Занятие 2

Атом - не имеющая заряда частица.

Все атомы состоят из ядра и электронной оболочки.

Ядра атомов любого элемента, кроме атомов одного из изотопов водорода с относительной атомной массой равной единице, построены из элементарных частиц, называемых протонами и нейтронами. Электроны, населяющие электронные оболочки, - это тоже элементарные частицы.

Массы отдельно взятых как протона, так и нейтрона равны
1 а.е.м. (с точностью до тысячных долей). Относительная атомная масса элемента равна сумме числа протонов и числа нейтронов (эту сумму называют массовым числом атома и обозначают буквой A) только приблизительно.

При объединении протонов и нейтронов часть их массы превращается в энергию связи ядра, именно поэтому относительная атомная масса некоторых элементов, например, кислорода или натрия, меньше суммы масс протонов и нейтронов.

Масса электрона намного меньше масс протона и нейтрона, поэтому часто она считается равной нулю.

Масса атома заключена в его ядре.

Электронная оболочка создаёт объём атома.

Электроны и протоны имеют заряды, противоположные друг другу. Нейтроны заряда не имеют. Заряд электрона принят равным -1. Заряд протона равен +1.

Заряд ядра атома - это количество протонов в ядре атома (Z). Все атомы одного и того же элемента имеют одинаковый заряд ядра.

Разновидности атомов, имеющие одинаковый заряд ядра, но разную массу (разное число нейтронов), называются изотопами. Изотопы бывают стабильными и радиоактивными.

Процентное содержание изотопов в природе различно, например, у кислорода есть три стабильных изотопа, их содержание (по массе):

кислород-16 - 99,759 %;
кислород-17 - 0,037 %;
кислород-18 - 0,204 %.

Электронные оболочки атомов всех элементов, за исключением водорода и гелия, имеют несколько слоев. На этих слоях расположены электроны в виде электронных облаков разной формы.

Форма электронного облака зависит от того, какую орбиталь заселяет электрон. Орбиталь - это возможность для электрона существовать именно в этом атоме и именно в такой форме. (Можно сказать, что орбиталь - это «сосуд», который может быть «наполнен» электроном.)

На всех электронных слоях (иногда их ещё называют уровнями) существуют сферические s-орбитали с центром в начале координат (там, где расположено ядро).

Начиная со второго уровня, появляются перпендикулярные друг другу p-орбитали. Их три, каждая из них состоит из двух частей, они расположены вдоль осей декартовой системы координат. Энергии всех трёх p-орбиталей, находящихся на одном уровне, одинаковы.

В отличие от равномерно распределённого вокруг ядра электрона, «живущего» на s-орбитали, на p-орбитали электрон формально находится или «сверху и снизу», или «справа и слева», или «спереди и сзади». Поскольку по энергии p-орбитали одинаковы, то электроны, если имеют такую возможность, для сохранения симметрии заселяют их по одному.

Помимо s- и p-орбиталей, на более удалённых от ядра слоях существуют более сложно устроенные d- и f-орбитали. Орбитали объединяются в s-, p-, d- и f-подуровни, которые различаются между собой по энергии: чем сложнее форма орбитали, тем больше её энергия.

В атоме не бывает двух одинаковых электронов - все электроны различаются положением в пространстве (нахождением на определённой орбитали) и особым собственным свойством электрона (которое может быть только «так» или «не так», «влево» или «вправо», т.е. может проявляться только двумя способами; на некоторых схемах строения атомов его отображают стрелками вверх и вниз). На одной орбитали могут находиться не более двух электронов. Поэтому на одном слое не может быть больше двух s-электронов (можно создать только одну сферу данного радиуса с центром в начале координат) и шести p-электронов. Внешний электронный слой, на котором содержится 8 электронов (2 и 6), называется завершённым. Если атомов на внешнем слое меньше восьми, то этот слой незавершённый.

Электроны в атоме заполняют орбитали последовательно, с самых нижних слоёв, так, чтобы их суммарная энергия была минимальной. Такое состояние атома называют основным. В возбуждённом состоянии атома часть электронов повышает свою энергию, переходя на более сложные орбитали в пределах одного уровня. Эта затрата энергии компенсируется энергией, выделяющейся при образовании химической связи.

Чем дальше от ядра электронный слой, тем больше энергия составляющих его орбиталей. Но есть исключения: s-орбиталь 4, 5, 6 и 7-го слоёв оказывается меньше по энергии, чем сложные по форме d- и f-орбитали предвнешнего слоя и заполняется раньше них.

В химических реакциях принимают участие электроны, называемые валентными. Для первых 20 элементов это электроны, расположенные на внешнем электронном слое. С увеличением порядкового номера элемента число валентных электронов периодически повторяется, что приводит к периодическому повторению свойств элементов и образованных ими веществ.