OPREDELITEV
vodik- prvi element periodnega sistema. Oznaka - H. Nahaja se v prvem obdobju, skupina I, podskupina A.
Nanaša se na nekovine. Jedrski naboj je 1. Atomska teža se lahko spreminja: 1, 2, 3, kar je posledica prisotnosti izotopov devterija in tritija.
Elektronska zgradba vodikovega atoma
Atom vodika ima pozitivno nabito jedro (+1), 1 proton in en elektron. Ker ima vodik najpreprostejšo atomsko zgradbo od vseh elementov v periodnem sistemu, je dobro raziskan. Leta 1913 je Niels Bohr predlagal shemo strukture vodikovega atoma, po kateri se pozitivno nabito jedro nahaja v središču, elektron pa se giblje okoli njega v eni sami orbiti (slika 1). V skladu s to shemo je izpeljal emisijski spekter tega kemičnega elementa. Kar je bilo kasneje dokazano s kvantnomehanskimi izračuni Schrödingerjeve enačbe (1925-1930).
riž. 1. Shema strukture vodikovega atoma.
Elektronska konfiguracija vodikovega atoma bo videti takole:
Vodik spada v družino s-elementov. Energijski diagram atoma vodika izgleda takole:
Edini elektron, ki ga ima vodik, je valenčni elektron, ker sodeluje pri tvorbi kemičnih vezi. Zaradi interakcije lahko vodik bodisi izgubi elektron, tj. biti njegov darovalec in ga sprejeti, tj. biti sprejemnik. V teh primerih se atom spremeni v pozitivno ali negativno nabit ion (H + / H -):
H 0 +e →H — .
Primeri reševanja problemov
PRIMER 1
PRIMER 2
| telovadba | Naštejte število protonov in nevtronov v jedrih dušika (atomska številka 14), silicija (atomska številka 28) in barija (atomska številka 137). |
| rešitev | Število protonov v jedru atoma kemijskega elementa je določeno z njegovo zaporedno številko v periodnem sistemu, število nevtronov pa je razlika med masnim številom (M) in nabojem jedra (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. |
| Odgovori | Število protonov v dušikovem jedru je 7, nevtronov - 7; v jedru atoma silicija je 14 protonov in 14 nevtronov; V jedru barijevega atoma je 56 protonov in 81 nevtronov. |
Atomsko jedro je osrednji del atoma, sestavljen iz protonov in nevtronov (skupaj imenovanih nukleoni).
Jedro je odkril E. Rutherford leta 1911 med preučevanjem prenosa α -delci skozi snov. Izkazalo se je, da je skoraj celotna masa atoma (99,95%) koncentrirana v jedru. Velikost atomskega jedra je reda velikosti 10 -1 3 -10 - 12 cm, kar je 10.000-krat manjše od velikosti elektronske ovojnice.
Planetarni model atoma, ki ga je predlagal E. Rutherford, in njegovo eksperimentalno opazovanje vodikovih jeder, ki so izpadli α -delci iz jeder drugih elementov (1919-1920), so znanstvenika pripeljali do ideje o proton. Izraz proton je bil uveden v zgodnjih 20. letih 20. stoletja.
Proton (iz grščine. protoni- najprej simbol str) je stabilen osnovni delec, jedro vodikovega atoma.
Proton- pozitivno nabit delec, katerega absolutni naboj je enak naboju elektrona e= 1,6 · 10 -1 9 Cl. Masa protona je 1836-krat večja od mase elektrona. Masa mirovanja protona m r= 1,6726231 · 10 -27 kg = 1,007276470 amu
Drugi delec, vključen v jedro, je nevtron.
Nevtron (iz lat. nevtralen- ne enega ne drugega simbola n) je elementarni delec brez naboja, torej nevtralen.
Masa nevtrona je 1839-krat večja od mase elektrona. Masa nevtrona je skoraj enaka (nekoliko večja) masi protona: masa mirovanja prostega nevtrona m n= 1,6749286 · 10 -27 kg = 1,0008664902 a.m.u. in presega maso protona za 2,5-kratno maso elektrona. Nevtron, skupaj s protonom pod splošnim imenom nukleon je del atomskih jeder.
Nevtron je leta 1932 odkril študent E. Rutherforda D. Chadwig med bombardiranjem berilija α - delci. Nastalo sevanje z visoko prodorno sposobnostjo (premalo je oviro iz svinčene plošče debeline 10-20 cm) je pri prehodu skozi parafinsko ploščo okrepilo svoj učinek (glej sliko). Ocena energije teh delcev iz sledi v oblačni komori, ki sta jo opravila zakonca Joliot-Curie, in dodatna opazovanja so omogočila izključitev začetne domneve, da je ta γ -kvanti. Večjo prodornost novih delcev, imenovanih nevtroni, so pojasnili z njihovo električno nevtralnostjo. Navsezadnje nabiti delci aktivno sodelujejo s snovjo in hitro izgubijo svojo energijo. Obstoj nevtronov je napovedal E. Rutherford 10 let pred poskusi D. Chadwiga. Pri udarcu α -delcev v berilijeva jedra pride do naslednje reakcije:
Tukaj je simbol za nevtron; njegov naboj je enak nič, njegova relativna atomska masa pa je približno enaka enoti. Nevtron je nestabilen delec: prosti nevtron v času ~ 15 minut. razpade na proton, elektron in nevtrino – delec brez mase mirovanja.
