Ako sa volá jadro atómu vodíka? Štruktúra atómu: jadro, neutrón, protón, elektrón. Stav elektrónov v atóme
DEFINÍCIA
Vodík- prvý prvok periodickej tabuľky. Označenie - H. Nachádza sa v prvom období, skupina I, podskupina A.
Vzťahuje sa na nekovy. Jadrový náboj je 1. Atómová hmotnosť sa môže meniť: 1, 2, 3, čo je spôsobené prítomnosťou izotopov deutéria a trícia.
Elektrónová štruktúra atómu vodíka
Atóm vodíka má kladne nabité jadro (+1), 1 protón a jeden elektrón. Pretože vodík má najjednoduchšiu atómovú štruktúru zo všetkých prvkov v periodickej tabuľke, je dobre študovaný. V roku 1913 Niels Bohr navrhol schému štruktúry atómu vodíka, podľa ktorej je kladne nabité jadro umiestnené v strede a okolo neho sa pohybuje elektrón po jedinom orbitále (obr. 1). V súlade s touto schémou odvodil emisné spektrum tohto chemického prvku. Čo bolo neskôr dokázané pomocou kvantovomechanických výpočtov Schrödingerovej rovnice (1925-1930).
Ryža. 1. Schéma štruktúry atómu vodíka.
Elektrónová konfigurácia atómu vodíka bude vyzerať takto:
Vodík patrí do rodiny s-prvkov. Energetický diagram atómu vodíka vyzerá takto:
Jediný elektrón, ktorý má vodík, je valenčný, pretože podieľa sa na tvorbe chemických väzieb. V dôsledku interakcie môže vodík buď stratiť elektrón, t.j. byť jeho darcom, a prijať ho, t.j. byť akceptantom. V týchto prípadoch sa atóm zmení buď na kladne alebo záporne nabitý ión (H + /H -):
H 0 +e →H — .
Príklady riešenia problémov
PRÍKLAD 1
PRÍKLAD 2
| Cvičenie | Uveďte počet protónov a neutrónov obsiahnutých v jadrách dusíka (atómové číslo 14), kremíka (atómové číslo 28) a bária (atómové číslo 137). |
| Riešenie | Počet protónov v jadre atómu chemického prvku je určený jeho poradovým číslom v periodickej tabuľke a počet neutrónov je rozdiel medzi hmotnostným číslom (M) a nábojom jadra (Z). dusík: n(N)= M-Z = 14-7 = 7. kremík: n(Si)= M-Z = 28-14 = 14. Bárium: n(Ba)= M-Z = 137-56 = 81. |
| Odpoveď | Počet protónov v jadre dusíka je 7, neutrónov - 7; v jadre atómu kremíka je 14 protónov a 14 neutrónov; V jadre atómu bária je 56 protónov a 81 neutrónov. |
Keď sa ukázalo, že jadrá atómov majú zložitú štruktúru, vyvstala otázka, z akých častíc sa skladajú.
V roku 1913 Rutherford predložil hypotézu, že jednou z častíc, ktoré tvoria atómové jadrá všetkých chemických prvkov, je jadro atómu vodíka.
Základom tohto predpokladu bolo množstvo faktov, ktoré sa dovtedy objavili a získali experimentálne. Najmä bolo známe, že hmotnosti atómov chemických prvkov prevyšujú hmotnosť atómu vodíka o celé číslo (t. j. sú jeho násobkami). V roku 1919 Rutherford uskutočnil experiment na štúdium interakcie a-častíc s jadrami atómov dusíka.
V tomto experimente alfa častica letiaca obrovskou rýchlosťou, keď narazila na jadro atómu dusíka, vyradila z neho nejakú časticu. Podľa Rutherfordovho predpokladu bola táto častica jadrom atómu vodíka, ktorý Rutherford nazval protón (z gréckeho protos – prvý). Ale keďže pozorovanie týchto častíc prebiehalo scintilačným spôsobom, nebolo možné presne určiť, ktorá častica bola emitovaná z jadra atómu dusíka.
To, že protón skutočne emitoval z jadra atómu, bolo možné overiť až o niekoľko rokov neskôr, keď sa reakcia medzi časticou α a jadrom atómu dusíka uskutočnila v oblačnej komore.
