Будова атома і властивості хімічних елементів

Після того як фізикам вдалося багато чого довідатися про будову атома, стало можливим застосувати ці знання для пояснення хімічних властивостей елементів і теоретичного обгрунтування періодичного закону Менделєєва. Нам відомо, що порядковий номер елемента в періодичній системі відповідає числу протонів в його ядрі (рис. 122). Так як протони мають позитивним електричним зарядом, а атом завжди електрично нейтральний, то позитивний заряд ядра повинен в точності врівноважуватися сумарним зарядом негативно заряджених електронів. Отже, число електронів в атомі завжди дорівнює числу протонів в його ядрі.

Знаходяться в ядрі нейтрони, що не мають електричного заряду, впливають на масу атома елемента, але не визначають число рухомих навколо ядра електронів.
Хімічні властивості атомів елементів визначаються будовою їх електронної оболонки. Електрони в атомі, як ви знаєте, знаходяться в певних областях простору, званих орбиталями. Цей термін був введений замість вживалася раніше поняття «орбіта» для того, щоб не складалося відчуття, що електрон обертається навколо ядра з якоїсь конкретної лінії. Насправді електрон в атомі не має певної траєкторії руху, більше того, він проявляє властивості як частки, так і хвилі. Квантова механіка розглядає ймовірність знаходження електрона в просторі навколо ядра. Найбільш ймовірно знаходження електрона поблизу ядра. У міру віддалення від ядра ймовірність знаходження електрона в даній точці простору поступово знижується. Простір навколо ядра, в якому найбільш імовірно знаходження електрона, і називається орбиталью. Орбіталі атома мають різні розміри. Електрони, що знаходяться на орбіталях близького розміру, утворюють електронні шари. Електронні шари називають також енергетичними рівнями. Їх нумерують, починаючи від ядра: 1, 2, 3, 4 і т. Д. Енергетичні рівні поділяються на підрівні. Підрівні прийнято позначати латинськими літерами s, р, d і т. Д. На s-підрівні знаходиться тільки одна орбіталь, її, як і підрівень, називають s-орбиталью. На p-підрівні знаходяться три p-орбіталі. Орбіталі мають різну форму: так, s-орбіталь має форму кулі, р-орбіталь – форму гантелі, або об’ємної вісімки. Кожна орбіталь володіє своїм особливим кількістю енергії. Відомо, що на одній і тій же орбіталі може перебувати одночасно не більше двох електронів.
У міру збільшення порядкового номера елемента в періодичній системі зростає міститься в його ядрі число протонів, а разом з ним і число електронів, що знаходяться на різних енергетичних рівнях. На першому рівні є тільки один s-підрівень, який позначається як 1s. Він може містити один або два електрони. У атома водню на цьому рівні знаходиться його єдиний електрон (рис. 123, А). У ході хімічної взаємодії атоми можуть віддавати або приймати електрони, перетворюючись на заряджені частинки – іони. Атом водню легко розлучається зі своїм електроном, віддаючи його іншим атомам і перетворюючись на позитивно заряджений іон Н +. Атом гелію має на тому ж рівні два електрони, тому його перша і єдина орбіталь виявляється заповненою (див. Рис. 123, А). Нові електрони він приєднати не може, а розлучатися з тими, які знаходяться на завершеною зовнішній оболонці, енергетично невигідно. Тому гелій є інертною речовиною, яке не здатне вступати в хімічні реакції.
Чим більше протонів і електронів в атомі, тим складніше стає структура його електронної оболонки. Якщо перший рівень має тільки один підрівень 1s, то другий – уже два (2s і 2р), і з зростанням номера рівня кількість містяться в ньому подуровней продовжує збільшуватися (рис. 123, Б).
Хімічні властивості атомів в чому визначаються числом електронів, розташованих на зовнішніх рівнях електронної оболонки.

 

Якщо ці рівні містять мало електронів, атом, вступаючи в хімічну реакцію, прагне їх віддати, якщо багато – приєднати чужі електрони, щоб заповнити зовнішню оболонку. Якщо ж ця оболонка заповнена, атом стає інертним і в більшості випадків взагалі не бере участі в хімічних реакціях. Елементи, що знаходяться на початку кожного періоду, містять на зовнішній оболонці мало електронів і тому легко їх віддають, перетворюючись при цьому в позитивно заряджені іони. Втрата електронів атомом називається окисленням (рис. 124). Наприкінці періодів, безпосередньо перед інертними газами, знаходяться галогени (фтор, хлор, бром, йод), яким для заповнення зовнішньої оболонки не вистачає одного електрона. Тому вони легко приєднують електрони і стають при цьому негативно зарядженими іонами. Цей процес носить назву відновлення. Отже, чим менше електронів знаходиться на зовнішній оболонці атома, тим активніше він їх віддає; чим менше електронів не вистачає для заповнення зовнішньої оболонки атома, тим активніше він їх приймає.
Елементи, які схильні до віддачі електронів, називають металами, а ті, які здатні їх приймати, – неметалами. Атоми багатьох елементів, наприклад вуглецю, сірки, приблизно з однаковою ймовірністю можуть і віддавати, і приймати електрони. Чіткої межі між металами і неметалами не існує.
Найбільш поширеним і наочним прикладом взаємодії металів і неметалів є процес, який відбувається при контакті лужного металу з галогеном. Метал легко віддає свій єдиний зовнішній електрон, а галоген приєднує його як єдиний бракуючий. У результаті утворюється позитивно заряджений іон металу (катіон) і негативно заряджений іон галогену (аніон) [11]. Маючи різнойменні заряди, ці іони притягуються один до одного. В результаті виходять солі, прикладом якої є хлорид натрію (кухонна сіль). Хлорид натрію складається з кристалів, до складу яких входять катіони натрію Na + і аніони хлору Cl- (рис. 125). При розчиненні хлориду натрію у воді його кристали розпадаються на іони. Процес розпаду молекул або іонних кристалів речовин на іони при розчиненні у воді називають електролітичної дисоціацією.

Таким чином, в розчині кухонної солі немає молекул хлориду натрію, а присутні тільки іони натрію і хлору, оточені молекулами води (див. Рис. 125). Слово «дисоціація» тут означає розпад, розділення. Речовини, здатні до електролітичноїдисоціації, називають електролітами. Їх розчини проводять електричний струм. Це стає зрозумілим, якщо врахувати, що струм – це перенесення заряджених частинок, якими в даному випадку є катіони і аніони. Електролітичноїдисоціації при розчиненні у воді піддається не тільки солі, але також кислоти і основи.
Перевірте свої знання
1. У яких випадках при протіканні хімічних реакцій атом частіше віддає, а в яких – приєднує електрони?
2. Чому гелій та інші благородні гази майже не здатні вступати в хімічні реакції?
3. Чим визначаються реакції окислення і відновлення?

Посилання на основну публікацію