Атом — это самая маленькая единица вещества, которая обладает свойствами элемента. Внутри атома находятся три основных субатомных частицы: протоны, нейтроны и электроны. Протоны и нейтроны находятся в ядре атома, а электроны обращаются вокруг него на определенных энергетических уровнях.
Количество электронов в атоме зависит от его атомного номера и конфигурации электронных оболочек. Атомный номер определяет количество протонов в ядре, которое также равно количеству электронов в нейтральном атоме. Электроны заполняют электронные оболочки по принципу заполнения энергетических уровней и принципу Паули.
В нейтральном состоянии когда число протонов равно числу электронов, атом имеет нулевой электрический заряд. Например, атом углерода имеет 6 протонов и 6 электронов, атом кислорода имеет 8 протонов и 8 электронов. Некоторые атомы могут иметь разное количество электронов, например, ионы, которые имеют положительный или отрицательный заряд.
Какое количество электронов обычно содержит атом?
В обычном состоянии большинства элементов в атоме содержится одинаковое количество электронов, равное числу протонов в нуклоне. Это явление называется электронной нейтральностью атома.
Наиболее распространенное состояние атома называется основным состоянием и обозначается следующим образом: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 и так далее, где цифры и буквы указывают на конфигурацию электронных оболочек.
Некоторые атомы могут иметь различные ионы или изомеры, что приводит к изменению количества электронов. Также существуют атомы с необычным количеством электронов, например, ионы или радикалы.
Количество электронов в атоме имеет огромное значение для химических реакций и связей между атомами в соединениях. Понимание этого является ключевым в химии и многочисленных научных и промышленных областях, где изучается структура вещества и его свойства.
Строение атома
Ядро атома содержит положительно заряженные протоны и нейтроны без заряда. Протоны имеют положительный заряд, равный по модулю электронному заряду. Нейтроны не имеют заряда и служат для удержания протонов друг от друга.
Электронная оболочка представляет собой несколько энергетических уровней, на которых могут находиться электроны. Количество электронов в оболочке зависит от атомного номера элемента. На первом энергетическом уровне может находиться не более 2 электронов, на втором — не более 8 электронов, на третьем — не более 18 электронов и т.д.
Количество электронов в атоме определяет его химические и физические свойства. Взаимодействие электронов между собой и с другими атомами является основой химических реакций и обуславливает возможность образования химических соединений.
Определение электрона
Электрон был открыт в 1897 году Джозефом Джоном Томсоном в результате его экспериментов с катодными лучами. Он назвал новую частицу «электроном», от греческого слова «электрон» (буквально: янтарь, который при трении электризуется).
Основные свойства электрона:
- Отрицательный электрический заряд
- Малая масса (приближенно равная 9.1х10^-31 кг)
- Малая размерность (приближенно равная 10^-15 м)
- Обладает волновыми и корпускулярными свойствами
Электроны выполняют важную роль в химических реакциях и электрических явлениях, таких как проводимость тока, электролиз, электронные приборы и многие другие. Они также играют особую роль в области современных технологий, таких как электроника, компьютерная техника и квантовая физика.
Принцип электронного строения
Принцип запрещения Паули устанавливает, что в одной атомной области не может находиться более двух электронов, которые имеют одинаковые квантовые числа – главное (n), орбитальное (l), магнитное (ml) и спиновое (ms). Это означает, что в одной энергетической оболочке могут находиться не более 2 электронов с противоположным спином.
Правило Хунда отражает предпочтительное наполнение атомных подоболочек. Оно утверждает, что энергетически более низкие подоболочки заполняются электронами раньше, прежде чем электроны начнут заполнять более высокие подоболочки. Подоболочка с более низкой энергией называется валентной подоболочкой, а подоболочка с более высокой энергией – внутренней.
Энергетические уровни атома
Атом состоит из ядра, в котором находятся протоны и нейтроны, а также электронной оболочки, в которой перемещаются электроны. Каждый атом имеет определенное количество энергетических уровней, на которых могут находиться электроны.
Энергетические уровни атома описываются квантовой механикой и имеют определенные энергетические значения. На каждом уровне может находиться определенное количество электронов, определяемое формулой 2n^2, где n — номер уровня. На первом уровне может находиться не более 2 электронов, на втором — 8 электронов, на третьем — 18 электронов и так далее.
