Атомы химических элементов

Основные сведения о строении атомов

Понятие «атом» возникло ещё в античном мире для обозначения частиц вещества. В переводе с греческого атом означает «неделимый».

Открытия, сделанные учёными-физиками, доказали, что атом имеет сложное строение — состоит из более мелких (элементарных) частиц.

Как же устроен атом?

В 1910 г. в Кембридже, близ Лондона, Эрнест Резерфорд со своими учениками и коллегами изучал рассеивание α-частиц, проходящих через тоненькую золотую фольгу и попадавших на экран. Альфа-частицы обычно чуть отклонялись от первоначального направления, всего на один градус, подтверждая, казалось бы, равномерность и однородность свойств атомов золота. И вдруг — о чудо! — исследователи заметили, что некоторые α-частицы резко изменяли направление движения, будто наталкивались на какую-то преграду.

Разместив экран перед фольгой, Э. Резерфорд сумел обнаружить даже те редчайшие случаи, когда α-частицы, отразившись от атомов золота, летели в обратном направлении.

Расчёты показали, что наблюдаемые ими явления могли произойти, если бы вся масса атома и весь его положительный заряд были сосредоточены в крохотном центральном ядре. Радиус ядра, как выяснилось, в 100 тысяч раз меньше радиуса всего атома, той его области, в которой находятся электроны, имеющие отрицательный заряд. Если применить образное сравнение, то весь объем атома можно уподобить стадиону в Лужниках, а ядро — футбольному мячу, положенному в центр поля.

Атом любого химического элемента — как бы крохотная Солнечная система. Поэтому такую модель атома, предложенную Э. Резерфордом, называют планетарной.

Но и это не всё. Оказывается, крошечное атомное ядро, в котором сосредоточена вся масса атома, состоит из элементарных частиц двух видов — протонов и нейтронов.

Протоны имеют заряд, равный заряду электронов, но противоположный по знаку (+1), и массу (она принята в химии за единицу), примерно равную массе атома водорода. Обозначаются протоны знаком р⁺.

Нейтроны не несут заряда, они нейтральны и имеют массу, примерно равную массе протона, т. е. 1. Обозначают нейтроны знаком n⁰.

Электроны обозначают знаком ē. Так как массой электрона, ничтожно малой, можно пренебречь, то очевидно, что в ядре сосредоточена вся масса атома.

Сумму чисел протонов и нейтронов в атоме называют массовым числом (Л).

Поскольку атом электронейтрален, то также очевидно, что число протонов и электронов в атоме одинаково. Оно соответствует порядковому номеру химического элемента в Периодической системе Д. И. Менделеева. Например, в ядре атома железа содержится 26 протонов, а вокруг ядра располагаются 26 электронов.

А как определить число нейтронов в атоме?

Как вам уже известно, масса атома складывается из массы протонов и нейтронов. Зная порядковый номер элемента (Z), т. е. число протонов, и массовое число (А), равное сумме чисел протонов и нейтронов, можно найти число нейтронов (N) по формуле:
N = A - Z

Например, рассчитаем число нейтронов в атоме железа:
56(массовое число) - 26(число протонов) = 30(число нейтронов)

Строение электронных оболочек атомов

1. Вокруг ядра двигаются электроны, они образуют электронную оболочку атома.
2. Электроны распологаются слоями с энергетическими уровнями, которые характеризуются запасами энергии.
   а) Наименьшей энергией обладают электроны 1 уровня расположенные ближе к ядру.
   б) Электроны более удаленные от ядра обладают большим запасом энергии. С ядром связаны слабее, поэтому могут отрываться от одного атома и присоединяться к другим.
3. Число энергетических уровней = № периода.
4. Максимальное число электронов на уровне = удвоенному квадрату его номера.
   ē = 2 * n²
   I уровень, макс. ē = 2
   II уровень, макс. ē = 8
   III уровень, макс. ē = 18
5. I период, энергетических уровней = 1,
   ₁H )_{1
   2}He )₂
   
   II период, энергетических уровней = 2,
   ₃Li )₂ )_{1
   6}C )₂ )_{4
   10}Ne )₂ )₈
   
   III период, энергетических уровней = 3,
   ₁₂Mg )₂ )₈ )₂
   
6. Энергетические уровни состоят из орбиталей.
7. Орбиталь — это пространство вокруг ядра атома, где вероятность нахождения электрона составляет более 90%.
8. S-орбиталь имеет форму в виде шара. На уровне имеется только одна S-орбиталь.
9. P-орбиталь имеет форму в виде гантели. На уровне находится 3 P-орбитали.
10. На любой орбитали может находиться максимум 2 электрона. Любой энергетический уровень начинается с S-орбитали

