DEFINICIJA
Vodik- prvi element periodnog sustava. Oznaka - H. Nalazi se u prvom razdoblju, skupina I, podskupina A.
Odnosi se na nemetale. Nuklearni naboj je 1. Atomska težina može varirati: 1, 2, 3, što je posljedica prisutnosti izotopa deuterija i tricija.
Elektronska struktura atoma vodika
Atom vodika ima pozitivno nabijenu jezgru (+1), 1 proton i jedan elektron. Budući da vodik ima najjednostavniju atomsku strukturu od svih elemenata u periodnom sustavu, dobro je proučen. Godine 1913. Niels Bohr predložio je shemu strukture atoma vodika, prema kojoj se pozitivno nabijena jezgra nalazi u središtu, a elektron se kreće oko nje u jednoj orbiti (slika 1). U skladu s tom shemom izveo je emisijski spektar ovog kemijskog elementa. Što je kasnije dokazano pomoću kvantno mehaničkih proračuna Schrödingerove jednadžbe (1925.-1930.).
Riža. 1. Shema strukture atoma vodika.
Elektronska konfiguracija atoma vodika izgledat će ovako:
Vodik pripada obitelji s-elemenata. Energetski dijagram atoma vodika izgleda ovako:
Jedini elektron koji vodik ima je valentni elektron, jer sudjeluje u stvaranju kemijskih veza. Kao rezultat interakcije, vodik može izgubiti elektron, tj. biti njegov donator, te ga prihvatiti, tj. biti akceptor. U tim slučajevima atom se pretvara ili u pozitivno ili negativno nabijen ion (H + /H -):
H 0 +e →H — .
Primjeri rješavanja problema
PRIMJER 1
PRIMJER 2
| Vježbajte | Navedite broj protona i neutrona sadržanih u jezgrama dušika (atomski broj 14), silicija (atomski broj 28) i barija (atomski broj 137). |
| Riješenje | Broj protona u jezgri atoma kemijskog elementa određen je njegovim rednim brojem u periodnom sustavu elemenata, a broj neutrona je razlika između masenog broja (M) i naboja jezgre (Z). Dušik: n(N)= M -Z = 14-7 = 7. Silicij: n(Si)= M -Z = 28-14 = 14. Barij: n (Ba) = M - Z = 137-56 = 81. |
| Odgovor | Broj protona u jezgri dušika je 7, neutrona - 7; u jezgri atoma silicija nalazi se 14 protona i 14 neutrona; U jezgri atoma barija nalazi se 56 protona i 81 neutron. |
Atomska jezgra je središnji dio atoma koji se sastoji od protona i neutrona (zajedno se nazivaju nukleoni).
Jezgru je otkrio E. Rutherford 1911. proučavajući prijenos α -čestice kroz materiju. Pokazalo se da je gotovo cijela masa atoma (99,95%) koncentrirana u jezgri. Veličina atomske jezgre je reda veličine 10 -1 3 -10 - 12 cm, što je 10 000 puta manje od veličine elektronske ljuske.
Planetarni model atoma koji je predložio E. Rutherford i njegovo eksperimentalno promatranje izbačenih jezgri vodika α -čestice iz jezgri drugih elemenata (1919.-1920.), doveli su znanstvenika do ideje o proton. Pojam proton uveden je početkom 20-ih godina XX. stoljeća.
Proton (od grč. protoni- prvo, simbol str) je stabilna elementarna čestica, jezgra atoma vodika.
Proton- pozitivno nabijena čestica čiji je apsolutni naboj jednak naboju elektrona e= 1,6 · 10 -1 9 Cl. Masa protona je 1836 puta veća od mase elektrona. Masa mirovanja protona m r= 1,6726231 · 10 -27 kg = 1,007276470 amu
Druga čestica uključena u jezgru je neutron.
Neutron (od lat. neutralan- ni jedan ni drugi simbol n) je elementarna čestica koja nema naboj, tj. neutralna.
Masa neutrona je 1839 puta veća od mase elektrona. Masa neutrona gotovo je jednaka (malo veća) masi protona: masa mirovanja slobodnog neutrona m n= 1,6749286 · 10 -27 kg = 1,0008664902 a.m.u. i premašuje masu protona 2,5 puta veću od mase elektrona. Neutron, uz proton pod općim nazivom nukleon dio je atomskih jezgri.
