Չզույգված էլեկտրոնների իոնացման գործընթացը. Քիմիա. Օդի իոնիզատորների շահագործման սկզբունքը

ՌԱԴԻՈԼԻԶԻ ՄԻՋԱՆԿԱԿԱՆ ԱՊՐԱՆՔՆԵՐ

Երբ իոնացնող ճառագայթումը գործում է ցանկացած համակարգի վրա, իոնացման և գրգռման արդյունքում առաջանում են միջանկյալ արգասիքներ։ Դրանք ներառում են էլեկտրոններ (ջերմացված և լուծված, թերգրգռված էլեկտրոններ և այլն), իոններ (արմատական ​​կատիոններ և անիոններ, կարբանիոններ, կարբոկացիաներ և այլն), ազատ ռադիկալներ և ատոմներ, գրգռված մասնիկներ և այլն: Որպես կանոն, սովորական պայմաններում սրանք արտադրանքը բնութագրվում է բարձր ռեակտիվությամբ և, հետևաբար, կարճատև է: Նրանք արագ փոխազդում են նյութի հետ և առաջացնում են վերջնական (կայուն) ռադիոլիզի արտադրանքի ձևավորում։

Հուզված մասնիկներ.Գրգռումը նյութի հետ իոնացնող ճառագայթման փոխազդեցության հիմնական գործընթացներից մեկն է։ Այս գործընթացի արդյունքում առաջանում են գրգռված մասնիկներ (մոլեկուլներ, ատոմներ և իոններ)։ Դրանցում էլեկտրոնը գտնվում է հիմնական վիճակից վերև գտնվող էլեկտրոնային մակարդակներից մեկում՝ մնալով կապված մոլեկուլի, ատոմի կամ իոնի մնացած (այսինքն՝ անցքի) հետ։ Ակնհայտ է, որ գրգռման ժամանակ մասնիկը մնում է որպես այդպիսին: Գրգռված մասնիկներն առաջանում են նաև որոշ երկրորդական պրոցեսներում՝ իոնների չեզոքացման, էներգիայի փոխանցման և այլնի ժամանակ։ Նրանք նշանակալի դեր են խաղում տարբեր համակարգերի (ալիֆատիկ և հատկապես արոմատիկ ածխաջրածիններ, գազեր և այլն) ռադիոլիզի մեջ։

Գրգռված մոլեկուլների տեսակները. Գրգռված մասնիկները պարունակում են երկու չզույգված էլեկտրոններ տարբեր ուղեծրերում։ Այս էլեկտրոնների սպինները կարող են կողմնորոշվել նույն (զուգահեռ) կամ հակառակ (հակ զուգահեռ): Այդպիսի գրգռված մասնիկները համապատասխանաբար եռյակ և միաձույլ են:

Երբ նյութը ենթարկվում է իոնացնող ճառագայթման, գրգռված վիճակներ առաջանում են հետևյալ հիմնական գործընթացների արդյունքում.

1) ճառագայթման միջոցով նյութի մոլեկուլների ուղղակի գրգռմամբ (առաջնային գրգռում).

2) իոնները չեզոքացնելիս.

3) երբ էներգիան փոխանցվում է մատրիցի (կամ լուծիչի) գրգռված մոլեկուլներից հավելանյութի (կամ լուծվող նյութի) մոլեկուլներին.

4) հավելանյութի կամ լուծված նյութի մոլեկուլների թերգրգռված էլեկտրոնների հետ փոխազդեցության ժամանակ.

Իոններ.Իոնացման գործընթացները կարևոր դեր են խաղում ճառագայթային քիմիայում: Որպես կանոն, նրանք սպառում են նյութի կողմից կլանված իոնացնող ճառագայթման էներգիայի կեսից ավելին։

Մինչ օրս լայնածավալ նյութ է կուտակվել հիմնականում ֆոտոէլեկտրոնային սպեկտրոսկոպիայի և զանգվածային սպեկտրոմետրիայի մեթոդների կիրառմամբ՝ իոնացման գործընթացների առանձնահատկությունների, դրական իոնների էլեկտրոնային կառուցվածքի, դրանց կայունության, անհետացման ուղիների և այլնի վերաբերյալ։

Իոնացման գործընթացում առաջանում են դրական իոններ։ Տարբերակվում է ուղղակի իոնացման և աուտոիոնացման միջև։ Ուղղակի իոնացումը ներկայացված է հետևյալ ընդհանուր հավասարմամբ (M-ն ճառագայթվող նյութի մոլեկուլն է).

M+ իոնները սովորաբար կոչվում են մայր դրական իոններ։ Դրանք ներառում են, օրինակ, H 2 0 + , NH 3 և CH 3 OH + , որոնք առաջանում են համապատասխանաբար ջրի, ամոնիակի և մեթանոլի ռադիոլիզի ժամանակ։

Էլեկտրոններ. Ինչպես արդեն նշվեց, իոնացման գործընթացներում դրական իոնների հետ միասին առաջանում են երկրորդական էլեկտրոններ։ Այս էլեկտրոնները, իրենց էներգիան ծախսելով տարբեր գործընթացներում (իոնացում, գրգռում, դիպոլային թուլացում, մոլեկուլային թրթռումների գրգռում և այլն), դառնում են ջերմային։ Վերջիններս մասնակցում են մի շարք քիմիական և ֆիզիկաքիմիական գործընթացների, որոնց տեսակը հաճախ կախված է շրջակա միջավայրի բնույթից։ Շեշտում ենք նաև, որ որոշ քիմիական և ֆիզիկաքիմիական գործընթացներում (հավելումների մոլեկուլների գրգռում, գրավման ռեակցիաներ և այլն) որոշակի պայմաններում մասնակցում են թերգրգռված էլեկտրոններ։