₁H )₁   1s¹
₃Li )₂ )₁   1s² 2s¹
₆C )₂ )₄   1s² 2s² 2p²
₁₃Al )₂ )₈ )₃   1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p¹
₁₉K )₂ )₈ )₈ )₁   1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s¹

Изменение числа электронов на внешнем энергетическом уровне атомов химических элементов

Каждый период Периодической системы Д. И. Менделеева заканчивается инертным, или благородным, газом.

Самым распространённым из инертных (благородных) газов в атмосфере Земли является аргон, который удалось выделить в чистом виде раньше других аналогов. В чём причина инертности гелия, неона, аргона, криптона, ксенона и радона?

В том, что у атомов инертных газов на внешних, самых удалённых от ядра уровнях находится восемь электронов (у гелия — два). Восемь электронов на внешнем уровне — предельное число для каждого элемента Периодической системы Д. И. Менделеева, кроме водорода и гелия. Это своеобразный идеал прочности энергетического уровня, к которому стремятся атомы всех остальных элементов Периодической системы Д. И. Менделеева.

Добиваться такого положения электронов атомы могут двумя путями: отдавая электроны с внешнего уровня (в этом случае внешний незавершённый уровень исчезает, а предпоследний, который был завершён в предыдущем периоде, становится внешним) или принимая электроны, которых не хватает до заветной восьмёрки. Атомы, имеющие на внешнем уровне меньшее число электронов, отдают их атомам, у которых на внешнем уровне больше электронов. Легко отдать один электрон, когда он единственный на внешнем уровне. Труднее отдавать два электрона. Ещё труднее отдавать свои три внешних электрона.

Тенденцию к отдаче электронов с внешнего уровня имеют атомы элементов-металлов. И чем легче атомы элемента-металла отдают свои внешние электроны, тем в большей степени выражены у него металлические свойства. И наоборот, тенденцию к принятию недостающих до завершения внешнего энергетического уровня имеют атомы элементов-неметаллов. Из сказанного можно сделать следующий вывод. В пределах периода с увеличением заряда атомного ядра, а соответственно и с увеличением числа внешних электронов металлические свойства химических элементов ослабевают. Неметаллические свойства элементов, характеризующиеся лёгкостью принятия электронов на внешний уровень, при этом усиливаются.

Каков же результат принятия или отдачи электронов атомами химических элементов?

Представим себе, что «встречаются» два атома: атом металла и атом неметалла. У атома металла на внешнем энергетическом уровне находится единственный электрон, а атому неметалла как раз не хватает именно одного электрона, чтобы его внешний уровень оказался завершённым.

Атом металла легко отдаст свой наиболее удалённый от ядра и слабо связанный с ним электрон атому неметалла, который предоставит ему свободное место на своём внешнем энергетическом уровне.

Тогда атом металла, лишённый одного отрицательного заряда, приобретёт положительный заряд, а атом неметалла благодаря полученному электрону превратится в отрицательно заряженную частицу — ион.

Оба атома осуществят свою «заветную мечту» — получат столь желанную восьмёрку электронов на внешнем энергетическом уровне. Но что произойдёт дальше? Разноимённо заряженные ионы в полном соответствии с законом притяжения противоположных зарядов тут же соединятся, т. е. между ними возникнет химическая связь.

Химическую связь, образующуюся между ионами, называют ионной.

В заключение рассмотрим алгоритм (последовательность) рассуждений при записи схемы образования ионной связи, например между атомами кальция и хлора.

1. Кальций — металл. Его атому легче отдать два внешних электрона, чем принять недостающие шесть:
   Ca⁰(атом) - 2ē ➞ Ca²⁺(ион)
2. Хлор — неметалл. Его атому легче принять один электрон, которого ему не хватает до завершения внешнего энергетического уровня, чем отдать семь электронов с внешнего уровня:
   Cl⁰(атом) + 1ē ➞ Cl^-(ион)
3. Сначала найдём наименьшее общее кратное между зарядами образовавшихся ионов, оно равно 2 (2×1). Затем определим, сколько атомов кальция нужно взять, чтобы они отдали два электрона (т. е. надо взять 1 атом Са), и сколько атомов хлора надо взять, чтобы они могли принять два электрона (т. е. нужно взять 2 атома Сl)
4. Ca⁰ + 2Cl⁰ ➞ Ca²⁺Cl₂^-

Для выражения состава ионных соединений пользуются формульными единицами — аналогами молекулярных формул.

