Давайце разгледзім, як пабудаваны атам. Улічвайце, што гаворка будзе весціся выключна пра мадэлі. На практыцы атамы ўяўляюць сабой значна больш складаную структуру. Але дзякуючы сучасным распрацовак мы маем магчымасць тлумачыць і нават паспяхова прадказваць ўласцівасці хімічных элементаў (няхай нават і не ўсе). Такім чынам, якая схема будовы атама? З чаго ён «зробленыя»?
Планетарная мадэль атама
Упершыню была прапанаваная дацкім фізікам Н. Борам ў 1913 годзе. Гэта першая тэорыя будовы атама, заснаваная на навуковых фактах. Да таго ж яна паклала аснову сучаснай тэматычнай тэрміналогіі. У ёй электроны-часціцы вырабляюць круцільныя руху вакол атама па такім жа прынцыпе, як планеты вакол Сонца. Бор выказаў здагадку, што яны могуць існаваць выключна на арбітах, якія знаходзяцца на строга вызначанай адлегласці ад ядра. Чаму менавіта так, навуковец з пазіцыі навукі не змог растлумачыць, але такая мадэль потдтверждалась шматлікімі эксперыментамі. Для абазначэння арбіт выкарыстоўваліся цэлыя лікі, пачынаючы з адзінкі, якой нумараваць, самая блізкая да ядра. Усе гэтыя арбіты таксама называюць ўзроўнямі. У атама вадароду толькі адзін узровень, на якім круціцца адзін электрон. Але складаныя атамы маюць яшчэ ўзроўні. Яны дзеляцца на складнікі, якія аб'ядноўваюць блізкія па энергетычным патэнцыялу электроны. Так, другі ўжо мае два подуровней - 2s і 2р. Трэці мае ўжо тры - 3s, 3р і 3d. І гэтак далей. Спачатку «засяляюцца» больш блізкія да ядра подуровней, а потым далёкія. На кожным з іх можа быць размешчана толькі пэўную колькасць электронаў. Але гэта яшчэ не канец. Кожны падузровень дзеліцца на арбіталь. Давайце правядзем параўнанне з звычайным жыццём. Электроннае воблака атама параўнальна з горадам. Ўзроўні - гэта вуліцы. Падузровень - прыватны дом або кватэра. Арбіталей - пакой. У кожнай з іх «пражывае» адзін ці два электрона. Усе яны маюць канкрэтныя адрасы. Вось такой была першая схема будовы атама. А напрыканцы пра адрасы электронаў: яны вызначаюцца наборамі лікаў, якія называюць «квантавымі».
Хвалевая мадэль атама
Але з часам планетарная мадэль падвергнулася перагляду. Была прапанавана другая тэорыя будовы атама. Яна больш дасканалая і дазваляе растлумачыць вынікі практычных эксперыментаў. На змену першай прыйшла хвалевая мадэль атама, якую прапануе Э. Шредингер. Тады ўжо было ўстаноўлена, што электрон можа праяўляць сябе не толькі ў якасці часціцы, але і як хваля. А што зрабіў Шредингер? Ён ужыў раўнанне, якое апісвае рух хвалі ў трохмернай прасторы. Такім чынам можна знайсці не траекторыю руху электрона ў атаме, а верагоднасць яго выяўлення ў пэўнай кропцы. Аб'ядноўвае абедзве тэорыі тое, што элементарныя часціцы знаходзяцца на канкрэтных узроўнях, подуровней і арбіталей. На гэтым падобнасць мадэляў сканчаецца. Прывяду адзін прыклад - у хвалевай тэорыі арбіталей называецца вобласць, дзе можна будзе знайсці электрон з верагоднасцю ў 95%. На ўсё астатняе прастору прыпадае 5% .Але ў канчатковым выніку атрымалася, што асаблівасці будовы атамаў адлюстроўваюцца з выкарыстанне хвалевай мадэлі, пры тым, што выкарыстоўваецца тэрміналогія выкарыстоўваецца агульная.