Լուծված էլեկտրոններ.Այն հեղուկներում, որոնք էլեկտրոնների նկատմամբ ոչ ռեակտիվ կամ վատ ռեակտիվ են (ջուր, սպիրտներ, ամոնիակ, ամիններ, եթերներ, ածխաջրածիններ և այլն), էլեկտրոնները, դանդաղեցնելուց հետո, գրավվում են միջավայրի կողմից՝ դառնալով լուծույթ (ջրում՝ խոնավացված): Հնարավոր է, որ գրավումը սկսվի այն ժամանակ, երբ էլեկտրոնը դեռևս ունի որոշակի ավելցուկային էներգիա (1 էՎ-ից պակաս): Լուծման գործընթացները կախված են լուծիչի բնույթից և զգալիորեն տարբերվում են, օրինակ՝ բևեռային և ոչ բևեռային հեղուկների համար։

Ազատ ռադիկալներ.Գրեթե ցանկացած համակարգի ռադիոլիզի ժամանակ ազատ ռադիկալները հայտնվում են որպես միջանկյալ արտադրանք: Դրանք ներառում են ատոմներ, մոլեկուլներ և իոններ, որոնք ունեն մեկ կամ մի քանի չզույգված էլեկտրոններ, որոնք ունակ են ստեղծել քիմիական կապեր:

Չզույգված էլեկտրոնի առկայությունը սովորաբար նշվում է ազատ ռադիկալի քիմիական բանաձևում (առավել հաճախ՝ նման էլեկտրոնով ատոմից վերևում) կետով։ Օրինակ, մեթիլային ազատ ռադիկալը CH 3 է - Կետերը, որպես կանոն, չեն տեղադրվում պարզ ազատ ռադիկալների դեպքում (H, C1, OH և այլն): Հաճախ «ազատ» բառը բաց է թողնվում, և այդ մասնիկները պարզապես կոչվում են ռադիկալներ: Լիցք ունեցող ռադիկալները կոչվում են ռադիկալ իոններ։ Եթե ​​լիցքը բացասական է, ապա դա արմատական ​​անիոն է; եթե լիցքը դրական է, ապա դա ռադիկալ կատիոն է։ Ակնհայտ է, որ լուծված էլեկտրոնը կարելի է համարել ամենապարզ արմատական ​​անիոնը:

Ռադիոլիզի ժամանակ ազատ ռադիկալների պրեկուրսորներն են իոնները և գրգռված մոլեկուլները։ Դրանց ձևավորմանը տանող հիմնական գործընթացները հետևյալն են.

1) իոն-մոլեկուլային ռեակցիաներ, որոնք ներառում են ռադիկալ իոններ և էլեկտրականորեն չեզոք մոլեկուլներ

2) դրական ռադիկալ իոնի մասնատում ազատ ռադիկալի և զույգ էլեկտրոնների զույգ թվով իոնի ձևավորմամբ.

3) էլեկտրոնի պարզ կամ դիսոցիատիվ ավելացում էլեկտրոններով չեզոք մոլեկուլին կամ իոնին.

4) գրգռված մոլեկուլի քայքայումը երկու ազատ ռադիկալների (տիպային ռեակցիաներ).

5) գրգռված մասնիկների ռեակցիաները այլ մոլեկուլների հետ (օրինակ՝ լիցքի կամ ջրածնի ատոմի փոխանցման ռեակցիաներ).

Ռադիոակտիվության հայտնաբերումը հաստատեց ոչ միայն ատոմների, այլև դրանց միջուկների կառուցվածքի բարդությունը։ 1903 թվականին Է.Ռադերֆորդը և Ֆ.Սոդին առաջարկեցին ռադիոակտիվ քայքայման տեսություն, որն արմատապես փոխեց ատոմների կառուցվածքի մասին հին տեսակետները։ Ըստ այս տեսության՝ ռադիոակտիվ տարրերը ինքնաբերաբար քայքայվում են՝ ազատելով α- կամ β-մասնիկներ և ձևավորելով նոր տարրերի ատոմներ, որոնք քիմիապես տարբերվում են սկզբնական տարրերից։ Միաժամանակ պահպանվում է ինչպես սկզբնական ատոմների, այնպես էլ քայքայման գործընթացի արդյունքում գոյացած զանգվածի կայունությունը։ Է.Ռադերֆորդը 1919 թվականին առաջինն է ուսումնասիրել միջուկների արհեստական ​​փոխակերպումը։ α մասնիկներով ազոտի ատոմների ռմբակոծության ժամանակ նա մեկուսացրեց ջրածնի ատոմների միջուկները (պրոտոններ) և թթվածնի նուկլիդի ատոմները։ Նման փոխակերպումները կոչվում են միջուկային ռեակցիաներ, քանի որ մի տարրի ատոմների միջուկներից ստացվում են այլ տարրերի ատոմների միջուկներ։ Միջուկային ռեակցիաները գրվում են հավասարումների միջոցով: Այսպիսով, վերը քննարկված միջուկային ռեակցիան կարելի է գրել հետևյալ կերպ.

