Первоначальные представления
о строении атома и химических
элементах

Цель настоящей статьи – изложение сложных вопросов общей химии, а именно первоначальных представлений о строении атомов химических элементов, в доступной форме. Этот материал может предварять изучение темы на более сложном уровне. Такой подход многократно использовался мной на уроках химии.

Как известно, химия – это наука о веществах. Разные вещества имеют различное строение. Бывают вещества атомного строения, они состоят из атомов. Пример вещества атомного строения – алмаз. Вещества молекулярного строения образованы молекулами. Например, вода состоит из молекул H₂O. Любая молекула состоит из атомов. Известны вещества ионного строения. Например, поваренная соль NaCl состоит из ионов натрия и ионов хлора. Ионы – это тоже атомы или группы атомов, только заряженные. Вот и получается, какое вещество ни возьми, в основе его строения лежит атом. Чтобы изучить вещества, нам вначале следует понять, что такое атом.

Еще 150 лет назад некоторые ученые подвергали сомнению факт существования атомов. Однако несколько десятилетий спустя, в конце XIX – начале XX в., была не только подтверждена реальность атомов, но и доказано их сложное строение. Было установлено, что в центре атома находится ядро. Размеры самого атома во много раз превышают размеры ядра. Представьте себе футбольное поле с теннисным мячиком посередине. Если увеличить атом до размеров футбольного поля, то размеры его ядра будут сопоставимы с теннисным мячиком.

Атом состоит из элементарных частиц – протонов, нейтронов и электронов. Элементарными эти частицы назвали потому, что в отличие от атома они неделимы. Два вида элементарных частиц – протоны и нейтроны – образуют ядро. Электроны образуют электронную оболочку вокруг ядра. Электроны в отличие от ядер находятся в постоянном движении. Говоря о движении электрона, я избегаю употребления слов «вокруг» и «вращается» и заменяю их словами «около» и «движется». Если бы я сказала: «Электрон вращается вокруг ядра», вы могли бы подумать, что у него (электрона) есть постоянная орбита, подобно тому как у планет Солнечной системы есть свои орбиты вокруг Солнца. Кстати, на заре исследований атома некоторое время ученые так и думали. Была выдвинута так называемая «планетарная теория строения атома». Однако позже было установлено, что движение электрона гораздо сложнее и что скорость этого движения очень велика. Именно благодаря быстрому движению электронов возникает электронное облако.

(Возможно, в детстве вы играли с пуговицей и ниткой. К середине нитки привязывается пуговица и много раз один ее конец вращается по часовой стрелке или против нее, а потом концы нитки натягиваются и пуговица на большой скорости начинает двигаться в противоположном направлении. Возникает иллюзия веретена. Проделайте с пуговицей и ниткой все, как здесь описано, наблюдайте веретено, и, может быть, тогда вы лучше себе представите, что такое электронное облако.)

В табл. 1 представлены характеристики элементарных частиц, составляющих атомы.

Таблица 1

Сведения о частицах, составляющих атомы

Из табл. 1 видно, что нейтрон – электронейтральная частица, ее заряд равен нулю, а протон и электрон – это заряженные частицы. Заряды протона и электрона одинаковы по величине, но отличаются по знаку заряда. Как всякая материальная частица, электрон имеет массу. Однако эта масса так мала (масса электрона в 1840 раз меньше массы одного протона или нейтрона), что ее вкладом в общую массу атома можно пренебречь. Отсюда следует важный вывод: масса атома сосредоточена в ядре.

Масса протона почти такая же, как масса нейтрона, и равна атомной единице массы (а.е.м). За атомную единицу массы принята 1/12 часть массы изотопа углерода ¹²С.

Для выражения массы атомов чаще используют относительную атомную массу (безразмерная величина), которая обозначается A_r. Например, для кислорода и серы: A_r(О) = 16 и A_r(S) = 32.

