Основные химические законы. Квантовомеханическая модель атома.

Атом - это мельчайшая, химически неделимая электронейтральная частица вещества. В центре атома находится ядро, состоящее из протонов p и нейтронов n. Вокруг ядра вращаются электроны ē. Разновидности атомов одного и того же элемента, отличающиеся своей массой, называются изотопами. Атомы, ядра которых имеют различные заряды, но одинаковую массу, называют изобарами.

Количество элементарных частиц (протонов p, электронов ē и нейтронов n) можно определить по формулам:

p= ē =Z;

n =А-Z,

где Z — порядковый номер элемента; А – атомная масса изотопа элемента.

Любые изотопы, в том числе и стабильные, можно превратить в изотопы

других элементов путем бомбардировки их ядер тяжелыми элементарными

частицами (протонами, нейтронами), либо ядрами легких элементов (гелия, лития, кислорода и др.). При этом одновременно с дочерним ядром образуется одна или несколько элементарных частиц.

Процессы взаимодействия ядер одних элементов с ядрами других элементов или с элементарными частицами, при которых образуются ядра новых элементов, получили название ядерных реакций. При составлении уравнений ядерных реакций необходимо учитывать закон сохранения массы веществ (масса электронов при этом не учитывается). Кроме того, заряды всех частиц в левой и правой частях уравнения должны быть равны. Подобно химическим, ядерные реакции подразделяются на реакции обмена, присоединения, разложения (радиоактивный распад).

Для характеристики энергетического состояния электрона в атоме квантовая механика пользуется системой четырех квантовых чисел:

1. Главное квантовое число n характеризует энергетический уровень, на котором находится электрон, а следовательно, общий запас его энергии. Число n принимает целочисленные значение от 1 до ∞, а для атомов элементов в нормальном, невозбужденном состоянии — от 1 до 7. Уровни, отвечающие этим значениям, обозначаются соответственно буквами К, L. М, N, О, Р и Q.

2. Энергетические состояния электронов одного уровня могут несколько отличаться друг от друга в зависимости от конфигураций их электронных облаков, образуя группы электронов разных подуровней. Для характеристики подуровня служит побочное, или орбитальное, квантовое число ℓ, которое может иметь целочисленные значения в пределах от 0 до n - 1. Так, если главное квантовое число n = 1, то побочное квантовое число имеет только одно значение (ℓ =0), а при этом значении n понятия уровень и подуровень совпадают. При n =4 величина ℓ принимает четыре значения, а именно: 0, 1, 2, 3. Электроны, отвечающие этим значениям называются соответственно s-, p-, d- и f-электронами.

Электроны различных подуровней отличаются формой электронных облаков. Для s-электронов характерна простейшая форма - сфера; для p-электронов — форма вытянутых восьмерок, или гантелей, оси которых располагаются по отношению друг к другу под углом 90° и обозначаются p_x, p_у и p_z. Формы облаков d- и особенно f-электронов гораздо более сложные.

3. Магнитное квантовое число m_ℓ характеризует расположение плоскости электронной оpбитали, т.е. ее наклон относительно магнитной оси атома. Если побочное квантовое число равно ℓ то проекция орбитального момента электрона на магнитную ось атома принимает целочисленные значения от - ℓ до + ℓ, а всегo 2 ℓ + 1 значений. Так, если ℓ =0, то m_ℓ имеет одно значение — m_ℓ =0,

а при ℓ =3 оно принимает 7 значений, а именно: —3, —2, —1, 0, 1, 2, 3.

4. Для электрона характерно также вращение вокруг собственной оси, которое может происходить в двух взаимно противоположных направлениях. Возникающие при этом собственные магнитные моменты электрона имеют два значения в зависимости от того, совпадают они с ориентацией орбитального момента электрона или направлены в противоположную сторону. В связи с этим спиновое квантовое число m_s, может иметь значение +1/2 или —1/2.