Ռադիոակտիվության երևույթը կարելի է սահմանել օգտագործելով իզոտոպներ հասկացությունը. ռադիոակտիվությունը մի քիմիական տարրի ատոմների անկայուն միջուկների փոխակերպումն է մեկ այլ տարրի ատոմների միջուկների, որն ուղեկցվում է տարրական մասնիկների արտազատմամբ։ Բնության մեջ գոյություն ունեցող տարրերի իզոտոպների կողմից ցուցադրվող ռադիոակտիվությունը կոչվում է բնական ռադիոակտիվություն: Ռադիոակտիվ փոխակերպումների արագությունը տարբեր է տարբեր իզոտոպների համար։ Այն բնութագրվում է ռադիոակտիվ քայքայման հաստատունով, որը ցույց է տալիս, թե ռադիոակտիվ նուկլիդի քանի ատոմ քայքայվում է 1 վրկ-ում։ Հաստատվել է, որ ռադիոակտիվ նուկլիդի ատոմների թիվը, որը քայքայվում է միավոր ժամանակում, համաչափ է այս նուկլիդի ատոմների ընդհանուր թվին և կախված է ռադիոակտիվ քայքայման հաստատունի արժեքից։ Օրինակ, եթե որոշակի ժամանակահատվածում ռադիոակտիվ նուկլիդի ատոմների ընդհանուր թվի կեսը քայքայվել է, ապա հաջորդ նման ժամանակահատվածում մնացածի կեսը կքայքայվի, այսինքն՝ նախորդ ժամանակաշրջանի կեսը և այլն։

Ռադիոակտիվ նուկլիդի կյանքի տեւողությունը բնութագրվում է նրա կիսամյակով, այսինքն՝ այն ժամանակահատվածով, որի ընթացքում քայքայվում է այս նուկլիդի սկզբնական քանակի կեսը։ Օրինակ՝ Ռադոնի կիսամյակը 3,85 օր է, Ռադիումը՝ 1620 տարի, Ուրանիը՝ 4,5 մլրդ տարի։ Հայտնի են ռադիոակտիվ փոխակերպումների հետևյալ տեսակները՝ α-քայքայում, β-քայքայում, միջուկային ինքնաբուխ (չկանխամտածված) տրոհում։ Այս տեսակի ռադիոակտիվ փոխակերպումները ուղեկցվում են α-մասնիկների, էլեկտրոնների, պոզիտրոնների և γ-ճառագայթների արտազատմամբ։ α-քայքայման գործընթացում ռադիոակտիվ տարրի ատոմի միջուկը արձակում է հելիումի ատոմի միջուկը, որի արդյունքում սկզբնական ռադիոակտիվ տարրի ատոմի միջուկի լիցքը նվազում է երկու միավորով, և զանգվածային թիվը չորսով: Օրինակ, Ռադիումի ատոմի փոխակերպումը ռադոնի ատոմի կարելի է գրել հավասարմամբ

β-քայքայման միջուկային ռեակցիան, որն ուղեկցվում է էլեկտրոնների, պոզիտրոնների արտազատմամբ կամ ուղեծրային էլեկտրոնների ներթափանցմամբ, նույնպես կարելի է գրել հավասարմամբ.

որտեղ e-ն էլեկտրոն է; hν - γ-ճառագայթման քվանտ; ν o - հականեյտրինո (տարրական մասնիկ, որի հանգստի զանգվածը և լիցքը հավասար են զրոյի):

β-քայքայման հավանականությունը պայմանավորված է նրանով, որ ժամանակակից հասկացությունների համաձայն նեյտրոնը կարող է որոշակի պայմաններում փոխակերպվել պրոտոնի՝ ազատելով էլեկտրոն և հականեյտրինո։ Պրոտոնը և նեյտրոնը նույն միջուկային մասնիկի՝ նուկլեոնի երկու վիճակներ են։ Այս գործընթացը կարելի է ներկայացնել գծապատկերով

Նեյտրոն -> Պրոտոն + Էլեկտրոն + Հակինեյտրինո

Ռադիոակտիվ տարրի ատոմների բետա քայքայման ժամանակ ատոմի միջուկի մաս կազմող նեյտրոններից մեկն ազատում է էլեկտրոն և հականեյտրինոն՝ վերածվելով պրոտոնի։ Այս դեպքում միջուկի դրական լիցքը մեծանում է մեկով։ Ռադիոակտիվ քայքայման այս տեսակը կոչվում է էլեկտրոնային քայքայում (β - քայքայում): Այսպիսով, եթե ռադիոակտիվ տարրի ատոմի միջուկը արձակում է մեկ α-մասնիկ, արդյունքը կլինի նոր տարրի ատոմի միջուկը, որի պրոտոնի թիվը երկու միավոր պակաս է, և երբ β-մասնիկն ազատվում է, կորիզը. ստացվում է նոր ատոմ, որի թիվ մեկ պրոտոնն ավելի մեծ է, քան սկզբնականը: Սա է Սոդի-Ֆաջանսի տեղահանման օրենքի էությունը։ Որոշ անկայուն իզոտոպների ատոմային միջուկները կարող են արձակել մասնիկներ, որոնք ունեն +1 դրական լիցք և էլեկտրոնի զանգվածին մոտ զանգված։ Այս մասնիկը կոչվում է պոզիտրոն։ Այսպիսով, պրոտոնի հնարավոր փոխակերպումը նեյտրոնի կատարվում է ըստ դիագրամի.

Պրոտոն → Նեյտրոն + Պոզիտրոն + Նեյտրինո

Պրոտոնի վերածումը նեյտրոնի նկատվում է միայն այն դեպքում, երբ միջուկի անկայունությունը պայմանավորված է նրանում պրոտոնների ավելցուկային պարունակությամբ։ Այնուհետև պրոտոններից մեկը վերածվում է նեյտրոնի, և այս դեպքում առաջացած պոզիտրոնն ու նեյտրինոն դուրս են թռչում միջուկի սահմաններից այն կողմ; միջուկային լիցքը նվազում է մեկով։ Ռադիոակտիվ քայքայման այս տեսակը կոչվում է պոզիտրոն-քայքայում (β+-քայքայում): Այսպիսով, ռադիոակտիվ տարրի ատոմի միջուկի β-քայքայման շնորհիվ ստացվում է տարրի ատոմ, որը մեկ տեղով տեղափոխվում է աջ (β-քայքայում) կամ ձախ (β+-քայքայումը). սկզբնական ռադիոակտիվ տարրը: Ռադիոակտիվ ատոմի միջուկային լիցքի մեկով նվազումը կարող է պայմանավորված լինել ոչ միայն β+ քայքայմամբ, այլև էլեկտրոնների քաշմամբ, որի արդյունքում միջուկին ամենամոտ էլեկտրոնային գնդակի էլեկտրոններից մեկը գրավում է միջուկը։ . Այս էլեկտրոնը միջուկի պրոտոններից մեկի հետ կազմում է նեյտրոն՝ e - + p → n