Po odkritju nevtrona J. Chadwicka leta 1932 sta D. Ivanenko in V. Heisenberg neodvisno predlagala proton-nevtronski (nukleonski) model jedra. Po tem modelu je jedro sestavljeno iz protonov in nevtronov. Število protonov Z sovpada z vrstnim številom elementa v tabeli D.I.
Jedrni naboj Q določeno s številom protonov Z, ki je vključen v jedro, in je večkratnik absolutne vrednosti naboja elektrona e:
Q = +Ze.
številka Z klical nabojno število jedra oz atomsko število.
Masno število jedra A je skupno število nukleonov, tj. protonov in nevtronov, ki jih vsebuje. Število nevtronov v jedru je označeno s črko n. Torej je masno število:
A = Z + N.
Nukleonom (protonom in nevtronom) je pripisano masno število, ki je enako ena, elektronu pa je pripisano masno število nič.
Zamisel o sestavi jedra je olajšala tudi odkritje izotopi.
Izotopi (iz grščine. isos- enaka, enaka in topoa- mesto) so sorte atomov istega kemičnega elementa, katerih atomska jedra imajo enako število protonov ( Z) in različno število nevtronov ( n).
Jedra takih atomov imenujemo tudi izotopi. Izotopi so nuklidi en element. Nuklid (iz lat. jedro- jedro) - vsako atomsko jedro (oziroma atom) z danimi številkami Z in n. Splošna oznaka nuklidov je ……. kje X- simbol kemijskega elementa, A = Z + N- masno število.
Izotopi zavzemajo isto mesto v periodnem sistemu elementov, od koder izvira njihovo ime. Izotopi se praviloma bistveno razlikujejo po jedrskih lastnostih (na primer po sposobnosti vstopa v jedrske reakcije). Kemične (in skoraj v enaki meri fizikalne) lastnosti izotopov so enake. To je razloženo z dejstvom, da so kemijske lastnosti elementa določene z nabojem jedra, saj ta naboj vpliva na strukturo elektronske lupine atoma.
Izjema so izotopi lahkih elementov. Izotopi vodika 1 n — protij, 2 n— devterij, 3 n — tritij tako močno razlikujejo po masi, da so njihove fizikalne in kemijske lastnosti različne. Devterij je stabilen (tj. ni radioaktiven) in je vključen kot majhna nečistoča (1: 4500) v navaden vodik. Ko se devterij poveže s kisikom, nastane težka voda. Pri normalnem atmosferskem tlaku vre pri 101,2 °C in zmrzne pri +3,8 °C. Tritij β -radioaktiven z razpolovno dobo približno 12 let.
Vsi kemični elementi imajo izotope. Nekateri elementi imajo samo nestabilne (radioaktivne) izotope. Za vse elemente so umetno pridobljeni radioaktivni izotopi.
Izotopi urana. Element uran ima dva izotopa - z masnim številom 235 in 238. Izotop je le 1/140 iz bolj običajnega.
Ko je postalo jasno, da imajo jedra atomov kompleksno strukturo, se je pojavilo vprašanje, iz katerih delcev so sestavljena.
Leta 1913 je Rutherford postavil hipotezo, da je eden od delcev, ki sestavljajo atomska jedra vseh kemičnih elementov, jedro vodikovega atoma.
Osnova za to domnevo so bila številna eksperimentalna dejstva, ki so se pojavila do takrat. Zlasti je bilo znano, da mase atomov kemičnih elementov presegajo maso vodikovega atoma za celo število krat (to je, da so večkratniki). Leta 1919 je Rutherford postavil eksperiment za preučevanje interakcije α-delcev z jedri dušikovih atomov.
V tem poskusu je alfa delec, ki je letel z ogromno hitrostjo, ko je zadel jedro dušikovega atoma, iz njega izločil nekaj delcev. Po Rutherfordovi predpostavki je bil ta delec jedro vodikovega atoma, ki ga je Rutherford imenoval proton (iz grškega protosa - prvi). Ker pa je bilo opazovanje teh delcev izvedeno s scintilacijsko metodo, ni bilo mogoče natančno določiti, kateri delec je bil izdan iz jedra dušikovega atoma.
