Schauen wir uns an, wie ein Atom aufgebaut ist. Denken Sie daran, dass wir nur über Modelle sprechen werden. In der Praxis sind Atome eine viel komplexere Struktur. Aber dank moderner Entwicklungen sind wir in der Lage, die Eigenschaften chemischer Elemente (wenn auch nicht aller) zu erklären und sogar erfolgreich vorherzusagen. Also, was ist die Struktur eines Atoms? Woraus ist es „gemacht“?
Planetenmodell des Atoms
wurde erstmals 1913 vom dänischen Physiker N. Bohr vorgeschlagen. Dies ist die erste Theorie über die Struktur des Atoms, die auf wissenschaftlichen Fakten basiert. Darüber hinaus legte sie den Grundstein für eine moderne Fachsprache. Darin erzeugen Elektronenteilchen Rotationsbewegungen um das Atom, ähnlich wie die Planeten um die Sonne. Bohr schlug vor, dass sie nur in Umlaufbahnen existieren können, die sich in einem genau definierten Abstand vom Kern befinden. Warum genau, konnte der Wissenschaftler aus der Position der Wissenschaft nicht erklären, aber ein solches Modell wurde durch viele Experimente bestätigt. Zur Bezeichnung der Umlaufbahnen wurden ganze Zahlen verwendet, beginnend mit der Einheit, die dem Kern am nächsten nummeriert war. Alle diese Umlaufbahnen werden auch Ebenen genannt. Das Wasserstoffatom hat nur eine Ebene, auf der sich ein Elektron dreht. Aber komplexe Atome haben mehr Ebenen. Sie sind in Komponenten unterteilt, die Elektronen vereinen, die ein ähnliches Energiepotential haben. Der zweite hat also bereits zwei Unterebenen - 2s und 2p. Der dritte hat bereits drei - 3s, 3p und 3d. Usw. Zuerst werden die kernnäheren Unterebenen „besiedelt“, dann die entfernteren. Jeder von ihnen kann nur eine bestimmte Anzahl von Elektronen aufnehmen. Aber das ist nicht das Ende. Jede Unterebene ist in Orbitale unterteilt. Machen wir einen Vergleich mit dem gewöhnlichen Leben. Die Elektronenwolke eines Atoms ist vergleichbar mit einer Stadt. Ebenen sind Straßen. Unterebene - ein Privathaus oder eine Wohnung. Orbital ist ein Raum. Jeder von ihnen "lebt" ein oder zwei Elektronen. Alle haben bestimmte Adressen. Dies war das erste Diagramm der Struktur des Atoms. Und schließlich zu den Adressen der Elektronen: Sie werden durch Zahlenmengen bestimmt, die "Quanten" genannt werden.
Wellenmodell des Atoms
Aber im Laufe der Zeit wurde das Planetenmodell überarbeitet. Eine zweite Theorie der Struktur des Atoms wurde vorgeschlagen. Es ist perfekter und ermöglicht es, die Ergebnisse praktischer Experimente zu erklären. Das von E. Schrödinger vorgeschlagene Wellenmodell des Atoms ersetzte das erste. Damals wurde bereits festgestellt, dass sich ein Elektron nicht nur als Teilchen, sondern auch als Welle manifestieren kann. Was hat Schrödinger getan? Er wandte eine Gleichung an, die die Bewegung einer Welle im dreidimensionalen Raum beschreibt. Man findet also nicht die Flugbahn des Elektrons im Atom, sondern die Wahrscheinlichkeit seines Nachweises an einem bestimmten Punkt. Beide Theorien eint die Tatsache, dass sich Elementarteilchen auf befindenspezifische Ebenen, Unterebenen und Orbitale. Hier endet die Ähnlichkeit der Modelle. Ich gebe ein Beispiel: In der Wellentheorie ist ein Orbital ein Bereich, in dem es möglich ist, ein Elektron mit einer Wahrscheinlichkeit von 95 % zu finden. Der Rest des Weltraums macht 5 % aus. Aber am Ende stellte sich heraus, dass die strukturellen Eigenschaften von Atomen trotz allgemein verwendeter Terminologie mit einem Wellenmodell abgebildet werden.