Паняцце верагоднасці ў дадзеным выпадку
Чаму быў выкарыстаны гэты тэрмін? Гейзенбергам ў 1927 годзе быў сфармуляваны прынцып нявызначанасці, які зараз выкарыстоўваецца, каб апісваць рух мікрачасцін. Ён заснаваны на іх фундаментальным адрозненні ад звычайных фізічных тэл. У чым яно заключаецца? Класічная механіка меркавала, што чалавек можа назіраць з'явы, не ўплываючы на іх (назіранне за нябеснымі целамі). На аснове атрыманых дадзеных можна разлічыць, дзе аб'ект будзе ў пэўны момант часу. Але ў мікрасвеце справы неабходна ідуць па-іншаму. Так, да прыкладу, назіраць за электронам, не ўплываючы на яго, зараз не ўяўляецца магчымым з прычыны таго, што энергіі інструмента і часціцы несупаставімыя. Гэта прыводзіць да таго, што змяняецца яго месцазнаходжанне элементарнай часціцы, стан, кірунак, хуткасць руху і іншыя параметры. І бессэнсоўна казаць аб дакладных характарыстыках. Сам прынцып нявызначанасці кажа нам пра тое, што немагчыма вылічыць дакладную траекторыю палёту электрона вакол ядра. Можна толькі паказаць верагоднасць знаходжання часціцы ў пэўным участку прасторы. Вось такую асаблівасць мае будова атама хімічных элементаў. Але гэта варта ўлічваць выключна навукоўцам у практычных эксперыментах.
склад атама
Але давайце сканцэнтруемся на ўсім аб'екце разгляду. Такім чынам, акрамя нядрэнна разгледжанай электроннай абалонкі, другі складнікам атама з'яўляецца ядро. Яно складаецца з пазітыўна зараджаных пратонаў і нейтральных нейтронаў. Усе мы знаёмыя з табліцай Мендзялеева. Нумар кожнага элемента адпавядае колькасці пратонаў, што ў ім ёсць. Колькасць нейтронаў складае розніцы паміж масай атама і яе колькасцю пратонаў. Могуць і быць адхіленні ад гэтага правіла. Тады кажуць пра тое, што прысутнічае ізатоп элемента. Схема будовы атама такая, што яго «акружае» электронная абалонка. Лік электронаў звычайна раўняецца колькасці пратонаў. Маса апошняга прыкладна ў 1840 разоў больш, чым у першага, і прыкладна роўная вазе нейтрона. Радыус ядра складае каля 1/200000 дыяметра атама. Сам ён мае сферычную форму. Такое, увогуле, будова атама хімічных элементаў. Нягледзячы на адрозненне ў масе і ўласцівасцях, выглядаюць яны прыкладна аднолькава.
арбіты
Кажучы пра тое, што такое схема будынка атама, нельга змаўчаць пра іх. Такім чынам, ёсць такія віды:
- s. Маюць сферычную форму.
- p. З'яўляюцца падобнымі на аб'ёмныя васьмёркі або верацяно.
- d і f. Маюць складаную форму, якая з цяжкасцю апісваецца фармальным мовай.
Электрон кожнага тыпу можна з верагоднасцю ў 95% знайсці на тэрыторыі адпаведнай арбіталь. Да прадстаўленай інфармацыі неабходна ставіцца спакойна, паколькі гэта, хутчэй, абстрактная матэматычная мадэль, чым фізічнае рэальнае становішча спраў. Але пры ўсім гэтым яна валодае добрай предсказательной сілай адносна хімічных уласцівасцяў атамаў і нават малекул. Чым далей ад ядра размешчаны ўзровень, тым больш электронаў можна на ім размясціць. Так, колькасць арбіталей можна падлічыць з дапамогай адмысловай формулы: х 2. Тут х роўна колькасці узроўняў. А паколькі на арбіталь можна размясціць да двух электронаў, то ў канчатковым выніку формула іх колькаснага пошуку будзе выглядаць наступным чынам: 2х 2.