Cez priehľadné okrúhle okno oblačnej komory aj voľným okom vidieť stopy (t. j. trajektórie) častíc, ktoré sa v nej rýchlo pohybujú (obr. 161).
Ryža. 161. Fotografie stôp nabitých častíc získaných v oblačnej komore
Obrázok ukazuje rovné čiary rozbiehajúce sa ako vejár. Ide o stopy α-častíc, ktoré preleteli priestorom komory bez toho, aby sa zrazili s jadrami atómov dusíka. Ale stopa jednej častice alfa sa rozdvojí a vytvorí takzvanú „vidličku“. To znamená, že v bode rozdvojenia dráhy α-častica interagovala s jadrom atómu dusíka, čo viedlo k vytvoreniu jadier atómov kyslíka a vodíka. Skutočnosť, že tieto konkrétne jadrá vznikajú, bola určená povahou zakrivenia stôp, keď bola oblaková komora umiestnená do magnetického poľa.
Reakcia interakcie jadra dusíka s α-časticami s tvorbou jadier kyslíka a vodíka je napísaná takto:
kde symbol H označuje protón, t.j. jadro atómu vodíka, s hmotnosťou približne rovnou 1 a. amu (presnejšie 1,0072765 amu) a kladný náboj rovný elementárnemu náboju (t.j. modul elektrónového náboja). Symbol sa používa aj na označenie protónu.
Následne sa študovala interakcia alfa častíc s jadrami atómov iných prvkov: bór (B), sodík (Na), hliník (Al), horčík (Mg) a mnohé ďalšie. V dôsledku toho sa ukázalo, že častice alfa vyradili protóny zo všetkých týchto jadier. To dalo dôvod domnievať sa, že protóny sú súčasťou atómových jadier všetkých chemických prvkov.
Objav protónu neposkytol úplnú odpoveď na otázku, z akých častíc pozostávajú jadrá atómov. Ak predpokladáme, že atómové jadrá pozostávajú iba z protónov, potom vzniká rozpor.
Ukážme na príklade jadra atómu berýlia (), v čom spočíva tento rozpor.
Predpokladajme, že jadro pozostáva iba z protónov. Keďže náboj každého protónu sa rovná jednému elementárnemu náboju, počet protónov v jadre sa musí rovnať číslu náboja, v tomto prípade štyrom.
Ak by však jadro berýlia skutočne pozostávalo len zo štyroch protónov, jeho hmotnosť by bola približne 4 a. amu (keďže hmotnosť každého protónu je približne 1 amu).
To je však v rozpore s experimentálnymi údajmi, podľa ktorých je hmotnosť jadra atómu berýlia približne 9 AU. jesť.
Je teda zrejmé, že okrem protónov obsahujú jadrá atómov aj niektoré ďalšie častice.
V tejto súvislosti v roku 1920 Rutherford navrhol existenciu elektricky neutrálnej častice s hmotnosťou približne rovnou hmotnosti protónu.
Začiatkom 30. rokov. XX storočia Boli objavené dovtedy neznáme lúče, ktoré sa nazývali berýliové žiarenie, keďže vznikli pri bombardovaní časticami berýlia alfa.
James Chadwick (1891-1974)
Anglický experimentálny fyzik. Pracuje v oblasti rádioaktivity a jadrovej fyziky. Objavil neutrón
V roku 1932 anglický vedec James Chadwick (študent Rutherforda) pomocou experimentov uskutočnených v oblačnej komore dokázal, že žiarenie berýlia je prúd elektricky neutrálnych častíc, ktorých hmotnosť je približne rovnaká ako hmotnosť protónu. Neprítomnosť elektrického náboja v skúmaných časticiach vyplývala najmä z toho, že sa neodchyľovali ani v elektrickom, ani v magnetickom poli. A hmotnosť častíc bola odhadnutá ich interakciou s inými časticami.
Tieto častice sa nazývali neutróny. Presné merania ukázali, že hmotnosť neutrónu je 1,0086649 a. e.m., t.j. o niečo väčšia ako hmotnosť protónu. V mnohých prípadoch sa hmotnosť neutrónu (rovnako ako hmotnosť protónu) považuje za rovnú 1 a. e.m. Preto je jednotka umiestnená hore pred symbolom neutrónu. Nula v spodnej časti znamená žiadny elektrický náboj.
