2.1. Строение атома

Атом - реальная, устойчивая, электронейтральная частица размером порядка 10^-8 см. Это самая малая частица, сохраняющая свойства элемента. Атом состоит из положительно заряженного ядра, в котором сосредоточена его основная масса, и движущихся вокруг ядра электронов (относительный заряд каждого равен 1, а масса пренебрежимо мала). Ядро образовано нуклонами: нейтронами (не имеют заряда) и протонами (относительный заряд равен +1), т.е заряд ядра равен числу протонов. Общее количество нейтронов и протонов в ядре атома называют массовым числом атома (ядра), которое примерно выражает его массу, т.к. массы нейтрона и протона примерно равны и составляют 1 а.е.м. Число протонов в ядре равно числу электронов в атоме (число нейтронов в ядре можно рассчитать как разность между атомной массой и зарядом ядра атома). Заряд ядра (вместе со структурой электронной оболочки) определяет природу химического элемента.

Разное количество нейтронов в ядре при одинаковом количестве протонов приводит к существованию разновидностей атомов одного и того же элемента, отличающихся по массе и называемых изотопами.

Электрон, как микрочастица, обладает одновременно свойствами частицы и волны (корпускулярно-волновой дуализм), а его движение описывается волновыми законами. Вследствие этого утрачивают смысл понятия “траектория движения” и “точное положение” электрона в атомном пространстве. Можно говорить лишь о “вероятности нахождения” электрона в пределах определенной области пространства. Область с максимальной вероятностью нахождения электрона (более 90 %) называют атомной орбиталью. Энергии атомных орбиталей строго определены и могут принимать только конкретные значения.

Движение электрона относительно ядра в трехмерном пространстве однозначно описывается набором квантовых чисел.

Главное квантовое число, n, характеризует размер атомной орбитали или энергию электрона в зависимости от расстояния от ядра и может принимать положительные целочисленные значения от 1 до . С увеличением значения n энергия электрона возрастает. Состояние электрона, отвечающее определенному значению n, называют энергетическим уровнем или квантовым слоем.

Орбитальное (побочное) квантовое число, l, определяет форму атомной орбитали. Электроны одного уровня в зависимости от нее несколько отличаются по энергии. Электроны с одинаковой формой орбитали образуют подуровень. Следовательно, число l характеризует энергию подуровня. При данном n число l может принимать целочисленные значения от 0 до (n1). Таким образом, общее число подуровней в квантовом слое равно значению его n. Соответствующие значения l обозначают строчными буквами латинского алфавита: s (l = 0), p (l = 1), d (l = 2), f (l = 3). Чем выше значение l, тем выше энергия подуровня. Согласно квантовомеханическим расчетам, s-орбиталь имеет форму шара (сферы), p-орбиталь - гантели, d- и f-орбитали - более сложные формы.

Магнитное квантовое число, m_l, определяет возможные ориентации орбиталей в пространстве (или общее количество орбиталей одного вида в квантовом слое). При данном l квантовое число m_l принимает целочисленные значения от l до +l, включая 0. Так, для l = 0 (s) m_l имеет только одно значение, 0, т.е. s-орбиталь ориентирована в пространстве относительно ядра единственным способом. Для l = 1 (p) m_l принимает три значения (1, 0, +1), что указывает на три различные ориентации р-орбитали (p_x, p_y, p_z - вдоль каждой из осей декартовой системы координат). Количество орбиталей данной формы можно определить по формуле 2l+1. Следовательно, s-орбиталь на конкретном уровне может быть только одна, р-орбиталей - три, d-орбиталей - пять, f-орбиталей - семь.

Для согласования квантовомеханических расчетов с теорией относительности требовалось введение еще одной переменной, характеризующей электрон. Так было введено четвертое квантовое число - спиновое квантовое число (спин, m_s или s), которое может иметь только два значения: +1/2 и 1/2. Иногда эти значения спина приписывают двум возможным направлениям вращения электрона вокруг своей оси, хотя, учитывая двойственную природу электрона, очевидно, что в трехмерном пространстве спин не может иметь никакого наглядного образа.

Характеристики электронов, входящих в состав одного атома, соответствуют принципу Паули - в атоме не может быть двух одинаковых электронов (имеющих одинаковый набор четырех квантовых чисел).

С учетом принципа Паули, два электрона, находящиеся на одной орбитали (l₁ = l₂) одного уровня (n₁ = n₂), однозначно ориентированной в пространстве (m_l1 = m_l2), обязаны отличаться своими спинами (максималь-ное число электронов в квантовом слое определяется формулой 2n²).

Распределение электронов по энергетическим уровням и подуровням многоэлектронной атомной системы происходит в соответствии с принципом минимума энергии: наиболее устойчиво то состояние системы, в котором она обладает минимальной энергией.

Таким образом, создавая электронную структуру атома элемента, необходимо иметь в виду несколько основных правил.

1. Cначала заполняется электронами 1-й квантовый слой, затем 2-й и т.д. В пределах одного квантового слоя сначала заполняется s-орбиталь, затем р-орбитали и т.д.

2. С увеличением номера квантового слоя “энергетический зазор” между соседними слоями сужается, тогда как “энергетическая зона” каждого слоя за счет увеличения числа подуровней, наоборот, расширяется.

В результате “энергетические зоны” соседних слоев, начиная с 3-его уровня, частично перекрывают друг друга: высшие подуровни (d, f) предшествующего cлоя оказываются выше по энергии, чем низшие подуровни (s) предыдущего.

Для предсказания последовательности заполнения орбиталей удобно пользоваться правилами Клечковского:

1) орбитали заполняются в последовательности увеличения суммы главного и орбитального квантовых чисел (n+l );