Da je proton dejansko izšel iz jedra atoma, je bilo mogoče preveriti šele nekaj let pozneje, ko je bila v oblačni komori izvedena reakcija med delcem α in jedrom atoma dušika.
Skozi prozorno okroglo okence oblačne komore lahko tudi s prostim očesom vidite sledi (tj. trajektorije) delcev, ki se hitro premikajo v njej (slika 161).
riž. 161. Fotografije sledi nabitih delcev, pridobljene v oblačni komori
Slika prikazuje ravne črte, ki se razhajajo kot pahljača. To so sledi α-delcev, ki so leteli skozi prostor komore, ne da bi trčili v jedra dušikovih atomov. Toda sled enega alfa delca se razcepi in tvori tako imenovane "vilice". To pomeni, da je na bifurkacijski točki tira medsebojno deloval α-delec z jedrom dušikovega atoma, kar je povzročilo nastanek jeder kisikovih in vodikovih atomov. Dejstvo, da so ta posebna jedra oblikovana, je bilo določeno z naravo ukrivljenosti sledi, ko je bila oblačna komora postavljena v magnetno polje.
Reakcija interakcije dušikovega jedra z α-delci s tvorbo kisikovih in vodikovih jeder je zapisana takole:
kjer simbol H označuje proton, to je jedro vodikovega atoma, z maso približno enako 1 a. amu (natančneje 1,0072765 amu) in pozitivni naboj, ki je enak elementarnemu naboju (tj. modulu naboja elektrona). Simbol se uporablja tudi za označevanje protona.
Kasneje so proučevali interakcijo alfa delcev z jedri atomov drugih elementov: bora (B), natrija (Na), aluminija (Al), magnezija (Mg) in mnogih drugih. Posledično se je izkazalo, da so alfa delci iz vseh teh jeder izločili protone. To je dalo razlog za domnevo, da so protoni del atomskih jeder vseh kemičnih elementov.
Odkritje protona ni dalo popolnega odgovora na vprašanje, iz katerih delcev so sestavljena jedra atomov. Če predpostavimo, da so atomska jedra sestavljena samo iz protonov, potem nastane protislovje.
Pokažimo na primeru jedra atoma berilija (), kaj je to protislovje.
Predpostavimo, da je jedro sestavljeno samo iz protonov. Ker je naboj vsakega protona enak enemu elementarnemu naboju, mora biti število protonov v jedru enako številu nabojev, v tem primeru štirim.
Toda če bi berilijevo jedro res sestavljali samo štirje protoni, bi bila njegova masa približno 4 a. amu (ker je masa vsakega protona približno 1 amu).
Vendar je to v nasprotju z eksperimentalnimi podatki, po katerih je masa jedra atoma berilija približno 9 AU. e.m.
Tako postane jasno, da jedra atomov poleg protonov vsebujejo še nekatere druge delce.
V zvezi s tem je leta 1920 Rutherford predlagal obstoj električno nevtralnega delca z maso, ki je približno enaka masi protona.
V zgodnjih 30-ih. XX stoletje Odkriti so bili prej neznani žarki, ki so jih poimenovali berilijevo sevanje, saj nastajajo ob bombardiranju z delci berilija alfa.
James Chadwick (1891-1974)
Angleški eksperimentalni fizik. Deluje na področju radioaktivnosti in jedrske fizike. Odkril nevtron
Leta 1932 je angleški znanstvenik James Chadwick (Rutherfordov študent) s poskusi, izvedenimi v komori za oblake, dokazal, da je sevanje berilija tok električno nevtralnih delcev, katerih masa je približno enaka masi protona. Odsotnost električnega naboja v proučevanih delcih je izhajala predvsem iz dejstva, da niso odstopali ne v električnem ne v magnetnem polju. In maso delcev so ocenili z njihovo interakcijo z drugimi delci.
Te delce so poimenovali nevtroni. Natančne meritve so pokazale, da je masa nevtrona 1,0086649 a. e.m., tj. nekoliko večja od mase protona. V mnogih primerih se masa nevtrona (kot tudi masa protona) šteje za enako 1 a. e.m. Zato je enota postavljena na vrh pred simbolom nevtrona. Ničla na dnu pomeni, da ni električnega naboja.
Vprašanja
- Kakšno ugotovitev smo naredili na podlagi fotografije sledi delcev v oblačni komori (glej sliko 161)?
- Kakšno je drugo ime in simbol za jedro vodikovega atoma? Kakšna je njegova masa in naboj?
- Kakšno predpostavko (glede sestave jeder) so omogočili rezultati poskusov interakcije α-delcev z jedri atomov različnih elementov?
- V kakšno protislovje vodi predpostavka, da so atomska jedra sestavljena le iz protonov? Pojasnite to s primerom.
- Kako je bilo dokazano, da nevtroni nimajo električnega naboja? Kako je bila ocenjena njihova masa?