Цифры, показывающие число атомов, молекул или формульных единиц, называют коэффициентами, а цифры, показывающие число атомов в молекуле или ионов в формульной единице, называют индексами.

Взаимодействие атомов элементов-неметаллов между собой

А как осуществляется связь между атомами элементов-неметаллов, которые имеют сходную тенденцию к присоединению электронов? Рассмотрим вначале, как осуществляется связь между атомами одного и того же химического элемента, например в веществах, имеющих двухатомные молекулы: азота N2, водорода Н2, хлора С12

Два одинаковых атома элемента-неметалла могут объединяться в молекулу только одним способом: обобществив свои внешние электроны, т. е. сделав их общими для обоих атомов.

Рассмотрим, например, образование молекулы фтора F₂.

Атомы фтора — имеют на внешнем энергетическом уровне семь электронов, и каждому атому не хватает до его завершения лишь одного электрона. Внешние электроны атома фтора образуют три электронные пары и один непарный электрон.

Если сближаются два атома и у каждого из них есть по одному внешнему неспаренному электрону, то эти электроны «объединяются» и становятся общими для обоих атомов, у которых тем самым сформируется завершённый внешний восьмиэлектронный уровень.

Химическую связь, возникающую в результате образования общих электронных пар, называют атомной или ковалентной.

Если обозначить общую электронную пару чёрточкой, то запись называют структурной формулой, например структурная формула молекулы фтора: F — F

Нужно отметить, что в основе образования ковалентной связи, так же как и при возникновении ионной связи, лежит взаимодействие противоположных зарядов.

В заключение рассмотрим алгоритм рассуждений, необходимых для того, чтобы записать схему образования ковалентной связи, например для молекулы азота N₂.

1. Атомы азота имеют по пять электронов на внешнем уровне и три не спаренных
2. Запишем знаки химических элементов с обозначением внешних электронов так, чтобы неспаренные электроны были обращены к соседнему знаку:
   :N⋮ + ⋮N:
3. Запишем электронную и структурную формулы образовавшейся молекулы:
   :N⋮ + ⋮N: ➞ :N⋮⋮N: или N — N

Если атомы связаны между собой одной общей электронной парой, то такую ковалентную связь называют одинарной, если двумя — двойной, если тремя — тройной

Чем больше общих электронных пар у атомов в молекуле, тем прочнее связаны они друг с другом и тем меньше расстояние между ядрами атомов, которое называют длиной связи.

Ковалентная полярная химическая связь

При взаимодействии двух атомов одного и того же элемента-неметалла между ними образуется ковалентная химическая связь с помощью общих электронных пар. Эту ковалентную связь называют неполярной, так как общие электронные пары принадлежат обоим атомам в одинаковой степени и ни на одном из них не будет избытка или недостатка отрицательного заряда, который несут электроны.

Однако если ковалентная связь образуется между атомами разных элементов-неметаллов, то картина будет несколько иной. Рассмотрим, например, образование молекулы хлороводорода НСl из атомов водорода и хлора.

1. Атом водорода имеет на единственном уровне один электрон, и до его завершения ему не хватает ещё одного электрона. У атома хлора на внешнем уровне — семь электронов, и ему также недостает до завершения одного электрона.
2. Атомы водорода и хлора объединяют свои непарные электроны и образуют одну общую электронную пару, т. е. возникает ковалентная связь
3. Так как ковалентная связь образуется между атомами различных элементов-неметаллов, то общая электронная пара будет принадлежать взаимодействующим атомам уже не в равной степени. Для того чтобы качественно определить, какому из этих атомов общая электронная пара будет принадлежать в большей мере, используют понятие электроотрицательностъ.

Электроотрицательность (ЭО) — это способность атомов химического элемента смещать к себе общие электронные пары, участвующие в образовании химической связи.

ЭО можно охарактеризовать как меру неметалличности химических элементов. В порядке уменьшения ЭО химические элементы располагаются в следующий ряд: (см. таблицу электроотрицательности на сайте)

Самый электроотрицательный элемент в таблице Д. И. Менделеева — фтор. Это, так сказать, «золотой призёр» электроотрицательности. «Серебряным призёром» является кислород, а «бронзовым» — азот.

