VI. Атоми хімічних елементів

VI.1 Модель будови атома. Постулати Бора

Нагадаємо, що атом є найменша частинка хімічного елемента (хімічно простої речовини), яка визначає всі її хімічні та фізичні властивості. Принципова будова атомів будьяких хімічних елементів однакова. Атоми усіх елементів складаються з трьох типів елементарних частинок – позитивних протонів, нейтральних нейтронів та негативних електронів. Атоми різних елементів різняться між собою тільки за кількістю елементарних частинок, що входять до складу їх атомів.

Експериментальні та теоретичні дослідження властивостей речовин, виконані в кінці XIXта на початку XXст. такими видатними вченими, як Дж. Томпсон, Е. Резерфорд, Н. Бор та іншими, привели до висновку, щоатом будь-якого хімічного елемента складається із центральної позитивно зарядженої частини – ядра, до складу якого входять протони та нейтрони, і в якому сконцентрована практично вся маса атома, навколо якого рухаються негативно заряджені частинки – електрони. Така будова атома подібна структурі сонячної системи, тому її назвали планетарною.

Діаметр атомів приблизно дорівнює 10^-10м, діаметр ядер атомів – 10^-15м. У нормальному стані в атомі кількість електронів на орбітах і протонів в ядрі однакова, а оскільки за величиною заряд протонаq_pдорівнює заряду електронаq_e (q_p=q_e= 1,610^-19Кл), то атоми електронейтральні. Основна маса атома сконцентрована в ядрі, тому що протони і нейтрони значно переважають електрони за масою (майже у 2 тис. разів), причому маса протона і нейтрона приблизно однакові.

В основі сучасної моделі атома лежать три постулати Н. Бора:

1. Електрони в атомі рухаються не по будь-яких орбітах, а тільки по орбітах певних радіусів, які називаються стаціонарними.

2. Рухаючись по стаціонарних орбітах, електрони не випромінюють і не поглинають енергії.

3. При переході електронів з вищих орбіт на нижчі, атоми випромінюють, а при зворотних переходах – поглинають енергію.

Кількість стаціонарних орбіт, по яких рухаються в атомі електрони, нескінченно велика, але в нормальному (не збудженому) стані в атомі заповнені тільки нижчі орбіти.

Найбільш простим хімічним елементом є водень. До складу його атома входять один протон і один електрон, що рухається по найближчій до ядра орбіті (рис. VI.1).

Рис. VІ.1

VI.2 Будова багатоелектронних атомів.

Таблиця Менделєєва

Для побудови моделі будь-якого багатоелектронного атома користуються формулою, отриманою в одній із сучасних теоретичних наук – квантовій механіці.

Максимальна кількість m електронів, що може бути на n-тій орбіті (n=1,2,3,...), прямо пропорційна квадрату номера орбіти.

m = 2 n² . (VI.1)

Отже: максимальна кількість електронів на першій від ядра орбіті – m = 21² = 2,на другій –m = 22² = 8, на третій –m = 23² = 18і т. д.

Як відомо, всі хімічні елементи, залежно від їх маси і хімічних властивостей, Д.І. Менделєєв розмістив у вигляді певного виду таблиці, де хімічні елементи розміщені один за одним у міру зростання їх атомної маси у вигляді рядів (періодів) і стовпчиків (груп) таким чином, що хімічні властивості елементів у кожному стовпчику (групі) подібні між собою. Сучасна фізика пояснює періодичну системи хімічних елементів так:

1. Порядковий номер хімічного елемента в таблиці Менделєєва дорівнює кількості електронів в його атомі ( кількості протонів в ядрі атома).

2. Номер періоду (рядка) дорівнює кількості електронних орбіт атома, що заповнюються електронами.

3. Номер групи (стовпчика) дорівнює кількості електронів на останній орбіті, що заповнюється електронами.

Важливою характеристикою хімічних елементів є їх валентність.

Валентністю називають кількість електронів, яку атом хімічного елемента віддає чи приймає при хімічних реакціях з атомами інших елементів.

При обміні електронами атоми віддають чи приймають електрони таким чином, щоб остання електронна орбіта була повністю заповненою.

Як приклад, побудуємо модель багатоелектронного атома, що стоїть в таблиці Менделєєва під номером N = 11 (рис.VI.2).

Він стоїть одинадцятим тому, що в ядрі його атома знаходиться 11 протонів, а на орбітах – 11 електронів. На першій орбіті – 2 електрони, на другій – 8, а на третій – 1. Цей елемент знаходиться у третьому періоді, тому що заповнюється електронами 3 орбіти, у першій групі, окільки на останній орбіті один електрон. При хімічних реакціях атом віддає один електрон, Рис.VІ.2

тобто хімічний елемент одновалентний.

Таким же чином можна побудувати модель атома будь-якого хімічного елемента та визначити його валентність, якщо відомий порядковий номер елемента в періодичній системі Менделєєва.