Der Wahrscheinlichkeitsbegriff in diesem Fall
Warum wurde dieser Begriff verwendet? Heisenberg formulierte 1927 die Unschärferelation, die heute zur Beschreibung der Bewegung von Mikroteilchen verwendet wird. Es basiert auf ihrem grundlegenden Unterschied zu gewöhnlichen physischen Körpern. Was ist es? Die klassische Mechanik ging davon aus, dass ein Mensch Phänomene beobachten kann, ohne sie zu beeinflussen (Beobachtung von Himmelskörpern). Anhand der empfangenen Daten lässt sich berechnen, wo sich das Objekt zu einem bestimmten Zeitpunkt befinden wird. Aber im Mikrokosmos sind die Dinge notwendigerweise anders. So ist beispielsweise ein unbeeinflusstes Elektron nicht mehr zu beobachten, da die Energien des Instruments und des Teilchens unvergleichbar sind. Dies führt dazu, dass sich der Ort eines Elementarteilchens, Zustand, Richtung, Bewegungsgeschwindigkeit und andere Parameter ändern. Und es macht keinen Sinn, über die genauen Eigenschaften zu sprechen. Die Unschärferelation selbst sagt uns, dass es unmöglich ist, die genaue Flugbahn des Elektrons um den Kern zu berechnen. Sie können nur die Wahrscheinlichkeit angeben, ein Teilchen in einem bestimmten Bereich zu findenPlatz. Dies ist die Besonderheit der Struktur von Atomen chemischer Elemente. Dies sollte aber ausschließlich von Wissenschaftlern in praktischen Versuchen berücksichtigt werden.
Zusammensetzung eines Atoms
Aber konzentrieren wir uns auf das ganze Thema. Neben der wohlüberlegten Elektronenhülle ist der zweite Bestandteil des Atoms also der Atomkern. Es besteht aus positiv geladenen Protonen und neutralen Neutronen. Wir alle kennen das Periodensystem. Die Anzahl jedes Elements entspricht der Anzahl der Protonen, die es hat. Die Anzahl der Neutronen ist gleich der Differenz zwischen der Masse eines Atoms und seiner Anzahl an Protonen. Abweichungen von dieser Regel sind möglich. Dann sagen sie, dass ein Isotop des Elements vorhanden ist. Die Struktur eines Atoms ist so, dass es von einer Elektronenhülle „umgeben“ist. Die Anzahl der Elektronen ist normalerweise gleich der Anzahl der Protonen. Die Masse des letzteren ist etwa 1840-mal größer als die des ersteren und entspricht ungefähr dem Gewicht des Neutrons. Der Radius des Kerns beträgt etwa 1/200.000 des Durchmessers eines Atoms. Er selbst hat eine Kugelform. Dies ist im Allgemeinen die Struktur von Atomen chemischer Elemente. Trotz des Unterschieds in Masse und Eigenschaften sehen sie ungefähr gleich aus.
Umlaufbahnen
Wenn man darüber spricht, was das Schema der Struktur des Atoms ist, kann man darüber nicht schweigen. Es gibt also diese Typen:
- s. Sie sind kugelförmig.
- p. Sie sehen aus wie voluminöse Achter oder Spindeln.
- d und f. Sie haben eine komplexe Form, die in formaler Sprache schwer zu beschreiben ist.
Elektronen jeder Art sind mit einer Wahrscheinlichkeit von 95% im Gebiet zu findenentsprechendes Orbital. Die präsentierten Informationen sind mit Ruhe zu genießen, da es sich eher um ein abstraktes mathematisches Modell als um einen physikalisch realen Sachverh alt handelt. Aber bei all dem hat es eine gute Vorhersagekraft bezüglich der chemischen Eigenschaften von Atomen und sogar Molekülen. Je weiter die Ebene vom Kern entfernt liegt, desto mehr Elektronen können darauf platziert werden. Die Anzahl der Orbitale kann also mit einer speziellen Formel berechnet werden: x2. Hier ist x gleich der Anzahl der Ebenen. Und da bis zu zwei Elektronen auf dem Orbital platziert werden können, sieht die endgültige Formel für ihre numerische Suche so aus: 2x2.
