Строение атома. Периодическая система химических элементов

Химия изучает вещества, их свойства, проявляющиеся в химических реакциях. Поведение веществ в реакциях зависит не только от их состава, но что важнее, от строения, характера химических связей между атомами элементов, образующих вещества. Структура веществ, типы химических связей определяются электронной структурой атомов элементов. Квантовомеханическое рассмотрение возможных состояний электронов в атоме становится достаточно конкретным при использовании квантовых чисел; при этом выявляется физический смысл характеристик положения элементов в таблице периодической системы (ПС).

Главное квантовое число (n = 1,2,3… ) указывает номер энергетического уровня, определяет запас энергии электронов данного уровня, степень удаления от ядра, следовательно и размеры орбиталей; одновременно, значение n совпадает с номером периода в таблице ПС.

Рассмотрение значений орбитального квантового числа (l = 0, 1, 2, 3 …

(n – 1), характеризует форму орбиталей) в зависимости от главного приводит к выводу, что число подуровней на уровне равно номеру энергетического уровня, равно значению n; в таблице ПС – это число электронных семейств в периоде.

Магнитное квантовое число m_l характеризует направление орбиталей в пространстве, принимает целочисленные значения от - l до + l, включая 0. Число значений m_l равно числу орбиталей на подуровне:

N_орб _l = (2 l + 1)

Спиновое квантовое число m_s принимает два значения () для каждого магнитного, что соответствует 2-х электронной емкости одной орбитали.

Объединение выводов из значений квантовых чисел l, m _l, m_s приводит к формуле расчета максимально возможного числа электронов на подуровне:

N_{ē,max, l}= 2 (2 l + 1)

Суммируя выводы из значений всех квантовых чисел, находим число орбиталей (N_орб,_n) и максимально возможное число электронов на уровне

(N_е, мах, n)

N_орб,_n = n

N_{ē, мах,}_n= 2n².

Пример 1. Атомам каких элементов отвечают электронные формулы:

а) 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰4s²4p⁴

б) … 3s²3p⁶3d¹⁰4s²4p⁶4d⁴5s¹

Решение:

Положение элемента в таблице периодической системы характеризуется определенными значениями порядкового номера, номера периода, номера группы, типом подгруппы, принадлежностью к электронному семейству. Физический смысл названных характеристик элемента отражают электронные формулы распределения электронов в их атомах по уровням и подуровням. На современном уровне положение электронов в атоме описывают с помощью выводов из квантовой механики в виде квантовых чисел.

а) 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰4s²4p⁴

^↓ р-подуровень

n=4

1) Порядковый номер равен заряду ядра Z, равен числу электронов

Nē = 2 + 2 + 6 + 2 + 6 + 10 + 2 + 4 = 34.

2) Наибольшее значение главного квантового числа n = 4, что указывает на номер периода.

3) Идет заполнение электронами р- подуровня, следовательно элемент принадлежит к р- семейству и относится к главной подгруппе.

4) Число электронов на внешнем уровне (n = 4) равно 2 + 4 = 6; у элементов главных подгрупп эти электроны являются валентными и их число совпадает с номером группы.

Вывод: элемент имеет порядковый номер 34, относится к IV периоду, VI группе, главной подгруппе, р- семейству; все координаты элемента указывают на селен Se.

б) … 3s²3p⁶3d¹⁰4s²4p⁶4d⁴5s¹

↓ n=5

d-подуровень

1) Наибольшее значение главного квантового числа n, а следовательно и номер периода равны 5.

2) Электроны заполняют d – подуровень, поэтому данный элемент относится к d – семейству, побочной подгруппе.

3) … 4d⁴5s¹→ 5 валентных электронов указывают на номер группы.

Вывод: d – элемент в V периоде, V группе - ниобий ₄₁Nb.

Пример 2. Напишите электронные и электронно-структурные формулы валентных подуровней атомов элементов с порядковыми номерами 15 и 83. Какие значения степеней окисления характерны для этих элементов? Приведите примеры соединений. Какой из элементов образует газообразное соединение, составьте его химическую формулу и назовите.

₁₅Р …3s²3p³