Строение и свойства атомов. Эмпирические закономерности в геохимии, определяемые строением атомов. Геохимические классификации химических элементов.

Земная кора, как и весь космос, состоит из атомов химических элементов и их элементарных частиц. Химическими элементами называются совокупности однотипных атомов, имеющих единый атомный номер в таблице Менделеева и характеризующихся определенными химическими и физическими свойствами. Химические элементы в свободном состоянии являются простыми и однородными веществами, не разложимыми на более простые вещества химическими методами. Каждый химический элемент характеризуется атомами, имеющими определенный заряд ядра и свойственное ему число протонов и нейтронов, определенное количество электронов и структур электронных оболочек, а также связанными со строением атома химическими и физическими свойствами. Вещество, состоящее из атомов одного элемента, называется простым. Сложные вещества состоят из атомов различных химических элементов. Взаимосвязь химических элементов, их единство и различие определяются периодическим законом Менделеева.

Атомами химических элементов называются их мельчайшие частицы, представляющие собой сложные системы, состоящие из атомного ядра и электронной оболочки, имеющие определенные массы и химические и физические свойства. Атомы одного и того же химического элемента, имеющие различную массу (различное количество нейтронов), представляют собой как бы виды атомов и называются изотопами.

Элементарные частицы атомов – мельчайшие частицы вещества, не имеющие структуры и названные элементарными в связи с предположением об их неделимости. В настоящее время известно 16 элементарных частиц и примерно столько же античастиц. Основными фундаментальными частицами атомов являются электрон, протон и нейтрон. Ряд других частиц (фотоны, позитроны, различные мезоны) проявляют свои свойства в процессах превращения ядер атомов.

Согласно периодическому закону, свойства химических элементов изменяются периодически, в зависимости от атомного порядкового числа элементов. В первую очередь, это касается химических свойств элементов (их валентности, способности вступать в химические соединения с другими элементами). Однако периодичность обнаруживают и многие физические свойства элементов, в том числе их оптические спектры, потенциалы ионизации, радиусы атомов и ионов, атомные объемы, окраска ионов, температуры плавления, удельные веса и т.д. Эти свойства связаны со строением электронных оболочек атомов.

Итак, атомы состоят из ядер – совокупности протонов и нейтронов, окруженных электронами. Современная концепция атома допускает нахождение электронов на любом расстоянии от ядер, но считает, что наиболее вероятно положение электронов на определенных низкоэнергетических орбитах, или оболочках. В этих оболочках электроны располагаются на различных подоболочках. Электроны на подоболочках обычно не идентичны по свойствам и принадлежат к различным орбиталям.

Модель атомной структуры базируется на принципах квантовой механики, которая помимо других аспектов дает объяснение тому, каким образом атомы поглощают и испускают энергию. При перескакивании электрона с одной подоболочки на другую энергия в форме электромагнитного излучения отдается, если электрон переходит на подоболочку с более низким энергетическим уровнем, или поглощается, если электрон переходит на подоболочку с более высоким энергетическим уровнем. Если это излучение разложить с помощью дифракционной решетки или призмы, то образуется спектр, состоящий из линий (Браунлоу, стр. 9, рис. 1.2). Качество и размещение этих линий можно связать с различными электронными оболочками и орбиталями.

Непрерывный спектр представляет собой неразрывную серию изображений щели спектроскопа, через которую проходит свет. Такой спектр дают нагретые твердые и жидкие тела. В твердом теле или жидкости атомы практически находятся в контакте друг с другом и не могут проявляться независимо. В результате, излучающие твердое тело или жидкость испускают электромагнитные волны всех длин. Атомы газа, напротив, находятся на относительно больших расстояниях друг от друга и поэтому способны к самостоятельному обособленному излучению или поглощению. При этом они образуют спектр, содержащий лишь относительно небольшой набор длин волн. Поэтому линейчатый спектр, произведенный атомами газа, является характерным для этих атомов.

Состояние электронов на орбитах атомов описывается четырьмя квантовыми числами: n, l, m, s. 1 – основное квантовое число n, определяющее оболочку, в которой находится электрон; 2 – вспомогательное квантовое число l, характеризующее подоболочку в пределах соответствующей оболочки; 3 – магнитное квантовое число m, определяющее орбиталь внутри соответствующей подоболочки; 4 – спиновое квантовое число s, уточняющее, в каком из двух возможных направлений вращается электрон.

Теория строения атома водорода Нильса Бора (1913) предполагала существование круговых электронных орбит, его основное квантовое число отражало радиус круговой орбиты. При дальнейших спектроскопических исследованиях стало ясно, что, кроме того, возможны эллиптические орбиты с атомным ядром в центре. Тогда и ввели вспомогательное квантовое число l, предназначенное для описания формы соответствующего эллипса. Поэтому подоболочки, относящиеся к одному основному квантовому числу, характеризуются несколько различными формами и энергиями.

Под воздействием внешнего магнитного поля плоскость круговой или эллиптической орбиты имеет строго определенное положение в пространстве – как следствие магнитного поля, создаваемого каждым движущимся электроном. Каждая различно ориентированная орбитальная плоскость отвечает несколько иному энергетическому состоянию электрона. Магнитное квантовое число характеризует эти возможные варианты орбиталей. Наконец, вращаясь вокруг ядра, электрон вращается вокруг собственной оси. Спиновое квантовое число определяет способ вращения электрона.

Для описания электронной структуры атомов элементов используются определенные принципы квантовой теории. Принцип нарастания утверждает, что орбитали заполняются электронами в порядке возрастания энергии подоболочки. Квантовая физика определяет максимально возможное число электронов для подуровней:

s, первый подуровень (подоболочка).............. 2, l =0

p, второй подуровень (подоболочка)............... 6, l =1

d, третий подуровень (подоболочка)...............10, l =2

f, четвертый подуровень (подоболочка)......... 14, l =3

В соответствии с тем подуровнем (подоболочкой), который продолжает заполняться электронами (то есть как бы достраивается), все химические элементы Периодической системы имеют специальные названия: s-элементы, p-элементы, d-элементы, f-элементы.

Принцип исключения Паули утверждает, что орбиталь могут занимать не более чем два электрона и что эти два электрона должны вращаться в противоположных направлениях. В ином виде формулировка принципа выглядит так: два или более электрона не могут существовать одновременно в одинаковом состоянии. При воздействии внешнего магнитного поля на электроны отдельных атомов, что имеет место в минералах и других твердых телах, одноименные орбитали характеризуются несколько различающимися энергетическими уровнями и различным пространственным расположением (Браунлоу, стр.11, рис. 1.4), Так существуют три разные р-орбитали, каждая с двумя электронами и каждая с различным местонахождением. Правило Хандагласит, что прежде, чем на одну орбиталь попадут два электрона, необходимо, чтобы на каждой орбитали уже находилось по одному электрону. Это правило также требует, чтобы одиночные электроны в различных орбиталях имели параллельные спины.

Соотношения энергий таковы, что максимально возможное число электронов в любой оболочке равно2n². Поэтому самая внутренняя, или первая, оболочка может содержать 2 электрона, вторая 8, третья 18, четвертая 32, пятая 50 и т.д. Оболочки обозначаются арабскими цифрами1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 или буквами K, L, M, N, O, P и Q от ядра к периферии. Электроны разных подоболочек в порядке возрастания энергии подуровней называются s-, p-, d-, f-электронами. Мозелей установил, что число электронов, вращающихся вокруг ядра, равно порядковому номеру элемента в таблице Менделеева.