Атомы химических элементов

1. Строение атома
2. Электронная формула
3. Металлические и неметаллические свойства
4. Электроотрицательность
5. Ковалентная неполярная химическая связь
6. Ковалентная полярная химическая связь
7. Ионная химическая связь
8. Металлическая связь

Строение атома

Сегодня мы поговорим об атоме, его строении и свойствах атомов.

Каждый атом состоит из ядра и оболочки.

Ядро атома состоит из протонов и нейтронов. Протон это частица, которая имеет заряд +1 и атомную массу 1.

Нейтроны не имеют заряда (они нейтральны), но имеет массу, равную единице. Сумма всех протонов ядра называется зарядом ядра и обозначается заглавной буквой Z. Сумма нейтронов обозначается заглавной буквой М. Нетрудно догадаться, что так как нейтроны нейтральны, а протон имеет заряд плюс один, то все ядро будет заряжено положительно.

Так как и протоны, и нейтроны имеют массу, равную единице, то существует какая-то величина, выражающая массу ядра. Она называется массовым числом и обозначается заглавной буквой А. Оно равно сумме протонов и нейтронов.

В периодической системе Менделеева вещества расположены в конкретном порядке. В каждой ячейке рядом с обозначением элемента есть цифры.

Есть цифра, которая обозначают заряд ядра (Z), то есть количество протонов. Есть цифра, которая, обозначает массовое число A.

^AX_Z

Химическим элементом называются атомы веществ, которые содержат одинаковое количество протонов.  

Ядра химических элементов неустойчивы, и количество нейтронов в них может меняться, они могут приходить и уходить.

Если количество протонов в некоторых атомах одинаковое, а количество нейтронов разное,  то и массовое число у них тоже будет разным. Такие атомы называются изотопами. Например, существуют изотопы лития

⁶Li₃⁷Li₃

Также существуют такие химические элементы, у которых будут одинаковое массовое число, но разное число протонов. Такие элементы называются изобары. Конечно же, это разные химические элементы.

⁴⁰К₁₉⁴⁰Ca₂₀

Вокруг ядра присутствует оболочка электронов. Электроны имеют настолько маленькую массу, что в некоторых случаях мы говорим, что она равна нулю.

Электрон имеет отрицательный заряд. И есть такое правило, что в нормальном состоянии количество протонов должно равняться количеству электронов. И этого следует, что наш атом будет заряжен нейтрально, то есть отрицательный заряд будет равен положительному.

Электронная формула

Давайте посмотрим, как можно записать электронную формулу, которая будет отображать структуру электронных оболочек в атоме.

Мы говорили, что существуют энергетические уровни, число которых равно номеру периода. В этом энергетическом уровне есть подуровни.

В каждом подуровне есть орбитали. В первом s-подуровне 1 орбиталь,  в p-подуровне  3 орбитали, в  d-подуровне 5 орбиталей и в f-подуровне 7 орбиталей.

Как же они обозначаются?

s(1) = _

p(3) = _ _ _

d(5) = _ _ _ _ _

f(7) = _ _ _ _ _ _ _

Электронная формула химического элемента отражает то, как электроны в атоме химического элемента располагаются по энергетическим уровням и на орбиталях в подуровнях.

Давайте возьмем водород, у которого есть только один электрон, и который находится в 1 периоде и 1 группе. У него 1 уровень и 1 подуровень.  Количество орбиталей тоже равно 1.

Электронную формулу водорода можно записать в таком виде

₁H 1s¹

Существует три принципа составление электронных формул:

• Первый принцип гласит, что электроны заполняют орбитали в порядке возрастания энергии. Сначала заполняется s-подуровень, затем p-подуровень и т.д.
• Второй принцип Паули говорит о том, что в одной орбитали может быть не более двух электронов.
• Третье правило говорит о том, что сначала электроны будут заполнять свободные орбитали по одному, а зачем, если останутся лишние электроны, они будут по второму кругу заполнять орбитали.