Ատոմային միջուկի կառուցվածքի տեսությունը մշակվել է XX դարի 30-ական թվականներին։ Ուկրաինացի գիտնականներ Դ.Դ. Իվանենկոն և Է.Մ. Գապոն, ինչպես նաեւ գերմանացի գիտնական Վ.Հայզենբերգը։ Համաձայն այս տեսության՝ ատոմների միջուկները բաղկացած են դրական լիցքավորված պրոտոններից և էլեկտրականորեն չեզոք նեյտրոններից։ Այս տարրական մասնիկների հարաբերական զանգվածները գրեթե նույնն են (պրոտոնի զանգված՝ 1,00728, նեյտրոնների զանգված՝ 1,00866)։ Պրոտոնները և նեյտրոնները (նուկլեոնները) միջուկում պարունակվում են շատ ուժեղ միջուկային ուժերով։ Միջուկային ուժերը գործում են միայն շատ փոքր հեռավորությունների վրա՝ 10-15 մ կարգի:

Այն էներգիան, որն ազատվում է պրոտոններից և նեյտրոններից միջուկի ձևավորման ժամանակ, կոչվում է միջուկի կապող էներգիա և բնութագրում է դրա կայունությունը։



Ատոմի մագնիսական բնութագրերը

Էլեկտրոնն ունի իր սեփականը մագնիսական պահ, որը քվանտացված է կիրառվող մագնիսական դաշտին զուգահեռ կամ հակառակ ուղղությամբ։ Եթե ​​նույն ուղեծրը զբաղեցնող երկու էլեկտրոններ ունեն հակառակ ուղղված սպիններ (ըստ Պաուլիի սկզբունքի), ապա դրանք չեղյալ են հայտարարում միմյանց։ Այս դեպքում ասում ենք, որ էլեկտրոնները զուգավորված. Միայն զուգակցված էլեկտրոններով ատոմները դուրս են մղվում մագնիսական դաշտից։ Նման ատոմները կոչվում են դիամագնիսական. Ատոմները, որոնք ունեն մեկ կամ մի քանի չզույգված էլեկտրոններ, քաշվում են մագնիսական դաշտ: Օʜᴎ կոչվում են դիամագնիսական:

Ատոմի մագնիսական մոմենտը, որը բնութագրում է ատոմի փոխազդեցության ինտենսիվությունը մագնիսական դաշտի հետ, գործնականում համաչափ է չզույգված էլեկտրոնների թվին։

Տարբեր տարրերի ատոմների էլեկտրոնային կառուցվածքի առանձնահատկությունները արտացոլվում են այնպիսի էներգետիկ բնութագրերում, ինչպիսիք են իոնացման էներգիան և էլեկտրոնների մերձեցումը:

Ատոմի իոնացման էներգիա (ներուժ): E iնվազագույն էներգիան է, որն անհրաժեշտ է ատոմից էլեկտրոնը հավասարման համաձայն հեռացնելու համար անսահմանություն

X = X + + ե −

Դրա արժեքները հայտնի են Պարբերական աղյուսակի բոլոր տարրերի ատոմների համար: Օրինակ՝ ջրածնի ատոմի իոնացման էներգիան համապատասխանում է էլեկտրոնի անցմանը 1-ից ս-էներգիայի ենթամակարդակ (−1312,1 կՋ/մոլ) մինչև զրոյական էներգիա ունեցող ենթամակարդակ և հավասար է +1312,1 կՋ/մոլի։

Ատոմների մեկ էլեկտրոնի հեռացմանը համապատասխանող առաջին իոնացման պոտենցիալների փոփոխության մեջ պարբերականությունը հստակ արտահայտվում է աճող ատոմային համարով.

Նկար 13

Ժամանակահատվածի ընթացքում ձախից աջ շարժվելիս իոնացման էներգիան, ընդհանուր առմամբ, աստիճանաբար մեծանում է խմբի ներսում ատոմային թվի աճով, այն նվազում է: Ալկալիական մետաղներն ունեն առաջին իոնացման նվազագույն պոտենցիալը, իսկ ազնիվ գազերը՝ առավելագույնը։

Նույն ատոմի համար երկրորդ, երրորդ և հաջորդող իոնացման էներգիաները միշտ աճում են, քանի որ էլեկտրոնը պետք է պոկվի դրական լիցքավորված իոնից: Օրինակ, լիթիումի ատոմի համար առաջին, երկրորդ և երրորդ իոնացման էներգիաները համապատասխանաբար կազմում են 520,3, 7298,1 և 11814,9 կՋ/մոլ։

Էլեկտրոնների աբստրակցիայի հաջորդականությունը սովորաբար էլեկտրոններով ուղեծրի լրացման հակառակ հաջորդականությունն է՝ նվազագույն էներգիայի սկզբունքին համապատասխան։ Այս դեպքում այն ​​տարրերը, որոնք բնակեցված են դ-օրբիտալները բացառություն են, առաջին հերթին նրանք չեն կորցնում դ-, Ա ս- էլեկտրոններ.

