новости бизнеса
компании и предприятия
нефтехимические компании
продукция / логистика
торговый центр
ChemIndex
новости науки
работа для химиков
химические выставки
лабораторное оборудование
химические реактивы
расширенный поиск
каталог ресурсов
электронный справочник
авторефераты
форум химиков
подписка / опросы
проекты / о нас


контакты
поиск
   

главная > справочник > химическая энциклопедия:

Атом


выберите первую букву в названии статьи: А Б В Г Д Е Ж З И К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Э Ю Я

Атом (от греч. atomos - неделимый), наименьшая частица химического элемента, носитель его свойств. Каждому химическому элементу соответствует совокупность определенных атомов. Связываясь друг с другом, атомы одного или разных элементов образуют более сложные частицы, например молекулы. Все многообразие химических веществ (твердых, жидких и газообразных) обусловлено различными сочетаниями атомов между собой. Атомы могут существовать и в свободном состоянии (в газе. плазме).

Свойства атома, в том числе важнейшая для химии способность атома образовывать химические соединения, определяются особенностями его строения.

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

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

Масса атома 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 атома незначителен. Общее число протонов и нейтронов А = Z + N наз. 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. Атомы одного и того же элемента с одинаковыми Z и разными N наз. изотопами этого элемента Различие масс изотопов мало сказывается на их химических и физических свойствах. Наиболее значительные, отличия наблюдаются у изотопов водорода вследствие большой относительной разницы в массах обычного атома (протия), дейтерия D и трития Т . Точные значения масс атомов определяют методами масс-спектрометрии.

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


где те- масса электрона, -электрическая постоянная, Возможные "разрешенные" значения энергии электронов в атоме изображают в виде схемы уровней энергии - горизонтальных прямых, расстояния между которыми соответствуют разностям этих значений энергий (рисунок 1). наиболее низкий уровень E1, отвечающий минимально возможной энергии, называют основным, все остальные - возбужденными. Аналогично называют состояния (основное и возбужденные) которым соответствуют указанные уровни энергии. С ростом п уровни сближаются и при энергия электрона приближается к значению, отвечающему свободному (покоящемуся) электрону, удаленному из атома. Квантовое состояние атома с энергией Е полностью описывается волновой функцией , где r-радиус-вектор электрона носитель ядра Произведение равно вероятности нахождения электрона в объеме dV, то есть - плотность вероятности. 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 механическим 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 некоторую ось z также принимает дискретный ряд значений Мlz = , где ml-магнитное квантовое число, имеющее дискретные значения от — l до +l(-l,... - 1, 0, 1, ... + l), всего 2l + 1 значений. Ось z для атома в отсутствие внешних сил выбирается произвольно, а в магнитном поле совпадает с направлением вектора напряженности поля. Электрон обладает также собственным моментом импульса -спином и связанным с ним спиновым магнитным моментом. Квадрат спинового механического 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 оптических переходов (вертикальные линии). Внизу изображена часть атомного спектра испускания водорода - две серии спектральных линий; пунктиром показано соответствие линий и переходов электрона

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

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


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

В многоэлектронных атомах вследствие взаимного электростатического отталкивания электронов существенно уменьшается прочность их связи с ядром. Например, энергия отрыва электрона от ион. Не+ равна 54,4 эВ, в нейтральном атоме Не она значительно меньше - 24,6 эВ. Для более тяжелых атомов связь внешних электронов с ядром еще слабее. Важную роль в многоэлектронных атомах играет специфическое обменное взаимодействие, связанное с неразличимостью электронов, и тот факт, что электроны подчиняются принципу Паули, согласно которому в каждом квантовом состоянии, характеризуемом четырьмя квантовыми числами, не может находиться более одного электрона Для многоэлектронного атома имеет смысл говорить только о квантовых состояниях всего атома в целом. Однако приближенно, в так называемом 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 n и l образует электронную оболочку (назsdftve. также подуровнем, подоболочкой); если все эти состояния заняты электронами, оболочка называется заполненной (замкнутой). Совокупность 2n2 состояний с одним и тем же n, но разными l образует электронный слой (наз. также уровнем, оболочкой). Для n= 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 атоме, то есть, энергия, которую необходимо сообщить электрону, чтобы удалить его из атома, уменьшается с увеличением n, а при данном n - с увеличением l. Порядок заполнения электронами оболочек и слоев в сложном атоме определяет его электронную конфигурацию, то есть распределение электронов по оболочкам в основном (невозбужденном) состоянии этого атома и его иона. При таком заполнении последовательно связываются электроны с возрастающими значениями и и /. Например, для атома азота (Z = 7) и его ион N+, N2+, N3+, N4+, N5+ и N6+ электронные конфигурации имеют вид соотв.: Is22s22p3; Is22s22p2; Is22s22p; Is22s2; Is22s; Is2; Is (число электронов в каждой оболочке указывается индексом справа сверху). Такие же электронные конфигурации, как и у ион.в азота, имеют нейтральные атомы 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 n, но меньшим l оказываются связанными прочнее, чем электроны с меньшим n 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 - соотв. лантаноиды и актиноиды. Порядок заполнения обычно соответствует возрастанию суммы квантовых чисел (n + l); при равенстве этих сумм для двух или более оболочек сначала заполняются оболочки с меньшим и. Имеет место след. последовательность заполнения электронных оболочек:


Для каждого периода указаны электронная конфигурация благородного газа, макс. число электронов, а в последней строке приведены значения n + l. Имеются, однако, отступления от этого порядка заполнения.

