Изображение электронной структуры атомов при помощи электронных формул и квантовых ячеек.
Электронную структуру любого атома изображают электронными формулами. В
электронных формулах квантовый электронный уровень обозначают численным
значением главного квантового числа n, подуровень записывают буквенным
обозначением соответствующего подуровня, а число электронов на подуровне
указывают степенью, стоящей у обозначения подуровня. Например, 3d5
обозначает, что на d-подуровне 3-го квантового уровня находится пять
электронов. Электронная формула любого элемента состоит из полного набора
таких фрагментов, как указано в примере. Так, электронная формула атома
титана /№22/ имеет вид: 1s22s22p63s23p64s23d2. Cумма всех степеней равна
22, это значит, что атом титана, имея заряд ядра +22, содержит на
электронной оболочке 22 электрона, которые своим суммарным отрицательным
зарядом (–22) компенсируют положительный заряд ядра атома, делая атом
сложной электронейтральной системой.
Электронные формулы удобнее составлять после рассмотрения структуры
периодической системы элементов Д.И.Менделеева. Забегая вперед и
основываясь на знаниях, полученных в средней школе, представим
периодическую систему элементов в виде электронных формул. (рис.2.10.) О
написании электронных формул конкретного элемента, находящегося в
периодической системе, вернемся позже и рассмотрим алгоритм по которому
легко научиться писать электронную формулу любого элемента. Во-вторых,
структуру электронной оболочки атома изображают при помощи квантовых ячеек.
I 1s2
II 2s2 2p6
III 3s2 3p6
IV 4s2 3d10 4p6
V 5s2 4d10 5p6
VI 6s2 5d1 4f14 5d9 6p6
VII 7s2 6d1 5f14 6d9
7p6
рис.2.10.
Квантовыми ячейками мы уже пользовались хотя и не вводили понятие
“квантовая ячейка”. Квантовая ячейка – это не что иное как графическое
изображение орбитали. Ее показывают клеточкой, а электроны на
орбитали изображают стрелкой, стоящей в клеточке. Для s-подуровня
отведена одна клеточка, так как s-подуровень имеет только одну орбиталь.
Для р-подуровня выделено три ячейки ибо р-подуровень содержит три р-
орбитали. d-подуровень изображают пятью ячейками, а f-подуровень – семью
ячейками.
Электронная структура атома титана, для которого мы уже писали
электронную формулу, изображенная при помощи квантовых ячеек, выглядит так:
| | | | | |
| | | | | | |4p |
| |3d | |
|4s | | | | |
| |3p | |
|3s | | | | |
| | 2p |
|2s | |
| | |
|1s | |
Индивидуальность каждого химического элемента.
«Удостоверением личности» химического элемента можно назвать его
электронную формулу. Глядя на нее химик скажет очень многое об
индивидуальности данного «химического персонажа».
Мы уже знаем, что универсальной характеристикой элемента является
положительный заряд ядра атома, а если смотреть еще глубже, то число
положительно заряженных элементарных частиц – протонов. Увеличение их
количества приводит к скачкообразному изменению свойств. Начинает
действовать универсальный закон природы – закон перехода количества в
качество. Однако на изменение качественное показателей элемента влияет не
только число протонов, но и число нейтронов в ядре. Как уже было отмечено,
элементы, имеющие одинаковое число протонов в ядре но разное количество
нейтронов, названы изотопами. У каждого элемента свое число изотопов: у
одного – больше, у другого – меньше. Когда в таблице Д.И. Менделеева
указывают атомную массу элемента дробным числом, то это не значит, что в
ядре имеется дробное число элементарных частиц, в этом случае взята средняя
атомная масса всех изотопов данного элемента с учетом их количественного
содержания в природе. Но если в точных экспериментах будем пользоваться его
такой «усредненной» атомной массой, то это будет не совсем корректно, ибо
за «усреднением» теряет свою индивидуальность данный изотоп, особенно, если
изотоп радиоактивный.
На практике еще больше отклоняются от истинного значения, когда
пользуются не атомной массой, а массовым числом «А», т.е. целым число,
самым близким к атомной массе. Может быть, при рассмотрении индивидуальных
особенностей элемента лучше брать атомную массу того изотопа, которого в
процентном соотношении в природе больше, или того, который самый устойчивый
/или неустойчивый/, если речь идет о радиоактивных элементах.
Как видим, закон перехода количества в качество для химических
элементов реализуется по двум направлениям: по протонному и по нейтронному.
По протонному: появление в ядре очередного протона скачкообразно приводит к
новому элементу, а по нейтронному: расширяет качество данного элемента
вплоть до появления радиоактивности. Это видно на примере водорода. Если к
ядру водорода добавляется протон, то это уже отрицает все качества водорода
как элемента /данного индивидуума/ и переводит его в новый элемент – гелий
/т.е. в новый индивидуум/. Добавление нейтрона не отрицает самого элемента
водорода, а расширяет границы его качества, образуя изотоп водорода 21Н
/названный дейтерием 21Д / и далее изотоп 31Н /названный тритием 31Т/. С
увеличением числа нейтронов элемент приобретает дополнительные признаки, в
данном случае – радиоактивность.
Проявление отдельными изотопами радиоактивных свойств сообщает таким
элементам особую индивидуальность, можно сказать опасную индивидуальность,
если рассматривать элементы с экологических позиций.
.
При определении индивидуальности химического элемента необходимо прежде
всего условиться, для какой цели эта характеристика будет применяться.
Потому что одно дело атомарное состояние химического элемента, а другое –
то реальное состояние простого вещества, в котором данный элемент
находиться в обычных условиях, т.е. в его стандартном состоянии. Если в
современной периодической системе Д.И.Менделеева находиться 104–105
элементов, то число простых веществ возрастает до величины 250. И у каждого
простого вещества своя специфическая индивидуальность.
Химические свойства элемента, его «химическая индивидуальность»
определяется тремя его характеристиками: размером атома, энергией ионизации
и сродством к электрону. Но как оценить размеры атома? Какую величину брать
за радиус атома? Толи расстояние от ядра до максимума электронной плотности
/одно значение/, или расстояние от ядра до граничной поверхности, в которой
содержится 95% электронного облака /это уже другое значение/, а может
размеры атома определять как полу расстояние между центрами двух одинаковых
атомов в простой молекуле или в кристаллической решетке. /Это уже третье
значение/. Чтобы результат был корректным, для сравнения и для обоснования
какой-либо закономерности всегда необходимо брать величины, полученные
одним и тем же методом.