- Kako je označen nevtron, kakšna je njegova masa v primerjavi z maso protona?
vaja 47
Razmislite o posnetku jedrske reakcije medsebojnega delovanja jeder dušika in helija, pri čemer nastanejo jedra kisika in vodika. Primerjajte skupni naboj medsebojno delujočih jeder s skupnim nabojem jeder, ki nastanejo kot posledica te interakcije. Ugotovite, ali je pri tej reakciji izpolnjen zakon o ohranitvi električnega naboja.Elektroni
Koncept atoma se je pojavil v starodavnem svetu za označevanje delcev snovi. V prevodu iz grščine atom pomeni "nedeljiv".
Irski fizik Stoney je na podlagi poskusov prišel do zaključka, da elektriko prenašajo najmanjši delci, ki obstajajo v atomih vseh kemičnih elementov. Leta 1891 je Stoney predlagal, da bi te delce imenovali elektroni, kar v grščini pomeni "jantar". Nekaj let po tem, ko je elektron dobil ime, sta angleški fizik Joseph Thomson in francoski fizik Jean Perrin dokazala, da elektroni nosijo negativen naboj. To je najmanjši negativni naboj, ki se v kemiji šteje za ena (-1). Thomsonu je uspelo določiti celo hitrost elektrona (hitrost elektrona v orbiti je obratno sorazmerna z orbitalnim številom n. Polmeri orbit se povečujejo sorazmerno s kvadratom orbitalnega števila. V prvi orbiti atom vodika (n=1; Z=1) je hitrost ≈ 2,2·106 m/s, to je približno stokrat manjša od hitrosti svetlobe c = 3·108 m/s) in masa elektrona (je skoraj 2000-krat manjša od mase atoma vodika).
Stanje elektronov v atomu
Stanje elektrona v atomu razumemo kot niz informacij o energiji določenega elektrona in prostoru, v katerem se nahaja. Elektron v atomu nima trajektorije gibanja, tj. lahko govorimo le o verjetnost, da ga najdemo v prostoru okoli jedra.
Lahko se nahaja v katerem koli delu tega prostora, ki obdaja jedro, in celota njegovih različnih položajev se obravnava kot elektronski oblak z določeno negativno gostoto naboja. Slikovito si lahko to predstavljamo takole: če bi bilo možno fotografirati položaj elektrona v atomu po stotinkah ali milijoninkah sekunde, kot pri fotofinišu, bi bil elektron na takih fotografijah predstavljen kot pike. Če bi prekrivali nešteto takih fotografij, bi bila slika oblaka elektronov z največjo gostoto, kjer bi bilo teh točk največ.
Prostor okoli atomskega jedra, v katerem se najverjetneje nahaja elektron, se imenuje orbitala. Vsebuje približno 90 % elektronski oblak, kar pomeni, da je približno 90% časa elektron v tem delu prostora. Odlikuje jih oblika 4 trenutno znane vrste orbital, ki so označeni z latin črke s, p, d in f. Grafični prikaz nekaterih oblik elektronskih orbital je predstavljen na sliki.
Najpomembnejša značilnost gibanja elektrona po določeni orbitali je energija njegove povezave z jedrom. Elektroni s podobnimi energijskimi vrednostmi tvorijo en sam elektronski sloj ali energijski nivo. Energijske ravni so oštevilčene začenši z jedrom - 1, 2, 3, 4, 5, 6 in 7.
Celo število n, ki označuje številko energijske ravni, se imenuje glavno kvantno število. Označuje energijo elektronov, ki zasedajo dano energijsko raven. Najnižjo energijo imajo elektroni prvega energijskega nivoja, ki je najbližje jedru. V primerjavi z elektroni prvega nivoja bo za elektrone naslednjih nivojev značilna velika zaloga energije. Posledično so elektroni zunanjega nivoja najmanj tesno vezani na atomsko jedro.
Največje število elektronov na energijski ravni je določeno s formulo:
N = 2n 2,
kjer je N največje število elektronov; n je številka nivoja ali glavno kvantno število. Posledično na prvi energijski ravni, ki je najbližje jedru, ne moreta biti več kot dva elektrona; na drugem - ne več kot 8; na tretjem - ne več kot 18; na četrtem - ne več kot 32.
Od druge energetske ravni (n = 2) je vsaka od ravni razdeljena na podravni (podplasti), ki se med seboj nekoliko razlikujejo po energiji vezave z jedrom. Število podravni je enako vrednosti glavnega kvantnega števila: prvi energijski nivo ima eno podnivo; drugi - dva; tretji - trije; četrti - štiri podravni. Podravni pa tvorijo orbitale. Vsaka vrednostn ustreza številu orbital, ki je enako n.