В состав атома входят заряженные частицы, однако атом – это электронейтральная частица.

Заряд свободного атома или атомов простого вещества равен нулю.Число протонов в атоме равно числу электронов.

В природе существуют разновидности атомов, различающихся размерами, массой и другими характеристиками. Совокупность атомов одного вида называется химическим элементом. Можно сказать по-другому: химический элемент – это вид атомов. Известно более ста химических элементов. Чем же отличаются атомы различных химических элементов? Во-первых, размерами, во-вторых, массой, в-третьих, строением.

Рассмотрим более подробно строение атомов различных химических элементов. Возьмите периодическую систему химических элементов Д.И.Менделеева и найдите химический элемент водород.

Атомы водорода имеют самое простое строение. Ядро состоит всего из одного протона. Заряд ядра равен +1. Поскольку масса атома сосредоточена в ядре, его масса равна 1 а.е.м. Атом – это электронейтральная частица, около ядра находится один электрон.

Более сложный элемент – гелий. В периодической системе он числится под номером 2. Найдите этот элемент и его порядковый номер в таблице Менделеева (цифру 2). На рисунке показано, как условно выглядит строение атома гелия. Как видим, ядро образовано двумя протонами и двумя нейтронами. Заряд ядра +2. Около ядра в атоме – два электрона. Массовое число (оно характеризует массу атома) равно четырем.

Найдите в периодической системе химический элемент, порядковый номер которого равен трем. Это – литий. В атоме лития ядро образовано тремя протонами и четырьмя нейтронами. Заряд ядра равен +3, около него находятся три электрона, массовое число равно семи. Внимательно рассмотрите клетку периодической системы, в которой расположен литий, и найдите число 6,94. Если его округлить, то получится 7. Это массовое число лития.

Запомните, что меньшее из чисел, расположенных в клетке периодической системы, – это порядковый номер элемента. Другое число характеризует массу атома, при округлении его до целых чисел получают массовое число. Если хотят указать порядковый номер и массовое число элемента, например гелия, это делают так: .

А эта запись относится к литию: . Здесь 7 – массовое число, равное сумме протонов и нейтронов. Число электронов в атоме равно числу протонов (заряд ядра) и такое же, как порядковый номер элемента (3).

Следующее положение необходимо хорошо запомнить:

порядковый номер элемента указывает на число электронов, число протонов и заряд ядра атома.

Найдите в периодической системе элемент серебро. Чему равны его порядковый номер и массовое число? Оказывается, порядковый номер 47, а массовое число 108. Какие выводы можно сделать из этого? Число электронов в атоме серебра 47, число протонов также 47, заряд ядра +47. Масса атома (масса ядра) равна 108 а.е.м. Напомним, что ядро образовано протонами и нейтронами. Чтобы найти число нейтронов, необходимо из 108 вычесть 47. В атоме серебра 61 нейтрон.

Если бы все 47 электронов атома серебра двигались на одинаковом расстоянии от ядра, «аварий» (столкновений электронов) нельзя было бы избежать. Чтобы этого не произошло, природа распорядилась таким образом, что электроны располагаются на различных расстояниях от ядра. Так, в атоме лития два электрона находятся ближе к ядру, а третий – дальше от него. Располагаясь на различных расстояниях от ядра, электроны образуют энергетические уровни. Электроны, находящиеся на различных энергетических уровнях, обладают различным запасом энергии. Чем дальше электрон от ядра, тем больше его энергия.

Чтобы легче запомнить это утверждение, приведу шуточную аналогию. Представьте, что ваши родители – это ядро, а вы – электрон. Когда ваша энергия (активность, независимость) больше: когда вы близко от родителей (например, в одной с ними квартире) или далеко от них? Конечно же, во втором случае. Моим ученикам нравится этот пример, и они легко запоминают сложное утверждение об энергии.