- Իոնացման էներգիա

Ատոմի մագնիսական բնութագրերը Էլեկտրոնն ունի իր մագնիսական մոմենտը, որը քվանտացված է կիրառվող մագնիսական դաշտին զուգահեռ կամ հակառակ ուղղությամբ: Եթե ​​նույն ուղեծրը զբաղեցնող երկու էլեկտրոններ ունեն հակառակ սպիններ... [կարդալ ավելին]

- Իոնացման էներգիա

Իոնացման պրոցեսն արտահայտվում է սխեմայով՝ E - n En+։

Ավելին, իոնացումը կարող է տեղի ունենալ բազմիցս։ Ատոմի իոնացումը որոշում է ատոմի կարողությունը հրաժարվել էլեկտրոնից և ենթարկվել օքսիդացման: Այս հատկությունը (Eionization) որոշում է քիմիական կապի բնույթն ու ուժը:

Գործընթացը... [Կարդալ ավելին]

- Ատոմների իոնացման էներգիա.

Ատոմի բնութագրերը.

Էլեկտրաէներգիայի մատակարարում ինքնաստուգման համար Այն ելույթները, որոնք չեն տրոհվում իոնների և չեն փոխանցում էլեկտրական հոսանք, կոչվում են ոչ էլեկտրոլիտներ:

Էլեկտրոլիտներ և ոչ էլեկտրոլիտներ Թվում է, թե նույն բառերը կոտրվում կամ հալվում են... [կարդալ ավելին]

- Տարրերի ատոմների հատկությունների փոփոխությունների պարբերական բնույթը՝ շառավիղ, իոնացման էներգիա, էլեկտրոնների մերձեցման էներգիա, հարաբերական էլեկտրաբացասականություն։

Ատոմում էլեկտրոնի էներգիայի բնութագրերը նկարագրելու համար անհրաժեշտ է նշել չորս քվանտային թվերի արժեքները՝ հիմնական, երկրորդական, մագնիսական և սպին քվանտային թվեր: Դիտարկենք դրանք առանձին-առանձին:

Առկա չզույգված էլեկտրոնների շնորհիվ ածխածնի ատոմը կարող է ձևավորել երկու կովալենտային կապ։ Մինչդեռ ածխածինը բնութագրվում է միացություններով, որոնցում նրա յուրաքանչյուր ատոմ միացված է հարևան ատոմներին չորս կովալենտային կապերով (օրինակ և այլն)։ Պարզվում է, որ դա հնարավոր է այն բանի շնորհիվ, որ որոշ էներգիայի ծախսման դեպքում ատոմում առկա էլեկտրոններից մեկը կարող է տեղափոխվել ենթամակարդակ, որի արդյունքում ատոմը անցնում է գրգռված վիճակի, իսկ չզույգվածների թիվը էլեկտրոնները մեծանում են. Նման գրգռման գործընթացը, որն ուղեկցվում է էլեկտրոնների «զուգակցմամբ», կարող է ներկայացվել հետևյալ գծապատկերով, որում գրգռված վիճակը աստղանիշով նշվում է տարրի նշանի կողքին.

Այժմ ածխածնի ատոմի արտաքին էլեկտրոնային շերտում կան չորս չզույգված էլեկտրոններ. հետևաբար, գրգռված ածխածնի ատոմը կարող է մասնակցել չորս կովալենտային կապերի ձևավորմանը։ Այս դեպքում ստեղծված կովալենտային կապերի քանակի ավելացումը ուղեկցվում է ավելի շատ էներգիայի արտազատմամբ, քան ծախսվում է ատոմը գրգռված վիճակ տեղափոխելու վրա։

Եթե ​​ատոմի գրգռումը, որը հանգեցնում է չզույգված էլեկտրոնների քանակի ավելացմանը, կապված է էներգիայի շատ մեծ ծախսերի հետ, ապա այդ ծախսերը չեն փոխհատուցվում նոր կապերի ձևավորման էներգիայով. ապա նման գործընթացն ընդհանուր առմամբ էներգետիկ առումով անբարենպաստ է ստացվում։ Այսպիսով, թթվածնի և ֆտորի ատոմները արտաքին էլեկտրոնային շերտում չունեն ազատ ուղեծրեր.

Այստեղ չզույգված էլեկտրոնների թվի աճը հնարավոր է միայն էլեկտրոններից մեկը հաջորդ էներգետիկ մակարդակին, այսինքն՝ վիճակին փոխանցելու միջոցով։ Այնուամենայնիվ, նման անցումը կապված է էներգիայի շատ մեծ ծախսերի հետ, որը չի ծածկվում նոր կապերի առաջացման ժամանակ թողարկված էներգիայով։ Հետևաբար, չզույգված էլեկտրոնների պատճառով թթվածնի ատոմը կարող է ձևավորել ոչ ավելի, քան երկու կովալենտ կապ, իսկ ֆտորի ատոմը՝ միայն մեկը։ Իրոք, այս տարրերը բնութագրվում են հաստատուն կովալենտությամբ, որը հավասար է երկուսին թթվածնի համար և մեկին ֆտորին:

Երրորդ և հաջորդ ժամանակաշրջանների տարրերի ատոմները արտաքին էլեկտրոնային շերտում ունեն -ենթահերթ, դեպի որին արտաքին շերտի s- և p-էլեկտրոնները կարող են շարժվել գրգռման ժամանակ: Ուստի այստեղ լրացուցիչ հնարավորություններ են առաջանում չզույգված էլեկտրոնների քանակն ավելացնելու համար։ Այսպիսով, քլորի ատոմը, որը չգրգռված վիճակում ունի մեկ չզույգված էլեկտրոն,

կարող է որոշ էներգիայի ծախսումով տեղափոխվել գրգռված վիճակներ, որոնք բնութագրվում են երեք, հինգ կամ յոթ չզույգված էլեկտրոններով.

