Схема атомов: Строение электронных оболочек атомов (8 класс, химия) – схема, состояние в таблице
Схема атомов: Строение электронных оболочек атомов (8 класс, химия) – схема, состояние в таблице
Содержание
Атом
Атом
Atom
Атом – наименьшая
составная часть вещества, сохраняющая его химические свойства. Атом состоит
из тяжелого положительно заряженного ядра, имеющего размер ~10–13 см и электронов, образующих электронные оболочки атома. Размеры атомов определяются
размерами их электронных оболочек и составляют ~10–8 см. В обычных
условиях атомы электронейтральны — число электронов в атоме равно числу
протонов в атомном ядре. Заряд ядра определяет порядковый номер атома в
Периодической системе элементов Д.И. Менделеева. Так как масса электрона
в ~2000 раз меньше массы протона или нейтрона, масса атома примерно равна
сумме масс нейтронов и протонов, образующих атомное ядро. Простейшим атомом
является атом водорода, состоящий из одного протона и одного электрона.
При одном и том же числе протонов в ядре, оно может содержать различное
число нейтронов. Такие ядра называются изотопами.
Однако различие в числе
нейтронов в ядре практически не сказывается на химических свойствах атомов.
Для атомов, содержащих несколько электронов необходимо наряду с кулоновским
взаимодействием электронов с ядром учитывать также взаимодействие электронов
между собой. Для описания состояний отдельных электронов в атоме используется
приближение самосогласованного поля, при котором считается, что каждый электрон
находится в центрально симметричном потенциальном поле, обусловленном его
кулоновским взаимодействием с ядром и всеми другими электронами. Состояние электрона в атоме характеризуется значением его орбитального
момента L, определяемого квантовым числом l, L = ћ[l(l+1)]
1/2.
При данном значении l состояния нумеруются в порядке возрастания квантового
числа n, пробегающего значения l+1, l+2,… по мере возрастания энергии.
В нерелятивистском приближении уровни с заданными значениями n и l вырождены
по проекции орбитального момента, характеризуемой квантовым числом ml,
принимающей 2l+1 значение ±l, ±(l-1),. .., ±1, ±0 и проекции спинового
момента ms электрона, принимающей 2s+1 = 2 (s = 1/2) значения
ms = ±1/2. Таким образом, кратность вырождения N уровня с определенными
значениями квантовых чисел n и l равна N = (2s+1)(2l+1) = 2(2l+1). Совокупность
2(2l+1) состояний с данными n и l образует
электронную оболочку.
Согласно принципу Паули в каждом из этих состояний может находиться один
электрон. Если все состояния электронной оболочки заняты электронами, оболочка
называется замкнутой. Замкнутая s оболочка (l=0) содержит 2 электрона
N = (2s+1)(2l+1) = (2·(1/2)+1)(2·0+1) = 2.
Замкнутая р оболочка (l=1) содержит 6 электронов
N = (2s+1)(2l+1) = (2·(1/2+1)(2·1+1) = 6.
Замкнутая d оболочка содержит 10 электронов. Все электроны с заданным квантовым числом n образуют электронный
слой, содержащий 2n
2 электронов. Слои с n = 1, 2, 3,… называют
в соответствии с принятой для рентгеновских спектров терминологией K, L,
M, N-слоями. Максимальное число электронов в K, L, M, N-слоях приведено
в таблице.
Максимальное число электронов K, L, M, N-слоях
K-слой
L-слой
M-слой
N-слой
n = 1
n = 2
n = 3
n = 4
l = 0
l = 0, 1
l = 0, 1, 2
l = 0, 1, 2, 3
2 электрона
2 + 6 = 8 электронов
2 + 6 + 10 = 18 электронов
2 + 6 + 10 + 14 = 32 электрона
Наиболее близко к ядру расположен К-слой, затем L-слой и т.д. При заданном
значении n сначала заполняются состояния с l = 0, затем l = 1, l = 2 и т.
д. Последовательное заполнение электронных слоев объясняет Периодический
закон элементов, открытый Д.И. Менделеевым. Периоды в Периодической системе
Д.И. Менделеева соответствуют последовательному заполнению оболочек. Для
элементов 1 периода происходит заполнение оболочки 1s. Для элементов 2 и
3 периодов — заполнение оболочек 2s, 2p, 3s, 3p, 3d. Однако по мере увеличения
числа электронов (заряда ядра Z) такой порядок заполнения нарушается из-за
конкуренции близких по энергии связи электронов. Справедливо следующее правило:
чем меньше l, тем сильнее волновая функция проникает в область, экранируемую
облаком внутренних электронов. В результате этого при заданном значении
n энергия электронов возрастает с увеличением l (рис.).
Например, электроны 4s оказываются сильнее связаны, чем электроны
3d. В основе последовательности заполнения электронных оболочек многоэлектронных
атомов лежит правило Маделунга.
Правило Маделунга.
Из двух оболочек ниже по энергии располагается та, для которой
величина n = l оказывается наименьшей. Если для двух оболочек
значения сумм n = l совпадают, то ниже по энергии лежит оболочка
с меньшим значением n.
Рис. Относительное расположение электронных оболочек атомов
(не в масштабе). Справа указан заряд Z ядра атома, с которого
начинается заполнение указанной подоболочки.
Распределение электронов в атоме по оболочкам определяет
его электронную конфигурацию. Так, например, электронная конфигурация атома 27Al, имеющего 13 электронов, записывается в виде 1s2 2s2 2p6 3s2 3p1. Последовательно
выписываются электронные оболочки, начиная от ближайшей к ядру. Верхний
индекс указывает число электронов на данной оболочке.
Последовательность
заполнения электронами различных атомных оболочек приведена в таблице П2
(Приложение). Для каждой электронной конфигурации можно построить определённое
количество термов (состояний), характеризующихся определёнными значениями
полного орбитального момента
полного спинового момента
и полного момента количества движения
всех электронов данного атома.
Электростатическое и спин-орбитальное взаимодействия электронов атома
приводят к тому, что терм расщепляется на несколько состояний – мультиплет,
число компонентов которого определяется числом возможных ориентаций векторов
и
в пространстве,
т.е. числом возможных значений квантового числа j.
Состояния атома с различными значениями L обозначаются заглавными
буквами латинского алфавита:
L =
0
1
2
3
4
5
S
P
D
F
G
H
Сверху слева от этого символа указывается величина 2s+1, а справа внизу
значение полного момента J.
Символ 4p5/2 соответствует
состоянию атома с L = 1, S = 3/2, J = 5/2. Конкуренция спин-орбитального и электростатического взаимодействий
определяет порядок сложения орбитальных и спиновых моментов. В том случае,
когда электростатическое взаимодействие много больше спин-орбитального,
орбитальные моменты отдельных электронов складываются в полный орбитальный
момент L. Спиновые моменты отдельных электронов складываются в полный спиновый
момент S.
=
+
.
Такая схема связи называется L–S связью. В основном она реализуется для
основных состояний лёгких ядер. В случае, когда спин-орбитальное взаимодействие много больше
электростатического, полные моменты отдельных электронов объединяются в
полный момент атома
.
Такая схема связи называется j–j связью и реализуется в основном в тяжелых
ядрах.
Для определения основного терма данной конфигурации используют
эмпирические правила Хундта.
Ниже по энергии лежит терм, у которого мультиплетность является максимальной.
При равенстве мультиплетностей нескольких термов минимальной энергией
обладает терм с максимальным значением суммарного орбитального момента
конфигурации.
Если атомная подоболочка заполнена менее, чем наполовину, наименьшую
энергию имеет состояние с минимальным значением J, если атомная оболочка
заполнена более, чем наполовину, то наименьшую энергию имеет состояние
с максимальным J.
Наряду с электронной конфигурацией, соответствующей
наибольшей энергии связи всех электронов атома, при возбуждении одного или
нескольких электронов образуются возбуждённые электронные конфигурации.
Переходы между различными термами атома образуют спектр возбуждённых состояний
атома.
Первичные процессы переработки нефти на НПЗ, ее фракционный состав и устройство ректификационных колонн
Нефть состоит из множества компонентов — фракций, — свойства, область применения и технологии переработки которых различны. Первичные процессы нефтеперерабатывающего производства позволяют выделить отдельные фракции, подготовив тем самым сырье для дальнейшего получения всем нам хорошо знакомых товарных продуктов — бензина, дизеля, керосина и многих других
Стабильность прежде всего
Прежде чем попасть на производство, нефть еще на промысле проходит первоначальную подготовку. При помощи газонефтяных сепараторов из нее удаляют наиболее легкие, газообразные составляющие. Это попутный нефтяной газ (ПНГ), состоящий преимущественно из метана, этана, пропана, бутана и изобутана, то есть из углеводородов, в молекулах которых содержится от одного до четырех атомов углерода (от Ch5 до C4h20). Этот процесс называется стабилизацией нефти — подразумевается, что после него нефть будет сохранять свой углеводородный состав и основные физико-химические свойства при транспортировке и хранении.