Podravni so običajno označeni z latiničnimi črkami, kot tudi oblika orbital, iz katerih so sestavljeni: s, p, d, f.
Protoni in nevtroni
Atom katerega koli kemičnega elementa je primerljiv z majhnim sončnim sistemom. Zato se ta model atoma, ki ga je predlagal E. Rutherford, imenuje planetarni.
Atomsko jedro, v katerem je skoncentrirana celotna masa atoma, je sestavljeno iz delcev dveh vrst - protoni in nevtroni.
Protoni imajo naboj, ki je enak naboju elektronov, vendar nasprotnega predznaka (+1), in maso, ki je enaka masi vodikovega atoma (v kemiji se šteje za eno). Nevtroni nimajo naboja, so nevtralni in imajo maso, ki je enaka masi protona.
Protone in nevtrone skupaj imenujemo nukleoni (iz latinskega nucleus - jedro). Vsoto števila protonov in nevtronov v atomu imenujemo masno število. Na primer, masno število atoma aluminija je:
13 + 14 = 27
število protonov 13, število nevtronov 14, masno število 27
Ker lahko zanemarimo maso elektrona, ki je zanemarljivo majhna, je očitno, da je celotna masa atoma skoncentrirana v jedru. Elektroni so označeni z e - .
Od atoma električno nevtralen, potem je tudi očitno, da je število protonov in elektronov v atomu enako. Je enaka zaporedni številki kemičnega elementa, ki mu je dodeljena v periodnem sistemu. Masa atoma je sestavljena iz mase protonov in nevtronov. Če poznate atomsko število elementa (Z), to je število protonov, in masno število (A), ki je enako vsoti števila protonov in nevtronov, lahko najdete število nevtronov (N) z uporabo formule :
N = A - Ž
Na primer, število nevtronov v atomu železa je:
56 — 26 = 30
Izotopi
Imenujemo sorte atomov istega elementa, ki imajo enak jedrski naboj, vendar različna masna števila izotopi. Kemični elementi, ki jih najdemo v naravi, so mešanica izotopov. Tako ima ogljik tri izotope z masami 12, 13, 14; kisik - trije izotopi z masami 16, 17, 18 itd. Relativna atomska masa kemičnega elementa, običajno navedena v periodnem sistemu, je povprečna vrednost atomskih mas naravne mešanice izotopov danega elementa, ob upoštevanju njihova relativna številčnost v naravi. Kemijske lastnosti izotopov večine kemičnih elementov so popolnoma enake. Vendar se izotopi vodika zelo razlikujejo po lastnostih zaradi dramatičnega večkratnega povečanja njihove relativne atomske mase; dobijo celo posamezna imena in kemijske simbole.
Elementi prvega obdobja
Diagram elektronske zgradbe vodikovega atoma:
Diagrami elektronske zgradbe atomov prikazujejo porazdelitev elektronov po elektronskih plasteh (energijski nivoji).
Grafična elektronska formula atoma vodika (prikazuje porazdelitev elektronov po energijskih nivojih in podnivojih):
Grafične elektronske formule atomov prikazujejo porazdelitev elektronov ne samo med nivoji in podravni, ampak tudi med orbitalami.
V atomu helija je prva elektronska plast popolna – ima 2 elektrona. Vodik in helij sta s-elementa; S-orbitala teh atomov je napolnjena z elektroni.
Za vse elemente druge dobe prvi elektronski sloj je zapolnjen, elektroni pa zapolnjujejo s- in p-orbitale druge elektronske plasti v skladu z načelom najmanjše energije (najprej s in nato p) ter pravili Pauli in Hund.
V atomu neona je druga elektronska plast popolna – ima 8 elektronov.
Pri atomih elementov tretje periode sta prva in druga elektronska plast zaključeni, torej je zapolnjena tretja elektronska plast, v kateri lahko elektroni zasedejo 3s-, 3p- in 3d-podravni.
Magnezijev atom zaključi svojo 3s elektronsko orbitalo. Na in Mg sta s-elementa.
V aluminiju in naslednjih elementih je podnivo 3p napolnjeno z elektroni.
Elementi tretje periode imajo nezapolnjene 3d orbitale.
Vsi elementi od Al do Ar so p-elementi. S- in p-elementi tvorijo glavne podskupine v periodnem sistemu.
Elementi četrtega - sedmega obdobja
V atomih kalija in kalcija se pojavi četrta elektronska plast, podnivo 4s pa je zapolnjeno, saj ima nižjo energijo kot podnivo 3d.
K, Ca - s-elementi, vključeni v glavne podskupine. Za atome od Sc do Zn je podnivo 3d napolnjeno z elektroni. To so 3d elementi. Uvrščeni so v sekundarne podskupine, njihova skrajna elektronska plast je zapolnjena in uvrščeni med prehodne elemente.