Հետեւաբար, ի տարբերություն ֆտորի ատոմի, քլորի ատոմը կարող է մասնակցել ոչ միայն մեկ, այլեւ երեք, հինգ կամ յոթ կովալենտային կապերի առաջացմանը։ Այսպիսով, քլորաթթվի մեջ քլորի կովալենտությունը երեք է, պերքլորաթթվի մեջ՝ հինգ, իսկ պերքլորաթթվիում՝ յոթ։ Նմանապես, ծծմբի ատոմը, որն ունի նաև չզբաղված ենթամակարդակ, կարող է գրգռված վիճակներ անցնել չորս կամ վեց չզույգված էլեկտրոններով և, հետևաբար, մասնակցել ոչ միայն երկուսի, ինչպես թթվածնի, այլև չորս կամ վեց կովալենտային կապերի ձևավորմանը: Սա կարող է բացատրել միացությունների գոյությունը, որոնցում ծծումբը ցուցադրում է չորս կամ վեց կովալենտություն:

Շատ դեպքերում կովալենտային կապերն առաջանում են նաև ատոմի արտաքին էլեկտրոնային դաշտում առկա զուգակցված էլեկտրոնների պատճառով։ Դիտարկենք, օրինակ, ամոնիակի մոլեկուլի էլեկտրոնային կառուցվածքը.

Այստեղ կետերը ցույց են տալիս էլեկտրոնները, որոնք ի սկզբանե պատկանել են ազոտի ատոմին, իսկ խաչերը ցույց են տալիս էլեկտրոնները, որոնք ի սկզբանե պատկանել են ջրածնի ատոմներին։ Ազոտի ատոմի արտաքին ութ էլեկտրոններից վեցը կազմում են երեք կովալենտային կապ և ընդհանուր են ազոտի ատոմի և ջրածնի ատոմների համար։ Բայց երկու էլեկտրոնները պատկանում են միայն ազոտին և կազմում են միայնակ էլեկտրոնային զույգ: Նման զույգ էլեկտրոնները կարող են մասնակցել նաև մեկ այլ ատոմի հետ կովալենտային կապի ձևավորմանը, եթե այս ատոմի արտաքին էլեկտրոնային շերտում կա ազատ ուղեծր։ Չլրացված ուղեծրը հայտնաբերվում է, օրինակ, ջրածնային ոչ-ում, որն ընդհանրապես զուրկ է էլեկտրոններից.

Հետևաբար, երբ մոլեկուլը փոխազդում է ջրածնի իոնի հետ, նրանց միջև առաջանում է կովալենտային կապ. ազոտի ատոմի վրա էլեկտրոնների միայնակ զույգը բաժանվում է երկու ատոմների միջև, ինչի արդյունքում ձևավորվում է ամոնիումի իոն.

Այստեղ կովալենտային կապն առաջացել է զույգ էլեկտրոնների (էլեկտրոնների զույգ) և մեկ այլ ատոմի ազատ ուղեծրի (էլեկտրոնների զույգ ընդունող) շնորհիվ, որն ի սկզբանե պատկանել է մեկ ատոմին (էլեկտրոնների զույգ դոնոր)։

Կովալենտային կապի ձևավորման այս մեթոդը կոչվում է դոնոր-ընդունիչ: Դիտարկված օրինակում էլեկտրոնային զույգի դոնորը ազոտի ատոմ է, իսկ ընդունողը՝ ջրածնի ատոմ:

Փորձը ցույց է տվել, որ ամոնիումի իոնի չորս կապերը բոլոր առումներով համարժեք են։ Սրանից հետևում է, որ դոնոր-ընդունիչ մեթոդով ձևավորված կապն իր հատկություններով չի տարբերվում փոխազդող ատոմների չզույգված էլեկտրոններից ստեղծված կովալենտային կապից։

Մոլեկուլի մեկ այլ օրինակ, որտեղ առկա են դոնոր-ընդունիչ ձևով ձևավորված կապեր, ազոտի օքսիդի մոլեկուլն է:

Նախկինում այս միացության կառուցվածքային բանաձևը պատկերված էր հետևյալ կերպ.

Ըստ այս բանաձևի՝ ազոտի կենտրոնական ատոմը հինգ կովալենտային կապերով միացված է հարևան ատոմներին, այնպես որ նրա արտաքին էլեկտրոնային շերտը պարունակում է տասը էլեկտրոն (հինգ էլեկտրոնային զույգ)։ Բայց նման եզրակացությունը հակասում է ազոտի ատոմի էլեկտրոնային կառուցվածքին, քանի որ նրա արտաքին L-շերտը պարունակում է ընդամենը չորս ուղեծրեր (մեկ s- և երեք p-օրբիտալներ) և չի կարող տեղավորել ավելի քան ութ էլեկտրոն: Հետեւաբար, տվյալ կառուցվածքային բանաձեւը չի կարելի ճիշտ համարել։

Դիտարկենք ազոտի օքսիդի էլեկտրոնային կառուցվածքը, և առանձին ատոմների էլեկտրոնները հերթափոխով կնշանակվեն կետերով կամ խաչերով: Թթվածնի ատոմը, որն ունի երկու չզույգված էլեկտրոն, ձևավորում է երկու կովալենտային կապ ազոտի կենտրոնական ատոմի հետ.

Կենտրոնական ազոտի ատոմի վրա մնացած չզույգված էլեկտրոնի պատճառով վերջինս կովալենտային կապ է ստեղծում ազոտի երկրորդ ատոմի հետ.