Арбіты: тэхнічныя дадзеныя
Калі казаць пра будынак атама фтору, то ён будзе мець тры арбіталь. Усе яны будуць запоўненыя. Энергія арбіталей ў рамках аднаго подуровней аднолькавая. Каб іх пазначыць, дадаюць нумар пласта: 2s, 4p, 6d. Вяртаемся да размовы пра будынак атама фтору. У яго будзе два s- і адзін p-падузровень. У яго дзевяць пратонаў і столькі ж электронаў. Спачатку адзін s-ўзровень. Гэта два электрона. Потым другі s-ўзровень. Яшчэ два электрона. І 5 запаўняюць p-ўзровень. Вось такое ў яго будынак. Пасля прачытання наступнага падзагалоўку можна ўласнаручна прарабіць неабходныя дзеянні і пераканацца ў гэтым. Калі казаць пра фізічныя ўласцівасці галагенаў, да якіх адносіцца і фтор, то варта адзначыць, што яны, хоць і ў адной групе, цалкам адрозніваюцца па сваіх характарыстыках. Так, іх тэмпература кіпення вагаецца ад -188 да 309 градусаў Цэльсія. Дык чаму іх аб'ядналі? Усё дзякуючы хімічным уласцівасцям. Усе галагены, а ў найбольшай ступені фтор валодаюць высокай акісляльнай здольнасцю. Яны рэагуюць з металамі і без праблем могуць самастойна запальвацца пры пакаёвай тэмпературы.
Як запаўняюцца арбіты?
Па якіх правілах і прынцыпам размяшчаюцца электроны? Прапануем азнаёміцца з трыма асноўнымі, фармулёўка якіх была спрошчаная для лепшага разумення:
- Прынцып найменшай энергіі. Электронам ўласціва запаўняць арбіталь ў парадку павелічэння іх энергіі.
- Прынцып Паўлі. На адной арбіталь не можа размяшчацца больш за два электронаў.
- Правіла Хунда. У межах аднаго подуровней электроны запаўняюць спачатку свабодныя арбіталь, і толькі потым ўтвараюць пары.
У справе запаўнення дапаможа перыядычная сістэма Мендзялеева, і будова атама ў такім выпадку стане больш зразумелым у плане малюнка. Таму пры практычнай працы з пабудовай схем элементаў, неабходна трымаць яе пад рукой.
прыклад
Для таго, каб абагульніць усё сказанае ў межах артыкула, можна скласці ўзор, як жа размяркоўваюцца электроны атама па сваіх ўзроўнях, подуровней і арбіталей (гэта значыць, які з'яўляецца канфігурацыя узроўняў). Ён можа быць намаляваны як формула, энергетычная дыяграмы або як схема слаёў. Тут прысутнічаюць вельмі добрыя ілюстрацыі, якія пры ўважлівым разглядзе дапамагаюць зразумець структуру атама. Так, спачатку запаўняецца першы ўзровень. У ім маецца толькі адзін падузровень, у якім толькі адна арбіталей. Усе ўзроўні запаўняюцца паслядоўна, пачынаючы з меншага. Спачатку ў рамках аднаго подуровней па адным электронных размяшчаецца на кожнай арбіталь. Потым ствараюцца пары. І пры наяўнасці свабодных адбываецца пераключэнне на іншы суб'ект запаўнення. А зараз можна самастойна даведацца, якое будынак атама азоту або фтору (які разглядаўся раней). Першапачаткова можа быць крыху складана, але можна арыентавацца па малюначках. Давайце для яснасці разгледзім і будова атама азоту. Ён мае 7 пратонаў (разам з нейтронах складнікаў ядро) і столькі ж электронаў (якія складаюць электронную абалонку). Спачатку запаўняецца першы s-ўзровень. На ім 2 электрона. Потым ідзе другі s-ўзровень. На ёй таксама 2 электрона. І тры астатніх размяшчаюцца на p-узроўні, дзе кожны з іх займае па адной арбіталь.
заключэнне
Як бачыце, будова атама - не такая складаная тэма (калі падыходзіць да яе з пазіцыі школьнага курсу хіміі, вядома). І зразумець дадзеную тэму не складае працы. Напрыканцы хочацца паведаміць пра некаторыя асаблівасці. Да прыкладу, кажучы пра будынак атама кіслароду, мы ведаем, што ён мае восем пратонаў, і 8-10 нейтронаў. І так як усё ў прыродзе імкнецца да раўнавагі, два атама кіслароду ўтвараюць малекулу, дзе два няпарных электрона ўтвараюць кавалентным сувязь. Падобным жа чынам утворыцца іншая стойкая малекула кіслароду - азон (O 3). Ведаючы будова атама кіслароду, можна правільна складаць формулы акісляльных рэакцый, у якіх удзельнічае самае распаўсюджанае на Зямлі рэчыва.