Будова атома, хімічний зв’язок, валентність і будова молекул

Будова атома. Вступ.

Об'єктом вивчення в хімії є хімічні елементи та їх сполуки. Хімічним елементом називають сукупність атомів з однаковим позитивним зарядом. Атом - це найменша частинка хімічного елемента, яка зберігає його хімічні властивості. Зв'язуючись, один з одним, атоми одного або різних елементів утворюють більш складні частинки - молекули. Сукупність атомів або молекул утворюють хімічні речовини. Кожне індивідуальне хімічна речовина характеризується набором індивідуальних фізичних властивостей, такими як температури кипіння і плавлення, щільністю, електро- і теплопровідністю і т.п.

1. Будова атома і Періодична система елементів

Знання і розуміння закономірностей порядку заповнення періодичної системи елементів Д.І. Менделєєва дозволяє зрозуміти наступне:

1.Фізичні суть існування в природі певних елементів,

2.пріроду хімічної валентності елемента,

3.способность і "легкість" елемента віддавати або приймати електрони при взаємодії з іншим елементом,

4.пріроду хімічних зв'язків, які може утворити даний елемент при взаємодії з іншими елементами, просторова будова простих і складних молекул і ін. Ін.

Будова атома.

Атом являє собою складну микросистему знаходяться в русі і взаємодіють один з одним елементарних частинок.

В кінці 19 і початку 20 століть було встановлено, що атоми складаються з більш дрібних частинок: нейтронів, протонів і електронів, Останні дві частинки є зарядженими частинками, протон несе на собі позитивний заряд, електрон - негативний. Оскільки атоми елемента в основному стані електронейтральні, то це означає, що число протонів в атомі будь-якого елемента дорівнює числу електронів. Маса атомів визначається сумою маси протонів і нейтронів, кількість яких дорівнює різниці маси атомів і його порядкового номера в періодичної системі Д.І. Менделєєва.

У 1926 р Шредінгер запропонував описувати рух мікрочастинок в атомі елемента за допомогою виведеного їм хвильового рівняння. При вирішенні хвильового рівняння Шредінгера для атома водню з'являються три цілочисельних квантових числа: n, ℓ і mℓ. які характеризують стан електрона в тривимірному просторі в центральному полі ядра. Квантові числа n, ℓ і mℓ приймають цілочисельні значення. Хвильова функція, яка визначається трьома квантовими числами n, ℓ і mℓ і отримується в результаті рішення рівняння Шредінгера, називається орбиталью. Орбиталь - це область простору, в якому найбільш ймовірно знаходження електрона. належить атому хімічного елемента. Таким чином, рішення рівняння Шредінгера для атома водню призводить до появи трьох квантових чисел, фізичний зміст яких полягає в тому, що вони характеризують три різного виду орбіталей, які може мати атом. Розглянемо більш докладно кожне квантове число.

Головне квантове число n може приймати будь-які позитивні цілочисельні значення: n = 1,2,3,4,5,6,7 ... Воно характеризує енергію електронного рівня та розмір електронного "хмари". Характерно, що номер головного квантового числа збігається з номером періоду, в якому знаходиться даний елемент.

Азимутальное або орбітальне квантове число ℓ може приймати цілочисельні значення від ℓ = 0 ... .до n - 1 і визначає момент руху електронів, тобто форму орбіталі. Для різних чисельних значень ℓ використовують такі позначення: ℓ = 0, 1, 2, 3, і позначаються символами s, p, d, f. відповідно для ℓ = 0, 1, 2 і 3. У періодичній системі елементів немає елементів зі спінові числом ℓ = 4.

Магнітне квантове чіслоmℓ характеризує просторове розташування електронних орбіталей і, отже, електромагнітні властивості електрона. Воно може набувати значень від - ℓ до + ℓ. включаючи нуль.

Форма або, точніше, властивості симетрії атомних орбіталей залежать від квантових чисел ℓ і mℓ. "Електронне хмара", відповідне s - орбіталі має, має форму кулі (при цьому ℓ = 0).

Орбіталі, що визначаються квантовими числами ℓ = 1 і mℓ = -1, 0 і +1, називаються р-орбиталями. Оскільки mℓ при цьому має три різних значень, то атом при цьому має три енергетично еквівалентні р-орбіталі (головне квантове число для них одне і теж і може мати значення n = 2,3,4,5,6 або 7). р-Орбіталі мають осьову симетрію і мають вигляд об'ємних вісімок, в зовнішньому полі орієнтованих по осях x, y і z (рис.1.2). Звідси і походження символіки px. py і pz.

