Электронное строение атома

Электронное строение атома

Немного истории

• Демокрит: существует предел деления атома.
• Аристотель: делимость вещества бесконечна.
• Париж, 1626 г.: учение об атоме запрещено под страхом смерти.
• Сторонниками атомистической теории были М.В. Ломоносов, Ж. Гей-Люссак, Д. Дальтон и др.

Толчком к подробному изучению строения атома послужили:

• открытие рентгеновского излучения (1895 г., В.К. Рентген);
• открытие радиоактивности и новых радиоактивных элементов (1896 г., А. Беккерель, М. и П. Кюри);
• открытие электрона (1896 г., Дж. Дж. Томсоном)

Ранние модели строения атома

• « Пудинг с изюмом » (1902-1904 г. Дж. Томсон)
• « Планетарная » (1907 г. Э. Резерфорд)
• « Модель Бора » (1913 г.)

Модель атома Томсона

Мысль об электронном строении атома, впервые высказанную В. Вебером в 1896 г., развил X. Лоренц : электроны входят в состав атома. Опираясь на эти открытия, Дж. Томсон в 1898 г. предложил модель атома в виде положительно заряженного шара радиусом 10 -10 м. в котором плавают электроны, нейтрализующие положительный заряд.

Ядерная модель атома

• Экспериментальная проверка модели Томсона была осуществлена в 1911 г. английским физиком Э. Резерфордом.
• Идея опыта заключалась в изучении рассеяния  -частиц (заряд +2е, масса 6,64 * 10 -27 кг) на атомах.  -частицы были выбраны, т.к. их кинетическая энергия много больше кинетической энергии электронов (  -лучи) и, в отличие от  -лучей они имеют электрический заряд.

Опыт Резерфорда

• Пучок  -частиц пропускался через тонкую золотую фольгу. Золото было выбрано как очень пластичный материал, из которого можно получить фольгу толщиной практически в один атомный слой. Опыты были повторены и на других материалах

Выводы из опыта Резерфорда

Э. Резерфорд и его помощники обнаружили, что какая-то часть  -частиц отклоняется на довольно значительный угол от своего первоначального направления, а небольшая часть отражается от фольги.

Резерфорд показал, что модель Томсона находится в противоречии с его опытами. Обобщая результаты своих опытов, Резерфорд предложил ядерную (планетарную) модель строения атома:

• Атом имеет ядро, размеры которого малы по сравнению с размерами самого атома (  10 -15 м).
• В ядре сконцентрирована почти вся масса атома.
• Отрицательный заряд всех электронов распределен по всему объему атома и компенсирует положительный заряд ядра.

Недостатки планетарной модели

Предложенная модель строения атома не позволила объяснить устойчивость атома:

• ускоренное движение электрона согласно теории Максвелла сопровождается электромагнитным излучением, поэтому энергия электрона уменьшается, и он движется по спирали, приближаясь к ядру. Казалось бы, электрон должен упасть на ядро (расчет показывает, что это должно произойти за 10 -8 с), так как при движении по спирали уменьшается энергия электрона, в действительности атомы являются устойчивыми системами;
• спектр излучения при этом должен быть непрерывным (должны присутствовать все длины волн). На опыте спектр получается линейчатым;
• нет ответа на вопрос о строении ядра. Если в него входят только положительные частицы, то почему они не отталкиваются?

Современная модель атома

• Атом – электронейтральная частица
• Ядро атома – положительно заряженное
• Электроны – отрицательно заряженные
• Электроны вращаются вокруг ядра с определённой скоростью
• Электроны имеют двойственную природу

Состав ядра атома

• Протоны. Масса = 1, заряд = +1
• Нейтроны. Масса = 1, заряд = 0
• Заряд ядра определяется количеством протонов
• Количество протонов соответствует порядковому номеру элемента в ПСХЭ

Изотопы

• Изотопы – совокупность атомов, имеющих одинаковое число протонов, но различающихся количеством нейтронов в ядре атома.
• Изотопы различны атомной массой (А)
• Число нейтронов определяется по формуле: N = A – Z , где Z – порядковый номер элемента

Частицы микромира

• Корпускулярно-волновой дуализм
• Электрон – частица с массой m 1 = 9*10 -28 , скорость 10 8 см/сек, заряд -1
• Эксперименты в 1927 г. подтвердили явления дифракции и интерференции.