Orbits: Technische Daten
Wenn wir über die Struktur des Fluoratoms sprechen, hat es drei Orbitale. Alle werden gefüllt. Die Energie von Orbitalen innerhalb derselben Unterebene ist dieselbe. Um sie zu bezeichnen, fügen Sie die Schichtnummer hinzu: 2s, 4p, 6d. Wir kehren zum Gespräch über die Struktur des Fluoratoms zurück. Es wird zwei s- und eine p-Unterebene haben. Es hat neun Protonen und die gleiche Anzahl an Elektronen. Zuerst ein S-Level. Das sind zwei Elektronen. Dann die zweite S-Stufe. Zwei weitere Elektronen. Und 5 füllt die p-Ebene. Hier ist seine Struktur. Nachdem Sie den folgenden Untertitel gelesen haben, können Sie die erforderlichen Maßnahmen selbst ergreifen und sich selbst davon überzeugen. Wenn wir über die physikalischen Eigenschaften von Halogenen sprechen, zu denen auch Fluor gehört, sollte beachtet werden, dass sie sich, obwohl sie zur selben Gruppe gehören, in ihren Eigenschaften völlig unterscheiden. Ihr Siedepunkt liegt also zwischen -188 und 309Grad Celsius. Warum werden sie also zusammengelegt? Alles dank der chemischen Eigenschaften. Alle Halogene und vor allem Fluor haben die höchste Oxidationskraft. Sie reagieren mit Metallen und können sich bei Raumtemperatur problemlos selbst entzünden.
Wie werden Umlaufbahnen gefüllt?
Nach welchen Regeln und Prinzipien sind Elektronen angeordnet? Wir empfehlen Ihnen, sich mit den drei wichtigsten vertraut zu machen, deren Wortlaut zum besseren Verständnis vereinfacht wurde:
- Prinzip der geringsten Energie. Elektronen neigen dazu, Orbitale in der Reihenfolge zunehmender Energie zu füllen.
- Pauli-Prinzip. Ein Orbital kann nicht mehr als zwei Elektronen enth alten.
- Hundsche Regel. Innerhalb einer Unterebene füllen Elektronen zunächst freie Orbitale und bilden erst dann Paare.
Das Periodensystem von Mendeleev hilft beim Ausfüllen, und die Struktur des Atoms wird in diesem Fall in Bezug auf das Bild verständlicher. Daher ist es bei der praktischen Arbeit mit dem Aufbau von Sch altungen von Elementen notwendig, es zur Hand zu haben.
Beispiel
Um alles zusammenzufassen, was in dem Artikel gesagt wurde, können Sie ein Beispiel dafür machen, wie die Elektronen eines Atoms über ihre Ebenen, Unterebenen und Orbitale verteilt sind (dh wie die Ebenenkonfiguration ist). Es kann als Formel, als Energiediagramm oder als Schichtdiagramm dargestellt werden. Hier gibt es sehr gute Illustrationen, die bei näherer Betrachtung helfen, den Aufbau des Atoms zu verstehen. Die erste Ebene wird also zuerst gefüllt. Es hatnur eine Unterebene, in der es nur ein Orbital gibt. Alle Ebenen werden nacheinander gefüllt, beginnend mit der kleinsten. Zunächst wird innerhalb einer Unterebene ein Elektron in jedes Orbital platziert. Dann werden Paare gebildet. Und wenn es freie gibt, wechselt es zu einem anderen Füllfach. Und jetzt können Sie unabhängig herausfinden, wie das Stickstoff- oder Fluoratom aufgebaut ist (was zuvor berücksichtigt wurde). Es kann anfangs etwas schwierig sein, aber Sie können navigieren, indem Sie sich die Bilder ansehen. Schauen wir uns zur Verdeutlichung die Struktur des Stickstoffatoms an. Es hat 7 Protonen (zusammen mit Neutronen, die den Kern bilden) und die gleiche Anzahl von Elektronen (die die Elektronenhülle bilden). Die erste S-Ebene wird zuerst gefüllt. Es hat 2 Elektronen. Dann kommt die zweite S-Stufe. Es hat auch 2 Elektronen. Und die anderen drei sind auf der p-Ebene platziert, wo jeder von ihnen ein Orbital besetzt.
Schlussfolgerung
Wie Sie sehen, ist die Struktur des Atoms kein so schwieriges Thema (natürlich wenn Sie es aus der Perspektive eines Schulchemiekurses angehen). Und es ist nicht schwer, dieses Thema zu verstehen. Abschließend möchte ich Sie noch über einige Features informieren. Wenn wir zum Beispiel über die Struktur des Sauerstoffatoms sprechen, wissen wir, dass es acht Protonen und 8-10 Neutronen hat. Und da alles in der Natur zum Gleichgewicht neigt, bilden zwei Sauerstoffatome ein Molekül, in dem zwei ungepaarte Elektronen eine kovalente Bindung eingehen. In ähnlicher Weise wird ein weiteres stabiles Sauerstoffmolekül gebildet - Ozon (O3). Wenn man die Struktur des Sauerstoffatoms kennt, ist es möglich, Oxidationsreaktionen richtig zu formulieren, zDabei handelt es sich um die häufigste Substanz auf der Erde.