Индекс около знака подуровня (s2, p3) обозначает количество электронов на орбиталях этого подуровня.

Давайте попробуем составить формулу электронную лития.

₃Li - 1s²2s¹

Литий имеет номер 3, то есть у него всего 3 электрона. Он находится во втором периоде, значит у него два уровня. Он находится в первой группе, значит у него один внешний электрон.

Номер группы говорит о том, сколько внешних валентных электронов в нашем атоме. Валентные электроны участвуют в образовании химической связи.

Рассмотрим также элемент кальций.

₂₀Ca - 1s²2s²p⁶3s²p⁶4s²

В общем случае электроны располагаются по орбиталям по правилу Клечковского и в соответствии с принципами, описанными выше.

1s < 2s < 2p < 3s < 3p < 4s ≈ 3d < 4p < 5s ≈ 4d и т.д.

Металлические и неметаллические свойства

Металлические свойства элементов - это свойство атомов отдавать электроны. Например, у металлов, как правило, на внешнем энергетическом уровне находится от одного до трех электронов.

Неметаллические свойства - это способность принимать на себя электроны. У этих элементов на внешнем энергетическом уровне будет находиться от 4 до 8 электронов.

Давайте разберемся, как по периодической системе элементов можно понять, какими свойствами обладает тот или иной элемент.

Мы знаем, что в одном периоде у атомов одинаковое количество электронных слоёв, но количество электронов увеличивается. Электронов становится больше и они с большей силой притягиваются к ядру. Следовательно, терять электроны атому будет намного сложнее. А свойство принимать электроны будет увеличиваться.

В одной группе, наоборот, у атомов одинаковое количество внешних электронов, но увеличивается количество электронных слоев. Электроны располагаются от ядра все дальше, следовательно, больше шанс потери электронов у атома. Способность принимать чужие электроны у атома уменьшается.

В итоге, в периодической системе в группе сверху вниз и в периоде справа налево увеличиваются металлические свойства элементов, а в группе снизу вверх и в периоде справа налево увеличиваются неметаллические свойства.

Таким образом, мы теперь можем сравнивать разные элементы по их свойствам.

Электроотрицательность

Когда два атома взаимодействуют с образованием химической связи, один из атомов либо притягивает на себя электроны, либо отталкивает в зависимости от его неметаллических свойств.

Электроотрицательность - это способность перетягивать на себя электроны другого атома. Она выражается в конкретных числах, но слишком сложна для запоминания. Поэтому для удобства взяли за единицу электроотрицательность лития и остальные все элементы выражаются относительно этого элемента.

Li=1

Na=0,9

C=2,5

O=3,5

F=4

Таким образом, зная электроотрицательность элементов, можно делить их на металлы и неметаллы. Как правило, у металлов электроотрицательности не превышает 2. У неметаллов она больше 2.

При образовании химической связи вещество с большей электроотрицательностью будет притягивать к себе электроны другого атома с меньшей электроотрицательностью. В этом и заключается основная сущность химической связи, про которую мы поговорим далее.

Химическая связь между атомами может быть четырех видов:

• когда у двух элементов одинаковая электроотрицательность (ковалентная неполярная)
• когда у двух элементов электроотрицательность разная, но разница несущественная (ковалентная полярная)
• когда электроотрицательность сильно различается (ионная)
• металлическая связь

Ковалентная неполярная химическая связь

Первый вид связи, а именно ковалентная неполярная химическая связь,  может быть у двух одинаковых элементов неметаллов. Так образуются газы водород (H₂), азот (N₂), кислород (О₂).

Давайте посмотрим, как это происходит на примере водорода. У водорода один электрон, он находится в первом периоде и 1 группе. Соответственно, для заполнения внешнего уровня ему не хватает всего одного электрона. Чтобы его забрать он взаимодействует с другим атомом водородом с образованием общей электронной пары. Таким образом, эта общая электронная пара становится общей для того и для другого атома водорода, и в какой-то момент эти уровни заполняются до последнего.

