Атом құрлысы

Қазiргi уақытта  химиялық элементтердiң бәрiнiң изотоптары бар екендiгi анықталған. Кейбiр элементтрдiң  изотоптары тұракты болмайды (яғни радиоактивтi). Изотоптар табиғаттағы  ең ауыр элемент — уранда (салыстырмалы атомдық массасы 238, 235 т. 6.) және ең жеңiл  — сутегінде де (салыстырмалы атомдық  массасы 1, 2, 3) бар.

Әсiресе сутегiнiң  изотоптары ерекше, себебi массасы жағынан  скi немесе үш есе айырмашылығы бар. Салыстырмалы атомдық массасы 2 болатын изотоп дейтерий деп аталады. Ол стабилъдi (яғни радиоактивтi емес) және әдеттегi сутегiне аздаған қоспа (1: 4500) түрiнде енедi. Дейтерий оттегiмен косылғанда ауыр су пайда болады. Оның физикалық қасиеттері кәдiмгi судың қасиетiнен анағұрлым бөлек. қалыпты атмосфералық кысымда ол 101,2 С-та қайнайды да, 3,80 С-та қатады.

Салыстырмалы  атомдық массасы 3 болатын изотоп тритий деп аталады. Ол -радиоактивтi, жартылай ыдырау периоды 12 жылга жуық.

Изотоптардың  болуы, атом ядросының заряды атомдардың барлық каеиеттерiн анықтамай, тек  химиялық қаеиеттерi мен электрон қабықшасының маңына байланысты физикалық қасиеттерiн, мысалы, өлшемдерiн анықтайтындығын  дәлеледейдi. Атомның массасы мен  радиоактивтiк касиеттерi оның Менделеев  кестесiндегi реттiк нөмiрiмен анықталмайды.

Изотоптардың  салыстырмалы атомдық массаларын дәл  өлшегенде олардың бүтiн сандарға өте жақын болатындығының елеулi маңызы бар. Кейбiр химиялық элементтердің  атомдық массаларының бүтiн саннан айырмашылығы көп болады. Мысалы, хлордың  салыстырмалы 35,5-ке тең. Бұл табиғи күйде химиялық таза зат изотоптардың әр түрлi пропорциялардағы коспасы  болып келетiндiгiн көрсетедi. Изотоптардың салыстырмалы атомдық массаларының бүтiн сан болуының (жуықтап алғанда) атом ядросының құрылысын анықтауда  маңызы зор.

Химиялық  элементтердiң бәрiнiң де изотоптары бар. Изотоптар атомы ядросының  зарядтары бiрдей, бiрақ массалары  әр түрлi.

 

 

 

 

 

 

 

 

Квант саны 

Атомды  қазіргі кезде квант механика тұрғысынан қарастырады. Квант механика теориясы электронның екі жақты: толқындық және бөлшектік табиғаты бар деп сипаттайды. Электронның  болу ықтималдылығы ең жоғары болатын  кеңістікті атомдық орбиталь деп атаймыз.

 

 

 

Бөлек атомдағы электронның энергетикалық күйі 4 квант санымен сипатталады:

n – бас квант саны;

L – орбиталь (қосымша) квант саны;

m_L- магнит квант саны;

m_S – спин квант саны.

Бас квант саны (n) – орбитадағы электрон энергиясын, электрон энергиясының қашықтығын, орбиталь көлемін сипаттайды. n – шамасы ядродан санағанда энергетикалық деңгейдің нөмірін көрсетеді. Бас квант санының мәні натурал қатардағы нольден басқа бүтін сандарға тең: n = 1 – 7.

Орбиталь квант саны (L) – электронның энергетикалық күйін, электрон бұлттарының пішінін көрсетеді. Берілген бас квант саны үшін L нөлден n – 1-ге дейінгі сандарға тең болады L = 0, 1, 2, 3, (n – 1) және мәні латынша әріптермен белгіленеді: 

 

L мәні                                            0    1    2    3    4

Электрон  күйінің белгіленуі       s    p    d    f    g 

 

Магнит квант саны (m_L) – ұяшық санын, электрон бұлтының кеңістікте таралуын көрсетеді. m_L – квант саны магнит квант саны – ден + L – ге дейінгі мәндер аралығын көрсетеді және 0 – ге тең болады. m_L және m_S мәндерінің бірлестігі атомдық орбитальды сипаттайды. Берілген орбиталь квант саны үшін атомдық орбиталь саны әр түрлі. Схема түрінде орбитальдар ұяшық түрінде белгіленеді. 

 

 

Орбиталь және магнит сандары

 

 

 

Орбиталь квант саны L	Магнит квант саны mL	L мәні бойынша орбиталь саны
0(s)	0	1
1(р)	- 1, 0, + 1	3
2(d)	- 2, - 1, 0, + 1, + 2	5
3(f)	- 3, - 2, - 1, 0, + 1, + 2, + 3	7

 

 

Сонымен, берілген L үшін орбитальдардың жалпы  саны (2L + 1) – ге тең. Кеңістікте орналасуы  бойынша p орбитальдарды p_х, p_у және p_z деп белгілейді (бір – біріне перпендикуляр үш координат осьтері бойынша).

