Свойства химических элементов, а также формы и свойства соединений элементов находятся в периодической зависимости от заряда их ядер

Позднее было выяснено, что ядра атомов состоят из элементарных частиц — протонов и нейтронов. Поскольку протон и ней­трон способны превращаться друг в друга, их рассматривают как два различных состояния элементарной ядерной час­тицы, называемой нуклоном. Число протонов в ядре определяет величину положительного заряда ядра и соответственно порядковый номер Z элемента в периодической системе. Суммарное число протонов и нейтронов, на­зывается массовым числом А, оно примерно равно величине массы ядра. Поэтому число нейтронов (N) в ядре может быть найдено по фор­муле:

N = А — Z.

В конце XX века было установлено, что протоны и нейтроны имеют сложную структуру и состоят из так называемых кварков.

Ядра всех атомов данного элемента имеют одно и то же число протонов, однако число нейтронов в них может различаться. Разновидности атомов одного и того же элемента, ядра которых содержат одинаковое число протонов, но различное число нейтронов, называются изотопами. Изо­топы одного и того же элемента очень близки по химическим свойствам, поскольку химические свойства определяются структурой внешних электронных оболочек, одинаковой у всех изотопов данного химического элемента. Сегодня под химическим элементом понимают вид атомов, обладающих одинаковым зарядом ядра. Всего в настоящее время известно более 110 химических элементов.

Большинство химических элементов представлены не одним, а смесью нескольких изотопов. Изотопы имеют те же названия и символы, что и сами элементы, за исключе­нием изотопов водорода - протия Н, дейтерия D, и трития Т. Разные изотопы химического элемента могут быть стабильными и нестабильными, характеризу­ющимися неустойчивостью ядра. Например, природный калий имеет в своем составе устойчивый изотоп калий-39 и радиоактивный изотоп калий – 40. Среди нестабильных (радиоактивных изотопов) около 50 природ­ные и свыше 1000 полученные искусственно.

Атомы с различным числом протонов и нейтронов, но с одинаковым об­щим числом нуклонов (а потому и атомной массой) называются изобарами. Изобары имеют различные химические свойства, поскольку отличаются друг от друга зарядом ядра, а потому и числом электронов).

Дальнейшее совершенствование модели строения атома осуществлено в работах датского физика Нильса Бора. Он обратил внимание на то, что предложенная Резерфордом модель атома проти­воречит положениям классической электродинамики. Согласно этим положениям ускоренно (поскольку криволинейно) дви­жущийся вокруг ядра электрон должен непрерывно излучать энергию и, в конце концов, упасть на ядро. Практика противоречит этому выводу. Бор применил для объяснения этого парадокса результаты исследований немецкого ученого Макса Планка. Исследуя тепловое излучение тел, Планк установил, что энергия излучается дискретно определенными порциями — квантами. При этом энергия кванта:

E=hv,

где v — частота колебаний, Гц;

h— постоянная Планка, h = 6,62∙10^-34 Дж∙с.

Бор предположил, что в атоме возможны лишь определенные энергетические состояния электронов, находясь в которых электрон не излучает. Переход электрона из одного состояния в другое совершается скачкообразно, сопровождаясь ис­пусканием или поглощением кванта энергии. Последующее совершенствование модели строения атома Бора на основе квантовой механики Шрёдингера позволило использовать ее для объяснения закономерностей периодической системы элементов.

 

Порядок распределения электронов по энергетическим уровням и под­уровням в оболочке атома называют его электронной конфигурацией. Состояние каждого электрона в атоме определяется четырьмя квантовыми числами:

1. Главное квантовое число n в наибольшей степени характеризует энергию электрона в атоме. n = 1, 2, 3….. Наименьшей энергией электрон обладает при n = 1, при этом он наиболее близок к ядру атома.

2. Орбитальное (побочное, азимутальное) квантовое число l определяет форму электронного облака и в незначительной степени его энергию. Для каждого значения главного квантового числа n, орбитальное квантовое число может принимать нулевое и ряд целочисленных значений: l = 0…(n-1)

Состояния электрона, характеризующиеся различными значениями l, принято называют энергетическими подуровнями электрона в атоме. Каждый подуровень обозначается определенной буквой, ему соответствует определенная форма электронного облака (орбитали).

 

3. Магнитное квантовое число m_l определяет возможные ориентации электронного облака в пространстве. Число таких ориентаций определяется числом значений, которое может принимать магнитное квантовое число:

m_l = -l, …0,…+l

Число таких значений для конкретногоl: 2l+1

Сответственно: для s-электронов: 2·0 +1=1 (сферическаяорбиталь может быть ориентирована только одним способом);

для p-электронов: 2·1+1= 3 (три «гантели» p-электронов ориентированы в 3-х направлениях);

для d-электронов: 2·2+1= 5 (d- орбиталиориентированы в 5 направлениях).

4. Спиновое квантовое число m_s о тражает наличие у электрона собственного момента движения.

Спиновое квантовое число может иметь только два значения:m_s = +1/2 или –1/2

Распределение электронов в многоэлектронных атомах происходит в соответствии с тремя принципами:

Принцип Паули

В атоме не может быть электронов имеющих одинаковый набор всех четырех квантовых чисел.

2. Правило Хунда (трамвайное правило)

В наиболее устойчивом состоянии атома электроны размещаются в пределах электронного подуровня так, чтобы их суммарный спин был максимален. Аналогично порядку заполнения двойных кресел в подошедшем к остановке пустом трамвае – сначала незнакомые друг с другом люди рассаживаются на двойные кресла (а электроны на орбитали) по-одному, и только когда пустые двойные кресла закончатся по-двое.