Neutron je 1932. godine otkrio E. Rutherfordov učenik D. Chadwig tijekom bombardiranja berilija. α -čestice. Rezultirajuće zračenje visoke prodorne sposobnosti (svladalo je barijeru od olovne ploče debljine 10-20 cm) pojačalo je svoj učinak pri prolasku kroz parafinsku ploču (vidi sliku). Procjena energije tih čestica iz tragova u komori oblaka koju je napravio par Joliot-Curie i dodatna promatranja omogućila su isključivanje početne pretpostavke da je ovo γ - kvanti. Veća sposobnost prodora novih čestica, nazvanih neutroni, objašnjena je njihovom električnom neutralnošću. Uostalom, nabijene čestice aktivno djeluju s materijom i brzo gube energiju. Postojanje neutrona predvidio je E. Rutherford 10 godina prije pokusa D. Chadwiga. Kad je pogođen α -čestica u jezgri berilija dolazi do sljedeće reakcije:
Ovdje je simbol za neutron; naboj mu je nula, a relativna atomska masa približno jednaka jedinici. Neutron je nestabilna čestica: slobodni neutron u vremenu od ~ 15 minuta. raspada se na proton, elektron i neutrino - česticu bez mase mirovanja.
Nakon otkrića neutrona od strane J. Chadwicka 1932. godine, D. Ivanenko i V. Heisenberg neovisno su predložili proton-neutronski (nukleonski) model jezgre. Prema ovom modelu jezgra se sastoji od protona i neutrona. Broj protona Z poklapa se s rednim brojem elementa u tablici D.I.
Naboj jezgre Q određen brojem protona Z, uključen u jezgru, i višekratnik je apsolutne vrijednosti naboja elektrona e:
Q = +Ze.
Broj Z nazvao nabojni broj jezgre ili atomski broj.
Maseni broj jezgre A je ukupan broj nukleona, tj. protona i neutrona sadržanih u njemu. Broj neutrona u jezgri označen je slovom N. Dakle, maseni broj je:
A = Z + N.
Nukleonima (protonu i neutronu) je dodijeljen maseni broj jednak jedan, a elektronu je dodijeljen maseni broj nula.
Ideja o sastavu jezgre također je olakšana otkrićem izotopi.
Izotopi (od grč. isos- jednak, identičan i topoa- mjesto) su varijante atoma istog kemijskog elementa, čije atomske jezgre imaju isti broj protona ( Z) i različitog broja neutrona ( N).
Jezgre takvih atoma nazivaju se i izotopi. Izotopi su nuklidi jedan element. Nuklid (od lat. jezgra- jezgra) - bilo koja atomska jezgra (odnosno atom) s danim brojevima Z I N. Opća oznaka nuklida je……. Gdje x- simbol kemijskog elementa, A = Z + N- maseni broj.
Izotopi zauzimaju isto mjesto u periodnom sustavu elemenata, odakle im i dolazi naziv. Izotopi se u pravilu značajno razlikuju po svojim nuklearnim svojstvima (na primjer, po sposobnosti ulaska u nuklearne reakcije). Kemijska (i gotovo u istoj mjeri fizikalna) svojstva izotopa su ista. To se objašnjava činjenicom da su kemijska svojstva elementa određena nabojem jezgre, budući da upravo taj naboj utječe na strukturu elektronske ljuske atoma.
Izuzetak su izotopi lakih elemenata. Izotopi vodika 1 N — protij, 2 N— deuterij, 3 N — tricij toliko se razlikuju u masi da su im fizikalna i kemijska svojstva različita. Deuterij je stabilan (tj. nije radioaktivan) i uključen je kao mala nečistoća (1: 4500) u obični vodik. Kada se deuterij spoji s kisikom, nastaje teška voda. Pri normalnom atmosferskom tlaku vrije na 101,2 °C, a smrzava se na +3,8 °C. tricij β -radioaktivan s vremenom poluraspada od oko 12 godina.
Svi kemijski elementi imaju izotope. Neki elementi imaju samo nestabilne (radioaktivne) izotope. Za sve elemente umjetno su dobiveni radioaktivni izotopi.
Izotopi urana. Element uran ima dva izotopa - s masenim brojevima 235 i 238. Izotop je samo 1/140 dio onog uobičajenog.
Kada je postalo jasno da jezgre atoma imaju složenu strukturu, postavilo se pitanje od kojih se čestica sastoje.
Godine 1913. Rutherford je iznio hipotezu da je jedna od čestica koje čine atomske jezgre svih kemijskih elemenata jezgra atoma vodika.
Osnova za ovu pretpostavku bile su brojne činjenice koje su se do tada pojavile i dobivene eksperimentalno. Konkretno, poznato je da mase atoma kemijskih elemenata premašuju masu atoma vodika za cijeli broj puta (tj. višestruke su). Godine 1919. Rutherford je postavio eksperiment za proučavanje međudjelovanja α-čestica s jezgrama dušikovih atoma.
U ovom eksperimentu, alfa čestica koja je letjela ogromnom brzinom, kada je udarila u jezgru atoma dušika, izbacila je iz nje neku česticu. Prema Rutherfordovoj pretpostavci, ta je čestica bila jezgra atoma vodika, koju je Rutherford nazvao proton (od grčkog protos - prvi). No budući da je promatranje tih čestica provedeno metodom scintilacije, bilo je nemoguće točno odrediti koja je čestica emitirana iz jezgre atoma dušika.