Otázky
- Aký záver sa urobil na základe fotografie stôp častíc v oblačnej komore (pozri obr. 161)?
- Aký je iný názov a symbol pre jadro atómu vodíka? Aká je jeho hmotnosť a náboj?
- Aký predpoklad (o zložení jadier) umožnili urobiť výsledky experimentov o interakcii α-častíc s jadrami atómov rôznych prvkov?
- K akému rozporu vedie predpoklad, že atómové jadrá pozostávajú iba z protónov? Vysvetlite to na príklade.
- Ako sa dokázalo, že neutróny nemajú elektrický náboj? Ako sa odhadovala ich hmotnosť?
- Ako sa označuje neutrón, aká je jeho hmotnosť v porovnaní s hmotnosťou protónu?
Cvičenie 47
Zvážte záznam jadrovej reakcie interakcie jadier dusíka a hélia, ktorej výsledkom je tvorba jadier kyslíka a vodíka. Porovnajte celkový náboj interagujúcich jadier s celkovým nábojom jadier vytvorených ako výsledok tejto interakcie. Urobte záver o tom, či je pri tejto reakcii splnený zákon zachovania elektrického náboja.Elektróny
Pojem atóm vznikol v starovekom svete na označenie častíc hmoty. V preklade z gréčtiny znamená atóm „nedeliteľný“.
Írsky fyzik Stoney na základe experimentov dospel k záveru, že elektrinu nesú najmenšie častice existujúce v atómoch všetkých chemických prvkov. V roku 1891 Stoney navrhol nazývať tieto častice elektróny, čo v gréčtine znamená „jantár“. Niekoľko rokov po tom, čo elektrón dostal svoje meno, anglický fyzik Joseph Thomson a francúzsky fyzik Jean Perrin dokázali, že elektróny nesú záporný náboj. Toto je najmenší záporný náboj, ktorý sa v chémii berie ako jeden (-1). Thomsonovi sa dokonca podarilo určiť rýchlosť elektrónu (rýchlosť elektrónu na dráhe je nepriamo úmerná číslu dráhy n. Polomery dráh sa zväčšujú úmerne druhej mocnine čísla dráhy. Na prvej dráhe dráhy atóm vodíka (n=1; Z=1) rýchlosť je ≈ 2,2·106 m/s, teda asi stokrát menšia ako rýchlosť svetla c = 3·108 m/s) a hmotnosť elektrónu (je takmer 2000-krát menšia ako hmotnosť atómu vodíka).
Stav elektrónov v atóme
Stav elektrónu v atóme sa chápe ako súbor informácií o energii konkrétneho elektrónu a priestore, v ktorom sa nachádza. Elektrón v atóme nemá trajektóriu pohybu, t.j. môžeme len hovoriť pravdepodobnosť jeho nájdenia v priestore okolo jadra.
Môže sa nachádzať v ktorejkoľvek časti tohto priestoru obklopujúceho jadro a súhrn jeho rôznych pozícií sa považuje za elektrónový oblak s určitou zápornou hustotou náboja. Obrazne si to možno predstaviť takto: ak by bolo možné odfotografovať polohu elektrónu v atóme po stotinách alebo milióntinach sekundy, ako pri fotografickej úprave, potom by bol elektrón na takýchto fotografiách znázornený ako bodky. Ak by sa prekrývalo nespočetné množstvo takýchto fotografií, na obrázku by bol elektrónový oblak s najväčšou hustotou, kde by bolo týchto bodov najviac.
Priestor okolo atómového jadra, v ktorom sa s najväčšou pravdepodobnosťou nachádza elektrón, sa nazýva orbitál. Obsahuje približne 90% elektronický cloud, a to znamená, že asi 90 % času je elektrón v tejto časti vesmíru. Rozlišujú sa tvarom 4 v súčasnosti známe typy orbitálov, ktoré sú označené latinkou písmená s, p, d a f. Na obrázku je znázornené grafické znázornenie niektorých foriem elektrónových orbitálov.
