химический каталог




АТОМ

Автор Химическая энциклопедия г.р. И.Л.Кнунянц

АТОМ (от греческого atomos - неделимый), наименьшая частица химический элемента, носитель его свойств. Каждому химический элементу соответствует совокупность определенных А. Связываясь друг с другом, АТОМ одного или разных элементов образуют более сложные частицы, например молекулы. Все многообразие химический веществ (твердых, жидких и газообразных) обусловлено различные сочетаниями АТОМ между собой. АТОМ могут существовать и в свободный состоянии (в газе, плазме). Св-ва АТОМ, в том числе важнейшая для химии способность АТОМ образовывать химический соединение, определяются особенностями его строения.

Общая характеристика строения атома. АТОМ состоит из положительно заряженного ядра, окруженного облаком отрицательно заряженных электронов. Размеры АТОМ в целом определяются размерами его электронного облака и велики по сравнению с размерами _ядра А^ (линейные размеры АТОМ ~ 10~8см, его ядра ~ 10" -10" 13 см). Электронное облако АТОМ не имеет строго определенных границ, поэтому размеры АТОМ в значительной степени условны и зависят от способов их определения (см. Атомные радиусы). Ядро АТОМ состоит из Z протонов и N нейтронов, удерживаемых ядерными силами (см. Ядро атомное). Положит. заряд протона и отрицат. заряд электрона одинаковы по абс. величине и равны е= 1,60*10-19 Кл; нейтрон не обладает элекислотрич. зарядом. Заряд ядра +Ze - основные характеристика АТОМ, обусловливающая его принадлежность к определенному химический элементу. Порядковый номер элемента в периодической системе Менделеева (атомный номер) равен числу протонов в ядре.

В электрически нейтральном АТОМ число электронов в облаке равно числу протонов в ядре. Однако при определенных условиях он может терять или присоединять электроны, превращаясь соответственно в положит. или отрицат. ион, например Li+, Li2+ или О-, О2-. Говоря об АТОМ определенного элемента, подразумевают как нейтральные АТОМ, так и ионы этого элемента.

Масса АТОМ определяется массой его ядра; масса электрона (9,109*10-28 г) примерно в 1840 раз меньше массы протона или нейтрона ( 1,67*10-24 г), поэтому вклад электронов в массу АТОМ незначителен. Общее число протонов и нейтронов А = Z + N называют массовым числом. Массовое число и заряд ядра указываются соответственно верхним и нижним индексами слева от символа элемента, например 2311Na. Вид атомов одного элемента с определенным значением N называют нуклидом. АТОМ одного и того же элемента с одинаковыми Z и разными N называют изотопами этого элемента. Различие масс изотопов мало сказывается на их химический и физических свойствах. Наиболее значит, отличия (изотопные эффекты)наблюдаются у изотопов водорода вследствие большой относит. разницы в массах обычного атома (протия), дейтерия D и трития Т. Точные значения масс АТОМ определяют методами масс-спектрометрии.

Квантовые состояния атома. Благодаря малым размерам и большой массе ядро АТОМ можно приближенно считать точечным и покоящимся в центре масс АТОМ и рассматривать АТОМ как систему электронов, движущихся вокруг неподвижного центра - ядра. Полная энергия такой системы Е равна сумме кинетическая энергий Т всех электронов и потенциальной энергии U, которая складывается из энергии притяжения электронов ядром и энергии взаимного отталкивания электронов друг от друга. АТОМ подчиняется законам квантовой механики; его основные характеристика как квантовой системы - полная энергия Е - может принимать лишь одно из значений дискретного ряда Е1 < Е2 < Е3 < ...; промежуточные значениями энергии А. обладать не может. Каждому из "разрешенных" значений Е соответствует одно или несколько стационарных (с не изменяющейся во времени энергией) состояний А. Энергия Е может изменяться только скачкообразно - путем квантового перехода АТОМ из одного стационарного состояния в другое. Методами квантовой механики можно точно рассчитать Е для одноэлектронных АТОМ - водорода и водородоподобных: Е= —hcRZ2/n2, где h - постоянная Планка, с-скорость света, целое число п = 1, 2, 3, ... определяет дискретные значения энергии и называют главным квантовым числом; R-постоянная Ридберга (hcR = 13,6 эВ). При использовании СИ формула для выражения дискретных уровней энергии одноэлектронных АТОМ записывается в виде:

где те- масса электрона,-электрич. постоянная, Возможные "разрешенные" значения энергии электронов в АТОМ изображают в виде схемы уровней энергии - горизонтальных прямых, расстояния между к-рыми соответствуют разностям этих значений энергий (рис. 1). наиболее низкий уровень E1, отвечающий минимально возможной энергии, называют основным, все остальные - возбужденными. Аналогично называют состояния (основное и возбужденныеХ к-рым соответствуют указанные уровни энергии. С ростом п уровни сближаются и при энергия электрона приближается к значению, отвечающему свободный (покоящемуся) электрону, удаленному из АТОМ Квантовое состояние АТОМ с энергией Е полностью описывается волновой функцией, где r-радиус-вектор электрона относительно ядра. Произведение равно вероятности нахождения электрона в объеме dV, то есть -плотность вероятности (электронная плотность). Волновая функция определяется уравнением Шрёдингера=, где R-оператор полной энергии (гамильтониан).