Bilo je moguće provjeriti da je proton stvarno emitiran iz jezgre atoma tek nekoliko godina kasnije, kada je reakcija između α čestice i jezgre atoma dušika provedena u komori s oblakom.
Kroz prozirni okrugli prozor oblačne komore čak i golim okom možete vidjeti tragove (tj. putanje) čestica koje se u njoj brzo kreću (Sl. 161).
Riža. 161. Fotografije tragova nabijenih čestica dobivenih u oblačnoj komori
Slika prikazuje ravne linije koje se razilaze poput lepeze. To su tragovi α-čestica koje su letjele kroz prostor komore bez sudara s jezgrama atoma dušika. Ali trag jedne alfa čestice račva se, tvoreći takozvanu "vilicu". To znači da je u točki bifurkacije staze α-čestica međudjelovala s jezgrom atoma dušika, što je rezultiralo stvaranjem jezgri atoma kisika i vodika. Činjenica da se te posebne jezgre formiraju određena je prirodom zakrivljenosti tragova kada se komora oblaka stavi u magnetsko polje.
Reakcija interakcije jezgre dušika s α-česticama uz stvaranje jezgri kisika i vodika zapisuje se na sljedeći način:
gdje simbol H označava proton, tj. jezgru atoma vodika, čija je masa približno jednaka 1 a. amu (točnije 1,0072765 amu), a pozitivni naboj jednak elementarnom naboju (tj. modulu naboja elektrona). Simbol se također koristi za označavanje protona.
Nakon toga je proučavana interakcija alfa čestica s jezgrama atoma drugih elemenata: bora (B), natrija (Na), aluminija (Al), magnezija (Mg) i mnogih drugih. Kao rezultat toga, pokazalo se da su alfa čestice izbacile protone iz svih tih jezgri. To je dalo razloga vjerovati da su protoni dio atomskih jezgri svih kemijskih elemenata.
Otkriće protona nije dalo potpuni odgovor na pitanje od kojih se čestica sastoji jezgra atoma. Ako pretpostavimo da se atomske jezgre sastoje samo od protona, tada nastaje kontradikcija.
Pokažimo, koristeći primjer jezgre atoma berilija (), koja je to kontradikcija.
Pretpostavimo da se jezgra sastoji samo od protona. Budući da je naboj svakog protona jednak jednom elementarnom naboju, broj protona u jezgri mora biti jednak broju naboja, u ovom slučaju četiri.
Ali ako se jezgra berilija stvarno sastoji od samo četiri protona, tada bi njezina masa bila približno 4 a. amu (budući da je masa svakog protona približno 1 amu).
Međutim, to je u suprotnosti s eksperimentalnim podacima, prema kojima je masa jezgre atoma berilija približno 9 AJ. jesti.
Tako postaje jasno da se u jezgri atoma osim protona nalaze i neke druge čestice.
S tim u vezi, Rutherford je 1920. predložio postojanje električki neutralne čestice s masom približno jednakom masi protona.
Početkom 30-ih. XX. stoljeća Otkrivene su do tada nepoznate zrake, koje su nazvane berilijevim zračenjem, budući da nastaju bombardiranjem alfa česticama berilija.
James Chadwick (1891.-1974.)
engleski eksperimentalni fizičar. Radi u području radioaktivnosti i nuklearne fizike. Otkrio neutron
Godine 1932. engleski znanstvenik James Chadwick (Rutherfordov student) pokusima provedenim u komori s oblakom dokazao je da je zračenje berilija tok električki neutralnih čestica čija je masa približno jednaka masi protona. Odsutnost električnog naboja u proučavanim česticama slijedila je, posebice, iz činjenice da one nisu odstupale ni u električnom ni u magnetskom polju. A masa čestica procijenjena je njihovom interakcijom s drugim česticama.
Te su čestice nazvane neutroni. Precizna mjerenja pokazala su da je masa neutrona 1,0086649 a. e.m., tj. nešto veća od mase protona. U mnogim slučajevima, masa neutrona (kao i masa protona) smatra se jednakom 1 a. e.m. Stoga se jedinica nalazi na vrhu ispred simbola neutrona. Nula na dnu znači da nema električnog naboja.
Pitanja
- Kakav je zaključak donesen na temelju fotografije tragova čestica u oblačnoj komori (vidi sl. 161)?
- Koji je drugi naziv i simbol za jezgru atoma vodika? Kolika mu je masa i naboj?
- Koju su pretpostavku (u pogledu sastava jezgri) dopustili rezultati pokusa međudjelovanja α-čestica s jezgrama atoma različitih elemenata?
- Do kakvog proturječja dovodi pretpostavka da se atomske jezgre sastoje samo od protona? Objasnite to primjerom.