Важные понятия

• Электронное облако – пространство около ядра атома, где сосредоточены вся масса электрона и электронная плотность
• Атомная орбиталь – часть э.о., где сосредоточено 90% электронной плотности
• Радиус АО – расстояние от ядра атома до максимальной электронной плотности

Квантовые числа

• Квантовые числа описывают состояние электрона в атоме
• n – главное квантовое число, хар-т общую энергию электрона данного уровня, номер периода в ПСХЭ соотв-т к-ву энергетических уровней в атоме, n принимает целые значения

Квантовые числа

• l – побочное квантовое число; уточняет запас энергии электрона на энергетическом уровне, хар-т связь e с ядром, а так же форму АО. Значения от 0 до n-1
• l=0 – подуровень s , форма орбитали сферическая
• l=1 – подуровень p , объёмная форма орбитали
• l=2 – подуровень d , более сложная форма орбитали
• l=3 – подуровень f , более сложная форма орбитали
• Номер э.у. соответствует к-ву подуровней на данном энергетическом уровне

Квантовые числа

• m 1 – магнитное орбитальное квантовое число
• соответствует распределению АО в пространстве около ядра
• Определяет количество АО
• Принимает значения -1, 0, +1

Квантовые числа

• m s – магнитное спиновое квантовое число характеризует чисто квантовое свойство электрона
• Это собственный момент импульса электрона
• Абсолютное значение спина = ½
• Проекция спина на ось может иметь лишь два значения: m s =+1/2; m s =-1/2

Принципы заполнения электронных оболочек

• Принцип минимальной энергии:

• принцип Паули правило Хунда правило Клечковского
• принцип Паули
• правило Хунда
• правило Клечковского

Несоблюдение принципа Паули

• При несоблюдении принципа Паули на АО в атоме были бы электроны с одинаковыми значениями всех квантовых чисел, т.е. в ячейки могут попасть электроны с параллельными спинами

Несоблюдение правила Хунда

• При несоблюдении правила Хунда суммарный спин не будет максимальным, а это соответствует большему значению энергии атома. Такое состояние считается неустойчивым, что соответствует возбуждённому состоянию атома

Правило Клечковского

• Заполнение электронами орбиталей в атоме происходит в порядке возрастания суммы главного и орбитального квантовых чисел n + l . При одинаковой сумме раньше заполняется орбиталь с меньшим значением n .

Электронные семейства

• s -элементы, если заполняется s -подуровень
• p -элементы, если заполняется p -подуровень
• d -элементы, если заполняется d -подуровень
• f -элементы, если заполняется f -подуровень

Электронная формула

• Электронная формула атома химического элемента показывает как распределяются электроны в атоме, учитывая их характеистику квантовыми числами
• 109 Mt мейтнерий 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 10 4p 6 5s 2 4d 10 5p 6 6s 2 4f 14 5d 10 6p 6 7s 2 5f 14 6d 7

Электронная формула

« Провал » электрона

• В атомах некоторых элементов электрон с s -подуровня внешнео энергетического уровня переходит на d -подуровень предвнешнего энергетического уровня. Идёт выигрыш в энергии. Атом считается симметричным, т.е. либо большинство электронов становятся неспаренными либо спаренными

Задание

• Составить электронные и электронно-графические формулы элемента:

I вариант

№ 15; 40

II вариант

III вариант

№ 20; 35

№ 12; 28

• Определить элемент:

I вариант

4s 2 3d 6

II вариант

III вариант

4s 2 4p 3

5s 2 4d 1

Вопросы

• Назвать химический элемент и написать электронную формулу

• I вариант

• II вариант





4

4







d

d

5

5





• III вариант

s

s

?

?

E

E









4

d

5



s

?

E

Спасибо за внимание!