Наряду с энергией движение электрона вокруг ядра (орбитальное движение) характеризуется орбитальным моментом импульса (орбитальным механические моментом) М1; квадрат его величины может принимать значения, определяемые орбитальным квантовым числом l = 0, 1, 2, ...; , где . При заданном и квантовое число l может принимать значения от 0 до (и — 1). Проекция орбитального момента на нек-рую ось z также принимает дискретный ряд значений Мlz =, где ml-магнитное квантовое число, имеющее дискретные значения от — l до +l(-l,... - 1, О, 1, ... + l), всего 2l + 1 значений. Ось z для АТОМ в отсутствие внешний сил выбирается произвольно, а в магн. поле совпадает с направлением вектора напряженности поля. Электрон обладает также собственным моментом импульса -спином и связанным с ним спиновым магн. моментом. Квадрат спинового механические момента МS2 =S(S + + 1) определяется спиновым квантовым числом S = 1/2, а проекция этого момента на ось z Msz = =-квантовым числом ms, принимающим полуцелые значения ms=1/2 и ms = -1/2.

Рис. 1. Схема уровней энергии атома водорода (горизонтальные линии) и оптический переходов (вертикальные линии). Внизу изображена часть атомного спектра испускания водорода - две серии спектральных линий; пунктиром показано соответствие линий и переходов электрона.

Стационарное состояние одноэлектронного АТОМ однозначно характеризуется четырьмя квантовыми числами: п, l, ml и ms. Энергия А. водорода зависит только от п, и уровню с заданным п соответствует ряд состояний, отличающихся значениями l, ml, ms. Состояния с заданными п и l принято обозначать как 1s, 2s, 2p, 3s и т.д., где цифры указывают значения л, а буквы s, p, d, f и дальше по латинскому алфавиту соответствуют значениям д = 0, 1, 2, 3, ... Число различные состояний с заданными п и д равно 2(2l+ 1) числу комбинаций значений ml и ms. Общее число различные состояний с заданным п равно , т. е. уровням со значениями п = 1, 2, 3, ... соответствуют 2, 8, 18, ..., 2n2 различные квантовых состояний. Уровень, которому соответствует лишь одно квантовое состояние (одна волновая функция), называют невырожденным. Если уровню соответствует два или более квантовых состояний, он называют вырожденным (см. Вырождение энергетических уровней). В АТОМ водорода уровни энергии вырождены по значениям l и ml; вырождение по ms имеет место лишь приближенно, если не учитывать взаимодействие спинового магн. момента электрона с магн. полем, обусловленным орбитальным движением электрона в электрич. поле ядра (см. Спин-орбитальное взаимодействие). Это - релятивистский эффект, малый в сравнении с кулоновским взаимодействие, однако он принципиально существен, так как приводит к дополнительной расщеплению уровней энергии, что проявляется в атомных спектрах в виде так называемой тонкой структуры.

При заданных n, l и ml квадрат модуля волновой функции определяет для электронного облака в АТОМ среднее распределение электронной плотности. Разл. квантовые состояния АТОМ водорода существенно отличаются друг от друга распределением электронной плотности (рис. 2). Так, при l = 0 (s-состояния) электронная плотность отлична от нуля в центре АТОМ и не зависит от направления (т.е. сферически симметрична), для остальных состояний она равна нулю в центре АТОМ и зависит от направления.

Рис. 2. Форма электронных облаков для различных состояний атома водорода.