Bodite pozorni na zgradbo elektronskih lupin kromovega in bakrovega atoma. V njih en elektron »odpove« iz 4s v 3d podravni, kar je razloženo z večjo energijsko stabilnostjo nastalih elektronskih konfiguracij 3d 5 in 3d 10:
V atomu cinka je tretja elektronska plast popolna - v njej so zapolnjene vse podnivoje 3s, 3p in 3d, s skupno 18 elektroni. V elementih, ki sledijo cinku, se četrta elektronska plast, podravni 4p, še naprej polni.
Elementi od Ga do Kr so p-elementi.
Atom kriptona ima zunanjo plast (četrto), ki je popolna in ima 8 elektronov. Toda v četrti elektronski plasti je lahko skupno 32 elektronov; atom kriptona ima še nezapolnjena podnivoja 4d in 4f. Za elemente pete periode se podnivoji polnijo v naslednjem vrstnem redu: 5s - 4d - 5p. In obstajajo tudi izjeme, povezane z " neuspeh» elektroni, y 41 Nb, 42 Mo, 44 Ru, 45 Rh, 46 Pd, 47 Ag.
V šesti in sedmi periodi se pojavijo f-elementi, to je elementi, v katerih sta zapolnjena 4f- oziroma 5f-podravni tretjega zunanjega elektronskega sloja.
Elemente 4f imenujemo lantanidi.
Elemente 5f imenujemo aktinoidi.
Vrstni red zapolnjevanja elektronskih podravni v atomih elementov šeste periode: 55 Cs in 56 Ba - 6s elementi; 57 La … 6s 2 5d x - 5d element; 58 Ce - 71 Lu - 4f elementi; 72 Hf - 80 Hg - 5d elementi; 81 T1 - 86 Rn - 6d elementi. Toda tudi tu obstajajo elementi, pri katerih je »kršen« vrstni red zapolnjevanja elektronskih orbital, kar je na primer povezano z večjo energijsko stabilnostjo polovično in polno zapolnjenih f-podravni, to je nf 7 in nf 14. Glede na to, katera podnivoj atoma je zadnja napolnjena z elektroni, so vsi elementi razdeljeni v štiri elektronske družine ali bloke:
- s-elementi. S-podravni zunanje ravni atoma je napolnjena z elektroni; s-elementi vključujejo vodik, helij in elemente glavnih podskupin skupin I in II.
- p-elementi. P-podnivo zunanjega nivoja atoma je napolnjen z elektroni; p-elementi vključujejo elemente glavnih podskupin skupin III-VIII.
- d-elementi. D-podnivo predzunanjega nivoja atoma je zapolnjen z elektroni; d-elementi vključujejo elemente sekundarnih podskupin skupin I-VIII, to je elemente vtičnikov velikih period, ki se nahajajo med s- in p-elementi. Imenujejo se tudi prehodni elementi.
- f-elementi. F-podnivo tretjega zunanjega nivoja atoma je napolnjen z elektroni; ti vključujejo lantanide in antinoide.
Švicarski fizik W. Pauli je leta 1925 ugotovil, da v atomu v eni orbiti ne moreta biti več kot dva elektrona z nasprotnimi (antiparalelnimi) vrtljaji (prevedeno iz angleščine kot "vreteno"), t.j. s takšnimi lastnostmi, ki si jih pogojno lahko predstavljamo kot vrtenje elektrona okoli svoje namišljene osi: v smeri urnega kazalca ali nasprotni smeri urnega kazalca.
To načelo se imenuje Paulijevo načelo. Če je v orbitali en elektron, se imenuje nesparjen, če sta dva, sta to seznanjena elektrona, torej elektrona z nasprotnimi spini. Slika prikazuje diagram delitve energijskih nivojev na podnivoje in vrstni red njihove zapolnitve.
Zelo pogosto je struktura elektronskih lupin atomov prikazana z uporabo energijskih ali kvantnih celic - zapisane so tako imenovane grafične elektronske formule. Za ta zapis se uporablja naslednji zapis: vsaka kvantna celica je označena s celico, ki ustreza eni orbitali; Vsak elektron je označen s puščico, ki ustreza smeri vrtenja. Pri pisanju grafične elektronske formule se morate spomniti dveh pravil: Paulijev princip in F. Hundovo pravilo, po katerem elektroni zasedajo proste celice najprej enega po enega in imajo enako vrednost spina, šele nato se parijo, vendar bosta spina po Paulijevem principu že v nasprotnih smereh.
Hundovo pravilo in Paulijevo načelo
Hundovo pravilo- pravilo kvantne kemije, ki določa vrstni red zapolnjevanja orbital določene podplasti in je formulirano takole: skupna vrednost spinskega kvantnega števila elektronov dane podplasti mora biti največja. Oblikoval Friedrich Hund leta 1925.