- Kako je dokazano da neutroni nemaju električni naboj? Kako je procijenjena njihova masa?
- Kako se označava neutron, kolika je njegova masa u usporedbi s masom protona?
Vježba 47
Razmotrite snimku nuklearne reakcije međudjelovanja jezgri dušika i helija, koja rezultira stvaranjem jezgri kisika i vodika. Usporedite ukupni naboj jezgri koje međusobno djeluju s ukupnim nabojem jezgri nastalih kao rezultat ove interakcije. Zaključite je li u ovoj reakciji zadovoljen zakon održanja električnog naboja.Elektroni
Koncept atoma nastao je u starom svijetu za označavanje čestica materije. U prijevodu s grčkog, atom znači "nedjeljiv".
Irski fizičar Stoney na temelju pokusa došao je do zaključka da elektricitet prenose najsitnije čestice koje postoje u atomima svih kemijskih elemenata. Godine 1891. Stoney je predložio da se te čestice nazovu elektronima, što na grčkom znači "jantar". Nekoliko godina nakon što je elektron dobio ime, engleski fizičar Joseph Thomson i francuski fizičar Jean Perrin dokazali su da elektroni nose negativan naboj. To je najmanji negativni naboj, koji se u kemiji uzima kao jedan (-1). Thomson je čak uspio odrediti brzinu elektrona (brzina elektrona u orbiti je obrnuto proporcionalna broju orbite n. Polumjeri orbita rastu proporcionalno kvadratu broja orbite. U prvoj orbiti od atom vodika (n=1; Z=1) brzina je ≈ 2,2·106 m/s, odnosno oko sto puta manja od brzine svjetlosti c = 3·108 m/s) i masa elektrona (gotovo je 2000 puta manja od mase atoma vodika).
Stanje elektrona u atomu
Stanje elektrona u atomu shvaća se kao skup informacija o energiji pojedinog elektrona i prostoru u kojem se nalazi. Elektron u atomu nema trajektoriju gibanja, tj. možemo samo govoriti o vjerojatnost pronalaska u prostoru oko jezgre.
Može se nalaziti u bilo kojem dijelu tog prostora koji okružuje jezgru, a ukupnost njegovih različitih položaja smatra se elektronskim oblakom s određenom gustoćom negativnog naboja. Slikovito, to se može zamisliti ovako: kada bi bilo moguće fotografirati položaj elektrona u atomu nakon stotinki ili milijuntinki sekunde, kao u fotofinišu, tada bi elektron na takvim fotografijama bio predstavljen kao točkice. Kada bi se bezbroj takvih fotografija superponiralo, slika bi bila elektronski oblak najveće gustoće gdje bi bilo najviše tih točaka.
Prostor oko atomske jezgre u kojem se najvjerojatnije nalazi elektron naziva se orbitala. Sadrži približno 90% elektronički oblak, a to znači da je oko 90% vremena elektron u ovom dijelu prostora. Razlikuju se po obliku 4 trenutno poznate vrste orbitala, koji su označeni latinskim slova s, p, d i f. Grafički prikaz nekih oblika elektronskih orbitala prikazan je na slici.
Najvažnija karakteristika gibanja elektrona po određenoj orbitali je energija njegove veze s jezgrom. Elektroni sa sličnim energetskim vrijednostima tvore jedan elektronski sloj, odnosno energetsku razinu. Energetske razine su numerirane počevši od jezgre - 1, 2, 3, 4, 5, 6 i 7.
Cijeli broj n, koji označava broj energetske razine, naziva se glavni kvantni broj. Karakterizira energiju elektrona koji zauzimaju određenu energetsku razinu. Najmanju energiju imaju elektroni prve energetske razine, najbliže jezgri. U usporedbi s elektronima prve razine, elektrone sljedećih razina karakterizirat će velika zaliha energije. Posljedično, elektroni vanjske razine najslabije su vezani za atomsku jezgru.
Najveći broj elektrona na energetskoj razini određen je formulom:
N = 2n 2,
gdje je N najveći broj elektrona; n je broj razine, odnosno glavni kvantni broj. Posljedično, na prvoj energetskoj razini najbližoj jezgri ne mogu biti više od dva elektrona; na drugom - ne više od 8; na trećem - ne više od 18; na četvrtom - ne više od 32.
Počevši od druge energetske razine (n = 2), svaka od razina podijeljena je na podrazine (podslojeve), međusobno malo različite u energiji vezivanja s jezgrom. Broj podrazina jednak je vrijednosti glavnog kvantnog broja: prva energetska razina ima jednu podrazinu; drugi - dva; treći - tri; četvrti - četiri podrazine. Podrazine, pak, tvore orbitale. Svaka vrijednostn odgovara broju orbitala jednakom n.
Podrazine se obično označavaju latiničnim slovima, kao i oblik orbitala od kojih se sastoje: s, p, d, f.