Объективно говоря, разгазирование пластовой нефти начинается еще в скважине по мере продвижения ее наверх: из-за падения давления в жидкости газ из нее постепенно выделяется. Таким образом, наверху приходится иметь дело уже с двухфазным потоком — нефть / попутный газ. Их совместное хранение и транспортировка оказываются экономически невыгодными и затруднительными с технологической точки зрения. Чтобы переместить двухфазный поток по трубопроводу, необходимо создать в нем условия постоянного перемешивания, чтобы газ не отделялся от нефти и не создавал в трубе газовые пробки. Все это требует дополнительных затрат. Намного проще оказывается пропустить газонефтяной поток через сепаратор и максимально отделить от нефти ПНГ. Получить абсолютно стабильную нефть, составляющие которой совсем не будут испаряться в атмосферу, практически невозможно. Некоторое количество газа все равно останется и будет извлечено в процессе нефтепереработки.
Кстати, сам попутный нефтяной газ — это ценное сырье, которое может использоваться для получения электроэнергии и тепла, а также в качестве сырья для нефтехимических производств. На газоперерабатывающих заводах из ПНГ получают технически чистые отдельные углеводороды и их смеси, сжиженные газы, серу.
Из истории дистилляции
Дистилляция, или перегонка, — процесс разделения жидкостей путем их испарения и последующей конденсации. Считается, что впервые этот процесс освоили в Древнем Египте, где он применялся при получении из кедровой смолы масла для бальзамирования тел умерших. Позднее смолокурением для получения кедрового масла занимались и римляне. Для этого горшок со смолой ставили на огонь и накрывали шерстяной материей, на которой собиралось масло.
Аристотель описал процесс дистилляции в своей работе «Метеорология», а также упоминал вино, пары которого могу вспыхнуть — косвенно подтверждение того, что его предварительно могли подвергнуть перегонке, чтобы повысить крепость. Из других источников известно, что вино перегоняли в III веке до н. э. в Древнем Риме, правда, не для получения бренди, а для изготовления краски.
Следующие упоминания дистилляции относятся к I веку н. э. и связаны с работами александрийских алхимиков. Позднее этот метод у греков переняли арабы, которые активно использовали его в своих опытах. Также достоверно известно, что дистилляцией алкоголя в XII веке занимались в Салернской врачебной школе. В те времена, впрочем, дистилляты спирта употреблялись не как напиток, а в качестве лекарства. В XIII веке флорентийский медик Тадео Альдеротти впервые осуществил фракционирование (разделение) смеси жидкостей. Первая книга, целиком и полностью посвященная вопросам дистилляции, была опубликована в 1500 году немецким врачом Иеронимом Бруншвигом.
Долгое время для перегонки применялись достаточно простые устройства — аламбик (медный сосуд с трубкой для отвода пара) и реторта (стеклянная кол-ба с узким и длинным наклонным носиком). Техника стала совершенствоваться в XV веке. Однако предшественники современных ректификационных колонн для перегонки нефти, в которых происходит теплообмен между противонаправленными потоками жидкости и пара, появились лишь в середине XIX века. Они позволили получать спирт крепостью 96% с высокой степенью очистки.
Также на месторождении от нефти отделяют воду и механические примеси. После этого она поступает в магистральный нефтепровод и отправляется на нефтеперерабатывающий завод (НПЗ). Прежде чем приступить к переработке, нефть необходимо очистить от содержащихся в ней солей (хлоридов и сульфатов натрия, кальция и магния), которые вызывают коррозию оборудования, оседают на стенках труб, загрязняют насосы и клапаны. Для этого используются электрообессоливающие установки (ЭЛОУ). Нефть смешивают с водой, в результате чего возникает эмульсия — микроскопические капельки воды в нефти, в которых растворяется соль. Получившуюся смесь подвергают воздействию электрического поля, из-за чего капли соленой воды сливаются друг с другом и затем отделяются от нефти.
Нефть представляет собой сложную смесь углеводородов и неуглеводородных соединений. С помощью первичной перегонки ее можно разделить только на части — дистилляты, содержащие менее сложную смесь. из-за сложного состава нефтяные фракции выкипают в определенных температурных интервалах.
Фракционный состав
Многие процессы на НПЗ требуют подогрева нефти или нефтепродуктов. Для этого используются трубчатые печи. Нагрев сырья до требуемой температуры происходит в змеевиках из труб диаметром 100–200 мм.
Нефть состоит из большого количества разных углеводородов. Их молекулы различаются массой, которая, в свою очередь, определяется количеством составляющих их атомов углерода и водорода. Чтобы получить тот или иной нефтепродукт, нужны вещества с совершенно определенными характеристиками, поэтому переработка нефти на НПЗ начинается с ее разделения на фракции.
Согласно исследованию нефтеперерабатывающих и нефтехимических производств, проведенному Американским нефтяным институтом, номенклатура нефтепродуктов, выпускаемых на современных НПЗ и имеющих индивидуальные спецификации, насчитывает более 2000 пунктов.
В одной фракции нефти могут содержаться молекулы разных углеводородов, но свойства большей части из них близки, а молекулярная масса варьируется в определенных пределах. Разделение фракций происходит путем перегонки нефти (дистилляции), основанной на том, что у разных углеводородов температура кипения различается: у более легких она ниже, у более тяжелых — выше.
Основные фракции нефти определяют по интервалам температур, при которой кипят входящие в них углеводороды: бензиновая фракция — 28—150°C, керосиновая фракция — 150—250°C, дизельная фракция, или газойль, — 250—360°C, мазут — выше 360°C. Например, при температуре 120°C большая часть бензина уже испарилась, но керосин и дизельное топливо находятся в жидком состоянии. Когда температура поднимается до 150°C, начинает кипеть и испаряться керосин, после 250°C — дизель.
Существует ряд специфических названий фракций, используемых в нефтепереработке. Так, например, головной пар — это наиболее легкие фракции нефти, полученные при первичной переработке. Их разделяют на газообразную составляющую и широкую бензиновую фракцию. Боковые погоны — это керосиновая фракция, легкий и тяжелый газойль.
От колонны к колонне
Ректификационная колонна
Ректификационная колонна — вертикальный цилиндр, внутри которого расположены специальные перегородки (тарелки или насадки). Пары нагретой нефти подаются в колонну и поднимаются вверх. Чем более легкие фракции испаряются, тем выше они поднимутся в колонне. Каждую тарелку, расположенную на определенной высоте, можно рассматривать как своего рода фильтр — в прошедших ее парах остается все меньшее количество тяжелых углеводородов. Часть паров, конденсировавшихся на определенной тарелке или не достигнув ее, стекает вниз. Эта жидкость, носящая название флегмы, встречается с поднимающимся паром, происходит теплообмен, в результате которого низкокипящие составляющие флегмы снова превращаются в пар и поднимаются вверх, а высококипящие составляющие пара конденсируются и стекают вниз с оставшейся флегмой. Таким образом удается достичь более точного разделения фракций. Чем выше ректификационная колонна и чем больше в ней тарелок, тем более узкие фракции можно получить. На современных НПЗ высота колонн превышает 50 м.
Простейшую атмосферную перегонку нефти можно провести путем обычного нагревания жидкости и дальнейшей конденсации паров. Весь отбор здесь заключается в том, что собирается конденсат паров, образовавшихся в разных интервалах температуры кипения: сначала выкипают и затем конденсируются легкие низкокипящие фракции, а затем средние и тяжелые высококипящие фракции углеводородов. Конечно, при таком способе говорить о разделении на узкие фракции не приходится, так как часть высококипящих фракций переходит в дистиллят, а часть низкокипящих не успевает испариться в своем температурном диапазоне. Чтобы получить более узкие фракции, применяют перегонку с ректификацией, для чего строят ректификационные колонны
50
метров и больше может достигать высота ректификационных колонн на современных нпз
Отдельные фракции могут подвергаться и повторной атмосферной перегонке для разделения на более однородные компоненты. Так, из бензинов широкого фракционного состава получают бензольную, толуольную и ксилольную фракции — сырье для получения индивидуальных ароматических углеводородов (бензола, толуола, ксилола). Повторной перегонке и дополнительному разделению могут подвергать и дизельную фракцию.
Перегонка нефти на современных атмосферных установках может осуществляться как однократное испарение в одной ректификационной колонне, двукратное испарение в двух последовательно расположенных колоннах или перегонка с предварительным испарением легких фракций в колонне предварительного испарения.
Перегонка нефти на современных атмосферных установках и на атмосферных секциях комбинированных установок может осуществляться разными способами: как однократное испарение в одной ректификационной колонне, двукратное испарение в двух последовательно расположенных колоннах или перегонка с предварительным испарением легких фракций в колонне предварительного испарения. Также ректификационные колонны могут быть вакуумными, где конденсация паров происходит при минимальном давлении.