Сколько же электронов может находиться на различных энергетических уровнях? На ближайшем к ядру (первом) энергетическом уровне может находиться не более двух электронов. Вместимость других электронных слоев показана на схеме.

Схема

В некоторых учебниках вы найдете буквенное обозначение энергетических уровней:

1-й – уровень К, 2-й – уровень L, 3-й – уровень М, 4-й – уровень N.

На 2-м энергетическом уровне может находиться 8 электронов. Но что означают цифры 8 (18), 8 (32)? Установлено, что если 3-й или более дальний энергетический уровень является внешним, то на нем может находиться не более восьми электронов. Если же за 3-м энергетическим уровнем есть другие энергетические уровни, то на нем может накапливаться до 18 электронов. Аналогично обстоит дело с 4-м энергетическим уровнем. Если он внешний, то может содержать максимально 8 электронов, если же за ним есть другие энергетические уровни, то на 4-м энергетическом уровне может накапливаться до 32 электронов.

Важное заключение:

на внешнем энергетическом уровне не может быть более 8 электронов.

Для нас будет очень важной информация о внешнем энергетическом уровне, поэтому воспользуемся сокращением этого словосочетания – ВЭУ.

В дальнейшем, показывая схему атома, мы не будем обозначать все его протоны и нейтроны, а лишь укажем в центре заряд его ядра. Заряду ядра атома мы всегда будем уделять большое внимание, и скоро вы поймете почему.

Рассмотрим последовательность заполнения электронами энергетических уровней у атомов первых 20 элементов периодической системы (табл. 2).

Таблица 2

Следующий за литием элемент – бериллий. Его порядковый номер 4, а значит, около ядра 4 электрона, 2 – на 1-м уровне и 2 – на 2-м. Далее по мере увеличения порядкового номера идет накопление электронов на 2-м энергетическом уровне, и у элемента под номером 10 (неона) на 2-м (внешнем) энергетическом уровне уже 8 электронов.

Поскольку на внешнем энергетическом уровне не может быть более 8 электронов, у следующего элемента с порядковым номером 11 (натрия) одиннадцатый электрон образует 3-й энергетический уровень. С увеличением порядкового номера идет накопление электронов, но уже на 3-м энергетическом уровне. У аргона, как и у неона, на ВЭУ максимальное число электронов – 8. Следующий за аргоном элемент – калий. Размещение электронов на его четырех энергетических уровнях – 2, 8, 8, 1.

Будем одновременно анализировать табл. 2 и периодическую систему элементов Д.И.Менделеева. Обратите внимание, что первые два элемента в нашей таблице отделены от остальных чертой. Что объединяет их? И у водорода, и у гелия в атоме всего лишь один энергетический уровень. В периодической системе эти элементы расположены в первой строчке. За гелием следуют 8 элементов: литий, бериллий, бор, углерод, азот, кислород, фтор и неон. В табл. 2 эти элементы отделены от других также чертой. Почему? В атомах этих элементов электроны распределены по двум энергетическим уровням. В периодической системе Д.И.Менделеева элементы от Li по Ne размещены во второй строчке. Оставшуюся часть табл. 2 проанализируйте сами и найдите эти элементы в периодической системе.

Напомним, что горизонтальная строчка в периодической системе элементов Д.И.Менделеева называется периодом. Такое определение периода упрощено, и пользоваться им можно лишь на начальном этапе изучения химии. Обратите внимание, что четвертый, пятый и шестой периоды включают в себя не одну, а две строчки (это большие периоды).

Проанализировав обе таблицы, вы, наверное, сами смогли сделать вывод:

номер периода указывает на число энергетических уровней в атоме.

Например, элемент ₄₇Ag (серебро) расположен в пятом периоде, следовательно, 47 его электронов распределены на пяти энергетических уровнях.

Обобщим знания и дадим характеристику строения атомов натрия и калия.