To pomeni, da se v vsaki od orbital podplasti najprej zapolni po en elektron in šele po izčrpanju nezapolnjenih orbital se tej orbitali doda drugi elektron. V tem primeru sta v eni orbitali dva elektrona s polcelimi spini nasprotnega predznaka, ki se sparita (tvorita dvoelektronski oblak) in posledično postane skupni spin orbitale enak nič.
Druga formulacija: Nižje v energiji leži atomski člen, za katerega sta izpolnjena dva pogoja.
- Množnost je največja
- Ko večkratnosti sovpadajo, je skupni orbitalni moment L največji.
Analizirajmo to pravilo na primeru zapolnjevanja orbital p-podravni str-elementi druge periode (to je od bora do neona (na spodnjem diagramu vodoravne črte označujejo orbitale, navpične puščice označujejo elektrone, smer puščice pa označuje orientacijo spina).
Pravilo Klečkovskega
Pravilo Klečkovskega - ko se skupno število elektronov v atomih povečuje (s povečanjem nabojev njihovih jeder ali zaporednih številk kemičnih elementov), se atomske orbitale poselijo tako, da je pojav elektronov v orbitali z višjo energijo odvisen samo od glavnega kvantnega števila n in ni odvisen od vseh drugih števil kvantnih števil, tudi od l. Fizikalno to pomeni, da je v vodiku podobnem atomu (brez medelektronskega odbijanja) orbitalna energija elektrona določena le s prostorsko oddaljenostjo gostote naboja elektronov od jedra in ni odvisna od značilnosti njegovega gibanje v polju jedra.
Empirično pravilo Klečkovskega in shema urejanja, ki izhaja iz njega, sta nekoliko v nasprotju z realnim energijskim zaporedjem atomskih orbital le v dveh podobnih primerih: za atome Cr, Cu, Nb, Mo, Ru, Rh, Pd, Ag, Pt, Au , pride do »odpovedi« elektrona s s -podnivoj zunanje plasti se nadomesti z d-podravnijo prejšnje plasti, kar vodi v energijsko stabilnejše stanje atoma, in sicer: po zapolnitvi orbitale 6 z dvema elektroni s
Atom je najmanjši delec kemijskega elementa, ki ohrani vse njegove kemijske lastnosti. Atom je sestavljen iz jedra, ki ima pozitiven električni naboj, in negativno nabitih elektronov. Naboj jedra katerega koli kemičnega elementa je enak produktu Z in e, kjer je Z zaporedna številka tega elementa v periodnem sistemu kemičnih elementov, e je vrednost osnovnega električnega naboja.
Elektron je najmanjši delec snovi z negativnim električnim nabojem e=1,6·10 -19 kulonov, vzetim kot elementarni električni naboj. Elektroni, ki se vrtijo okoli jedra, se nahajajo v elektronskih lupinah K, L, M itd. K je lupina, ki je najbližje jedru. Velikost atoma je določena z velikostjo njegove elektronske lupine. Atom lahko izgubi elektrone in postane pozitivni ion ali pridobi elektrone in postane negativen ion. Naboj iona določa število izgubljenih ali pridobljenih elektronov. Proces pretvorbe nevtralnega atoma v nabit ion imenujemo ionizacija.
Atomsko jedro(osrednji del atoma) sestavljajo osnovni jedrski delci - protoni in nevtroni. Polmer jedra je približno stotisočkrat manjši od polmera atoma. Gostota atomskega jedra je izjemno visoka. Protoni- to so stabilni osnovni delci z enim samim pozitivnim električnim nabojem in maso, ki je 1836-krat večja od mase elektrona. Proton je jedro atoma najlažjega elementa, vodika. Število protonov v jedru je Z. Nevtron je nevtralen (brez električnega naboja) osnovni delec z maso zelo blizu masi protona. Ker je masa jedra sestavljena iz mase protonov in nevtronov, je število nevtronov v jedru atoma enako A - Z, kjer je A masno število danega izotopa (glej). Proton in nevtron, ki sestavljata jedro, imenujemo nukleoni. V jedru so nukleoni povezani s posebnimi jedrskimi silami.
Atomsko jedro vsebuje ogromno zalogo energije, ki se sprosti med jedrskimi reakcijami. Jedrske reakcije nastanejo, ko atomska jedra medsebojno delujejo z osnovnimi delci ali z jedri drugih elementov. Kot posledica jedrskih reakcij nastanejo nova jedra. Na primer, nevtron se lahko spremeni v proton. V tem primeru se iz jedra izvrže delec beta, to je elektron.
Prehod protona v nevtron v jedru se lahko izvede na dva načina: bodisi se delec z maso, ki je enaka masi elektrona, vendar s pozitivnim nabojem, imenovan pozitron (razpad pozitrona), odda iz jedro, ali pa jedro ujame enega od elektronov iz njemu najbližje K-lupine (K -zajem).