Энергетические уровни атома организованы в шелли и подшелли. Шелли обозначаются буквами K, L, M и так далее, а подшелли обозначаются буквами s, p, d, f и так далее. Каждая подшелль содержит определенное количество энергетических уровней и может вмещать определенное количество электронов.
Количество электронов на энергетических уровнях атома влияет на химические свойства вещества. Распределение электронов в атоме определяет его электронную конфигурацию и позволяет предсказывать его химическую активность и способность к образованию химических связей.
Особенности заполнения электронных орбиталей
Электроны в атоме располагаются на энергетических уровнях, которые называются орбиталями. Орбитали подразделяют на различные подуровни, такие как s, p, d, f. Каждый энергетический уровень может содержать определенное число электронов, которое определяется по формуле 2n^2, где n — номер энергетического уровня. Например, первый энергетический уровень (n=1) может содержать максимум 2 электрона, второй энергетический уровень (n=2) — 8 электронов и так далее.
Заполнение орбиталей происходит в соответствии с правилом Клеппера. Согласно этому правилу, электроны сначала заполняют орбитали на более низких энергетических уровнях, а затем переносятся на более высокие. Все орбитали на каждом энергетическом уровне должны быть заполнены по одному электрону с одинаковым спином, прежде чем начать заполнять орбитали на следующем уровне.
Орбитальный метод представляет собой систему диаграмм, которые отражают заполнение орбиталей электронами. Диаграмма представляет собой таблицу, в которой вертикальные строки представляют различные энергетические уровни, а горизонтальные столбцы — орбитали разных типов. Заполнение орбиталей указывается с помощью стрелок, где направление стрелок указывает на спин электрона.
| Энергетический уровень | s | p | d | f |
|---|---|---|---|---|
| 1 | ↑↓ | |||
| 2 | ↑↓ | ↑↓ | ||
| 3 | ↑↓ | ↑↓ | ↑↓ | |
| 4 | ↑↓ | ↑↓ | ↑↓ | ↑↓ |
Таким образом, атомы стремятся заполнить электронные орбитали таким образом, чтобы достичь наиболее стабильной электронной конфигурации. Заполнение орбиталей происходит до тех пор, пока все электроны не будут распределены между энергетическими уровнями и орбиталями атома.
Избыточные или недостающие электроны
Атомы могут иметь разное количество электронов, и в некоторых случаях может возникнуть ситуация, когда количество электронов в атоме будет отличаться от его нормального состояния. Это может произойти из-за внешних воздействий, таких как добавление или удаление электронов.
Если атом содержит больше электронов, чем обычно, то его называют ионом с избыточными электронами. При этом, избыток электронов может возникнуть из-за химической реакции или условий окружающей среды.
Недостаток электронов в атоме может быть вызван их возможным потерей или захватом другими атомами. В результате атом становится ионом с недостающими электронами. Такое состояние обусловлено электроотрицательностью элемента, его ионной связью или реакцией с другими веществами.
Избыточные или недостающие электроны могут влиять на свойства атома и его способность образовывать соединения. Например, ионы с недостающими электронами могут быть более реактивными и потенциально более агрессивными в химических реакциях.
| Состояние атома | Количество электронов |
|---|---|
| Избыток | Больше обычного |
| Недостаток | Меньше обычного |
Факторы, влияющие на количество электронов в атоме
Количество электронов в атоме определяется несколькими факторами. Основные из них:
- Атомный номер элемента. Получив эту характеристику из таблицы Менделеева, мы можем определить количество электронов в атоме. Оно равно числу протонов в ядре.
- Энергетические уровни электронов. Атом содержит энергетические уровни, на которых располагаются электроны. Первый уровень может вместить до 2 электронов, второй – до 8, третий – до 18. Количество уровней определяется атомным номером элемента.
- Распределение электронов по орбиталям. Каждый энергетический уровень имеет определенное число орбиталей, на которых могут располагаться электроны. Одна орбиталь вмещает не более 2 электронов.
- Принцип Паули. Согласно этому принципу, в одной орбитали не могут находиться два электрона с одинаковыми квантовыми числами.
- Принцип Хунда. Этот принцип устанавливает, что электроны заполняют орбитали в соответствии с их энергией. Нижние уровни заполняются полностью, прежде чем начать заполнение следующего уровня.
Все эти факторы влияют на количество электронов в атоме и определяют его электронную конфигурацию.