Protoni i neutroni
Atom bilo kojeg kemijskog elementa usporediv je sa sićušnim Sunčevim sustavom. Stoga se ovaj model atoma, koji je predložio E. Rutherford, naziva planetarni.
Atomska jezgra, u kojoj je koncentrirana cjelokupna masa atoma, sastoji se od čestica dvije vrste - protona i neutrona.
Protoni imaju naboj jednak naboju elektrona, ali suprotnog predznaka (+1), i masu jednaku masi vodikovog atoma (u kemiji se uzima kao jedinica). Neutroni nemaju naboj, neutralni su i imaju masu jednaku masi protona.
Protoni i neutroni zajedno se nazivaju nukleoni (od latinskog nucleus - jezgra). Zbroj broja protona i neutrona u atomu naziva se maseni broj. Na primjer, maseni broj atoma aluminija je:
13 + 14 = 27
broj protona 13, broj neutrona 14, maseni broj 27
Budući da se zanemarivo mala masa elektrona može zanemariti, očito je da je cjelokupna masa atoma koncentrirana u jezgri. Elektroni su označeni e - .
Budući da atom električki neutralan, onda je također očito da je broj protona i elektrona u atomu isti. Jednak je rednom broju kemijskog elementa koji mu je dodijeljen u periodnom sustavu elemenata. Masa atoma sastoji se od mase protona i neutrona. Znajući atomski broj elementa (Z), tj. broj protona, i maseni broj (A), jednak zbroju brojeva protona i neutrona, možete pronaći broj neutrona (N) pomoću formule :
N = A - Z
Na primjer, broj neutrona u atomu željeza je:
56 — 26 = 30
Izotopi
Nazivaju se varijante atoma istog elementa koji imaju isti nuklearni naboj, ali različite masene brojeve izotopi. Kemijski elementi koji se nalaze u prirodi mješavina su izotopa. Dakle, ugljik ima tri izotopa s masama 12, 13, 14; kisik - tri izotopa s masama 16, 17, 18 itd. Relativna atomska masa kemijskog elementa obično navedena u periodnom sustavu je prosječna vrijednost atomskih masa prirodne mješavine izotopa danog elementa, uzimajući u obzir njihovu relativnu zastupljenost u prirodi. Kemijska svojstva izotopa većine kemijskih elemenata potpuno su ista. Međutim, svojstva izotopa vodika jako variraju zbog dramatičnog višestrukog povećanja njihove relativne atomske mase; čak im se daju i pojedinačni nazivi i kemijski simboli.
Elementi prvog razdoblja
Dijagram elektronske strukture atoma vodika:
Dijagrami elektroničke strukture atoma prikazuju raspodjelu elektrona po elektroničkim slojevima (razinama energije).
Grafička elektronička formula atoma vodika (prikazuje raspodjelu elektrona po energetskim razinama i podrazinama):
Grafičke elektroničke formule atoma prikazuju raspodjelu elektrona ne samo po razinama i podrazinama, već i po orbitalama.
U atomu helija prvi elektronski sloj je potpun – ima 2 elektrona. Vodik i helij su s-elementi; S-orbitala ovih atoma ispunjena je elektronima.
Za sve elemente druge periode popunjava se prvi elektronski sloj, a elektroni ispunjavaju s- i p-orbitale drugog elektronskog sloja u skladu s načelom najmanje energije (prvo s, a zatim p) i pravilima Paulija i Hunda.
U atomu neona, drugi elektronski sloj je potpun – ima 8 elektrona.
Za atome elemenata treće periode prvi i drugi elektronski sloj su dovršeni, pa je popunjen treći elektronski sloj u kojem elektroni mogu zauzimati 3s-, 3p- i 3d-podrazine.
Atom magnezija završava svoju 3s elektronsku orbitalu. Na i Mg su s-elementi.
U aluminiju i sljedećim elementima, podrazina 3p je ispunjena elektronima.
Elementi treće periode imaju nepopunjene 3d orbitale.
Svi elementi od Al do Ar su p-elementi. S- i p-elementi čine glavne podskupine u periodnom sustavu.
Elementi četvrtog - sedmog razdoblja
U atomima kalija i kalcija pojavljuje se četvrti sloj elektrona, a podrazina 4s je popunjena, jer ima nižu energiju od podrazine 3d.
K, Ca - s-elementi uključeni u glavne podskupine. Za atome od Sc do Zn, 3d podrazina je ispunjena elektronima. Ovo su 3d elementi. Oni su uključeni u sekundarne podskupine, njihov najudaljeniji elektronički sloj je ispunjen i klasificirani su kao prijelazni elementi.