Včasih ima nastalo jedro presežek energije (je v vzbujenem stanju) in ob prehodu v normalno stanje sprosti presežek energije v obliki elektromagnetnega sevanja z zelo kratko valovno dolžino -. Energija, ki se sprosti med jedrskimi reakcijami, se praktično uporablja v različnih industrijah.
Atom (grško atomos - nedeljiv) je najmanjši delec kemijskega elementa, ki ima njegove kemijske lastnosti. Vsak element je sestavljen iz določene vrste atoma. Atom je sestavljen iz jedra, ki nosi pozitiven električni naboj, in negativno nabitih elektronov (glej), ki tvorijo njegove elektronske lupine. Velikost električnega naboja jedra je enaka Z-e, kjer je e osnovni električni naboj, ki je po velikosti enak naboju elektrona (4,8·10 -10 električnih enot), Z pa je atomsko število tega elementa. v periodnem sistemu kemičnih elementov (glej .). Ker je neioniziran atom nevtralen, je tudi število elektronov, vključenih v njem, enako Z. Sestava jedra (glej Atomsko jedro) vključuje nukleone, osnovne delce z maso približno 1840-krat večjo od mase elektrona (enako 9,1 10 - 28 g), protoni (glej), pozitivno nabiti, in nevtroni brez naboja (glej). Število nukleonov v jedru se imenuje masno število in je označeno s črko A. Število protonov v jedru, enako Z, določa število elektronov, ki vstopajo v atom, strukturo elektronskih lupin in kemično lastnosti atoma. Število nevtronov v jedru je A-Z. Izotopi so različice istega elementa, katerih atomi se med seboj razlikujejo po masnem številu A, vendar imajo enak Z. Tako je v jedrih atomov različnih izotopov istega elementa različno število nevtronov z enakim število protonov. Pri označevanju izotopov je nad simbolom elementa zapisano masno število A, spodaj pa atomsko število; na primer, izotopi kisika so označeni: 
Mere atoma so določene z dimenzijami elektronskih lupin in so za vse Z vrednosti reda 10 -8 cm, saj je masa vseh elektronov atoma nekaj tisočkrat manjša od mase jedra , je masa atoma sorazmerna z masnim številom. Relativna masa atoma danega izotopa je določena glede na maso atoma ogljikovega izotopa C12, vzetega kot 12 enot, in se imenuje masa izotopa. Izkaže se, da je blizu masnemu številu ustreznega izotopa. Relativna teža atoma kemijskega elementa je povprečna (ob upoštevanju relativne množine izotopov danega elementa) vrednost izotopske teže in se imenuje atomska teža (masa).
Atom je mikroskopski sistem, njegovo zgradbo in lastnosti pa lahko razložimo le s kvantno teorijo, ki je nastala predvsem v 20. letih 20. stoletja in je namenjena opisovanju pojavov na atomskem merilu. Poskusi so pokazali, da imajo mikrodelci - elektroni, protoni, atomi itd. - poleg korpuskularnih valovne lastnosti, ki se kažejo v uklonu in interferenci. V kvantni teoriji se za opis stanja mikroobjektov uporablja določeno valovno polje, ki ga označuje valovna funkcija (Ψ-funkcija). Ta funkcija določa verjetnost možnih stanj mikroobjekta, t.j. označuje potencialne možnosti za manifestacijo nekaterih njegovih lastnosti. Zakon variacije funkcije Ψ v prostoru in času (Schrodingerjeva enačba), ki omogoča iskanje te funkcije, ima v kvantni teoriji enako vlogo kot Newtonovi zakoni gibanja v klasični mehaniki. Reševanje Schrödingerjeve enačbe v mnogih primerih vodi do diskretnih možnih stanj sistema. Tako na primer v primeru atoma dobimo niz valovnih funkcij za elektrone, ki ustrezajo različnim (kvantiziranim) energijskim vrednostim. Sistem atomskih energijskih nivojev, izračunan z metodami kvantne teorije, je dobil sijajno potrditev v spektroskopiji. Prehod atoma iz osnovnega stanja, ki ustreza najnižjemu energijskemu nivoju E 0, v katerokoli od vzbujenih stanj E i se pojavi ob absorpciji določenega dela energije E i-E 0 . Vzbujen atom preide v manj vzbujeno ali osnovno stanje, običajno z oddajanjem fotona. V tem primeru je energija fotona hv enaka razliki v energijah atoma v dveh stanjih: hv = E i - E k kjer je h Planckova konstanta (6,62·10 -27 erg·sek), v frekvenca svetlobe.
Poleg atomskih spektrov je kvantna teorija omogočila razlago drugih lastnosti atomov. Predvsem so bile razložene valenca, narava kemijskih vezi in zgradba molekul ter nastala je teorija periodnega sistema elementov.