Najdôležitejšou charakteristikou pohybu elektrónu v určitom orbitále je energie jeho spojenia s jadrom. Elektróny s podobnými energetickými hodnotami tvoria jednu elektrónovú vrstvu alebo energetickú hladinu. Energetické úrovne sú očíslované od jadra - 1, 2, 3, 4, 5, 6 a 7.
Celé číslo n, ktoré označuje číslo energetickej hladiny, sa nazýva hlavné kvantové číslo. Charakterizuje energiu elektrónov obsadzujúcich danú energetickú hladinu. Elektróny prvej energetickej hladiny, najbližšie k jadru, majú najnižšiu energiu. V porovnaní s elektrónmi prvej úrovne budú elektróny nasledujúcich úrovní charakterizované veľkou zásobou energie. V dôsledku toho sú elektróny vonkajšej úrovne najmenej pevne viazané na atómové jadro.
Najväčší počet elektrónov na energetickej úrovni je určený vzorcom:
N = 2n2,
kde N je maximálny počet elektrónov; n je číslo úrovne alebo hlavné kvantové číslo. V dôsledku toho prvá energetická hladina najbližšie k jadru nemôže obsahovať viac ako dva elektróny; na druhom - nie viac ako 8; na treťom - nie viac ako 18; na štvrtom - nie viac ako 32.
Počnúc druhou energetickou úrovňou (n = 2) je každá z úrovní rozdelená na podúrovne (podvrstvy), ktoré sa od seba mierne líšia väzbovou energiou s jadrom. Počet podúrovní sa rovná hodnote hlavného kvantového čísla: prvá energetická úroveň má jednu podúroveň; druhý - dva; tretí - tri; štvrtý - štyri podúrovne. Podúrovne sú zase tvorené orbitálmi. Každá hodnotan zodpovedá počtu orbitálov rovnajúcemu sa n.
Podúrovne sa zvyčajne označujú latinskými písmenami, ako aj tvarom orbitálov, z ktorých sa skladajú: s, p, d, f.
Protóny a neutróny
Atóm akéhokoľvek chemického prvku je porovnateľný s malou slnečnou sústavou. Preto sa tento model atómu, ktorý navrhol E. Rutherford, nazýva planetárne.
Atómové jadro, v ktorom je sústredená celá hmotnosť atómu, pozostáva z častíc dvoch typov - protóny a neutróny.
Protóny majú náboj rovný náboju elektrónov, ale opačný v znamienku (+1) a hmotnosť rovnajúcu sa hmotnosti atómu vodíka (v chémii sa berie ako jeden). Neutróny nenesú žiadny náboj, sú neutrálne a majú hmotnosť rovnajúcu sa hmotnosti protónu.
Protóny a neutróny spolu nazývame nukleóny (z latinského nucleus – jadro). Súčet počtu protónov a neutrónov v atóme sa nazýva hmotnostné číslo. Napríklad hmotnostné číslo atómu hliníka je:
13 + 14 = 27
počet protónov 13, počet neutrónov 14, hmotnostné číslo 27
Keďže hmotnosť elektrónu, ktorá je zanedbateľná, možno zanedbať, je zrejmé, že celá hmotnosť atómu je sústredená v jadre. Elektróny sú označené e - .
Od atómu elektricky neutrálny, potom je tiež zrejmé, že počet protónov a elektrónov v atóme je rovnaký. Rovná sa sériovému číslu chemického prvku, ktorý je mu priradený v periodickej tabuľke. Hmotnosť atómu pozostáva z hmotnosti protónov a neutrónov. Keď poznáte atómové číslo prvku (Z), t.j. počet protónov, a hmotnostné číslo (A), ktoré sa rovná súčtu počtu protónov a neutrónov, môžete zistiť počet neutrónov (N) pomocou vzorca :
N = A - Z
Napríklad počet neutrónov v atóme železa je:
56 — 26 = 30
Izotopy
Nazývajú sa rôzne druhy atómov toho istého prvku, ktoré majú rovnaký jadrový náboj, ale rôzne hmotnostné čísla izotopy. Chemické prvky nachádzajúce sa v prírode sú zmesou izotopov. Uhlík má teda tri izotopy s hmotnosťou 12, 13, 14; kyslík - tri izotopy s hmotnosťami 16, 17, 18 atď. Relatívna atómová hmotnosť chemického prvku zvyčajne uvedená v periodickej tabuľke je priemerná hodnota atómových hmotností prirodzenej zmesi izotopov daného prvku, berúc do úvahy ich relatívna hojnosť v prírode. Chemické vlastnosti izotopov väčšiny chemických prvkov sú úplne rovnaké. Avšak izotopy vodíka sa veľmi líšia vo vlastnostiach kvôli dramatickému viacnásobnému zvýšeniu ich relatívnej atómovej hmotnosti; majú dokonca jednotlivé názvy a chemické symboly.
