Строение атома - электронная конфигурация, структура и модели

Как устроен атом

Со временем учёные выяснили, что они крупно заблуждались: структура атома оказалась вовсе не монолитной. С постепенным увеличением точности приборов стало ясно, что она включает в себя 3 типа микрочастиц: положительно, отрицательно и нейтрально заряженные. Называются они следующим образом:

1. Протон, «основной».
2. Нейтрон, «ни тот ни другой».
3. Электрон, «янтарь».

Частицы, несущие положительный заряд, назвали протонами, нейтральный — нейтронами, отрицательный — электронами.

Основа любого атома — это его ядро. Оно состоит из положительных и нейтральных микрочастиц, то есть из протонов и нейтронов. Их количество может быть одинаковым, а может и разниться. В результате получается, что ядро — это всегда положительно заряженная часть атома. Однако сам он заряжен нейтрально, и причина тому — электроны, летающие вокруг ядра по орбитальным спиралям. Такова общая схема строения атома.

Свойства вещества, которое может образовывать атом, напрямую зависят от количества микрочастиц в его составе. Каждая из них абсолютно идентична другой аналогичной микрочастице, поэтому они полностью взаимозаменяемы. Все электроны являются химическими «клонами» друг друга, то же самое правило касается протонов и нейронов. Именно поэтому ко всему веществу, имеющемуся в природе, можно применять общие законы химии, на основании которых оно будет работать.

Любые атомы состоят всего лишь из трёх простых микрочастиц, представленных в разных количествах. А более сложные структуры, молекулы, являются сочетаниями различных атомов, взятых в определённых пропорциях, то есть все без исключения объекты в природе — как живые, так и неживые, как очень сложные по своей структуре, так и простейшие — построены всего из трёх типов мелких «кирпичиков». Если в этот факт как следует вдуматься, он действительно способен поразить воображение.

Ядро: протоны и нейтроны

Общее название для составных частиц ядра, коими являются протоны и нейроны — нуклоны. Вместе они и составляют почти всю массу атома, а значит, и почти всю материю во Вселенной. Теория гласит, что каждый протон или нейтрон включает в себя ровно 3 составные частицы, именуемые кварками, между которыми имеется связующее глюонов облако. Кварки, согласно модели, являются такими же неделимыми частицами, как электроны. Глюоны же обеспечивают их взаимную связь друг с другом.

В то же время сами атомные ядра чрезвычайно малы. Размеры каждого ядра в десятки тысяч раз меньше размеров всего атома. Но несмотря на это, почти вся атомная масса заключается в его положительно заряженном ядре, тогда как электрон представляет собой чисто энергетическую, нематериальную частицу. Получается, что материального вокруг нас вовсе не так много, как кажется на первый взгляд. Куда больше места занимают энергетические потоки, связывающие физическое вещество.

Число протонов, содержащихся в том или ином атоме, указывает на его порядковый номер в Периодической системе химических элементов. Например, у кислорода порядковый номер 8, а значит, и число протонов у него точно такое же. Формула, по которой вычисляется количество нейтронов: округлённая атомная масса минус число протонов. Атомная масса элемента указана под его порядковым номером в графической таблице Менделеева. Например, для атома хлора (Cl) это будет 35 — 17 = 18, для брома (Br) 80 — 35 = 45, а для серы (S) 32 — 16 = 16. С числом нейтронов связано понятие изотопа.

Процесс ионизации

Количество электронов в «чистом» атоме должно уравновешивать число протонов. Если же оно несколько больше или меньше, чем нужно, атом перестаёт быть нейтральным и обретает положительный или отрицательный заряд. Если электроны отсоединяются, общий заряд увеличивается, а в случае их присоединения — наоборот, уменьшается. Преобразованный таким образом атом называется ионом.

Возьмём для примера медь (Cu), относящуюся к классу простых веществ. В обычном состоянии у неё имеется 29 электронов. Но если она отдаст 2 электрона, у неё их останется всего 27. А сам атом меди превратится в положительный ион меди или, иначе, в катион меди. В их роли часто выступают всевозможные металлы (магний, алюминий, литий, натрий, хром), которые могут легко терять до трёх электронов.

Отрицательно заряженные ионы, в свою очередь, называются анионами. Как правило, они являются неметаллами, так как обладают высокой электроотрицательностью — способностью притягивать к себе электроны. Например, им может стать атом кремния, присоединив к себе хотя бы один электрон.

Что такое электрон

Электроны, двигающиеся вокруг ядра по сферической траектории, образуют так называемое электронное облако. А оно уже создаёт вокруг каждого атома его личное электромагнитное поле, оказывающее влияние на другие атомы.

Немного истории

В 1891 году в результате проведённых экспериментов ирландский физик Стони сумел вывести, что электричество переносится мельчайшими частицами, которые имеются в составе любого атома. Тогда же он и предложил назвать их электронами.

Спустя несколько лет, физики Перрен и Томсон нашли доказательства, что электрон имеет сугубо отрицательный заряд. Кроме того, они смогли рассчитать массу и скорость электрона.

Природа частицы

Отрицательная частица электрон имеет крайне маленькие размеры. Отдельные электроны не поможет разглядеть даже самый мощный микроскоп. Визуально их можно наблюдать только в виде размытого электронного облака вокруг ядра. Электрон — это устойчивая частица энергии, которая постоянно находится в движении. Вне движения он просто не существует. И не похоже, чтобы у этой энергетической единицы была какая-то структура. Но масса у него всё-таки есть, хотя, как и его габариты, она очень маленькая.