Фракции, кипящие при температуре свыше 360°C, при атмосферной перегонке (перегонке при атмосферном давлении) не отделяются, так как при более высокой температуре начинается их термическое разложение (крекинг): крупные молекулы распадаются на более мелкие и состав сырья меняется. Чтобы этого избежать, остаток атмосферной дистилляции (мазут) подвергают перегонке в вакуумной колонне. Так как в вакууме любая жидкость кипит при более низкой температуре, это позволяет разделить и более тяжелые составляющие. На этом этапе выделяются фракции смазочных масел, сырье для термического или каталитического крекинга, гудрон.
В ходе первичной переработки получают разные виды сырья, которые затем будут подвергаться химическим преобразованиям в рамках вторичных процессов. У них уже привычные названия — бензин, керосин, дизель, — но они еще не соответствуют требованиям к товарным нефтепродуктам. Их дальнейшая трансформация необходима, чтобы улучшить потребительские качества, очистить, создать продукты с заданными характеристиками и повысить глубину переработки нефти.
Запишите схемы строения электронных оболочек атомов химических элементов с порядковыми номерами с 1-го по 20-й в таблице
1) Водород (H) – химический элемент номер 1 таблицы Менделеева. Схема строения электронной оболочки: 1s1;
2) Гелий (He) – химический элемент номер 2 таблицы Менделеева. Схема строения электронной оболочки: 1s2;
3) Литий (Li) – химический элемент номер 3 таблицы Менделеева. Схема строения электронной оболочки: 1s22s1;
4) Бериллий (Be) – химический элемент номер 4 таблицы Менделеева. Схема строения электронной оболочки: 1s22s2;
5) Бор (B) – химический элемент номер 5 таблицы Менделеева. Схема строения электронной оболочки: 1s22s22p1;
6) Углерод (C) – химический элемент номер 6 таблицы Д. И. Менделеева. Схема строения электронной оболочки: 1s22s22p2;
7) Азот (N) – химический элемент номер 7 таблицы Менделеева. Схема строения электронной оболочки: 1s22s22p3;
8) Кислород (O) – химический элемент номер 8 таблицы Менделеева. Схема строения электронной оболочки: 1s22s22p4;
9) Фтор (F) – химический элемент номер 9 таблицы Менделеева. Схема строения электронной оболочки: 1s22s22p5;
10) Неон (O) – химический элемент номер 10 таблицы Менделеева. Схема строения электронной оболочки: 1s22s22p6;
11) Натрий (Na) – химический элемент номер 11 таблицы Менделеева. Схема строения электронной оболочки: 1s22s22p63s1;
12) Магний (Mg) – химический элемент номер 12 таблицы Менделеева. Схема строения электронной оболочки: 1s22s22p63s2;
13) Алюминий (Al) – химический элемент номер 13 таблицы Менделеева. Схема строения электронной оболочки: 1s22s22p63s23p1;
14) Кремний (Si) – химический элемент номер 14 таблицы Менделеева. Схема строения электронной оболочки: 1s22s22p63s23p2;
15) Фосфор (P) – химический элемент номер 15 таблицы Менделеева. Схема строения электронной оболочки: 1s22s22p63s23p3;
16) Сера (C) – химический элемент номер 16 таблицы Менделеева. Схема строения электронной оболочки: 1s22s22p63s23p4;
17) Хлор (Cl) – химический элемент номер 17 таблицы Менделеева. Схема строения электронной оболочки: 1s22s22p63s23p5;
18) Аргон (Ar) – химический элемент номер 18 таблицы Менделеева. Схема строения электронной оболочки: 1s22s22p63s23p6;
19) Калий (K) – химический элемент номер 19 таблицы Менделеева. Схема строения электронной оболочки: 1s22s22p63s23p64s1;
20) Кальций (Ca) – химический элемент номер 20 таблицы Менделеева. Схема строения электронной оболочки: 1s22s22p63s23p64s2;
Давайте рассмотрим, как построен атом. Учитывайте, что речь будет вестись исключительно о моделях. На практике атомы представляют собой гораздо более сложную структуру. Но благодаря современным разработкам мы имеем возможность объяснять и даже успешно предсказывать свойства химических элементов (пускай даже и не все). Итак, какова схема строения атома? Из чего он «сделаны»?
Планетарная модель атома
Впервые была предложена датским физиком Н. Бором в 1913 году. Это первая теория строения атома, основанная на научных фактах. К тому же она положила основу современной тематической терминологии. В ней электроны-частицы производят вращательные движения вокруг атома по такому же принципу, как планеты вокруг Солнца. Бор высказал предположение, что они могут существовать исключительно на орбитах, находящихся на строго определённом расстоянии от ядра. Почему именно так, учёный с позиции науки не смог объяснить, но такая модель потдтверждалась многими экспериментами. Для обозначения орбит использовались целые числа, начиная с единицы, которой нумеровалась, самая близкая к ядру. Все эти орбиты также называют уровнями. У атома водорода только один уровень, на котором вращается один электрон. Но сложные атомы имеют ещё уровни. Они делятся на составляющие, которые объединяют близкие по энергетическому потенциалу электроны. Так, второй уже имеет два подуровня – 2s и 2р. Третий имеет уже три – 3s, 3р и 3d. И так далее. Сначала «заселяются» более близкие к ядру подуровни, а потом дальние. На каждом из них может быть размещено только определённое количество электронов. Но это ещё не конец. Каждый подуровень делится на орбитали. Давайте проведём сравнение с обычной жизнью. Электронное облако атома сравнимо с городом. Уровни – это улицы. Подуровень – частный дом или квартира. Орбиталь – комната. В каждой из них «проживает» один или два электрона. Все они имеют конкретные адреса. Вот такой была первая схема строения атома. А напоследок про адреса электронов: они определяются наборами чисел, которые называют «квантовыми».
Волновая модель атома
Но со временем планетарная модель подверглась пересмотру. Была предложена вторая теория строения атома. Она более совершенна и позволяет объяснить результаты практических экспериментов. На смену первой пришла волновая модель атома, которую предложит Э. Шредингер. Тогда уже было установлено, что электрон может проявлять себя не только в качестве частицы, но и как волна. А что сделал Шредингер? Он применил уравнение, описывающее движение волны в трёхмерном пространстве. Таким образом можно найти не траекторию движения электрона в атоме, а вероятность его обнаружения в определённой точке. Объединяет обе теории то, что элементарные частицы находятся на конкретных уровнях, подуровнях и орбиталях. На этом похожесть моделей заканчивается. Приведу один пример – в волновой теории орбиталью называется область, где можно будет найти электрон с вероятностью в 95%. На всё остальное пространство приходится 5%.Но в конечном итоге получилось, что особенности строения атомов изображаются с использование волновой модели, при том, что используется терминология используется общая.
Понятие вероятности в данном случае
Почему был использован этот термин? Гейзенбергом в 1927 г. был сформулирован принцип неопределенности, который сейчас используется, чтобы описывать движение микрочастиц. Он основан на их фундаментальном отличии от обычных физических тел. В чем оно заключается? Классическая механика предполагала, что человек может наблюдать явления, не влияя на них (наблюдение за небесными телами). На основе полученных данных можно рассчитать, где объект будет в определенный момент времени. Но в микромире дела необходимо обстоят по-другому. Так, к примеру, наблюдать за электроном, не влияя на него, сейчас не представляется возможным ввиду того, что энергии инструмента и частицы несопоставимы. Это приводит к тому, что меняется его местоположение элементарной частицы, состояние, направление, скорость движения и другие параметры. И бессмысленно говорить о точных характеристиках. Сам принцип неопределенности говорит нам о том, что невозможно вычислить точную траекторию полёта электрона вокруг ядра. Можно только указать вероятность нахождения частицы в определённом участке пространства. Вот такую особенность имеет строение атомов химических элементов. Но это следует учитывать исключительно ученым в практических экспериментах.
Состав атома
Но давайте сконцентрируемся на всём объекте рассмотрения. Итак, кроме неплохо рассмотренной электронной оболочки, второй составляющей атома является ядро. Оно состоит из позитивно заряженных протонов и нейтральных нейтронов. Все мы знакомы с таблицей Менделеева. Номер каждого элемента соответствует количеству протонов, что в нём есть. Количество нейтронов равняется разнице между массой атома и его количеством протонов. Могут и быть отклонения от этого правила. Тогда говорят о том, что присутствует изотоп элемента. Схема строения атома такова, что его «окружает» электронная оболочка. Число электронов обычно равняется количеству протонов. Масса последнего примерно в 1840 раз больше, чем у первого, и примерно равна весу нейтрона. Радиус ядра составляет около 1/200000 диаметра атома. Сам он имеет сферическую форму. Таково, в общем, строение атомов химических элементов. Несмотря на различие в массе и свойствах, выглядят они примерно одинаково.
Орбиты
Говоря о том, что такое схема строения атома, нельзя умолчать о них. Итак, есть такие виды:
s. Имеют сферическую форму.
p. Являются похожими на объемные восьмерки или веретено.
d и f. Имеют сложную форму, которая с трудом описывается формальным языком.