Prvky prvého obdobia
Schéma elektrónovej štruktúry atómu vodíka:
Diagramy elektrónovej štruktúry atómov ukazujú distribúciu elektrónov cez elektronické vrstvy (energetické hladiny).
Grafický elektronický vzorec atómu vodíka (ukazuje distribúciu elektrónov podľa energetických úrovní a podúrovní):
Grafické elektronické vzorce atómov zobrazujú rozloženie elektrónov nielen medzi úrovňami a podúrovňami, ale aj medzi orbitálmi.
V atóme hélia je prvá elektrónová vrstva úplná – má 2 elektróny. Vodík a hélium sú s-prvky; S-orbitál týchto atómov je vyplnený elektrónmi.
Pre všetky prvky druhej tretiny prvá elektronická vrstva je vyplnená, a elektróny vypĺňajú s- a p-orbitály druhej elektrónovej vrstvy v súlade s princípom najmenšej energie (najskôr s a potom p) a Pauliho a Hundovho pravidla.
V neónovom atóme je druhá elektrónová vrstva kompletná – má 8 elektrónov.
Pre atómy prvkov tretej periódy je doplnená prvá a druhá elektrónová vrstva, teda je vyplnená tretia elektrónová vrstva, v ktorej môžu elektróny zaberať 3s-, 3p- a 3d-podúrovne.
Atóm horčíka dokončí svoj 3s elektrónový orbitál. Na a Mg sú s-prvky.
V hliníku a následných prvkoch je podúroveň 3p naplnená elektrónmi.
Prvky tretej periódy majú nevyplnené 3D orbitály.
Všetky prvky od Al po Ar sú p-prvky. S- a p-prvky tvoria hlavné podskupiny v periodickej tabuľke.
Prvky štvrtej - siedmej periódy
Štvrtá elektrónová vrstva sa objavuje v atómoch draslíka a vápnika a podúroveň 4s je naplnená, pretože má nižšiu energiu ako podúroveň 3d.
K, Ca - s-prvky zaradené do hlavných podskupín. Pre atómy od Sc po Zn je 3d podúroveň naplnená elektrónmi. Toto sú 3D prvky. Sú zahrnuté v sekundárnych podskupinách, ich vonkajšia elektronická vrstva je vyplnená a sú klasifikované ako prechodné prvky.
Venujte pozornosť štruktúre elektronických obalov atómov chrómu a medi. V nich jeden elektrón „zlyhá“ zo 4s na 3d podúroveň, čo sa vysvetľuje väčšou energetickou stabilitou výsledných elektronických konfigurácií 3d 5 a 3d 10:
V atóme zinku je tretia elektrónová vrstva kompletná - sú v nej vyplnené všetky podúrovne 3s, 3p a 3d, spolu 18 elektrónov. V prvkoch nasledujúcich po zinku sa štvrtá elektrónová vrstva, podúroveň 4p, naďalej vypĺňa.
Prvky od Ga po Kr sú p-prvky.
Atóm kryptónu má vonkajšiu vrstvu (štvrtú), ktorá je úplná a má 8 elektrónov. Ale v štvrtej elektrónovej vrstve môže byť celkovo 32 elektrónov; atóm kryptónu má ešte nevyplnené podúrovne 4d a 4f Pre prvky piatej periódy sa podúrovne plnia v nasledujúcom poradí: 5s - 4d - 5p. A existujú aj výnimky súvisiace s „ zlyhanie»elektróny, y 41 Nb, 42 Mo, 44 Ru, 45 Rh, 46 Pd, 47 Ag.