Obratite pozornost na strukturu elektroničkih ljuski atoma kroma i bakra. U njima jedan elektron “otpada” s 4s na 3d podrazinu, što se objašnjava većom energetskom stabilnošću dobivenih elektroničkih konfiguracija 3d 5 i 3d 10:
U atomu cinka treći elektronski sloj je završen - u njemu su popunjene sve podrazine 3s, 3p i 3d, s ukupno 18 elektrona. U elementima koji slijede nakon cinka, četvrti elektronski sloj, podrazina 4p, nastavlja se puniti.
Elementi od Ga do Kr su p-elementi.
Atom kriptona ima vanjski sloj (četvrti) koji je potpun i ima 8 elektrona. Ali u četvrtom elektronskom sloju može biti ukupno 32 elektrona; atom kriptona još uvijek ima nepopunjene podrazine 4d i 4f Za elemente pete periode podrazine se popunjavaju sljedećim redom: 5s - 4d - 5p. A postoje i iznimke koje se odnose na " neuspjeh» elektroni, y 41 Nb, 42 Mo, 44 Ru, 45 Rh, 46 Pd, 47 Ag.
U šestoj i sedmoj periodi pojavljuju se f-elementi, odnosno elementi u kojima se popunjavaju 4f- i 5f-podrazine trećeg vanjskog elektronskog sloja.
4f elementi nazivaju se lantanidi.
5f elementi nazivaju se aktinidi.
Redoslijed popunjavanja elektroničkih podrazina u atomima elemenata šeste periode: 55 Cs i 56 Ba - 6s elementi; 57 La … 6s 2 5d x - 5d element; 58 Ce - 71 Lu - 4f elementi; 72 Hf - 80 Hg - 5d elemenata; 81 T1 - 86 Rn - 6d elementi. Ali i ovdje postoje elementi kod kojih je redoslijed popunjavanja elektronskih orbitala “narušen”, što je, primjerice, povezano s većom energetskom stabilnošću polu i potpuno popunjenih f-podrazina, tj. nf 7 i nf 14. Ovisno o tome koja je podrazina atoma posljednja ispunjena elektronima, svi elementi se dijele u četiri elektronske obitelji ili bloka:
- s-elementi. S-podrazina vanjske razine atoma ispunjena je elektronima; s-elementi uključuju vodik, helij i elemente glavnih podskupina I. i II.
- p-elementi. P-podrazina vanjske razine atoma ispunjena je elektronima; p-elementi uključuju elemente glavnih podskupina skupina III-VIII.
- d-elementi. D-podrazina predvanjske razine atoma ispunjena je elektronima; d-elementi uključuju elemente sekundarnih podskupina skupina I-VIII, tj. elemente utičnih dekada velikih perioda koji se nalaze između s- i p-elemenata. Nazivaju se i prijelazni elementi.
- f-elementi. F-podrazina treće vanjske razine atoma ispunjena je elektronima; tu spadaju lantanidi i antinoidi.
Švicarski fizičar W. Pauli 1925. godine utvrdio je da u atomu u jednoj orbiti ne mogu biti više od dva elektrona suprotnih (antiparalelnih) spinova (u prijevodu s engleskog "vreteno"), tj. takvih svojstava da se uvjetno mogu zamisliti kao rotacija elektrona oko svoje zamišljene osi: u smjeru kazaljke na satu ili suprotno od njega.
Ovaj princip se zove Paulijevo načelo. Ako postoji jedan elektron u orbitali, onda se on naziva nespareni; ako postoje dva, onda su to spareni elektroni, tj. elektroni sa suprotnim spinovima. Na slici je prikazan dijagram podjele energetskih razina na podrazine i redoslijed njihovog popunjavanja.
Vrlo često se struktura elektroničkih ljuski atoma prikazuje pomoću energetskih ili kvantnih ćelija - pišu se takozvane grafičke elektroničke formule. Za ovu se oznaku koristi sljedeća oznaka: svaka kvantna stanica označena je stanicom koja odgovara jednoj orbitali; Svaki elektron je označen strelicom koja odgovara smjeru spina. Kada pišete grafičku elektroničku formulu, trebate zapamtiti dva pravila: Paulijev princip i F. Hundovo pravilo, prema kojem elektroni zauzimaju slobodne ćelije prvo jedan po jedan i imaju istu vrijednost spina, a tek onda se sparuju, ali će spinovi, prema Paulijevom principu, već biti suprotno usmjereni.
Hundovo pravilo i Paulijev princip
Hundovo pravilo- pravilo kvantne kemije koje određuje redoslijed popunjavanja orbitala određenog podsloja i formulira se na sljedeći način: ukupna vrijednost spinskog kvantnog broja elektrona danog podsloja mora biti najveća. Formulirao Friedrich Hund 1925.
To znači da se u svakoj od orbitala podsloja prvo popunjava po jedan elektron, a tek nakon što se potroše nepopunjene orbitale, ovoj orbitali se dodaje drugi elektron. U tom slučaju u jednoj orbitali postoje dva elektrona s polucijelim spinovima suprotnog predznaka, koji se spare (tvore dvoelektronski oblak) i kao rezultat toga ukupni spin orbitale postaje jednak nuli.