Между стационарными состояниями в атоме 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 электромагнитного излучения (фотон). Возможны и безызлучательные переходы, когда атом отдает или получает энергию при взаимодействии с другими частицами, с которыми он сталкивается (например, в газах) или длительно связан (в молекулах, жидкостях и твердых телах). В атоммарных газах в результате столкновения свободного атома с другой частицей он может перейти на другой уровень энергии - испытать неупругое столкновение; при упругом столкновении изменяется лишь кинетическая энергия поступательного движения атома, а его полная внутренняя энергия Е остается неизменной. Неупругое столкновение свободного атома с быстро движущимся электроном, отдающим этому атому свою кинетическую энергию, - возбуждение атома электронным ударом - один из методов определения уровней энергии атома.

Строение атома и свойства веществ. Химические свойства определяются строением внешних электронных оболочек атома, в которых электроны связаны сравнительно слабо (энергии связи от несколько эВ до неск. десятков эВ). Строение внешних оболочек атомов химических элементов одной группы (или подгруппы) периодич. системы аналогично, что и обусловливает сходство химических свойств этих элементов. При увеличении числа электронов в заполняющейся оболочке их энергия связи, как правило, увеличивается; наибольшей энергией связи обладают электроны в замкнутой оболочке. Поэтому атомы с одним или несколькими электронами в частично заполненной внешней оболочке отдают их в химических реакциях. Атомы, которым не хватает одного или нескольких электронов для образования замкнутой внешней оболочки, обычно принимают их. Атомы благородных газов, обладающие замкнутыми внешними оболочками, при обычных условиях не вступают в химические реакции.

Строение внутренних оболочек атомов, электроны которых связаны гораздо прочнее (энергия связи 102-104 эВ), проявляется лишь при взаимодействии атомов с быстрыми частицами и фотонами высоких энергий. Такие взаимодействия определяют характер рентгеновских спектров и рассеяние частиц (электронов, нейтронов) на атомах. Масса атома определяет такие его физические свойства, как импульс, кинетическая энергия. От механических и связанных с ними магнитных и электрических моментов ядра атома зависят некоторые тонкие физические эффекты (ЯМР, ЯКР, сверхтонкая структура спектральных линий).

Более слабые по сравнению с химической связью электростатические взаимодействия двух атомов проявляются в их взаимной поляризуемости - смещении электронов относительно ядер и возникновении поляризационных сил притяжения между атомами. Атом поляризуется и во внешних электрических полях; в результате уровни энергии смещаются и, что особенно важно, вырожденные уровни расщепляются. Атом может поляризоваться также под действием электрического поля, волны электромагного излучения; поляризация зависит от частоты излучения, что обусловливает зависимость от нее показателя преломления в-ва, связанного с поляризуемостью атома Тесная связь оптических свойств атома с его электрич. свойствами особенно ярко проявляется в оптических спектрах.

Внешние электроны атома определяют и магнитные свойства вещества. В атоме с заполненными внешними оболочками его магнитный момент, как и полный момент импульса (механический момент), равен нулю. Атомы с частично заполненными внешними оболочками обладают, как правило, постоянными магнитными моментами, отличными от нуля; такие вещества парамагнитны. Во внешнем магнитном поле все уровни энергии атома, для которых магнитный момент не равен нулю, расщепляются. Все атомы обладают диамагнетизмом, который обусловлен возникновением у них индуцированного магнитного момента под действием внешнего магнитного поля.

Свойства атома, находящегося в связанном состоянии (например, входящего в состав молекул), отличаются от свойств свободных атомов, наибольшие изменения претерпевают свойства, определяемые внешними электронами, принимающими участие в химической связи; свойства, определяемые электронами внутренних оболочек, могут при этом практически не изменяться. Некоторые свойства атома могут испытывать изменения, зависящие от симметрии окружения данного атома. Примером может служить расщепление уровней энергии атома в кристаллах и комплексных соединениях, которое происходит под действием электрических полей, создаваемых окружающими ионами или лигандами.

Литература: Карапетьянц М. X., Дракин С.И., Строение вещества, 3 изд., М., 1978; Шлольевский Э. В., Атомная физика, 7 изд., т. 1-2, М., 1984. М.А. Ельяшевич.




выберите первую букву в названии статьи: А Б В Г Д Е Ж З И К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Э Ю Я


Все новости



Новости компаний

Все новости


© ChemPort.Ru, MMII-MMXVII
Контактная информация