V šiestej a siedmej perióde sa objavujú f-prvky, t.j. prvky, v ktorých sú vyplnené 4f- a 5f-podúrovne tretej vonkajšej elektronickej vrstvy.
Prvky 4f sa nazývajú lantanoidy.
Prvky 5f sa nazývajú aktinidy.
Poradie plnenia elektronických podúrovní v atómoch prvkov šiestej periódy: 55 Cs a 56 Ba - 6s prvkov; 57 La ... 6s 2 5d x - 5d prvok; 58 Ce - 71 Lu - 4f prvky; 72 Hf - 80 Hg - 5d prvky; 81 T1 - 86 Rn - 6d prvky. Ale aj tu sú prvky, v ktorých je „porušené“ poradie zapĺňania elektronických orbitálov, čo napríklad súvisí s väčšou energetickou stabilitou polovičných a úplne vyplnených f-podúrovní, teda nf 7 a nf 14. V závislosti od toho, ktorá podúroveň atómu je naplnená elektrónmi ako posledná, sú všetky prvky rozdelené do štyroch elektrónových rodín alebo blokov:
- s-prvky. S-podúroveň vonkajšej úrovne atómu je vyplnená elektrónmi; s-prvky zahŕňajú vodík, hélium a prvky hlavných podskupín skupín I a II.
- p-prvky. P-podúroveň vonkajšej úrovne atómu je vyplnená elektrónmi; p-prvky zahŕňajú prvky hlavných podskupín skupín III-VIII.
- d-prvky. d-podúroveň predvonkajšej úrovne atómu je vyplnená elektrónmi; d-prvky zahŕňajú prvky sekundárnych podskupín skupín I-VIII, teda prvky zásuvných desaťročí veľkých periód umiestnených medzi s- a p-prvkami. Nazývajú sa aj prechodové prvky.
- f-prvky. F-podúroveň tretej vonkajšej úrovne atómu je vyplnená elektrónmi; patria sem lantanoidy a antinoidy.
Švajčiarsky fyzik W. Pauli v roku 1925 zistil, že v atóme v jednom orbitále nemôžu byť viac ako dva elektróny s opačnými (antiparalelnými) spinmi (v preklade z angličtiny „vreteno“), t. j. s takými vlastnosťami, ktoré si možno podmienečne predstaviť. ako rotácia elektrónu okolo jeho pomyselnej osi: v smere alebo proti smeru hodinových ručičiek.
Tento princíp je tzv Pauliho princíp. Ak je v orbitále jeden elektrón, potom sa nazýva nepárový, ak sú dva, ide o párové elektróny, teda elektróny s opačnými spinmi. Na obrázku je znázornená schéma rozdelenia energetických hladín na podúrovne a poradie, v akom sú naplnené.
Veľmi často sa štruktúra elektronických obalov atómov zobrazuje pomocou energetických alebo kvantových buniek - píšu sa takzvané grafické elektronické vzorce. Pre tento zápis sa používa nasledujúci zápis: každá kvantová bunka je označená bunkou, ktorá zodpovedá jednému orbitálu; Každý elektrón je označený šípkou zodpovedajúcou smeru spinu. Pri písaní grafického elektronického vzorca by ste mali pamätať na dve pravidlá: Pauliho princíp a F. Hundovo pravidlo, podľa ktorého elektróny obsadzujú voľné bunky najskôr po jednom a majú rovnakú hodnotu spinu a až potom sa spárujú, ale spiny podľa Pauliho princípu už budú smerovať opačne.
Hundovo pravidlo a Pauliho princíp
Hundovo pravidlo- pravidlo kvantovej chémie, ktoré určuje poradie plnenia orbitálov určitej podvrstvy a je formulované takto: celková hodnota spinového kvantového počtu elektrónov danej podvrstvy musí byť maximálna. Formuloval Friedrich Hund v roku 1925.
To znamená, že v každom z orbitálov podvrstvy sa najskôr zaplní jeden elektrón a až po vyčerpaní nevyplnených orbitálov sa k tomuto orbitálu pridá druhý elektrón. V tomto prípade sú v jednom orbitále dva elektróny s polovičnými rotáciami opačného znamienka, ktoré sa spárujú (vytvoria dvojelektrónový oblak) a v dôsledku toho sa celkový spin orbitálu rovná nule.