В теории электрон включает в себя 3 нематериальные квазичастицы, несущие о нём различную информацию. Всего их 3:

1. Холон, отвечающий за заряд.
2. Спинон, заведующий его вращением.
3. Орбитон, говорящий о его положении на орбите.

Но это всего лишь условности, и они никак не указывают, что электрон и правда можно поделить на отдельные частицы. На текущем уровне развития науки эта частица пока считается неделимой. И нет оснований полагать, что в будущем это может измениться.

Электроны обладают способностью поглощать энергию. В случаях, когда это происходит, атом, который в себе их содержит, переходит с одного энергетического уровня на другой. Если поглощенной энергии слишком много, электрон может выйти из атомной структуры и стать независимой частицей. При этом он будет проявлять волновые свойства.

Электронная конфигурация

Электронная конфигурация атома — схематическое отображение отрицательных частиц, расположенных на атомных орбиталях. Умея делать такую запись, можно очень быстро определять количество орбиталей у того или иного атома. Перед тем как приступать к определению самой конфигурации, необходимо найти порядковый номер и заряд нужного элемента.

Любой атом состоит из нескольких электронных оболочек. Их максимальное количество достигает семи. Каждая из них имеет подуровни, заполняемые электронами последовательно, в строго установленном порядке. Число подуровней, содержащееся в той или иной оболочке, равняется её номеру. Внешние слои с большим количеством подуровней, находящиеся дальше от ядра, имеют большую энергию по сравнению с внутренними, чьё расположение близко к ядру.

Всего есть 6 типов подуровней, каждый из которых может содержать определённое число орбиталей. Электроны на каждом из них, когда они заполнены полностью, располагаются в чётном количестве. Эти подуровни обозначаются следующими буквами:

1. s. Имеет всего одну орбиталь. Может содержать только 2 электрона.
2. p. 3 орбитали, максимальные 6 электронов.
3. d. 5 орбиталей, 10 частиц.
4. f. 7 орбиталей, 14 частиц.
5. g. 9 орбиталей, 18 частиц.
6. h. 11 и 22 частицы.
7. i. 13 и 26 частиц.

Орбитали заполняются в следующем порядке:

1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p, 5s, 4d, 5p, 6s, 4f, 5d, 6p, 7s, 5f, 6d, 7p.

Цифра справа обозначает номер оболочки, буква слева — подуровень этой оболочки.

Наглядная запись

Теперь возьмём для примера какой-нибудь химический элемент. Например, калий. В таблице Менделеева он имеет запись K и его можно найти под номером 19. Значит, у него имеется 19 электронов, которые нужно расфасовать по орбиталям в указанном порядке. Делаем это.

Сначала идёт уровень 1s. Подуровень s может содержать только 2 электрона. Число электронов записывается в виде маленького индекса над буквой. В данном случае это будет 1s².

Следом по порядку идёт 2s. Тоже s и тоже только 2 электрона. 2s² .

Дальше 2p. Смотрим, сколько электронов может содержать уровень p. 2p⁶.

Теперь снова возвращаемся на подуровень s, который опять-таки включает в себя всего лишь 2 электрона. 3s² .

12 уже упорядочено. Осталось 7. И следующий уровень — 3p⁶.

Остался всего один электрон, который нужно разместить на следующем s-подуровне. В результате на нём остаётся одно свободное место — всего частиц может быть 2, но мы располагаем только одну оставшуюся. А записывается это как 4s¹.

В одну строчку это всё записывается следующим образом: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s¹.

Важно учитывать, что это электронная конфигурация для основного состояния атома. В Периодической системе элементов у атомов тоже указаны исключительно те их свойства, которыми они обладают в своём основном состоянии. Но также они могут пребывать и в возбуждённом состоянии. Это происходит при сообщении им дополнительной энергии. Тогда электроны с положенных им орбиталей будут перескакивать на другие и запись будет несколько иной.

Различные атомные модели

Ещё философы Древней Греции — колыбели науки, пытались постичь природу этой необыкновенной частицы. Особенно среди прочих выделился Демокрит. И пусть с вершины нынешней науки его идеи кажутся немного наивными и примитивными, на тот момент это всё же был большой прорыв.

По мнению философа, из атомов состоит даже такая неосязаемая субстанция, как человеческая душа. Ещё он считал, что каждый отдельный атом имеет примерно те же физические свойства, что и вещество, которое он образует. Например, огонь, как он думал, должен иметь острые атомы, а вода — наоборот, гладкие.

Английский физик Дж. Томсон тоже внёс значительный вклад в развитие представлений об атомном устройстве. Но несмотря на это, и его идеи были несколько ошибочными. В 1904 году он выдвинул модель, рассматривающую атом в качестве физического тела, имеющего положительный заряд, внутри которого располагались отрицательно заряженные частицы.

В том же году, что и Томсон, Х. Нагаока предложил планетарную модель атома, которая была уже ближе к истине, но все равно не дотягивала до неё. В его модели строения атома электроны подобны кольцам Сатурна, и по тому же принципу крутятся вокруг ядра с положительным зарядом.

Последняя предложенная модель была разработана совместно Бором и Резерфордом. Она же и является устоявшейся в современном учёном мире. Практически все последующие научные наработки берут за основу именно их теорию строения атома, лишь с некоторыми незначительными изменениями. Её так и назвали — модель Резерфорда-Бора.