Электрон каждого типа можно с вероятностью в 95% найти на территории соответствующей орбитали. К представленной информации необходимо относиться спокойно, поскольку это, скорее, абстрактная математическая модель, нежели физическое реальное положение дел. Но при всём этом она обладает хорошей предсказательной силой относительно химических свойств атомов и даже молекул. Чем дальше от ядра расположен уровень, тем больше электронов можно на нём разместить. Так, количество орбиталей можно подсчитать с помощью специальной формулы: х2. Здесь х равно количеству уровней. А поскольку на орбитали можно разместить до двух электронов, то в конечном итоге формула их численного поиска будет выглядеть следующим образом: 2х2.
Орбиты: технические данные
Если говорить про строение атома фтора, то он будет иметь три орбитали. Все они будут заполнены. Энергия орбиталей в рамках одного подуровня одинакова. Чтобы их обозначить, добавляют номер слоя: 2s, 4p, 6d. Возвращаемся к разговору про строение атома фтора. У него будет два s- и один p-подуровень. У него девять протонов и столько же электронов. Сначала один s-уровень. Это два электрона. Потом второй s-уровень. Ещё два электрона. И 5 заполняют p-уровень. Вот такое у него строение. После прочтения следующего подзаголовка можно собственноручно проделать необходимые действия и убедиться в этом. Если говорить про физические свойства галогенов, к которым относится и фтор, то следует отметить, что они, хотя и в одной группе, полностью различаются по своим характеристикам. Так, их температура кипения колеблется от -188 до 309 градусов Цельсия. Так почему их объединили? Все благодаря химическим свойствам. Все галогены, а в наибольшей степени фтор обладают высочайшей окислительной способностью. Они реагируют с металлами и без проблем могут самостоятельно воспламеняться при комнатной температуре.
Как заполняются орбиты?
По каким правилам и принципам располагаются электроны? Предлагаем ознакомиться с тремя основными, формулировка которых была упрощена для лучшего понимания:
Принцип наименьшей энергии. Электронам свойственно заполнять орбитали в порядке увеличения их энергии.
Принцип Паули. На одной орбитали не может располагаться больше двух электронов.
Правило Хунда. В пределах одного подуровня электроны заполняют сначала свободные орбитали, и только потом образуют пары.
В деле заполнения поможет периодическая система Менделеева, и строение атома в таком случае станет более понятным в плане изображения. Поэтому при практической работе с построением схем элементов, необходимо держать её под рукой.
Пример
Для того, чтобы обобщить всё сказанное в рамках статьи, можно составить образец, как же распределяются электроны атома по своим уровням, подуровням и орбиталям (то есть, какой является конфигурация уровней). Он может быть изображен как формула, энергетическая диаграмма или как схема слоев. Здесь присутствуют очень хорошие иллюстрации, которые при внимательном рассмотрении помогают понять структуру атома. Так, сначала заполняется первый уровень. В нём имеется только один подуровень, в котором только одна орбиталь. Все уровни заполняются последовательно, начиная с меньшего. Сначала в рамках одного подуровня по одному электрону размещается на каждой орбитали. Потом создаются пары. И при наличии свободных происходит переключение на другой субъект заполнения. А теперь можно самостоятельно узнать, каково строение атома азота или фтора (который рассматривался раньше). Первоначально может быть немного сложно, но можно ориентироваться по картинкам. Давайте для ясности рассмотрим и строение атома азота. Он имеет 7 протонов (вместе с нейтронами составляющих ядро) и столько же электронов (которые составляют электронную оболочку). Сначала заполняется первый s-уровень. На нем 2 электрона. Потом идёт второй s-уровень. На ней тоже 2 электрона. И три остальных размещаются на p-уровне, где каждый из них занимает по одной орбитали.
Заключение
Как видите, строение атома – не такая сложная тема (если подходить к ней с позиции школьного курса химии, конечно). И понять данную тему не составляет труда. Напоследок хочется сообщить про некоторые особенности. К примеру, говоря про строение атома кислорода, мы знаем, что он имеет восемь протонов, и 8-10 нейтронов. И так как все в природе стремится к равновесию, два атома кислорода образуют молекулу, где два непарных электрона образуют ковалентную связь. Подобным же образом образуется другая стойкая молекула кислорода – озон (O3). Зная строение атома кислорода, можно правильно составлять формулы окислительных реакций, в которых участвует самое распространенное на Земле вещество.
Госуслуги облюбовали мошенники. Схемы обмана и способы защиты
Взломали личный кабинет в 18:28. Изменили номер телефона и почту в 18:29. Первая заявка на кредит подтверждения пошла в 18:30 – всего две минуты понадобилось мошенникам, чтобы полностью завладеть аккаунтом Ивана Цыбина на “Госуслугах”. Через сайт неизвестные оформили от его имени микрозаймы в Нижнем Новгороде и Новосибирске.
“У меня на телефон пришла какая-то странная СМСка, что теперь мой номер телефона никак не является привязанным к моему личному кабинету на “Госуслугах”. Я удивился, попытался зайти в личный кабинет, не получилось”, – говорит Иван.
Восстановить доступ к своему профилю Иван смог только в МФЦ. Повезло, что за это время аферисты успели украсть всего 20 тысяч.
Екатерине Нестеренко под видом сотрудницы отдела безопасности “Госуслуг” позвонила девушка и сообщила о странной активности в ее личном кабинете.
“Она говорит, не переживайте. Мы сейчас с вами заблокируем ваш аккаунт. Я вам сейчас посылаю запрос от “Госуслуг”, вы мне скажете код и мы его заблокируем”, – говорит потерпевшая. То, что ее обманули, Екатерина поняла только когда что-то неладное стало происходить с банковскими счетами.
“Пытались взять кредит. Ну, благо, просто вовремя все это прозвонила, остановила, заблокировала”, – сказала Екатерина.
Новинка сезона – звонки под видом сотрудников МФЦ. Злоумышленники по телефону просят назвать одноразовые коды из СМС – якобы, чтобы привязать к личному профилю электронный сертификат о вакцинации. А дальше – подмена данных для входа в систему, и в руках преступников – номер паспорта, СНИЛС, ИНН, электронная подпись.
“Известны случаи, когда на предпринимателей малого бизнеса брали в лизинг автомобили. Это получение ложной личности, когда человек действительно имеет сомнительную репутацию, платит деньги, ему достают ваш реквизит доступа к вашим “Госуслугам”, а потом вы узнаете, что вы прошли дорогостоящее лечение”, – пояснил технический эксперт по кибербезопасности Михаил Кондрашин.
Стопроцентной защиты от мошеннических атак не существует, но усложнить жизнь аферистам можно. Первый заслон на пути к вашим данным – пароль. Чем он сложнее, тем меньше вероятность взлома.
“Есть базовые атаки, например, брутфорс – подбор и перебор пароля. Существует цена взлома, существует цена атаки. Если для объекта А она будет составлять миллион долларов, а для объекта Б – она будет составлять пятьдесят копеек, то, конечно же, будет взломан объект Б”, – отметил эксперт по информационной безопасности Сергей Шерстобитов.
В службе поддержки “Госуслуг” рекомендуют также установить двухфакторную аутентификацию. Чтобы настроить дополнительные способы защиты, нужно в личном кабинете найти “Настройки учетной записи” и вот здесь, в разделе “Безопасность”, включить двухэтапную проверку. Если ее активировать, то без одноразового пароля, который придет на номер телефона, указанный пользователем, войти в систему не получится.
Еще одна полезная опция – защита профиля от смены пароля. “Есть контрольный вопрос, который можно задать себе: девичья фамилия матери, улица моего детства, моя любимая игрушка. Который тоже будет служить дополнительным фактором при моей авторизации”, – напомнил заместитель министра цифрового развития, связи и массовых коммуникаций Олег Качанов.
Главное, чтобы ответ на контрольный вопрос нельзя было легко найти в социальных сетях. На первом месте в антирейтинге – имена близких, даты рождения и клички домашних питомцев.
Определение, структура и части с маркированной схемой
Что такое атом
Атомы — это мельчайшие частицы, образующие основные строительные блоки всей материи во Вселенной, будь то твердое, жидкое или газообразное. Все живые организмы и неживые объекты на Земле состоят из триллионов и триллионов атомов. Меньшие частицы, из которых состоит атом, известны как субатомные частицы.
Части диаграммы атома
Термин «атом» произошел от греческого слова «атомос», что означает «неделимый».Древнегреческие и индийские философы были первыми, кто считал атом основной единицей всей материи во Вселенной. В начале 19 века ученые начали более детально разбираться в строении атома с его внутренними частями. В 1926 году Эрвин Шредингер предложил современную модель атома, которую мы используем до сих пор.