В многоэлектронных АТОМ вследствие взаимного электростатич. отталкивания электронов существенно уменьшается прочность их связи с ядром. Например, энергия отрыва электрона от иона Не+ равна 54,4 эВ, в нейтральном атоме Не она значительно меньше - 24,6 эВ. Для более тяжелых АТОМ связь внешний электронов с ядром еще слабее. Важную роль в многоэлектронных АТОМ играет специфический обменное взаимодействие, связанное с неразличимостью электронов, и тот факт, что электроны подчиняются Паули принципу, согласно которому в каждом квантовом состоянии, характеризуемом четырьмя квантовыми числами, не может находиться более одного электрона. Для многоэлектронного АТОМ имеет смысл говорить только о квантовых состояниях всего АТОМ в целом. Однако приближенно, в так называемой одноэлектронном приближении, можно рассматривать квантовые состояния отдельных электронов и характеризовать каждое одноэлектронное состояние (определенную орбиталъ, описываемую соответствующей функцией) совокупностью четырех квантовых чисел n, l, ml и ms. Совокупность 2(2l+ 1) электронов в состоянии с данными п и l образует электронную оболочку (называют также подуровнем, подоболочкой); если все эти состояния заняты электронами, оболочка называют заполненной (замкнутой). Совокупность 2п2 состояний с одним и тем же n, но разными l образует электронный слой (называют также уровнем, оболочкой). Для п= 1, 2, 3, 4, ... слои обозначают символами К, L, M, N, ... Число электронов в оболочках и слоях при полном заполнении приведены в таблице:

Прочность связи электрона в АТОМ, т. е. энергия, к-рую необходимо сообщить электрону, чтобы удалить его из АТОМ, уменьшается с увеличением п, а при данном п - с увеличением l. Порядок заполнения электронами оболочек и слоев в сложном АТОМ определяет его электронную конфигурацию, т.е. распределение электронов по оболочкам в основном (невозбужденном) состоянии этого АТОМ и его ионов. При таком заполнении последовательно связываются электроны с возрастающими значениями и и /. Например, для АТОМ азота (Z = 7) и его ионов N+, N2+, N3+, N4+, N5+ и N6+ электронные конфигурации имеют вид соответственно: Is22s22p3; Is22s22p2; Is22s22p; Is22s2; Is22s; Is2; Is (число электронов в каждой оболочке указывается индексом справа сверху). Такие же электронные конфигурации, как и у ионов азота, имеют нейтральные АТОМ элементов с тем же числом электронов: С, В, Be, Li, He, Н (Z = 6, 5, 4, 3, 2, 1). Начиная с n = 4 порядок заполнения оболочек изменяется: электроны с большим п, но меньшим l оказываются связанными прочнее, чем электроны с меньшим п и большим l (правило Клечковского), например 4s-электроны связаны прочнее 3d-электронов, и сперва заполняется оболочка 4s, а затем 3d. При заполнении оболочек 3d, 4d, 5d получаются группы соответствующих переходных элементов; при заполнении 4f- и 5f-оболочек - соответственно лантаноиды и актиноиды. Порядок заполнения обычно соответствует возрастанию суммы квантовых чисел (п + l); при равенстве этих сумм для двух или более оболочек сначала заполняются оболочки с меньшим и. Имеет место следующей последовательность заполнения электронных оболочек:

Для каждого периода указаны электронная конфигурация благородного газа, макс. число электронов, а в последней строке приведены значения п + l. Имеются, однако, отступления от этого порядка заполнения (подробнее о заполнении оболочек см. Периодическая система химических элементов).

Между стационарными состояниями в АТОМ возможны квантовые переходы. При переходе с более высокого уровня энергии Еi на более низкий Ek АТОМ отдает энергию (Ei — Ek), при обратном переходе получает ее. При излучательных переходах АТОМ испускает или поглощает квант электромагн. излучения (фотон). Возможны и безызлучательные переходы, когда АТОМ отдает или получает энергию при взаимодействии с др. частицами, с к-рыми он сталкивается (например, в газах) или длительно связан (в молекулах, жидкостях и твердых телах). В атомарных газах в результате столкновения свободный АТОМ с др. частицей он может перейти на др. уровень энергии - испытать неупругое столкновение; при упругом столкновении изменяется лишь кинетическая энергия постулат. движения АТОМ, а его полная внутр. энергия Е остается неизменной. Неупругое столкновение свободный АТОМ с быстро движущимся электроном, отдающим этому АТОМ свою кинетическая энергию, - возбуждение АТОМ электронным ударом - один из методов определения уровней энергии АТОМ

Строение атома и свойства веществ. Химическая свойства определяются строением внешний электронных оболочек АТОМ, в которых электроны связаны сравнительно слабо (энергии связи от несколько эВ до несколько десятков эВ). Строение внешний оболочек А. химический элементов одной группы (или подгруппы) периодической системы аналогично, что и обусловливает сходство химический свойств этих элементов. При увеличении числа электронов в заполняющейся оболочке их энергия связи, как правило, увеличивается; наиболее энергией связи обладают электроны в замкнутой оболочке. Поэтому АТОМ с одним или несколько электронами в частично заполненной внешний оболочке отдают их в химический реакциях. АТОМ, к-рым не хватает одного или несколько электронов для образования замкнутой внешний оболочки, обычно принимают их. АТОМ благородных газов, обладающие замкнутыми внешний оболочками, при обычных условиях не вступают в химический реакции.