Druga formulacija: Niži u energiji leži atomski član za koji su zadovoljena dva uvjeta.
- Mnoštvo je maksimalno
- Kada se višestrukosti podudaraju, ukupni orbitalni moment L je maksimalan.
Analizirajmo ovo pravilo na primjeru popunjavanja orbitala p-podrazine str-elementi druge periode (odnosno od bora do neona (u donjem dijagramu vodoravne crte označavaju orbitale, okomite strelice označavaju elektrone, a smjer strelice označava orijentaciju spina).
pravilo Klečkovskog
Pravilo Klečkovskog - kako se ukupan broj elektrona u atomima povećava (s povećanjem naboja njihovih jezgri, odnosno rednih brojeva kemijskih elemenata), atomske orbitale se naseljavaju na takav način da pojava elektrona u orbitali s višom energijom ovisi o samo o glavnom kvantnom broju n i ne ovisi o svim ostalim brojevima kvantnih brojeva, uključujući od l. Fizički to znači da je u atomu sličnom vodiku (u nedostatku međuelektronskog odbijanja) orbitalna energija elektrona određena samo prostornom udaljenošću gustoće naboja elektrona od jezgre i ne ovisi o karakteristikama njezine kretanja u polju jezgre.
Empirijsko pravilo Klečkovskog i shema uređenja koja iz njega slijedi donekle su kontradiktorni stvarnom energetskom nizu atomskih orbitala samo u dva slična slučaja: za atome Cr, Cu, Nb, Mo, Ru, Rh, Pd, Ag, Pt, Au , dolazi do “otkazivanja” elektrona sa s -podrazinom vanjskog sloja zamjenjuje se d-podrazinom prethodnog sloja, što dovodi do energetski stabilnijeg stanja atoma, naime: nakon popunjavanja orbitale 6 s dva elektroni s
Atom je najmanja čestica kemijskog elementa koja zadržava sva njegova kemijska svojstva. Atom se sastoji od jezgre, koja ima pozitivan električni naboj, i negativno nabijenih elektrona. Naboj jezgre bilo kojeg kemijskog elementa jednak je umnošku Z i e, gdje je Z redni broj ovog elementa u periodnom sustavu kemijskih elemenata, e je vrijednost elementarnog električnog naboja.
Elektron je najmanja čestica tvari s negativnim električnim nabojem e=1,6·10 -19 kulona, uzetim kao elementarni električni naboj. Elektroni, rotirajući oko jezgre, nalaze se u elektronskim ljuskama K, L, M itd. K je ljuska najbliža jezgri. Veličina atoma određena je veličinom njegove elektronske ljuske. Atom može izgubiti elektrone i postati pozitivan ion ili dobiti elektrone i postati negativan ion. Naboj iona određuje broj izgubljenih ili dobivenih elektrona. Proces pretvaranja neutralnog atoma u nabijeni ion naziva se ionizacija.
Atomska jezgra(središnji dio atoma) sastoji se od elementarnih nuklearnih čestica – protona i neutrona. Polumjer jezgre približno je sto tisuća puta manji od polumjera atoma. Gustoća atomske jezgre je izuzetno velika. Protoni- to su stabilne elementarne čestice s jednim pozitivnim električnim nabojem i masom 1836 puta većom od mase elektrona. Proton je jezgra atoma najlakšeg elementa, vodika. Broj protona u jezgri je Z. Neutron je neutralna (bez električnog naboja) elementarna čestica s masom vrlo bliskom masi protona. Budući da se masa jezgre sastoji od mase protona i neutrona, broj neutrona u jezgri atoma jednak je A - Z, gdje je A maseni broj danog izotopa (vidi). Proton i neutron koji čine jezgru nazivaju se nukleoni. U jezgri su nukleoni povezani posebnim nuklearnim silama.
Atomska jezgra sadrži ogromne rezerve energije, koja se oslobađa tijekom nuklearnih reakcija. Nuklearne reakcije nastaju kada atomske jezgre međusobno djeluju s elementarnim česticama ili s jezgrama drugih elemenata. Kao rezultat nuklearnih reakcija nastaju nove jezgre. Na primjer, neutron se može transformirati u proton. U ovom slučaju, beta čestica, tj. elektron, biva izbačen iz jezgre.
Prijelaz protona u neutron u jezgri može se izvesti na dva načina: ili čestica mase jednake masi elektrona, ali s pozitivnim nabojem, nazvana pozitron (raspad pozitrona), emitira se iz jezgra, ili jezgra uhvati jedan od elektrona iz njoj najbliže K-ljuske (K -hvatanje).