Существует множество различных атомов, каждый из которых имеет свое имя, размер, массу и количество субатомных частиц. Они известны как элементы. Таким образом, атом можно определить и как простейшую структурную единицу элемента, сохраняющую все его свойства.На сегодняшний день существует 92 природных элемента и 118 созданных человеком элементов.
Структура с частями
Размер атома крошечный, с диаметром от 0,1 до 0,5 нанометров (от 1 × 10 −10 до 5 × 10 −10 м). Таким образом, их нельзя увидеть невооруженным глазом. Слой атома чем-то похож на лист бумаги.
Атомная структура
Все атомы, кроме водорода, содержат три основные субатомные частицы: 1) электроны, 2) протоны и нейтроны.Электроны и протоны находятся в центре атома в плотной области, называемой ядром. Напротив, электроны находятся вне ядра в области, называемой электронным облаком или электронной оболочкой.
1) Электроны
Это отрицательно заряженные частицы, которые вращаются вокруг ядра по фиксированной орбите. В отличие от протонов и нейтронов электроны представляют собой элементарные частицы, значительно меньшие (почти в 1800 раз) по размерам, чем протоны и нейтроны. Стандартный символ, используемый для обозначения электрона, — e или e — .Британский физик Дж.Дж. Томсон открыл его в 1897 году.
Электроны движутся вокруг ядра так быстро, что их точное положение внутри атома невозможно определить с точностью. Когда число отрицательно заряженных электронов равно числу положительно заряженных протонов, атом имеет нейтральный заряд.
2) Протоны
Протоны — это положительно заряженные частицы, находящиеся в плотной области в центре атома, называемой ядром. Они были открыты Эрнестом Резерфордом в 1917 году и обозначаются символом p или p + .Протоны состоят из еще более мелких частиц, называемых кварками и глюонами.
Плотно упакованные в ядро, они вместе с нейтронами составляют практически всю массу атома.
3) Нейтроны
Они также находятся в ядре вместе с протонами в плотно упакованном виде. Нейтроны, как и протоны, состоят из кварков и глюонов. Они были открыты Джеймсом Чедвиком в 1932 году и обозначены символом n или n 0 .
Нейтроны — это нейтральные частицы без заряда, но имеющие значительный размер и массу, подобные протону.
Ниже приведена таблица, показывающая заряд, массу и расположение трех субатомных частиц:
Имя частицы
символ
Местоположение в атоме
1. Proton
P / P +
+1
Ядро
2.Neutron
N / N 01 N / N 0
0
0
3. Электрон
E / E –
-1
Shell или Orbit
Другие фундаментальные частицы
Кварки : Это фундаментальные субатомные частицы, из которых состоят протоны и электроны. Они были независимо открыты Мюрреем Гелл-Манном и Джорджем Цвейгом в 1964 году. Однако их точное положение в атоме невозможно измерить с точностью.Кварки бывают шести различных типов: верхние, нижние, верхние, нижние, обаятельные и странные. Протон содержит три кварка (два верхних кварка и один нижний кварк), а нейтрон содержит (два нижних кварка и один верхний кварк).
Глюоны : Также обнаруженные в протонах и электронах, они действуют как обменные частицы, которые помогают передавать сильное взаимодействие между кварками. Джон Эллис и его коллеги открыли их в 1979 году.
Нейтрино : Они похожи на электроны, образующиеся в результате ядерных реакций.Нейтрино не имеет заряда, но движется с очень высокой скоростью, близкой к скорости света, и может пройти сквозь любой твердый объект. Огромная энергия Солнца, получаемая в результате ядерного синтеза, каждую секунду испускает триллионы нейтрино.
Часто задаваемые вопросы
Q1. Сколько атомов во Вселенной?
Ответ . Во Вселенной примерно от 10 78 до 10 82 атомов.
Q2.Как связаны атомы и элементы?
Ответ . Элемент полностью состоит только из атомов одного типа. Другими словами, элемент состоит из нескольких атомов одного типа.
Q3. Чем молекулы отличаются от атомов?
Ответ . Атом — это наименьшая единица элемента, тогда как молекула состоит из двух или более атомов.
Q4. Что происходит, когда атом теряет электрон?
Ответ .Когда атом теряет электрон, он становится положительным ионом.
Последний раз статья рецензировалась в субботу, 23 октября 2021 г.
Видео с вопросами
: определение элементов по диаграммам атомов
Стенограмма видео
На схеме показаны электроны в
различные электронные оболочки в атоме. Атом электрически
нейтральный. Какой элемент это атом
из?
Итак, в этом вопросе мы
была дана диаграмма, которая показывает то, что кажется ядром в центре
атома, а также электронные энергетические уровни, которые представлены в
чернить.Теперь эти электронные энергетические уровни
также известны как ракушки. И мы видим, что занимая эти
оболочки есть одна, две, три синие точки, представляющие электроны. Другими словами, есть три
электронов в этом атоме.
Нам сказали, что этот атом
рассматриваемый элемент электрически нейтрален. Это означает, что общий
электрический заряд атома равен нулю, потому что он нейтрален. Теперь, чтобы понять значение
из этого мы должны помнить, что электроны являются отрицательно заряженными частицами.И что атомы нейтральны, если
количество электронов в атоме равно количеству положительно заряженных протонов
находится в ядре. И так, что эта диаграмма говорит
нам в том, что в этом атоме три электрона. И чтобы оно было нейтральным,
в ядре атома должно быть три протона. И тогда мы можем вспомнить, что
элемента определяется количеством протонов, находящихся в ядре атома этого
элемент.
И так, чтобы найти ответ
на наш вопрос, нам нужно будет посмотреть на периодическую таблицу. В частности, мы можем вспомнить, что
Периодическая таблица элементов показывает все элементы, расположенные в порядке
атомный номер, где атомный номер атома – это просто количество протонов
находится в ядре этого атома. И так, учитывая периодические
таблица расположена в порядке возрастания атомного номера, мы хотим найти элемент
в периодической таблице, который имеет атомный номер три.Потому что в нем три протона.
ядро этого конкретного атома. Итак, элемент, имеющий три
протонов в его ядре является литий. И, следовательно, это ответ на
наш вопрос.
Orbital Diagrams – Concept – Chemistry Video by Brightstorm
Хорошо, давайте поговорим об орбитальных диаграммах. Орбитальные диаграммы — это графическое описание электронов в атоме. Чтобы выяснить, куда деваются электроны в атоме, мы должны следовать трем основным правилам. Первым из них является принцип Ауф Бау. Принцип Ауф Бау утверждает, что каждый электрон занимает орбиталь с наименьшей доступной энергией. Затем мы должны подумать о подуровнях, я имею в виду орбитали, как они падают с точки зрения одинаковой энергии, какая из них ниже по энергии, какая выше по энергии. Итак, давайте посмотрим на диаграмму Ауф Бау, которая на самом деле показывает это для нас, хорошо, так что здесь у нас есть орбиталь 1s, но 1 тире указывает, что есть 1 орбиталь внутри подуровня 1s, что имеет смысл, что это самая низкая энергия, это его уровень энергии первого принципа.Вы немного подскакиваете в энергии, и мы получаем орбиталь 2s, которая делает ее подуровнем 2p. Обратите внимание, что на подуровне 2p есть 3 орбитали, о которых мы узнали раньше, это имеет смысл. Итак, когда мы поднимаемся вверх и прыгаем вверх к 3s-орбитали, затем к 3p-орбитали, то здесь все становится забавным, как и все остальные вещи, все подуровни и все орбитали становятся беспорядочными с точки зрения того, что вы предсказываете. Так как же нам запомнить, какая из них имеет меньшую энергию, чем другие? Вместо того, чтобы носить это с собой и обращаться к этой фактической диаграмме, есть простой способ запомнить, каким образом и как электроны падают на орбитали и на подуровни.
Хорошо, мы собираемся сделать эту диаграмму, которая может показаться знакомой из классной комнаты, первый энергетический уровень – орбиталь 1s, затем мы собираемся сделать 2s и 2p, затем 3s, 3p, 3d, хорошо, затем 4s , 4п, 4г, 4ж и так далее и тому подобное. Я не буду рисовать все это, но вы понимаете, как это выходит. Затем мы собираемся сказать: «Хорошо, электроны сначала упадут на 1s-орбиталь с самой низкой энергией, как описано на диаграмме Ауф-Бау». Хорошо, они попадут на орбиту 1s, затем они попадут на орбиту 2s, после этого ладно, отлично, тогда они попадут на орбиталь 2p, а затем на орбиталь 3s, образуя нашу диагональ.Затем они упадут на орбиту 3p, а затем на орбиту 4s заметьте, что мы пропустили 3d, они не пошли по дуге, как будто мы следуем фактическим стрелкам не поперек. Затем они собираются после 4-х, затем они собираются падать в 3-е, а затем в 4-е и просто продолжают нажимать стрелки вниз, если у вас больше основных уровней энергии, и так далее, и так далее. Итак, я на самом деле включу это в игру, и всего через секунду.