Այսպիսով, թթվածնի ատոմի և կենտրոնական ազոտի ատոմի արտաքին էլեկտրոնային շերտերը լցվում են. այստեղ ձևավորվում են կայուն ութէլեկտրոնային կոնֆիգուրացիաներ։ Սակայն ազոտի ամենաարտաքին ատոմի էլեկտրոնային շերտը պարունակում է ընդամենը վեց էլեկտրոն. Այսպիսով, այս ատոմը կարող է լինել մեկ այլ էլեկտրոնային զույգի ընդունող: Դրան կից կենտրոնական ազոտի ատոմն ունի միայնակ էլեկտրոնային զույգ և կարող է հանդես գալ որպես դոնոր:

Սա հանգեցնում է ազոտի ատոմների միջև մեկ այլ կովալենտային կապի ձևավորմանը դոնոր-ընդունիչ մեթոդով.

Այժմ մոլեկուլը կազմող երեք ատոմներից յուրաքանչյուրն ունի արտաքին շերտի կայուն ութ էլեկտրոնային կառուցվածք։ Եթե ​​դոնոր-ընդունիչ մեթոդով ձևավորված կովալենտային կապը, ինչպես ընդունված է, նշանակվում է դոնոր ատոմից դեպի ընդունող ատոմ ուղղված սլաքով, ապա ազոտի օքսիդի (I) կառուցվածքային բանաձևը կարող է ներկայացվել հետևյալ կերպ.

Այսպիսով, ազոտի օքսիդում կենտրոնական ազոտի ատոմի կովալենտությունը չորս է, իսկ ամենահեռավորը՝ երկու։

Դիտարկված օրինակները ցույց են տալիս, որ ատոմներն ունեն կովալենտային կապերի ձևավորման բազմազան հնարավորություններ։ Վերջինս կարող է առաջանալ չգրգռված ատոմի չզույգված էլեկտրոնների և ատոմի գրգռման արդյունքում առաջացող չզույգացված էլեկտրոնների (էլեկտրոնների զույգերի «զույգացում») և վերջապես դոնոր-ընդունող մեթոդով։ Այնուամենայնիվ, կովալենտային կապերի ընդհանուր թիվը, որը կարող է ձևավորել տվյալ ատոմը, սահմանափակ է։ Այն որոշվում է վալենտային ուղեծրերի ընդհանուր թվով, այսինքն՝ այն ուղեծրերի, որոնց օգտագործումը կովալենտային կապերի ձևավորման համար դառնում է էներգետիկ բարենպաստ։ Քվանտային մեխանիկական հաշվարկները ցույց են տալիս, որ նմանատիպ ուղեծրերը ներառում են արտաքին էլեկտրոնային շերտի s- և p-օրբիտալները և նախորդ շերտի -օրբիտալները; որոշ դեպքերում, ինչպես տեսանք քլորի և ծծմբի ատոմների օրինակներով, արտաքին շերտի -օրբիտալները կարող են օգտագործվել նաև որպես վալենտային ուղեծրեր։

Երկրորդ շրջանի բոլոր տարրերի ատոմները արտաքին էլեկտրոնային շերտում ունեն չորս ուղեծրեր, իսկ նախորդ շերտում՝ առանց -օրբիտալների: Հետևաբար, այս ատոմների վալենտային ուղեծրերը կարող են տեղավորել ոչ ավելի, քան ութ էլեկտրոն։ Սա նշանակում է, որ երկրորդ շրջանում տարրերի առավելագույն կովալենտությունը չորսն է:

Երրորդ և հաջորդ ժամանակաշրջանների տարրերի ատոմները կարող են օգտագործել ոչ միայն s- և ուղեծրեր, այլ նաև ուղեծրեր՝ կովալենտային կապեր ձևավորելու համար: Հայտնի են -տարրերի միացություններ, որոնցում կովալենտային կապերի առաջացմանը մասնակցում են արտաքին էլեկտրոնային շերտի s- և p-օրբիտալները և նախորդ շերտի բոլոր հինգ ուղեծրերը. նման դեպքերում համապատասխան տարրի կովալենտությունը հասնում է իննի։

Ատոմների ունակությունը՝ մասնակցելու սահմանափակ թվով կովալենտային կապերի ձևավորմանը, կոչվում է կովալենտային կապի հագեցվածություն։

Դասախոսություններ ընդհանուր տեխնիկական ոլորտների և մասնագիտությունների ուսանողների համար Դասախոսություն 3 Թեմա 4
Դասախոսություններ ընդհանուր տեխնիկական ոլորտների և մասնագիտությունների ուսանողների համար Դասախոսություն 4 Թեմա 5

Դասախոսություններ ընդհանուր տեխնիկական ոլորտների և մասնագիտությունների ուսանողների համար II մոդուլ. Ռեակցիաների ձևերը
Դասախոսություններ ընդհանուր տեխնիկական ոլորտների և մասնագիտությունների ուսանողների համար դասախոսություն 7 Թեմա Քիմիական կինետիկայի հիմունքներ
Դասախոսություններ ընդհանուր տեխնիկական ոլորտների և մասնագիտությունների ուսանողների համար Դասախոսություն 8 Թեմա Քիմիական հավասարակշռություն Այս թեմայի շուրջ դուք պետք է իմանաք և կարողանաք անել հետևյալը.
Նախաբան մանկավարժների համար
Դասախոսություններ ընդհանուր տեխնիկական ոլորտների և մասնագիտությունների ուսանողների համար III մոդուլ. Լուծումներ և էլեկտրաքիմիական գործընթացներ

