Атом состоит из ядра и электронной оболочки. Ядро включает протоны и нейтроны. Электронная оболочка состоит из электронов, вращающихся вокруг ядра. Число электронов в атоме определяет его химические свойства.
Способы определения количества электронов
Существует несколько основных способов определения количества электронов в атоме:
- По атомному номеру элемента в таблице Менделеева. Атомный номер соответствует числу протонов в ядре и, следовательно, числу электронов в нейтральном атоме.
- Для ионов — на основе атомного номера с учетом заряда иона. Например, для катиона Na+ атомный номер натрия 11, но так как заряд иона +1, то электронов 10.
- Для молекул — суммируя число электронов атомов, образующих молекулу. К примеру, в молекуле воды H2O два атома водорода имеют по 1 электрону, атом кислорода — 8 электронов. Всего 10.
Рассмотрим подробнее каждый из этих способов.
Определение по атомному номеру
Атомный номер химического элемента соответствует числу протонов в ядре его атома. Так как в нейтральном атоме число протонов равно числу электронов, зная атомный номер, можно легко определить количество электронов.
Например, у азота атомный номер 7. Следовательно, в атоме азота 7 протонов в ядре и 7 электронов в электронной оболочке.
Как найти число электронов для изотопов и ионов
Для изотопов и ионов этот способ тоже применим, но нужно вносить некоторые коррективы:
- У изотопов атомный номер не меняется, поэтому число электронов такое же, как у обычного атома.
- В ионах число электронов отличается от атомного номера на величину заряда иона. Например, для катиона Mg2+ атомный номер магния 12, но так как заряд +2, электронов стало меньше на 2. Итого 10 электронов.
Подсчет для молекул
Число электронов в молекуле равно суммарному числу электронов атомов, образующих эту молекулу.
Рассмотрим молекулу метана CH4. Она состоит из 1 атома углерода и 4 атомов водорода. Углерод имеет 6 электронов, водород – по 1 электрону. Получаем:
- Электроны атома C: 6
- Электроны 4 атомов H: 4 × 1 = 4
- Всего электронов: 6 + 4 = 10
Таким образом, в молекуле CH4 содержится 10 электронов.
Как определить количество электронов в атоме по периодической системе
Еще один удобный способ определить число электронов в атоме элемента – по его положению в периодической системе Менделеева. Для этого нужно:
- Найти элемент в таблице.
- Посмотреть его номер периода – это будет число электронных слоев (энергетических уровней) в атоме.
- Определить, к какому блоку элемент относится – s-, p-, d- или f-элементы. Это покажет тип заполняемой в данный момент электронной орбитали.
- По номеру группы узнать число электронов на внешнем энергетическом уровне.
Так, для атома хлора:
- Хлор находится в 3 периоде, значит энергетических уровней (электронных слоев) три.
- Это p-элемент, заполняется p-орбиталь третьего уровня.
- В ВИИА группе, соответственно 7 электронов на внешнем уровне.
Итак, электронная конфигурация хлора – 1s2 2s2 2p6 3s2 3p5. Всего 17 электронов.
Значение информации о количестве электронов
Знание о количестве электронов в атоме важно в химии, физике, инженерии и других областях. Оно позволяет:
- Прогнозировать химические свойства вещества, реакционную способность.
- Объяснить закономерности в периодической системе элементов.
- Понимать принцип действия электронных приборов, полупроводников.
- Рассчитывать энергию ионизации, сродство к электрону, электроотрицательность.
- Моделировать процессы с участием электронов в квантовой химии.
Методы определения количества электронов
Для нахождения числа электронов в атомах и молекулах используют разные экспериментальные и теоретические методы:
- Электронография позволяет напрямую наблюдать распределение электронной плотности.
- Рентгеноструктурный анализ дает информацию о расположении электронов из анализа дифракционной картины.
- Квантово-химические расчеты количества электронов основаны на решении уравнения Шредингера.
- Экспериментально число электронов можно оценить по теплоемкости или электропроводности вещества.
Таким образом, существует множество подходов к определению количества электронов как на теоретическом, так и на практическом уровне.
| Метод | Описание |
| Атомный номер | Показывает число протонов и электронов в атоме |
| Периодическая система | Позволяет определить строение электронных оболочек |
| Квантово-химический расчет | Основан на решении уравнения Шредингера |
Информация о числе электронов в атомах и молекулах широко используется на практике.
Химические технологии
Знание электронного строения веществ позволяет оптимизировать существующие и разрабатывать новые химико-технологические процессы. К примеру, при проектировании реакторов для получения аммиака учитываются особенности переноса электронов между атомами азота и водорода.
Материаловедение
Электронная структура материалов определяет многие их свойства: проводимость, теплоемкость, намагниченность и так далее. Знания об электронных оболочках применяются при разработке полупроводников, сверхпроводников, магнитных материалов различного назначения.
Биология и медицина
В биохимических процессах организма, таких как фотосинтез или дыхание, происходит перенос электронов. Изучение механизмов этих реакций требует знания количества и расположения электронных орбиталей в молекулах участниках.
Теоретические методы определения электронов
Помимо экспериментальных подходов, для расчета числа электронов применяют различные теоретические модели и методы квантовой химии:
- Метод молекулярных орбиталей. Согласно этому подходу, электроны в молекуле движутся не вокруг отдельных атомов, а вокруг всей молекулы. Строятся молекулярные орбитали с электронами на них. Это позволяет рассчитать электронную структуру и свойства молекулы.
- Квантовая химия. В рамках квантовой химии для атомов и простейших молекул удается получить точные значения энергетических уровней и число электронов путем компьютерного решения уравнения Шредингера.
Перспективы в определении количества электронов
С развитием науки и техники появляются новые экспериментальные методы анализа количества электронов с еще большей точностью. К примеру, ведутся работы по созданию приборов для прямого наблюдения отдельных электронных орбиталей.
Совершенствуются и теоретические подходы. С появлением квантовых компьютеров станет возможным моделирование электронной структуры сложных молекул, недоступное для современных вычислительных мощностей.
Ошибки при определении количества электронов
Несмотря на многочисленные методы, результат подсчета электронов может быть не совсем точным. Рассмотрим типичные ошибки:
- Неверный учет заряда иона при использовании атомного номера.
- Неполный анализ электронной структуры в молекулах со сложными связями.
- Некорректность теоретической модели, используемой для расчетов.
Для повышения достоверности результата о количестве электронов рекомендуется применять комбинацию нескольких методов и критически оценивать полученные данные.
