формулы

Распределение электронов в атоме по энергетическим уровням изображают в виде электронных формул.

Положение электронов в атоме принято обозначать так:

– сначала цифрой указывается номер слоя;

– затем буквой подуровень;

– сверху справа от буквы число электронов на данном подуровне.

Для правильного изображения электронных конфигураций атомов необходимо соблюдать следующие правила:

– каждый электрон занимает свободную орбиталь с наиболее низкой энергией (принцип минимума энергии);

– с увеличением порядкового номера элемента электроны заполняют орбитали и уровни в порядке возрастания их энергий

– на каждой орбитали максимально может находиться не более двух электронов, причем с противоположными спинами.

Электроны располагаются на орбиталях и уровнях в порядке возрастания их энергий: уровни заполняются от первого к седьмому, а подуровни – в последовательности s-p-d-f. Последовательность возрастания энергии называется шкалой энергии.

Последовательность заполнения электронами орбиталей можно представить следующим рядом:

Примеры электронных формул:

₁Н 1s¹;

₃Li 1s²2s¹;

₆C 1s²2s²2p²;

₇N 1s²2s²2p³;

₉F 1s²2s²2p⁵;

₁₀Ne 1s²2s²2p⁶;

₁₁Na 1s²2s²2p⁶3s¹;

₁₃Al 1s²2s²2p⁶3s²3p¹;

₁₅P 1s²2s²2p⁶3s²3p³;

₁₇Cl 1s²2s²2p⁶3s²3p⁵;

₁₉K 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s¹.

Орбиталь с минимальной энергией – это s-орбиталь. У атома водорода она занята его единственным электроном.

На одной орбитали могут находиться два электрона, поэтому оба электрона атома гелия размещаются на 1s-орбитали. Электронная оболочка завершена и очень устойчива – это благородный газ.

У элементов второго периода заполняется L-уровень (n = 2), причем сначала орбиталь s-подуровня, а затем три орбитали р-подуровня. Третий электрон в атоме ₃Li занимает 2s-орбиталь. Электрон 2s¹ намного слабее связан с ядром атома, чем 1s-электроны, поэтому атом лития может его свободно терять, образуя ион лития Li⁺.