Пользуясь рядом ЭО, можно определить, куда смещаются общие электронные пары. Они всегда смещены к атомам элемента с большей ЭО. Например, в молекуле хлороводорода НСl общая электронная пара смещена к атому хлора, так как его ЭО больше, чем у водорода. В результате на атомах образуются частичные заряды, в молекуле возникают два полюса — положительный и отрицательный. Поэтому такую ковалентную связь называют полярной.

В формулах соединений химический знак менее электроотрицательного элемента пишут первым. Так как ковалентная полярная связь является разновидностью ковалентной связи, то алгоритм рассуждений для её схематического изображения такой же, как и для ковалентной неполярной связи, только в этом случае добавится ещё один шаг — четвёртый: по ряду ЭО определим более электроотрицательный элемент и отразим полярность связи в структурной формуле стрелкой и обозначением частичных зарядов.

Число ковалентных связей, которыми атом одного химического элемента связан с атомами этого же или других элементов, называется валентностью.

Атом водорода образует только одну ковалентную связь с другими атомами. Поэтому говорят, что водород одновалентен. Атом кислорода связан с другими атомами двумя химическими связями — он двухвалентен. При образовании молекул атомы соединяются таким образом, чтобы все их валентности были задействованы. Понятно, что двухвалентный кислород должен соединиться с двумя атомами одновалентного водорода. Если обозначить валентность чёрточкой, то схему образования молекулы воды можно представить так:
H— + —O— + —H

Является ли валентность постоянной величиной? Оказывается для водорода и кислорода это утверждение верно, а вот для азота и углерода нет, так как эти элементы могут проявлять и другие значения валентности. Например, азот может быть одно-, двух-, трёх-, четырёхвалентен. Его соединения с кислородом будут иметь разный состав. Следовательно, различают:

• элементы с постоянной валентностью (например, одновалентные: Н, F; двухвалентные: О, Be; трёхвалентные: В, Al)
• элементы с переменной валентностью (например, S проявляет валентности II, IV, VI; Сl — валентности I, III, V и VII).

Давайте научимся выводить формулы двухэлементных соединений по валентности.

Для вывода формулы соединения фосфора с кислородом, в котором фосфор пятивалентен, порядок действий следующий:

1. запишем рядом знаки элементов: PO
2. над знаками римскими цифрами обозначим валентности элементов: P^VO^II
3. найдём наименьшее общее кратное между валентностями элементов: 5, 2. НОК — 10.
4. разделим наименьшее общее кратное на валентность каждого элемента — определим индексы, т. е. число атомов каждого элемента в формуле данного вещества (для фосфора индекс равен 2, а для кислорода — 5): P₂O₅

Металлическая химическая связь

Металлы обычно существуют не в виде изолированных атомов, а в виде слитка или металлического изделия. Что удерживает атомы металла в едином объёме?

Атомы большинства элементов-металлов на внешнем уровне содержат небольшое число электронов — 1, 2, 3. Эти электроны легко отрываются, а атомы превращаются в положительные ионы. Оторвавшиеся электроны перемещаются от одного иона к другому, связывая их в единое целое.

Разобраться, какой электрон принадлежал какому атому, просто невозможно. Все оторвавшиеся электроны стали общими. Соединяясь с ионами, эти электроны временно образуют атомы, потом снова отрываются и соединяются уже с другим ионом и т. д.

Следовательно, в объёме металла атомы непрерывно превращаются в ионы и наоборот. Их так и называют атом-ионами.

Связь в металлах и сплавах между атом-ионами посредством обобществлённых электронов называют металлической.

Металлическая связь имеет некоторое сходство с ковалентной, так как основана на обобществлении внешних электронов. Однако при образовании ковалентной связи обобществляются внешние неспаренные электроны только двух соседних атомов, в то время , как при образовании металлической связи в обобществлении этих электронов участвуют все атомы. Именно поэтому кристаллы с ковалентной связью хрупки, а с металлической, как правило, пластичны, электропроводны и имеют металлический блеск.

Металлическая связь характерна как для чистых металлов, так и для смесей различных металлов — сплавов, находящихся в твёрдом и жидком состояниях. Однако в парообразном состоянии атомы металлов связаны между собой ковалентной связью (например, парами натрия заполняют лампы жёлтого света для освещения улиц больших городов). Пары металлов состоят из отдельных молекул (одноатомных и двухатомных).

Учебник для 8 класса |Габриелян|