Второе правило, о котором мы собираемся поговорить, — это принцип запрета Паули, который в основном гласит, что на орбиталь приходится максимум 2 электрона.Таким образом, орбиталь может содержать только 2 электрона, и не более того. Он может содержать 1, но не может содержать более 2. Наконец, правило рук гласит, что они должны занять все орбитали равной энергии, прежде чем соединиться. Таким образом, точно так же, как электрон оба отрицателен, они все отрицательно заряжены, они не захотят быть очень близко друг к другу, поэтому они имеют одинаковую энергию, они сначала займут все энергетические уровни одной и той же энергии, прежде чем они объединяются в пары, потому что им обычно не нравится быть очень близко друг к другу. Давайте поместим все эти вещи в игру, как все это соберется вместе. Хорошо, давайте составим орбитальную диаграмму для железа, железо, как мы знаем, находится в основном состоянии из 26 электронов, поэтому мы знаем, что первые электроны перейдут на 1s-орбиталь, и мы сказали, что 2 электрона могут попасть на 1s-орбиталь. После того, как 1s-орбиталь станет 2s-орбиталью, туда также войдут 2 электрона, тогда у вас будет 2p-подуровень, и не забывайте, что p-подуровни имеют 3 орбитали, поэтому мы нарисуем 3 черточки, обозначающие 3p-подуровень, а электроны сначала войдут во все из них, прежде чем соединиться, поэтому сейчас у нас всего 10 электронов, это подуровень 2p.После подуровня 2p мы перейдем на 3s, туда упадет 2 электрона, сделав 12, после 3s мы перейдем на 3p, нарисуем 3 черточки 1, 2, 3, 4, 5, 6, значит 12, 14, 16, 18 электронов. После 3p мы перейдем к 4-м, нет, мы не собираемся переходить к 3-м, мы идем прямо к 4-м, что равно 1, поэтому у вас есть 2 электрона, поэтому у вас есть 2, 4, 6, 8. , 10, 12, 14, 16, 18, 20, у нас осталось 6 электронов. Следующий – это объявление, d – это 5 орбиталей, все те же энергии, мы собираемся нарисовать 5 штрихов 2, 3, 4, 5, все 3d, поэтому мы собираемся нарисовать мне нужно еще 6, так что 1, 2, 3, 4, 5, 6 и вот как вы рисуете орбитальные диаграммы.
Что такое атом? | Electrical4U
Атом определяется как мельчайшая частица вещества, которая может существовать сама по себе или объединяться с другими атомами, образуя молекулу.
В 1808 году известный английский химик, физик и метеоролог Джон Дальтон опубликовал свою теорию атома . В то время многие необъяснимые химические явления были быстро раскрыты теорией Дальтона. Таким образом, теория стала теоретической основой химии.Постулаты атомной теории Дальтона были следующими.
Вся материя состоит из маленьких неделимых и неразрушимых частиц, называемых атомами.
Все атомы одного и того же элемента имеют одинаковые свойства, но отличаются от атомов других элементов.
Атомы различных элементов объединяются вместе, образуя соединение.
Химическая реакция есть не что иное, как перегруппировка этих атомов.
Атомы не могут быть созданы или уничтожены никакими средствами.
Теория Дальтона имела определенные недостатки, такие как; сегодня мы знаем, что атомы могут быть уничтожены.Кроме того, некоторые атомы одних и тех же элементов различаются по массе (изотопы). Теория также не может объяснить существование аллотропов.
Но в современную эпоху понятие атома основано на сочетании достоинств модели атома Резерфорда и модели атома Бора. Все вещества состоят из атомов. Все атомы состоят из,
Ядра
Электронов
Ядра Атома
Ядро расположено в центре атома. Диаметр ядра составляет около 1/10000 диаметра всего атома.Почти вся масса атома сосредоточена в его ядре. Само ядро состоит из двух видов частиц:
Протон
Нейтрон
Протон
Протоны являются положительно заряженными частицами. Заряд каждого протона равен 1,6×10 -19 Кл. Количество протонов в ядре атома представляет собой атомный номер атома.
Нейтрон
Нейтроны не имеют электрического заряда. Значит, нейтроны – электрически нейтральные частицы.Масса каждого нейтрона равна массе протона. Ядро заряжено положительно из-за присутствия положительно заряженных протонов. В любом материале вес атома и радиоактивные свойства связаны с ядром.
Электроны
Электрон – это отрицательно заряженная частица, присутствующая в атомах. Заряд каждого электрона – 1,6×10 – 19 Кл. Эти электроны окружают ядро. Некоторые факты об электронах в атоме перечислены и объяснены ниже:
Если атом имеет одинаковое количество протонов и электронов, атом электрически нейтрален, поскольку отрицательный заряд электронов нейтрализует положительный заряд протонов.
Электроны вращаются вокруг ядра в оболочках (также называемых орбитами).
Сила притяжения выделяется на отрицательно заряженные электроны положительно заряженным ядром. Эта сила притяжения работает как центростремительная сила, необходимая для вращения электронов вокруг ядра.
Электроны, находящиеся вблизи ядра, прочно связаны с ядром, и вырвать (удалить) эти электроны из атома труднее, чем те, которые находятся далеко от ядра.
Строение атомов алюминия показано на рисунке ниже-
Для удаления электрона с его орбиты требуется определенное количество энергии. Энергия, необходимая для удаления электрона с первой орбиты, намного больше по сравнению с энергией, необходимой для удаления электрона с внешней орбиты. Это связано с тем, что сила притяжения, выделяемая ядром на электроны на первой орбите, намного больше силы притяжения, выделяемой на электроны внешней орбиты.Точно так же энергия, необходимая для удаления электрона со второй орбиты, будет меньше по сравнению с первой орбитой и больше, чем с третьей. Следовательно, можно сказать, что электроны на орбите связаны с определенным количеством энергии. Таким образом, орбиты или оболочки также называются энергетическими уровнями.
Энергетические уровни обозначаются буквами K, L, M, N и т. д. Где K — ближайшая к ядру орбита с наименьшим энергетическим уровнем. И наоборот, самая внешняя орбита имеет самый высокий уровень энергии.
Максимальное количество электронов на любом энергетическом уровне определяется формулой «2n 2 », где n — целое число, представляющее «главное квантовое число». Для различных энергетических уровней значение «n» и максимальное количество электронов приведены в таблице ниже
Sl. №
Уровень энергии или орбита (оболочка)
Главный квантовый номер ‘N’
Максимальное количество электронов (2N 2 )
1
K
1
2 × 1 2 = 2
2
L
2
2 × 2 2 = 8
3
м
3
2 × 3 2 = 18
4
N
4
2 × 4 2 = 32
Приведенная выше формула (2n 2 ), используемая для определения максимального числа электронов в любой оболочке, имеет некоторые ограничения. Количество электронов на самой внешней оболочке (наивысший энергетический уровень) не может превышать 8. Например, давайте рассмотрим атом кальция, вокруг ядра которого вращается 20 электронов. В соответствии с формулой приведенного выше правила, то есть 2n 2 , распределение электронов будет следующим: 2 электрона на уровне K, 8 электронов на уровне L, и будет баланс 10 электронов. Но количество электронов на самом внешнем энергетическом уровне не может превышать 8. Следовательно, на уровне M будет 8 электронов, а оставшиеся 2 электрона перейдут на следующий энергетический уровень i.е. 2 электрона перейдут на уровень N. Электронная конфигурация атома кальция показана на рисунке ниже:
Электроны на внешнем энергетическом уровне называются «валентными электронами». Максимально возможное количество «валентных электронов» равно 8. Если количество электронов на самой внешней орбите равно 8, атом становится стабильным. Материал, атомы которого естественным образом имеют 8 электронов на внешней оболочке (орбите), не вступает в реакцию с другим материалом. Инертные газы, такие как гелий, неон, аргон, криптон и т. д.имеют полностью заполненные внешние оболочки и, следовательно, не вступают в реакцию с другими материалами.
«Валентные электроны» атома слабо связаны с ядром и могут быть освобождены/удалены различными способами, т.е. нагреванием, приложением электрического напряжения и т. д.
«Валентные электроны» образуют связи, удерживающие атомы материал вместе. Большинство свойств материалов определяется этими связями в материалах.
Каждая основная оболочка (энергетический уровень) подразделяется на подоболочки.Эти подоболочки называются орбиталями. Эти подоболочки/орбитали обозначаются s, p, d, f и т. д. с соответствующим квантовым числом, l = 0, 1, 2, 3, 4,….(n-1) и т. д. Количество подоболочек в любой основная оболочка равна главному квантовому числу n. Электронная емкость любой основной оболочки может быть определена суммированием электронной емкости дополнительных оболочек. Максимальная электронная емкость подоболочек регулируется формулой 2(2l+1). Вместимость субоболочек указана в таблице ниже:
Sl.No.