H. + H. = H:H

Такой вид связи будет называться классическая ковалентная неполярная, так как эта общая электронная пара не будет смещаться ни к тому, ни к другому атому, потому что их электроотрицательность одинаковая.

Более сложный пример - это атом азота.

N… + N… = N:::N

Мы знаем, что у азота на внешнем уровне три неподеленных электрона. Чтобы заполнить до конца этот внешний уровень ему нужно ещё три электрона, которые он берёт у такого же атома азота.

Ковалентная полярная химическая связь

Рассмотрим вид химической связи, когда электроотрицательность различается несущественно на примере галогеноводородов, а именно взаимодействии водорода и хлора.

Вспомним, что у водорода один электрон на внешней оболочке, хлор находится в третьем периоде и 7-й группе.  У него на внешнем уровне 7 неспаренных электронов.

Ковалентная полярная связь будет выглядеть следующим образом:

 

Можно увидеть, что единственный электрон водорода сместился к хлору, потому что у хлора большая электроотрицательность. Атом хлора сильнее притягивает на себя электрон водорода. У этих атомов получаются неполные частичные заряды. У атома хлора установится частичный отрицательный заряд, а у водорода, от которого немного отсоединился электрон, появляется частично положительный заряд.

Эти частичные заряды частичные, и поэтому они меньше единицы, при этом атомы не становятся ионами.

Ионная химическая связь

Ионные химические связи образуется между атомами, у которых очень большая разница в электроотрицательности. Эти элементы находятся в периодах и в группах периодической системы далеко друг от друга.

Рассмотрим этот вид связи на примере взаимодействия натрия и фтора.

Электроотрицательность натрия равна  0,9, а у фтора 4.  Это довольно большая разница.

У натрия, который находится в первой группе, на внешнем энергетическом уровне находится один Электрон, у фтора на внешнем энергетическом уровне находятся семь электронов, так как он находится в седьмой группе.

Для заполнения и того, и другого внешнего слоя они необходимы друг другу. Но так как у них достаточно большая разница в электроотрицательности, натрий отдает фтору свой внешний электрон полностью и становится заряженным положительно. Атом фтора с стильными металлические свойствами этот электрон забирает и становится заряженным отрицательно.

Na₀ + F₀ = Na⁺F^-

Наши атомы стали положительно заряженными и отрицательно заряженными.

Атомы, которые меняют свой заряд в зависимости от того, принимают они на себя электронный заряд или отдают, называются ионами, поэтому и химическая связь называется ионная.

Металлическая связь

Металлы не находятся в природе в виде отдельных атомов. Вы никогда не увидите отдельно лежащий атом натрия или алюминия. Металлы находятся в природе в виде кристаллов и имеют структуру в виде кристаллической решетки.

Давайте разберем это на примере пластинки алюминия.

Если мы посмотрим в периодическую таблицу, мы увидим, что алюминий находится в третьей группе. Это значит, что на внешнем энергетическом уровне у него три электрона. Эти электроны могут свободно открепляться от нашего атома, и атом алюминия будет превращаться в положительно заряженный ион.

Это происходит не у всех атомов алюминия, то есть некоторые атомы отдают свои три электрона, а некоторые пока остаются в неизменном виде.

Свободно циркулирующие по металлической решетке электроны присоединяться к другим положительно заряженным ионам алюминия.

Положительно заряженные ионы алюминия будут превращаться опять в обычные атомы алюминия.

В чём же сходство и отличие металлической связи от ионной и ковалентной связи?

Как и ионная, металлическая связь тоже образована ионами, но в металлической связи присутствуют только положительно заряженные ионы и нейтральные атомы.

Связь между ними осуществляется с помощью электронов, которой движутся вокруг них.