Строение атомов химических элементов: строение ядра, изотопы, электронная конфигурация атома, основные и возбужденные состояния атома

Строение атома

Атом состоит из ядра и электронной оболочки.

Ядро — в центре атома, в нём сосредоточена почти вся масса. Состав ядра:

• Протоны ($p^+$) — положительный заряд, масса ≈ 1 а.е.м.
• Нейтроны ($n^0$) — без заряда, масса ≈ 1 а.е.м.

Электронная оболочка — электроны ($e^-$), отрицательный заряд, масса очень мала по сравнению с протоном.

Заряд ядра равен порядковому номеру элемента ($Z$). В нейтральном атоме число протонов равно числу электронов.

Изотопы

Изотопы — атомы одного и того же химического элемента (одинаковое $Z$ — число протонов), но с разным числом нейтронов, а значит, с разным массовым числом $A$. Химические свойства изотопов одинаковы, так как зависят от числа электронов.

Примеры. Водород: $^1H$ — протий (0 нейтронов), $^2H$ — дейтерий (1 нейтрон), $^3H$ — тритий (2 нейтрона). Углерод: $^{12}C$ (6 нейтронов), $^{13}C$ (7 нейтронов), $^{14}C$ (8 нейтронов, радиоактивный).

Электронная конфигурация атома

Электронная конфигурация — распределение электронов по энергетическим уровням (оболочкам) и подуровням.

Правила заполнения:

1. Электроны заполняют орбитали в порядке увеличения энергии (правило Клечковского: $n + l$ минимально).
2. Вместимость уровней: 1-й — максимум 2 электрона ($s$-подуровень); 2-й — максимум 8 ($s, p$); 3-й — максимум 18 ($s, p, d$); 4-й — максимум 32 ($s, p, d, f$).
3. Сначала заполняются более низкие уровни.

Пример: кислород ($Z = 8$): $1s^2\ 2s^2\ 2p^4$.

Основное и возбуждённое состояния атома

Основное состояние — электроны занимают самые низкие по энергии орбитали (стабильное состояние).

Пример: кислород в основном состоянии — $1s^2\ 2s^2\ 2p^4$.

Возбуждённое состояние — атом поглотил энергию (тепло, свет), и электрон перескочил на более высокий уровень, не заполняя полностью нижний. В возбуждённом состоянии атомы очень реакционноспособны.

Пример: $1s^2\ 2s^1\ 2p^5$ — один электрон с $2s$ перешёл на $2p$.

Главное в формулах

• Порядковый номер: $Z = p^+$. Пример для кислорода: 8.
• Массовое число: $A = p^+ + n^0$. Пример для кислорода: ≈ 16.
• Число электронов: $e^- = p^+$. Пример для кислорода: 8.
• Изотопы: $A$ меняется, $Z$ постоянен. Пример: $^{16}O$, $^{17}O$.
• Электронная конфигурация кислорода: $1s^2\ 2s^2\ 2p^4$.

Примеры заданий ОРТ

1. У атома азота ($Z = 7$) в нейтральном состоянии число электронов: A) 7, B) 14, C) 21, D) 0. Ответ: A (число электронов равно числу протонов).
2. Какие изотопы относятся к углероду? A) $^{12}C$, $^{13}C$, $^{14}C$; B) $^{12}C$, $^{13}N$, $^{14}O$; C) $^1H$, $^2H$, $^3H$. Ответ: A.
3. Электронная конфигурация кислорода в основном состоянии: $1s^2\ 2s^2\ 2p^4$.