SUBSHELL
квантовый номер (L)
электронная мощность Subshell
2 (2L + 1)
1
1
S
0
2 (2 × 0 + 1) = 2
2
P
P
1
2 (2 × 1 + 1) = 6
3
3
D
2
2 (2 × 2 + 1) = 10
4
f
3
2(2 × 3 + 1) = 14
Первая оболочка i.е. K-оболочка будет иметь главное квантовое число 1 и одну s-орбиталь, поэтому s-орбиталь обозначается как 1s.
Вторая оболочка, то есть L-оболочка, будет иметь главное квантовое число 2 и будет иметь одну s- и одну p-орбиталь, и они обозначаются как 2s и 2p соответственно.
Третья оболочка, то есть M-оболочка, будет иметь главное квантовое число 3 и будет иметь одну s-, одну p- и одну d-орбиталь, и они обозначаются как 3s, 3p и 3d соответственно и так далее.
Здесь мы должны помнить, что s-орбиталь имеет одну суборбиталь, и каждая суборбиталь может содержать максимум два электрона.У p-орбитали 3 суборбитали, а у d-орбитали 5 суборбиталей.
Сначала заполняются суборбитали с более низкой энергией, а затем заполняются следующие более высокие орбиты. Не было бы никаких шансов заполнить какую-либо более высокую или суборбитальную орбиту до того, как будет завершено заполнение ее нижней орбиты.
Если мы пройдемся по приведенным ниже примерам, нам станет ясно.
Атомная структура алюминия с 13 электронами
Атомная структура меди с 29 электронами
Здесь можно заметить, что 3d-орбиталь находится на более высоком энергетическом уровне, чем 4s
Атомная структура 4s
Здесь можно заметить, что 3d-орбиталь находится на более высоком энергетическом уровне, чем 4s, аналогично 4d-орбиталь находится на более высоком энергетическом уровне, чем 5s.
Современная атомная теория
Современная атомная теория лишь немногим более развита, чем теория Дальтона. Современная атомная теория также называется квантовой теорией. Здесь проявляется концепция дуальности волновых частиц. В нем говорится, что электроны, которые считаются частицами, иногда могут вести себя как волны. Итак, у атома есть ядро, окруженное облаками вероятностей. Эти облака являются наиболее вероятным местонахождением электронов. Размер и форму этих облаков можно рассчитать, используя уравнения волн.
Как нарисовать диаграммы атомных и молекулярных орбит?
В качестве примера я буду использовать кислород (#”O”_2(g)#).
В случае кислорода, как вы знаете, потенциальные энергии атомных орбит идут в следующем порядке:
#V_(1s)##”<<"##V_(2s) < V_(2p)#
Таким образом, атомная орбитальная диаграмма — это просто те орбитали в этом порядке энергии. Обратите внимание, что орбитали #1s# имеют значительно меньшую энергию, чем орбитали #2s#.
Для гомоядерного двухатомного #”O”_2# у нас просто есть две копии этой атомной орбитальной диаграммы, сначала далеко друг от друга. Заполните их 8 электронами кислорода ( 2 ядра + 6 валентности).
Теперь у нас есть две одинаковые диаграммы атомных орбит выложенные:
Затем для диаграммы молекулярных орбиталей мы исследуем, как эти атомные орбитали взаимодействуют друг с другом в линейной комбинации атомных орбиталей (LCAO).”*”# (сильное лобовое перекрытие)
Таким образом, мы берем 10 атомных орбиталей и генерируем 10 молекулярных орбиталей в соответствии с законом сохранения орбиталей.
Основываясь на степени перекрытия орбит, относительные изменения энергии различаются при переходе от атомной орбитали к молекулярной орбитали. Большее перекрытие = большее изменение энергии.
Вот почему молекулярные орбитали #sigma_(2p_z)# имеют меньшую энергию, чем молекулярные орбитали #pi_(2p_x)# и #pi_(2p_y)#.3 Sigma#) кислород , основное состояние газообразного кислорода.
Уточнение электронных конфигураций | Chemical Education Xchange
Принцип Ауфбау: правило (n + l)
Мы все видели и используем так называемую диаграмму Ауфбау (рис. 1). Это мнемоника, используемая для запоминания порядка «заполнения» атомных орбиталей при построении электронных конфигураций элементов в основном состоянии. Представление этой диаграммы в значительной степени оторвано от какого-либо физического смысла.Вот что мы говорим нашим студентам: «Запомните схему, научитесь ею пользоваться, и вы гарантированно получите правильный ответ».
Рисунок 1. Диаграмма Ауфбау: атомные орбитали заполняются, начиная с 1s и продолжая, начиная с левого верхнего угла, в порядке, указанном стрелками.
Есть ли способ связать эту диаграмму с ее физическим смыслом? Да! Это цель этой статьи.
Как вообще была построена эта диаграмма? Оказывается, это представление метода предсказания «порядка заполнения», называемого правилом Маделунга, которое также называют правилом (n + l).«n» и «l» в правиле (n + l) — это квантовые числа, используемые для определения состояния данной электронной орбитали в атоме. n является главным квантовым числом и связано с размером орбитали. l является квантовым числом углового момента и связано с формой орбитали.
Вот как работает правило (n + l). (Относительные) энергии орбиталей можно предсказать как сумму n + l для каждой орбитали в соответствии со следующими правилами:
а.Орбитали заполняются в порядке возрастания (n + l), что представляет собой относительную энергию. б. Если две орбитали имеют одинаковое значение (n + l), они заполняются в порядке возрастания n.
Диаграмма на рисунке 1 является результатом этих правил.
Рисунок 2 представляет собой вариант диаграммы, которая отображает зависимость от (n + l) для каждой орбитали, где E представляет относительную энергию орбиталей. Орбитали заполняются в соответствии со значениями E для каждой орбитали: E=1 для 1 с, E=2 для 2 с, E=3 для 2p и 3 с и так далее.Согласно приведенному выше правилу (b), когда две орбитали имеют одинаковое E, например, E=3 для 2p и 3s, первой заполняется орбиталь с более низким n (2p).
Рис. 2. Диаграмма Ауфбау, иллюстрирующая правило (n+1).
Правило (n + l) — удивительно умный и полезный инструмент. Он правильно предсказывает порядок орбитальных энергий через элемент 20 (кальций). Кроме того, он правильно предсказывает множество электронных конфигураций. И здесь мы подходим к очень важному моменту: предсказание относительных энергий каждой орбитали — это не то же самое, что предсказание правильных конфигураций электронов.Подробнее об этом позже.
Почему работает правило (n + l)? Это не магия, и сейчас мы обсудим связь между правилом и его физическим смыслом. Чтобы понять связь, нам нужно начать с того, как квантовые числа n и l связаны с энергией орбитали. Для демонстрации мы будем использовать 3D-модели (на самом деле 2D-изображения 3D-моделей) атомных орбиталей. [ Простите, что разочаровал тех, кто хочет глубоко погрузиться в квантово-механические расчеты. Эти модели являются визуальным представлением результатов этих вычислений. ]
На рис. 3 мы видим представление орбиталей, занятых электронами в основном состоянии элемента криптона (для ясности орбитали отделены друг от друга). Обратите внимание, что по мере увеличения квантового числа n (от 1 до 4 в криптоне) увеличивается и общий размер орбитали.
Рис. 3. Электронная конфигурация криптона. (Сгенерировано с помощью лаборатории электронной конфигурации Atomsmith Classroom 1 )
Как размер орбитали связан с ее энергией? Напомним, что потенциальная энергия притяжения между протонами и электронами, имеющими противоположные заряды, зависит от расстояния между ними: чем ближе электрон подойдет к протонам в ядре, тем ниже будет его энергия. Сравните размеры 1s (n = 1) и 4s (n = 4) орбиталей (рис. 3). Поскольку 1s-орбиталь меньше, среднее расстояние электрона до ядра будет меньше, чем у электронов на 4s-орбитали. Вот такая связь — чем выше n, тем выше энергия орбитали.
А как насчет l в правиле (n + l)? Как упоминалось выше, l, квантовое число углового момента, определяет форму орбитали. На всех орбиталях, для которых n > 1, есть области, называемые узлами, в которых крайне маловероятно найти электрон.Узлы бывают двух типов: радиальные и плоскостные (или угловые). На рисунке 4 показан радиальный узел на 2s-орбитали (l = 0) и плоский узел на 2p-орбитали (l = 1). Обратите внимание, что радиальный узел (рис. 4, в центре) не пересекает ядро, в то время как плоские узлы (рис. 4, справа) это делают. s орбиталей (у всех которых l = 0) содержат только радиальные узлы. Все остальные орбитали (p, d, f и т. д., для которых l > 0) содержат как радиальные, так и плоские узлы.
Рис. 4. Слева: 2s- и 2p-орбитали перекрываются. Центр: радиальный узел (l = 0) на 2s-орбитали (зеленый кружок). Справа: плоский узел (l = 1) на 2p-орбитали (зеленая линия). Орбитали 2s и 2p (в центре и справа) были «нарезаны» в орбитальной лаборатории Atomsmith.