Iná formulácia: Nižšia energia leží atómový člen, pre ktorý sú splnené dve podmienky.
- Násobnosť je maximálna
- Keď sa multiplicity zhodujú, celková orbitálna hybnosť L je maximálna.
Analyzujme toto pravidlo na príklade vyplnenia orbitálov p-podúrovne p-prvky druhej periódy (teda od bóru po neón (na obrázku nižšie vodorovné čiary označujú orbitály, zvislé šípky označujú elektróny a smer šípky označuje orientáciu spinu).
Klechkovského pravidlo
Klechkovského pravidlo - so zvyšujúcim sa počtom elektrónov v atómoch (so zvyšovaním nábojov ich jadier, resp. poradových čísel chemických prvkov) sa atómové orbitály osídľujú tak, že výskyt elektrónov v orbitáli s vyššou energiou závisí iba od hlavného kvantového čísla n a nezávisí od všetkých ostatných kvantových čísel, vrátane od l. Fyzikálne to znamená, že v atóme podobnom vodíku (pri absencii medzielektrónového odpudzovania) je orbitálna energia elektrónu určená iba priestorovou vzdialenosťou hustoty elektrónového náboja od jadra a nezávisí od charakteristík jeho pohyb v poli jadra.
Empirické Klechkovského pravidlo a z neho vyplývajúca schéma usporiadania sú do istej miery v rozpore so skutočnou energetickou postupnosťou atómových orbitálov len v dvoch podobných prípadoch: pre atómy Cr, Cu, Nb, Mo, Ru, Rh, Pd, Ag, Pt, Au. , dochádza k „zlyhaniu“ elektrónu so s -podúrovňou vonkajšej vrstvy je nahradená d-podúrovňou predchádzajúcej vrstvy, čo vedie k energeticky stabilnejšiemu stavu atómu, a to: po naplnení orbitálu 6 dvoma elektróny s
Atómové jadro je centrálna časť atómu pozostávajúca z protónov a neutrónov (spolu tzv nukleóny).
Jadro objavil E. Rutherford v roku 1911 pri štúdiu prenosu α -častice cez hmotu. Ukázalo sa, že takmer celá hmotnosť atómu (99,95 %) je sústredená v jadre. Veľkosť atómového jadra je rádovo 10 -1 3 -10 - 12 cm, čo je 10 000-krát menej ako veľkosť elektrónového obalu.
Navrhol E. Rutherford planetárny atómový model a jeho experimentálne pozorovanie jadier vodík, vyrazený α -častice z jadier iných prvkov (1919-1920), priviedli vedca k myšlienke protón. Termín protón bol zavedený začiatkom 20-tych rokov XX storočia.
protón (z gréčtiny. protóny- po prvé, symbol p) je stabilná elementárna častica, jadro atómu vodíka.
Proton- kladne nabitá častica, ktorej absolútny náboj sa rovná náboju elektrónu e= 1,6.10-19Cl. Hmotnosť protónu je 1836-krát väčšia ako hmotnosť elektrónu. Protónová pokojová hmotnosť Pán= 1,6726231 · 10 -27 kg = 1,007276470 amu
Druhá častica zahrnutá v jadre je neutrón.
Neutrón (z lat. neutrálny- ani jeden, ani druhý symbol n) je elementárna častica, ktorá nemá náboj, t.j. neutrálna.
Hmotnosť neutrónu je 1839-krát väčšia ako hmotnosť elektrónu. Hmotnosť neutrónu je takmer rovnaká (o niečo väčšia) ako hmotnosť protónu: zvyšná hmotnosť voľného neutrónu m n= 1,6749286 10-27 kg = 1,0008664902 a.e.m. a presahuje hmotnosť protónu o 2,5-násobok hmotnosti elektrónu. Neutrón spolu s protónom pod všeobecným názvom nukleón je súčasťou atómových jadier.