Ponekad tako nastala jezgra ima višak energije (nalazi se u pobuđenom stanju) te po povratku u normalno stanje oslobađa višak energije u obliku elektromagnetskog zračenja vrlo kratke valne duljine - . Energija koja se oslobađa tijekom nuklearnih reakcija praktično se koristi u raznim industrijama.
Atom (grč. atomos - nedjeljiv) najmanja je čestica nekog kemijskog elementa koja ima njegova kemijska svojstva. Svaki element sastoji se od određene vrste atoma. Atom se sastoji od jezgre, koja nosi pozitivan električni naboj, i negativno nabijenih elektrona (vidi), koji tvore njegove elektronske ljuske. Veličina električnog naboja jezgre jednaka je Z-e, gdje je e elementarni električni naboj, jednak po veličini naboju elektrona (4,8·10 -10 električnih jedinica), a Z je atomski broj ovog elementa. u periodnom sustavu kemijskih elemenata (vidi .). Budući da je neionizirani atom neutralan, broj elektrona uključenih u njega također je jednak Z. Sastav jezgre (vidi Atomska jezgra) uključuje nukleone, elementarne čestice čija je masa približno 1840 puta veća od mase elektrona (jednako 9,1 10 - 28 g), protoni (vidi), pozitivno nabijeni, i neutroni bez naboja (vidi). Broj nukleona u jezgri naziva se maseni broj i označava se slovom A. Broj protona u jezgri, jednak Z, određuje broj elektrona koji ulaze u atom, strukturu elektronskih ljuski i kemijsku svojstva atoma. Broj neutrona u jezgri je A-Z. Izotopi su varijante istog elementa čiji se atomi međusobno razlikuju po masenom broju A, ali imaju isti Z. Dakle, u jezgrama atoma različitih izotopa istog elementa postoji različit broj neutrona s istim broj protona. Kod označavanja izotopa iznad simbola elementa upisuje se maseni broj A, a ispod atomski broj; na primjer, izotopi kisika su označeni: 
Dimenzije atoma određene su dimenzijama elektronskih ljuski i iznose za sve Z vrijednost reda veličine 10 -8 cm Budući da je masa svih elektrona atoma nekoliko tisuća puta manja od mase jezgre , masa atoma proporcionalna je masenom broju. Relativna masa atoma danog izotopa određena je u odnosu na masu atoma ugljikovog izotopa C12, uzetu kao 12 jedinica, i naziva se masa izotopa. Ispada da je blizu masenog broja odgovarajućeg izotopa. Relativna težina atoma kemijskog elementa je prosječna (uzimajući u obzir relativnu zastupljenost izotopa danog elementa) vrijednost izotopske težine i naziva se atomska težina (masa).
Atom je mikroskopski sustav, a njegova struktura i svojstva mogu se objasniti samo pomoću kvantne teorije, nastale uglavnom 20-ih godina 20. stoljeća i namijenjene opisivanju pojava na atomskoj razini. Pokusi su pokazali da mikročestice - elektroni, protoni, atomi itd. - osim korpuskularnih, imaju i valna svojstva, koja se očituju u difrakciji i interferenciji. U kvantnoj teoriji za opisivanje stanja mikroobjekata koristi se određeno valno polje koje karakterizira valna funkcija (Ψ-funkcija). Ova funkcija određuje vjerojatnosti mogućih stanja mikroobjekta, tj. karakterizira potencijalne mogućnosti manifestacije određenih njegovih svojstava. Zakon varijacije funkcije Ψ u prostoru i vremenu (Schrodingerova jednadžba), koji omogućuje pronalaženje ove funkcije, igra istu ulogu u kvantnoj teoriji kao Newtonovi zakoni gibanja u klasičnoj mehanici. Rješavanje Schrödingerove jednadžbe u mnogim slučajevima dovodi do diskretnih mogućih stanja sustava. Tako se, primjerice, u slučaju atoma dobiva niz valnih funkcija za elektrone koji odgovaraju različitim (kvantiziranim) vrijednostima energije. Sustav atomskih energetskih razina, izračunat metodama kvantne teorije, dobio je briljantnu potvrdu u spektroskopiji. Prijelaz atoma iz osnovnog stanja koje odgovara najnižoj energetskoj razini E 0 u bilo koje od pobuđenih stanja E i događa se nakon apsorpcije određenog dijela energije E i - E 0 . Pobuđeni atom prelazi u manje pobuđeno ili osnovno stanje, obično emitiranjem fotona. U ovom slučaju energija fotona hv jednaka je razlici energija atoma u dva stanja: hv = E i - E k gdje je h Planckova konstanta (6,62·10 -27 erg·sek), v je frekvencija svjetla.
Osim atomskih spektara, kvantna teorija omogućila je objašnjenje i drugih svojstava atoma. Osobito je objašnjena valencija, priroda kemijskih veza i struktura molekula te je stvorena teorija periodnog sustava elemenata.