Атом натрия имеет порядковый номер 11, массовое число 23. Ядро содержит 11 протонов и
12 нейтронов. Заряд ядра +11. Около ядра движется 11 электронов. Натрий находится в третьем периоде, поэтому 11 его электронов распределены на трех энергетических уровнях (2е, 8е, 1е).

Атом калия – порядковый номер 19, массовое число 39. В ядре – 19 протонов и 20 нейтронов. Заряд ядра +19. Около ядра движется 19 электронов. Калий находится в четвертом периоде, поэтому 19 его электронов распределены на четырех энергетических уровнях (2е, 8е, 8е, 1е).

Сравним распределение электронов в атомах так называемых сходных элементов, сначала – в атомах лития, натрия и калия (табл. 3).

Таблица 3

Из табл. 3 видно, что на ВЭУ у атомов этих элементов по одному электрону. Найдем в периодической системе элементы литий, натрий, калий. Все они расположены в первом столбце периодической системы.

Рассмотрим распределение электронов в атомах бериллия, магния и кальция (табл. 4).

Таблица 4

Оказывается, на ВЭУ у атомов этих элементов по два электрона. В периодической системе они расположены во втором столбце.

Рассмотрим распределение электронов в атомах фтора, хлора и брома (табл. 5).

Таблица 5

Из схемы видно, что на ВЭУ у атомов этих элементов по семь электронов. Они расположены в седьмом столбце периодической системы.

Вертикальный столбец периодической системы называется группой. Это определение группы, как и определение периода, упрощено, и пользоваться им можно лишь на начальном этапе изучения химии.

Групп в периодической системе – восемь. Как вы думаете, почему именно восемь, а не семь или девять? Чтобы ответить на этот вопрос, вспомним, каково максимальное число электронов на внешнем энергетическом уровне. Восемь! А теперь очень важный вывод:

номер группы указывает число электронов на внешнем энергетическом уровне атома.

Сколько электронов на ВЭУ у атома серебра? Чтобы ответить на этот вопрос, уточните положение серебра в периодической системе. Серебро находится в первой группе, значит, на внешнем энергетическом уровне его атомов – один электрон.

Может быть, кто-то из вас скажет: «Для первых 20 элементов мы знаем распределение электронов в атоме. А как узнать распределение электронов в атомах других элементов? Например, как узнать, что у атома брома на третьем энергетическом уровне 18 электронов?» На первых порах эту информацию можно получать из периодической системы. Найдите в таблице Д.И.Менделеева элемент № 35. В его клетке имеется столбик мелких цифр, если считать снизу, – 2, 8, 18, 7. Значит, на 1-м энергетическом уровне атома Br – 2e, на 2-м – 8e, на 3-м – 18e и на 4-м – 7e.

Найдите в периодической системе распределение электронов в атоме серебра. Как много сведений можно извлечь из периодической системы! На экзамене по химии разрешено пользоваться периодической системой Д.И.Менделеева. Поэтому в ваших интересах как можно лучше в ней разобраться. Это не только увлекательно и интересно, но и может вам пригодиться.

Найдите в периодической системе элементы гелий, неон, аргон, криптон, ксенон и радон. Напишите самостоятельно распределение электронов в атомах этих элементов, а потом сравните с приведенной ниже табл. 6.

Таблица 6

Из табл. 6 видно, что на ВЭУ у атомов этих элементов максимальное число электронов – по 8. Перечисленные элементы объединены в группу инертных газов. Синонимами слова «инертный» являются слова «неактивный», «пассивный». И действительно, атомы этих элементов отличаются чрезвычайно низкой химической активностью. Правильней было бы сказать, что они отличаются особой химической неактивностью. Эти газы при обычных условиях не взаимодействуют ни с какими веществами, а при особых условиях взаимодействуют с очень немногими веществами. Может быть, поэтому другое их название – благородные газы.

Т.А.ЖУРАВЛЕВА,
учитель химии гимназии № 272
(Санкт-Петербург)