Занятие 2. Тема «Строение атома»
Методические рекомендации.
Строение электронной оболочки
Экспериментальные данные о наличии положительно заряженного ядра и его расположения в атоме, были получены английским ученым Э. Резерфордом, который предложил гипотезу о планетарном строении атома: т. е. атом это система из очень малого по размерам ядра (10-12 –10-13 см), вокруг которого по круговым орбитам движется такое количество электронов, что они своим отрицательным зарядом нейтрализуют положительный заряд ядра.
Датский ученый Н. Бор в 1913 году на основе квантовой теории излучения М. Планка, развил квантовую теорию строения атома согласно которой:
а) электрон может двигаться вокруг ядра атома не по любым орбитам, а только по вполне определенным – дозволенным:
при движении электронов по этим, дозволенным орбитам, атом не излучает энергию, излучение и поглощение энергии происходит при переходе электронов с одной орбиты на другую
б) при этом энергия излучается порциями, или квантами, каждому из которых соответствует определенная частота. Положению электрона на каждой из орбит соответствует определенный запас энергии. Когда электрон движется по первой орбите, прочность его связи с ядром максимальная, а запас энергии минимальный. Такое состояние атома называют нормальным.
Если подвести энергию к атому, то электрон переместится на одну из более удаленных орбит, при этом прочность связи его с ядром уменьшится, а запас энергии атома увеличится. Такое состояние атома называют возбужденным.
В основе нового квантово-механического подхода к строению атома лежат два основных пункта:
а) электрон можно рассматривать как частицу, которая при движении проявляет волновые свойства.
б) электрон может находиться на любом расстоянии от ядра, однако вероятность его пребывания в разных местах атома различна.
Развитие волновой механики привело к отказу от прежних представлений об определенных электронных орбитах. Электрон может находиться в любой точке пространства вокруг ядра. Поэтому квантовая механика вводит понятие электронного облака. Электронное облако (орбиталь) имеет разную геометрическую форму.
Строение атомного ядра.
На основании тщательного изучения ядерных реакций советские физики , и одновременно немецкий физик В. Гейзенберг предложили протонно-нейтронную теорию строения атомного ядра. Согласно этой теории, атомные ядра состоят из протонов и нейтронов. Оба вида частиц, объединяемых под общим названием нуклоны, обладают почти одинаковой массой, равной 1 а. е. м.
Так как практически вся масса атомов сосредоточена в ядре, можно считать что, массовое число – округленная относительная масса, А равно сумме протонов N (p) и нейтронов N(n):
A = N (p) + N(n)
Число нейтронов в ядре равно разности между массовым числом и числом протонов
N(n)= A – N (p)
Так, атомы водорода имеют массовые числа 1,2,3:
Ядра всех атомов содержат одинаковое число протонов, но разное число нейтронов, ядро протия состоит из 1 протона, ядро дейтерия из 1 протона и одного нейтрона, ядро трития из 1 протона и 2 нейтронов.
Атому имеющие одинаковый заряд ядра, но разные массовые числа называют изотопами.
В Периодической системе элементов , атомная масса элемента указывается как средняя величина массовых чисел всех его изотопов, взятых в процентном отношении, отвечающем их распространенности в природе.
Атомы различных изотопов одного и того же химического элемента, наряду с разными ядерными свойствами имеют одинаковое строение электронной оболочки, поэтому химические и физические свойства изотопов практически одинаковы. Изотопы занимают одно и то же место в Периодической системе.
Примеры.
Задача 1. Напишите схему распределения электронов в атоме хлора, его электронную и электронно-графическую формулы.
Решение. Хлор расположен в третьем периоде, следовательно, у его атома три энергетических уровня. Хлор находится в VII группе главной подгруппы, поэтому число электронов на последнем уровне равно 7. Число электронов на остальных уровнях определяется по формуле:
N = 2n2, т. е. 2 и 8. Следовательно, схема строения атома хлора
1 | 2 | 3 | |
17CI | 2е | 8е | 7е |
электронная формула хлора
17CI 1s2 2s2 2p6 3s2 3p5,
электронно-графическая формула
17CI 
Задача 2. Дайте характеристику элемента хлора на основании его положения в Периодической системе элементов.