Общее количество узлов (радиальных + плоских) на орбитали равно (n – 1). Из них l узлов плоские.
Как количество плоских узлов влияет на энергию орбитали? Посмотрите еще раз на радиальный и плоский узлы на рисунке 4: плоский узел пересекает ядро, где находятся положительно заряженные протоны.Радиальные узлы не пересекают ядро.
Если узел представляет собой область, где маловероятно обнаружение электрона, то электроны на орбиталях с плоскими узлами, вероятно, будут находиться дальше от ядра (в среднем). Как мы обсуждали ранее, большие расстояния от ядра означают более высокую энергию. Таким образом, чем выше значение l, тем больше плоских узлов у орбитали и тем выше энергия орбиты.
Таким образом, правило (n + l) позволяет учесть два основных фактора, влияющих на относительную энергию атомных орбиталей: размер орбитали (зависит от n) и количество плоских узлов (= l). В случаях, когда (n + l) одинаково для двух орбиталей (например, 2p и 3s), правило (n + l) говорит, что орбиталь с более низким n имеет более низкую энергию. Другими словами, размер орбитали оказывает большее влияние на орбитальную энергию, чем количество плоских узлов.
Как и все модели, нажмите Aufbau (n + l) достаточно далеко, и это не удастся.
Правило (n + l) является моделью. И, как мы говорим нашим студентам, все модели имеют пределы. Правило (n + l) хорошо работает до Z = 20, кальций (Z — атомный номер).Что значит «хорошо работает»? Он успешно предсказывает две вещи:
относительные энергии орбиталей
порядок заполнения орбиталей
Может быть неочевидно, что эти две вещи разные. Но они есть, и различия начинают иметь значение при Z = 21, скандий — начало переходных металлов.
Для Z = 20, кальций, правило (n + l) говорит:
4s-орбиталь имеет более низкую энергию, чем 3d-орбиталь
4s-орбиталь занята, а 3d-орбитали нет (1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 80 2 900).
Оба варианта верны!
Для Z = 21, скандий, правило (n + l) говорит:
4s-орбиталь имеет более низкую энергию, чем 3d-орбиталь
4S Orbital занят, и One 3D Orbitals занят (1S 2 2S 2 2P 6 3S 2 3P 6 4S 2 3D 1 ).
Вот где правило (n + l) впервые терпит неудачу. № 2 (профессия) правильный, а № 1 неправильный. Для переходных металлов энергия 3d ниже, чем 4s! На рис. 5 показана зависимость между орбитальной энергией и атомным номером (Z).Обратите внимание, что кривые орбитальной энергии 4s и 3d пересекаются в точке Z = 21.
.
Рис. 5. Зависимость между орбитальной электронной энергией и атомным номером (Z). Ванкикенборн Л.Г., Пьерлут К. и Девогель Д. Переходные металлы и принцип Ауфбау. Дж. Хим. изд., 1994, 71(6) 469-471.
Однако, и это важный момент: хотя правило (n + l) неправильно определяет орбитальную энергию, оно по-прежнему дает правильную конфигурацию электронов (занятость орбит) !
Как возможно, что у переходных металлов 3d-орбитали имеют меньшую энергию, но не заняты преимущественно?
Короткий ответ заключается в том, что орбитальные энергии не являются единственным важным фактором, определяющим, как заняты орбитали. Длинный ответ? Это сложно – очень сложно.
Проф. д-р В.Х. Ойген Шварц, химик-теоретик из Зигенского университета в Германии, опубликовал ряд статей на эту тему. Его результаты явно выходят за рамки любого вводного курса химии, но мы надеемся дать вам представление о том, как другие факторы, помимо орбитальной энергии, могут влиять на заполнение атомных орбиталей в электронной конфигурации.
Шварц объясняет пять факторов, влияющих на электронную конфигурацию переходных металлов: 2
d-орбитальный коллапс
d против отталкивания электронов s
s Дестабилизация Ридберга
конфигураций и состояний в свободных и связанных атомах
релятивистская спин-орбитальная связь
Мы рассмотрим исключительно второй фактор: d против s отталкивания электронов.
Рассмотрим титан (Z = 22). Его электронная конфигурация 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d + 2,900 правильно предсказывает правило (ln 2,900). Если бы конфигурация электрона зависела исключительно от орбитальной энергии, мы могли бы ожидать: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 4 s на орбите без электронов.
Почему последние четыре электрона преимущественно не занимают 3d-орбитали, энергия которых ниже, чем 4s-орбитали?
Рассмотрим рисунок 6a, где мы видим модели 4s и 3d орбиталей, разделенные в лаборатории электронной конфигурации Atomsmith Classroom.Если бы электронная конфигурация титана была 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 4 , четыре из пяти 3d-орбиталей содержали бы по одной 3d-орбитали. И орбиталь 4s будет незанятой.
На рисунке 6b орбитали 3d и 4s наложены друг на друга вокруг ядра. Так же, как протоны и электроны притягиваются друг к другу из-за их противоположных зарядов, электроны отталкиваются друг от друга, потому что они имеют одинаковый заряд. Это отталкивание приводит к более высокой энергии — вещи просто становятся тесными.
Что могут сделать электроны, чтобы минимизировать это отталкивание? Обратите внимание, что 4s-орбиталь больше, чем 3d-орбитали. Если два из этих электронов попадут на 4s-орбиталь вместо 3d-орбитали, у них будет больше места для распространения, чтобы минимизировать отталкивание. Это лежит в основе «отталкивания электронов d против s» Шварца.
Рисунок 6а. 4s и 3d орбитали разделены.
Рисунок 6б. 4s и 3d орбитали перекрываются.
Как вы можете это использовать?
Подведем итог тому, что мы уже обсудили:
До Z = 20 (кальций) правило (n + l) (и диаграмма Ауфбау) правильно предсказывает:
Порядок заполнения орбиталей
Физический смысл правила (n + l) (и его способность делать эти предсказания) связан с размером (n) и формой (l) данной орбитали.
Для Z > 20 (начиная с переходных металлов):
Правило (n + l) не может правильно предсказать орбитальные уровни энергии.
Даже когда мы знаем орбитальные энергии, этого знания недостаточно, чтобы предсказать порядок заполнения. Необходимо учитывать и другие факторы, такие как «отталкивание электронов d против s» (скопление). (Шварц обсуждает еще четыре из них).
Хотя его физического смысла уже недостаточно, правило (n + l) по-прежнему правильно предсказывает порядок заполнения.За исключением случаев, когда это не так, и мы вызываем «исключения».
Первый вывод, который следует сделать из этого, заключается в том, что правило (n + l) является моделью и что оно работает… до тех пор, пока не перестанет работать. Если вы решите преподавать его как модель и связать с каким-то физическим смыслом, обсуждавшимся выше, это станет отличным примером того, как модели могут быть как полезными, так и ошибочными.
«История», изложенная выше, потенциально может принести вашим ученикам гораздо больше удовольствия, чем «Запомните схему, научитесь ее использовать, и вы гарантированно получите правильный ответ. Но это сложная история, чтобы рассказать ее, просто помахав рукой. Вам нужна модель, чтобы рассказать об этом, и модели нужны следующие функции:
Учащиеся должны понимать основы кулоновских взаимодействий: энергия противоположных зарядов меньше, когда они расположены близко друг к другу; отталкивание одинаковых зарядов приводит к увеличению энергии.
Представления атомных орбиталей, которые физически точны как по размеру (n), так и по форме (l)
3D лучше, чем 2D
Орбитали должны быть сепарабельными и накладывающимися
Желательна интерактивность
Вы не сможете рассказать эту историю без возможности показать своим ученикам относительные размеры и формы (т.е., узлы) орбиталей (№2). Изображения орбиталей в учебнике могут подойти многим учащимся; но всем учащимся будет полезна возможность интерактивно наблюдать (№ 5) за размерами и формами в 3D (№ 3), а также разделять и накладывать их друг на друга (№ 4; рис. 6a и 6b), чтобы они могли понять, как переполнен атом на самом деле.
Принцип Ауфбау, впервые представленный Нильсом Бором в 1920 году, и его реализация в виде правила (n + l) — очень полезная абстракция. В связи со своим физическим значением он может стать частью мощной ментальной модели, которую учащиеся могут использовать для построения (и объяснения) своего понимания структуры атома.Этот тип связи демонстрирует реальную перспективу трехмерных представлений частиц атомной и молекулярной структуры и явлений. Таких историй будет рассказано еще много.
Примечание автора. Идея этой статьи возникла в результате дискуссии между автором и Томом Кунцлеманом. Том описывает это взаимодействие в записи блога «Беседы, признания, путаница (и, надеюсь, некоторая ясность) об электронных конфигурациях».
Каталожные номера:
Atomsmith Classroom, Bitwixt Software Systems, www.bitwixt.com(внешняя ссылка). Доступно для компьютеров Mac и Windows, а также в виде онлайн-приложения HTML5 для браузеров на всех платформах.