Крім того, є d- і f- атомні орбіталі, для перших ℓ = 2 і mℓ = -2, -1, 0, +1 і +2, тобто п'ять АТ, для других ℓ = 3 і mℓ = -3, -2, -1, 0, +1, +2 і +3, тобто 7 АТ.

Четверте квантове ms називається квантовим числом, було введено для пояснення деяких тонких ефектів в спектрі атома водню Гаудсмитом і Уленбеком в 1925р. Спін електрона - це кутовий момент зарядженої елементарної частинки електрона, орієнтація якого квантована, тобто строго обмежена певними кутами. Ця орієнтація визначається значенням спінового магнітного квантового числа (s), яке для електрона одно ½. тому для електрона згідно з правилами квантування ms = ± ½. У зв'язку з цим до набору з трьох квантових чисел слід додати квантове число ms. Підкреслимо ще раз, що чотири квантових числа визначають порядок побудови періодичної таблиці елементів Менделєєва і пояснюють, чому в першому періоді тільки два елементи, в другому і в третьyoм - по вісім, - в четвертому - 18 і т д. Однак, щоб пояснити будову багатоелектронних атомів, порядок заповнення електронних рівнів у міру збільшення позитивного заряду атома недостатньо мати уявлення про чотирьох квантових числах, "керуючих" поведінкою електронів при заповненні електронних орбіталей, але необхідно знати ще екоторие прості правила, а саме, принцип Паулі, правило Гунда і правила Клечковского.

Згідно принципу Паулі в одному і тому ж квантовому стані, яке характеризується певними значеннями чотирьох квантових чисел, не може перебувати більше одного електрона. Це означає, що один електрон можна в принципі помістити на будь-яку атомну орбіталь. Два електрона можуть перебувати на одній атомній орбіталі тільки в тому випадку, якщо вони відрізняються спінові квантовими числами.

При заповненні електронами трьох р-АТ, п'яти d-AO і семи f-AO слід керуватися крім принципу Паулі ще й правилом Гунда: Заповнення орбіталей однієї подоболочки в основному стані відбувається електронами з однаковими спинами.

При заповненні подоболочек (p, d, f) абсолютне значення суми спинив має бути максимальною.

Правило Клечковского. Згідно з правилом Клечковского при заполненііd і fорбіталіей електронами повинен соблюдатьсяпрінціп мінімальної енергіі.Согласно цим принципом електрони в основному стані заповнюють орбіталі з мінімальними рівнями енергії. Енергію підрівні визначають сума квантових чіселn + ℓ = Е.

Перше правило Клечковского. спочатку заповнюються ті підрівні, для которихn + ℓ = Емінімальна.

Друге правило Клечковского. в разі равенстваn + ℓдля декількох підрівнів йде заповнення того підрівні, для которогоnмінімальна.

В даний час відомо 109 елементів.

2.Енергія іонізації, спорідненість до електрону і електронний торгівельний.

Найважливішими характеристиками електронної конфігурації атома є енергія іонізації (ЕІ) або потенціал іонізації (ПІ) і спорідненість атома до електрона (СЕ). Енергією іонізації називають зміну енергії в процесі відриву електрона від вільного атома при 0 К: А = ++ ē. Залежність енергії іонізації від порядкового номера Z елементу, розміру атомного радіусу має яскраво виражений періодичний характер.

Спорідненість до електрону (СЕ), являє собою зміну енергії, яким супроводжується приєднання електрона до ізольованого атому з утворенням негативного іона при 0 К: А + ē = А- (атом і іон знаходяться в своїх основних станах). При цьому електрон займає нижчу вільну атомну орбіталь (НСАО), якщо ВЗАО зайнята двома електронами. СЕ сильно залежить від їх орбітальної електронної конфігурації.

Зміни ЕІ і СЕ корелюють зі зміною багатьох властивостей елементів і їх сполук, що використовується для передбачення цих властивостей за значеннями ЕІ і СЕ. Найбільш високим по абсолютній величині спорідненістю до електрону мають галогени. У кожній групі періодичної таблиці елементів потенціал іонізації чи електронне видання зменшується зі збільшенням номера елемента, що пов'язано зі збільшенням атомного радіусу і зі збільшенням кількості електронних шарів і що добре корелює зі збільшенням відновної здатності елемента.

У таблиці 1 Періодичної системи елементів наведені значення ЕІ і СЕ в еВ / на атом. Відзначимо, що точні значення СЕ відомі лише для небагатьох атомів, їх величини підкреслені в таблиці 1.

Перша енергія іонізації (ЕІ), спорідненість до електрону (СЕ) і електронний торгівельний χ) атомів в періодичній системі.