Решение. Хлор расположен в VII группе главной подгруппы. Хлор неметалл. На последнем энергетическом уровне семь электронов, высшая степень окисления в кислородных соединениях равна семи.
Задача 3. Назовите элемент, имеющий следующую электронную формулу:
1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s2
Решение
Так как число электронов и число протонов равны, подсчитываем число электронов: 2+2+6+2+6+10+2=30 число протонов 30, заряд ядра +30, порядковый номер в периодической системе – 30. Этот элемент – цинк.
Ответ: Цинк (Zn).
Задача 4. Сколько электронных уровней у атома с числом протонов в ядре 37.
Решение. Находим элемент № 37 – это рубидий (Rb), он находится в пятом периоде, следовательно число электронных уровней этого атома равно пяти.
Ответ: 5
Задача 5. Напишите электронные формулы атомов хрома и меди. Объясните расположение одного s-электрона на четвертом уровне.
Решение. У элементов четвертого периода хрома (Z=24) и меди (Z=29), атомы которых имеют четыре электронных слоя, происходит заполнение третьего подуровня, и поэтому следовало бы ожидать, что их формулы будут иметь вид
Cr 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d4 4s2
Cu 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d9 4s2
Однако в действительности расположение электронов на внешних уровнях атомов этих элементов выражается формулами 3d5 4s1 и 3d10 4s1 , что объясняется провалом одного из электронов 4s-подуровня на 3d-подуровень.
Задача 6. Укажите для атомов 
и 
число протонов и нейтронов в ядре и общее число электронов.
Решение
а) Число протонов равно порядковому номеру элемента, следовательно, кислород содержит в ядре 8 протонов, сера 16 протонов.
б) Число протонов в атоме равно числу электронов. Кислород – 8 электронов, сера 16 электронов.
Задача 7. Ядро атома элемента содержит 16 нейтронов, а электронная оболочка атома 15 электронов. Какой это элемент, чему равен заряд ядра и относительная атомная масса.
Решение. Число протонов равно числу электронов, поэтому число протонов в данном атоме 15 и заряд ядра +15.
Относительная атомная масса
Аr = сумма Р (Протон) + сумма N (Нейтрон)
Аr = 15+16 = 31 а. е.м.
По Периодической системе элемент № 15 – фосфор (Р).
Задача 8. Хлор имеет изотопы с массовыми числами 35 и 37. Укажите для каждого изотопа порядковый номер, число протонов и нейтронов, заряд ядра. Определите массовую долю в нем изотопов с массовыми числами 35 и 37, приняв атомную массу хлора 35,453.
Решение. Изотопы хлора имеют одинаковый порядковый номер 17, следовательно, и одинаковый заряд ядра – 17 протонов, а так как атом электронейтральный, то 17 электронов. Согласно протонно-нейтронной теории, у изотопа хлора 
будет 18 нейтронов (35 – 17), а у изотопа с массовым числом 
– 20 нейтронов (37 – 17). Если обозначить массовую долю (в %) изотопа в природном хлоре через х, а изотопа – через (100 – х), то можно составить уравнение:
35х+37(100 – х) / 100 = 35,453, откуда х = 77,4 %
Следовательно, хлор содержит 77,4 % изотопа и 22,6 % изотопа
Задача 9. Определить среднюю относительную атомную массу хлора, если массовая доля изотопа – 25%, массовая доля изотопа – 75%.
Решение. Атомная масса рассчитывается по формуле:
Ar=W1 x A1 +W2 x A2 / 100%
Ar(CI)=25% x37+75% x 35/ 100% = 35,5
Ответ: 35,5.
Вопросы для самопроверки.
1. В чем сущность теории атома Бора. Назовите ее недостатки.
2. В чем сущность квантово-механической теории строения атома?
3. Сколько подуровней на втором, третьем, четвертом квантовых слоях?
4. Какое максимальное число электронов на подуровнях s, p, d, f?
5. В каких группах и подгруппах Периодической системы находятся s - и p - элементы?
6. Какое максимальное число электронов может находиться на третьем и четвертом энергетических уровнях?
