Строение атома

Атом — сложная частица, состоящая из положительно заряженного ядра и движущихся вокруг него электронов. Все химические свойства элемента, его валентность, степени окисления и место в периодической системе зависят от того, как расположены электроны. Поэтому умение определять состав атома (число протонов, нейтронов, электронов) и записывать электронную формулу — ключ ко всей химии. Эта тема — фундамент для тем «Периодический закон» и «Химическая связь»; на экзамене постоянно встречаются вопросы об изотопах, ионах и электронных конфигурациях.

§1. Представления о строении атома и его состав

Древнее представление о неделимости атома изменилось в конце XIX века. Электрон открыл Дж. Томсон (1897). Э. Резерфорд, пропуская альфа-частицы через тонкую золотую фольгу, доказал, что в центре атома находится очень маленькое положительное ядро, в котором сосредоточена почти вся масса (1911), и предложил планетарную модель атома. Н. Бор показал, что электроны движутся только по орбитам с определённой энергией (1913). Нейтрон открыл Дж. Чедвик (1932).

• Порядковый номер Z = заряд ядра = число протонов = число электронов в нейтральном атоме.
• Массовое число A = Z + N, где N — число нейтронов.
• Обозначение: ³⁵₁₇Cl — 17 протонов, 35 − 17 = 18 нейтронов, 17 электронов.

Размер атома около 10⁻¹⁰ м, а ядро примерно в 100 000 раз меньше; тем не менее в ядре сосредоточено более 99,9 % массы атома.

§2. Изотопы, изобары и средняя атомная масса

Изотопы — атомы одного элемента с одинаковым числом протонов, но разным числом нейтронов: изотопы водорода ¹H (протий), ²H (дейтерий, D), ³H (тритий, T); изотопы хлора ³⁵Cl и ³⁷Cl. Химические свойства изотопов практически одинаковы, так как определяются электронной оболочкой.
Изобары — атомы разных элементов (разные Z) с одинаковым массовым числом: ⁴⁰Ar и ⁴⁰Ca. Изотоны — атомы с одинаковым числом нейтронов.
Значение Ar элемента в периодической таблице — среднее масс изотопов с учётом их природного содержания:

Пример

Природный хлор состоит из 75 % ³⁵Cl и 25 % ³⁷Cl. Найдите среднюю относительную атомную массу хлора.

1. Ar = 35·0,75 + 37·0,25.
2. Ar = 26,25 + 9,25 = 35,5.
3. Поэтому в таблице масса хлора не целая: 35,5.

§3. Ионы и изоэлектронные частицы

• Катион — атом, отдавший электроны: Na → Na⁺ + e⁻ (11 p, 10 e).
• Анион — атом, принявший электроны: Cl + e⁻ → Cl⁻ (17 p, 18 e).

При образовании иона число протонов (то есть элемент) не меняется, меняется только число электронов: число электронов = Z − (заряд иона). Частицы с одинаковым числом электронов называют изоэлектронными: N³⁻, O²⁻, F⁻, Ne, Na⁺, Mg²⁺, Al³⁺ — в каждой по 10 электронов. В изоэлектронном ряду с ростом заряда ядра радиус уменьшается: O²⁻ > F⁻ > Na⁺ > Mg²⁺.

§4. Строение электронной оболочки и квантовые числа

Состояние электрона описывают четыре квантовых числа:

• главное квантовое число n = 1, 2, 3… — энергетический уровень (слой) и его энергия;
• орбитальное l = 0 … n−1 — подуровень и форма орбитали: l = 0 — s (сферическая), l = 1 — p (гантелеобразная), l = 2 — d, l = 3 — f;
• магнитное m = −l … +l — ориентация орбитали в пространстве; число орбиталей на подуровне 2l + 1;
• спиновое s = +½ или −½.

Порядок заполнения подчиняется правилу Клечковского: сначала заполняется подуровень с меньшей суммой n + l, при равных суммах — с меньшим n:

Принцип Паули: в атоме не может быть двух электронов с одинаковыми четырьмя квантовыми числами, то есть на одной орбитали не более 2 электронов с противоположными спинами. Правило Хунда: орбитали одного подуровня электроны сначала занимают по одному с одинаковым спином, затем спариваются. Например, электроны 2p³ азота располагаются по одному на трёх орбиталях — три неспаренных электрона.

Пример

Запишите конфигурации железа (Z = 26) и его ионов.

1. Fe: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d⁶, кратко [Ar] 4s² 3d⁶.
2. При образовании иона сначала уходят внешние 4s-электроны, затем 3d-электроны.
3. Fe²⁺: [Ar] 3d⁶; Fe³⁺: [Ar] 3d⁵ (наполовину заполненный d-подуровень, поэтому Fe³⁺ устойчив).

«Провал» электрона: Cr — [Ar] 4s¹ 3d⁵, Cu — [Ar] 4s¹ 3d¹⁰. Наполовину и полностью заполненный d-подуровень энергетически выгоднее, поэтому один 4s-электрон переходит на 3d. Похожая картина наблюдается у Mo и Ag.

§5. Семейства элементов и валентные электроны

По тому, какой подуровень заполняется последним: s-элементы (группы IA, IIA и He), p-элементы (группы IIIA–VIIIA), d-элементы (побочные подгруппы, переходные металлы), f-элементы (лантаноиды и актиноиды).
Валентные электроны — электроны, участвующие в образовании химических связей. У элементов главных подгрупп это электроны внешнего уровня, их число равно номеру группы: у серы 3s² 3p⁴ — 6. У d-элементов валентными являются также d-электроны предвнешнего уровня. При переходе атома в возбуждённое состояние спаренные электроны могут разъединяться на свободные орбитали, и число неспаренных электронов (и валентность) растёт: углерод 2s² 2p² → 2s¹ 2p³ (валентность IV).

§6. Задача из официального теста

Сопоставьте частицы с конфигурациями: а) гидрид-ион H⁻; б) нитрид-ион N³⁻; в) Fe³⁺; г) Zn²⁺.

Пример

1. H⁻: 1 + 1 = 2 электрона → 1s².
2. N³⁻: 7 + 3 = 10 электронов → 1s² 2s² 2p⁶.
3. Fe³⁺: 26 − 3 = 23 электрона → [Ar] 3d⁵.
4. Zn²⁺: Zn [Ar] 4s² 3d¹⁰, уходят два 4s-электрона → 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d¹⁰.

Проверьте себя

1. Сколько протонов, нейтронов и электронов в ионе ⁵⁶Fe³⁺?

2. Изотопы меди ⁶³Cu и ⁶⁵Cu, Ar = 63,5. Какова доля ⁶³Cu?

3. Электронная формула серы (Z = 16) и число валентных электронов?

4. Какие частицы изоэлектронны: Na⁺, Ne, F⁻, Mg²⁺?

5. Какое наибольшее число электронов может быть на третьем энергетическом уровне?

6. Какова электронная конфигурация иона Cr³⁺?

7. Сколько неспаренных электронов у атома азота?

8. Какому подуровню соответствует l = 2 и сколько на нём орбиталей?

Типичные ошибки

• Удалять при образовании катиона сначала 3d-электроны: первыми уходят 4s-электроны.
• Путать изотопы и изобары: у изотопов одинаковый Z, у изобаров — одинаковое A.
• Считать массовое число и относительную атомную массу одним и тем же: Ar — среднее значение, может быть дробным.
• Забывать о «провале» электрона у Cr и Cu.
• Думать, что в ионе меняется и число протонов: меняется только число электронов.