Атом состоит из трех основных субатомных частиц – протонов, нейтронов и электронов. Чтобы понять строение атома, необходимо знать, как определить число каждой из этих частиц.
Как найти протоны
Протоны находятся в ядре атома и имеют положительный заряд. Их число для каждого химического элемента указано в периодической таблице Менделеева – это порядковый номер элемента. Например, у атома алюминия 13 протонов, у атома кислорода – 8 протонов.
Таким образом, чтобы найти число протонов в атоме, достаточно посмотреть его порядковый номер в таблице Менделеева. Это позволяет найти протоны в любом атоме.
Как найти электроны
Электроны находятся в электронной оболочке вокруг ядра атома и имеют отрицательный заряд. В незаряженном атоме их число также равно порядковому номеру элемента в таблице Менделеева, то есть совпадает с числом протонов.
Например, чтобы найти количество электронов в атоме магния, достаточно посмотреть его порядковый номер – 12. Значит в атоме магния 12 электронов.
Таким образом, число электронов в нейтральном атоме всегда равно числу протонов и его можно найти по порядковому номеру элемента в таблице Менделеева.
Как найти нейтроны
Нейтроны также находятся в ядре атома, но не имеют заряда. Их число можно найти, если определить количество протонов нейтронов и электронов в атоме, используя следующую формулу:
Число нейтронов = атомная масса - число протонов
Атомная масса указана для каждого элемента в таблице Менделеева. Например, для железа:
- Атомная масса железа: 55,8
- Число протонов (порядковый номер железа): 26
- Число нейтронов = 55,8 – 26 = 29,8 ≈ 30
По этой же формуле можно определить количество протонов в изотопах, подставляя вместо атомной массы значение массового числа изотопа.
Другие способы определения числа частиц
Кроме использования таблицы Менделеева, существуют и другие способы - как определить количество электронов и других субатомных частиц:
- С помощью спектрального анализа по спектру испускания или поглощения.
- При помощи рентгеноструктурного анализа.
- С использованием масс-спектрометрии, определяющей соотношение массы и заряда частиц.
Однако в большинстве случаев используется простой и наглядный способ определения числа протонов, нейтронов и электронов по таблице Менделеева, описанный вначале.
Электронные конфигурации атомов и ионов
Помимо определения общего числа электронов в атоме, важно также знать, как эти электроны распределены по электронным слоям и орбиталям. Это распределение называется электронной конфигурацией и записывается в виде:
1s22s22p63s23p63d4s24p4d
Здесь цифры перед буквами обозначают номер электронного слоя (1, 2, 3...), буквы s, p, d - тип орбитали, а цифры после букв - число электронов на данной орбитали. Чтобы построить электронную конфигурацию, нужно знать порядок заполнения орбиталей:
- 1s2;
- 2s, 2p6;
- 3s2, 3p6, 3d;
- 4s2, 4p, 4d и т.д.
Валентные электроны
Особое значение имеют валентные электроны на внешнем слое атома. Именно они определяют химические свойства элемента и его валентность - способность образовывать химические связи.
Например, для атома азота электронная конфигурация - 1s22s22p3. Здесь внешний слой - 2p, на котором находится 3 неспаренных электрона. Это и есть валентные электроны.
Электронные конфигурации ионов
При образовании ионов атом теряет или присоединяет электроны. Это влияет на электронную конфигурацию. Например, катион Na+ образуется при потере атомом натрия одного электрона с внешнего слоя:
Na: 1s22s22p63s1
Na+: 1s22s22p6
Анион S2- образуется при присоединении атомом серы двух электронов:
S: 1s22s22p63s23p4
S2-: 1s22s22p63s23p6
Электронно-графические формулы
Для наглядного отображения электронных конфигураций атомов и ионов используют электронно-графические формулы, в которых электроны обозначаются точками:
| Li | ● |
| Be2+ | ●● |
| O2- | ●● ●● ●● ●● ●● |
Такие формулы наглядно демонстрируют распределение электронов в атоме или ионе по слоям и орбиталям.
Электроотрицательность
Еще одной важной характеристикой, связанной с электронным строением атомов, является электроотрицательность. Это условная величина, показывающая способность атома притягивать к себе электроны при образовании химической связи.
Чем выше электроотрицательность, тем сильнее атом притягивает электроны. Например, фтор - самый электроотрицательный элемент, а франций - самый электроположительный.
Периодический закон Д.И. Менделеева
Закономерности изменения электроотрицательности и других свойств элементов с ростом зарядов ядер атомов выражает периодический закон Д.И. Менделеева. Согласно ему, свойства элементов периодически зависят от заряда ядра, то есть от числа протонов.
Этот закон позволил систематизировать все химические элементы по группам и периодам в зависимости от строения их атомов - так появилась Периодическая система химических элементов.
Современная формулировка закона
В современной формулировке периодический закон гласит: свойства простых веществ, а также формы и свойства соединений элементов находятся в периодической зависимости от зарядов ядер атомов.
Это основополагающий закон химии, позволяющий установить внутреннюю взаимосвязь между строением атомов элементов и всем многообразием веществ в природе.
Квантово-механическое объяснение закона
С развитием квантовой физики появилось более глубокое объяснение причин периодического изменения свойств. Оно основано на закономерностях заполнения электронных орбиталей в атомах согласно принципам и правилам квантовой механики.
Таким образом, тесная взаимосвязь между физикой и химией при исследовании строения атома и систематики элементов сыграла ключевую роль в формулировании и понимании периодического закона.