Neutrón objavil v roku 1932 študent E. Rutherforda D. Chadwig pri bombardovaní berýlia α -častice. Výsledné žiarenie s vysokou penetračnou silou (prekonalo bariéru z olovenej platne 10-20 cm) zosilnil svoj účinok pri prechode parafínovou doskou (pozri obrázok). Posúdenie energie týchto častíc zo stôp v oblačnej komore uskutočnené párom Joliot-Curie a ďalšie pozorovania umožnili vylúčiť počiatočný predpoklad, že γ -kvanta. Väčšia penetračná schopnosť nových častíc, nazývaných neutróny, bola vysvetlená ich elektrickou neutralitou. Po všetkom nabité častice aktívne interagujú s hmotou a rýchlo strácajú energiu. Existenciu neutrónov predpovedal E. Rutherford 10 rokov pred experimentmi D. Chadwiga. Pri zásahu α - častice do jadier berýlia dochádza k nasledujúcej reakcii:
Tu je symbol pre neutrón; jeho náboj je nulový a jeho relatívna atómová hmotnosť je približne rovná jednotke. Neutrón je nestabilná častica: voľný neutrón po dobu ~ 15 min. sa rozpadá na protón, elektrón a neutríno - časticu bez pokojovej hmotnosti.
Po objavení neutrónu J. Chadwickom v roku 1932 D. Ivanenko a V. Heisenberg nezávisle navrhli protón-neutrónový (nukleónový) model jadra. Podľa tohto modelu sa jadro skladá z protónov a neutrónov. Počet protónov Z sa zhoduje s poradovým číslom prvku v tabuľka D. I. Mendelejeva.
Jadrový náboj Q určený počtom protónov Z, zahrnutý v jadre a je násobkom absolútnej hodnoty náboja elektrónu e:
Q = +Ze.
číslo Z volal číslo jadrovej nálože alebo atómové číslo.
Hmotnostné číslo jadra A je celkový počet nukleónov, t.j. protónov a neutrónov v ňom obsiahnutých. Počet neutrónov v jadre je označený písmenom N. Takže hmotnostné číslo je:
A = Z + N.
Nukleóny (protón a neutrón) majú priradené hmotnostné číslo rovné jednej a elektrón má priradené hmotnostné číslo nula.
Myšlienka zloženia jadra bola tiež uľahčená objavom izotopy.
Izotopy (z gréčtiny. isos- rovnaký, rovnaký a topoa- miesto) sú odrody atómov toho istého chemického prvku, ktorých atómové jadrá majú rovnaký počet protónov ( Z) a rôzne počty neutrónov ( N).
Jadrá takýchto atómov sa tiež nazývajú izotopy. Izotopy sú nuklidy jeden prvok. Nuklid (z lat. jadro- jadro) - akékoľvek atómové jadro (resp. atóm) s danými číslami Z A N. Všeobecné označenie nuklidov je ……. Kde X- symbol chemického prvku, A = Z + N- hromadné číslo.
Izotopy zaberajú rovnaké miesto Periodická tabuľka prvkov, odkiaľ pochádza aj ich názov. Izotopy sa spravidla výrazne líšia svojimi jadrovými vlastnosťami (napríklad schopnosťou vstúpiť do jadrových reakcií). Chemické (a takmer v rovnakej miere fyzikálne) vlastnosti izotopov sú rovnaké. Vysvetľuje to skutočnosť, že chemické vlastnosti prvku sú určené nábojom jadra, pretože práve tento náboj ovplyvňuje štruktúru elektrónového obalu atómu.
Výnimkou sú izotopy ľahkých prvkov. Izotopy vodík 1 N — protium, 2 N— deutérium, 3 N — trícium sa tak výrazne líšia v hmotnosti, že ich fyzikálne a chemické vlastnosti sú odlišné. Deutérium je stabilné (t. j. nie je rádioaktívne) a je súčasťou obyčajného vodíka ako malá nečistota (1:4500). Keď sa deutérium spája s kyslíkom, vzniká ťažký kov voda. Pri normálnom atmosférickom tlaku vrie pri 101,2 °C a zamŕza pri +3,8 °C. Trícium β -rádioaktívne s polčasom rozpadu asi 12 rokov.
Všetky chemické prvky majú izotopy. Niektoré prvky majú iba nestabilné (rádioaktívne) izotopy. Pre všetky prvky boli umelo získané rádioaktívne izotopy.
Izotopy uránu. Prvok urán má dva izotopy – s hmotnostnými číslami 235 a 238. Izotop tvorí iba 1/140 bežnejšieho izotopu.