Строение внутр. оболочек АТОМ, электроны которых связаны гораздо прочнее (энергия связи 102-104 эВ), проявляется лишь при взаимодействие АТОМ с быстрыми частицами и фотонами высоких энергий. Такие взаимодействие определяют характер рентгеновских спектров и рассеяние частиц (электронов, нейтронов) на АТОМ (см. Дифракционные методы). Масса АТОМ определяет такие его физических свойства, как импульс, кинетическая энергия. От механических и связанных с ними магн. и электрич. моментов ядра АТОМ зависят некоторые тонкие физических эффекты (ЯМР, ЯКР, сверхтонкая структура спектральных линий, см Спектроскопия).

Более слабые по сравнению с химический связью электростатич. взаимодействие двух А. проявляются в их взаимной поляризуемости - смещении электронов относительно ядер и возникновении поляризац. сил притяжения между АТОМ (см. Межмолекулярные взаимодействия). АТОМ поляризуется и во внешний электрич. полях; в результате уровни энергии смещаются и, что особенно важно, вырожденные уровни расщепляются (см. Штарка эффект). АТОМ может поляризоваться также под действием электрич. поля волны электромагн. излучения; поляризация зависит от частоты излучения, что обусловливает зависимость от нее показателя преломления в-ва, связанного с поляризуемостью АТОМ Тесная связь оптический свойств АТОМ с его электрич. свойствами особенно ярко проявляется в оптический спектрах.

Внеш. электроны АТОМ определяют и магн. свойства вещества. В АТОМ с заполненными внешний оболочками его магн. момент, как и полный момент импульса (механические момент), равен нулю. АТОМ с частично заполненными внешний оболочками обладают, как правило, постоянными магн. моментами, отличными от нуля; такие вещества парамагнитны (см. Парамагнетики). Во внешний магн. поле все уровни энергии АТОМ, для которых магн. момент не равен нулю, расщепляются (см. Зеемана эффект). Все АТОМ обладают диамагнетизмом, который обусловлен возникновением у них индуцированного магн. момента под действием внешний магн. поля (см. Диэлектрики).

Св-ва АТОМ, находящегося в связанном состоянии (например, входящего в состав молекул), отличаются от свойств свободный АТОМ наиболее изменения претерпевают свойства, определяемые внешний электронами, принимающими участие в химической связи; свойства, определяемые электронами внутр. оболочек, могут при этом практически не изменяться. Некоторые свойства АТОМ могут испытывать изменения, зависящие от симметрии окружения данного атома. Примером может служить расщепление уровней энергии А. в кристаллах и комплексных соединений, которое происходит под действием электрич. полей, создаваемых окружающими ионами или лигандами.

Химическая энциклопедия. Том 1 >> К списку статей


[каталог]  [статьи]  [доска объявлений]    [обратная связь]

 

 

Реклама
ремонт холодильника Hansa FK320MSW
ножи для тонкой нарезки
пластмассовые столы цена
Кликайте на объявление KNS, закажите с промокодом "Галактика" - серверные комплектующие - хорошее предложение от супермаркета компьютерной техники.

Рекомендуемые книги

Введение в химию окружающей среды.

Книга известных английских ученых раскрывает основные принципы химии окружающей среды и их действие в локальных и глобальных масштабах. Важный аспект книги заключается в раскрытии механизма действия природных геохимических процессов в разных масштабах времени и влияния на них человеческой деятельности. Показываются химический состав, происхождение и эволюция земной коры, океанов и атмосферы. Детально рассматриваются процессы выветривания и их влияние на химический состав осадочных образований, почв и поверхностных вод на континентах. Для студентов и преподавателей факультетов биологии, географии и химии университетов и преподавателей средних школ, а также для широкого круга читателей.

Химия и технология редких и рассеянных элементов.

Книга представляет собой учебное пособие по специальным курсам для студентов химико-технологических вузов. В первой части изложены основы химии и технологии лития, рубидия, цезия, бериллия, галлия, индия, таллия. Во второй части книги изложены основы химии и технологии скандия, натрия, лантана, лантаноидов, германия, титана, циркония, гафния. В третьей части книги изложены основы химии и технологии ванадия, ниобия, тантала, селена, теллура, молибдена, вольфрама, рения. Наибольшее внимание уделено свойствам соединений элементов, имеющих значение в технологии. В технологии каждого элемента описаны важнейшие области применения, характеристика рудного сырья и его обогащение, получение соединений из концентратов и отходов производства, современные методы разделения и очистки элементов. Пособие составлено по материалам, опубликованным из советской и зарубежной печати по 1972 год включительно.

 

 



Рейтинг@Mail.ru Rambler's Top100

Copyright © 2001-2012
(07.12.2016)