Спин квант саны (m_S) – спин электронының өз осі бойынша қозғалысын сипаттайды. Спин квант саны 2 мәнге ие болады: +1/2 және -1/2. Әрбір орбитальда спиндері қарама – қарсы 2 электрон болады. Осыдан мынадай қорытынды шығады: s – күйінде 2 электроннан артық болмайды; p – күйінде 6 электрон ғана болады; d - күйінде 10 электроннан артық болмайды; ал f - күйінде 14 электрон бола алады.

Электрондардың  атомдағы күйін электрондық формуламен көрсетеді. Мысалы, бор атомының формуласы 1s² 2s² 2p¹ , оның бірінші энергетикалық деңгейінде s – күйінде 2 электрон, екінші энергетикалық деңгейінде s – күйінде 2 электрон, ал p – күйінде 1 электрон бар екенін көрсетеді. 

 

Көп электронды атомдарда энергетикалық  деңгейлердің толтырылуы үш принципке  сәйкес жүреді:

1. Паули принципі: кез келген атомда немесе молекулада квант сандары бірдей екі электрон болмайды.

2. Гунд ережесі: бір деңгейшеде орналасқан электрондардың спин квант сандарының қосындысы максималь болуы шарт. Яғни, барлық орбитальдар электрондармен алдымен бір – бірден толады, содан соң барып, электрондар жұптасады. Мысалы p орбитальға 3 электрон орналасса, олар алдымен бір – бірден үш ұяшықта орналасады.

3. Энергетикалық тиімділік принципі: электрондар орбитальдарды толтырғанда энергиясы ең кіші орбитальдарды ең алдымен толтырады.

4. Клячковский ережелері: а) электрондардың деңгейшелерге орналасуы бас және қосымша квант сандарының қосындысының (n + 1) арту ретімен болады; ә) егер бас және қосымша квант сандарының қосындысы бірдей болса, электрондардың деңгейшеге толуы бас квант санының мәнімен анықталынады.  

 

 

 Энергия тиімділік принципіне сәйкес атомдық орбитальдарды кезекті  электрондармен толтыру тәртібі  мынадай:

1s → 2s → 2р → 3s → 3р →  4s → 3d  → 4р →  5s → 4d → 5р →  6s → 5d →

4f → 5d^2-10 → 6р →  7s →  6d¹ → 5f → 6d² ... 

 

Периодтық жүйеде келесі элементтің алдыңғы элементтен айырмашылығы 1-ші электронда, сол кезекті 2-ші электрон қай энергетикалық  күйді толтырса, соған сәйкес барлық элементтерді s-,  p-,  d-,  f- ке бөледі: s- ке периодтық жүйедегі І және ІІ топтағы негізгі топшадағы элементтер, сутек пен гелий жатады; p-ға ІІІ – топтан VIII – топқа дейінгі негізгі топшалардағы элементтер жатады; d-ға қосымша топшалардағы элементтер, f- ке лантаноидтар және актиноидтар жатады. Энергия тиімділік принциптеріне сәйкес және d, f күйлері кезекті электрондармен кешеулеп толады. Электрондық формулаларды құрастыру үшін d және f күйлерінің кезекті электрондармен толтыруы мына элементтерден басталатынын білу керек: 3d – скандийден (Sc), 4d – иттрийден (Y), 5d – лантаннан (La), 6d – актинийден (Ac), 4f – церийден (Ce). 

 

Берілген элемент атомының электрондық  формуласын құрастыру үшін оның периодтық  жүйедегі орнын білу қажет:

1. Элементтің рет нөмірі оның атомының ядро зарядын, сондықтан атомдағы электрондардың жалпы санын көрсетеді;
2. Период нөмірі атомдағы энергетикалық деңгей санына тең;
3. Топ нөмірі валенттілік электрондар санына тең (химиялық байланысқа қатысатын электрондар),
4. Негізгі топшадағы элементтер атомдарында валенттілік электрондар сыртқы энергетикалық деңгейді толтырады (s - немесе s,  p - күйлерін);
5. Қосымша топшадағы элементтер атомдарында валенттілік электрондар сыртқы энергетикалық деңгейдің s – күйінде және ішкі деңгейдің d күйінде.

 

 

Элементтің периодтық жүйедегі орнына қарай оның электрондық формуласын қарастырайық. 

 

1 –  мысал: Кальций атомының электрондық формуласын құрастыру.

Кальцийдің  реттік нөмірі – 20, демек оның атомында 20 электрон бар    (s-элемент). Кальций ІV период элементі, оның атомында төрт энергетикалық деңгей бар. ІІ топтың негізгі топшасының элементі болғандықтан, яғни 2 валентті электроны сыртқы (ІV) энергетикалық деңгейдің s – күйінде. Сондықтан кальций атомының электрондық формуласы  1s² 2s² 2p⁶3s² 3p⁶4s² түрінде болады.