7. Զույգացված և չզույգացված էլեկտրոններ

Էլեկտրոնները, որոնք լրացնում են ուղեծրերը զույգերով, կոչվում են զուգավորված,իսկ մեկ էլեկտրոնները կոչվում են չզույգված. Չզույգված էլեկտրոնները քիմիական կապեր են ապահովում ատոմի և այլ ատոմների միջև: Չզույգված էլեկտրոնների առկայությունը հաստատվում է փորձարարական եղանակով՝ ուսումնասիրելով մագնիսական հատկությունները։ Չզույգված էլեկտրոններով նյութեր պարամագնիսական(նրանք ներքաշվում են մագնիսական դաշտի մեջ՝ էլեկտրոնների սպինների փոխազդեցության պատճառով, ինչպես տարրական մագնիսները, արտաքին մագնիսական դաշտի հետ)։ Նյութեր, որոնք ունեն միայն զուգակցված էլեկտրոններ դիամագնիսական(արտաքին մագնիսական դաշտը չի ազդում դրանց վրա): Չզույգված էլեկտրոնները հայտնաբերվում են միայն ատոմի արտաքին էներգիայի մակարդակում, և դրանց թիվը կարելի է որոշել ատոմի էլեկտրոն-գրաֆիկական դիագրամից:

Օրինակ 4.Որոշեք ծծմբի ատոմում չզույգված էլեկտրոնների թիվը:

Լուծում.Ծծմբի ատոմային թիվը Z = 16 է, հետևաբար տարրի ամբողջական էլեկտրոնային բանաձևն է՝ 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 4։ Արտաքին էլեկտրոնների էլեկտրոնային գրաֆիկական դիագրամը հետևյալն է (նկ. 11).

Բրինձ. 11. Ծծմբի ատոմի վալենտային էլեկտրոնների էլեկտրոնային գրաֆիկական դիագրամ

Էլեկտրոնային գրաֆիկական դիագրամից հետևում է, որ ծծմբի ատոմն ունի երկու չզույգված էլեկտրոն։

8. Էլեկտրոնի արտահոսք

Բոլոր ենթամակարդակներն ունեն կայունության բարձրացում, երբ դրանք ամբողջությամբ լցված են էլեկտրոններով (s 2, p 6, d 10, f 14), իսկ p, d և f ենթամակարդակները, ի լրումն, երբ դրանք կիսով չափ լցված են, այսինքն. p 3, d 5, f 7. d 4, f 6 և f 13 պետությունները, ընդհակառակը, նվազեցրել են կայունությունը: Այս առումով որոշ տարրեր ցուցադրում են այսպես կոչված սայթաքումէլեկտրոն՝ նպաստելով կայունության բարձրացմամբ ենթամակարդակի ձևավորմանը:

Օրինակ 5.Բացատրեք, թե ինչու քրոմի ատոմներում 3d ենթամակարդակը լցված է էլեկտրոններով, մինչդեռ 4s ենթամակարդակը ամբողջությամբ լցված չէ: Քանի՞ չզույգացված էլեկտրոն կա քրոմի ատոմում:

Լուծում.Քրոմի ատոմային թիվը Z = 24, էլեկտրոնային բանաձև՝ 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 1 3d 5: Էլեկտրոնը ցատկում է 4-ից 3d ենթամակարդակ, որն ապահովում է ավելի կայուն 3d 5 վիճակի ձևավորում։ Արտաքին էլեկտրոնների էլեկտրոնային գրաֆիկական դիագրամից (նկ. 12) հետևում է, որ քրոմի ատոմն ունի վեց չզույգված էլեկտրոն։

Բրինձ. 12. Քրոմի ատոմի վալենտային էլեկտրոնների էլեկտրոնային գրաֆիկական դիագրամ

9. Համառոտ էլեկտրոնային բանաձեւեր

Քիմիական տարրերի էլեկտրոնային բանաձևերը կարելի է գրել կրճատ ձևով։ Այս դեպքում, էլեկտրոնային բանաձևի այն մասը, որը համապատասխանում է նախորդ ազնիվ գազի ատոմի կայուն էլեկտրոնային թաղանթին, փոխարինվում է այս տարրի խորհրդանիշով քառակուսի փակագծերում (ատոմի այս մասը կոչվում է. կմախքատոմ), իսկ մնացած բանաձևը գրված է սովորական ձևով: Արդյունքում էլեկտրոնային բանաձեւը դառնում է հակիրճ, սակայն դրա տեղեկատվական բովանդակությունը չի նվազում։

Օրինակ 6.Գրեք կալիումի և ցիրկոնիումի կրճատ էլեկտրոնային բանաձևեր:

Լուծում.Կալիումի ատոմային թիվը Z = 19, լրիվ էլեկտրոնային բանաձև՝ 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 1, նախորդող ազնիվ գազը արգոնն է, կրճատ էլեկտրոնային բանաձևը՝ 4s 1։

Ցիրկոնիումի ատոմային թիվ Z = 40, լրիվ էլեկտրոնային բանաձև՝ 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 10 4p 6 5s 2 4d 2, նախորդ ազնիվ գազը կրիպտոնն է, կրճատ էլեկտրոնային բանաձևը՝ 5s 2 2 4։

10. Քիմիական տարրերի ընտանիքներ

Կախված նրանից, թե ատոմում էներգիայի որ ենթամակարդակն է վերջին անգամ լցված էլեկտրոններով, տարրերը բաժանվում են չորս ընտանիքի։ Պարբերական աղյուսակում տարբեր ընտանիքների տարրերի նշաններն ընդգծված են տարբեր գույներով։

1. s-տարրեր. այս տարրերի ատոմներում ns-ենթամակարդակը վերջինն է, որը լցված է էլեկտրոններով.

2. p-տարրեր. վերջինը, որը լցվում է էլեկտրոններով, np ենթամակարդակն է;

3. d-տարրեր. վերջինը, որը լցվում է էլեկտրոններով, (n – 1)d-ենթամակարդակն է.

4. f-տարրեր. վերջինը, որը լցվում է էլեկտրոններով, (n – 2) f-ենթամակարդակն է:

Օրինակ 7.Օգտագործելով ատոմների էլեկտրոնային բանաձևերը, որոշեք, թե քիմիական տարրերի որ ընտանիքներն են ներառում ստրոնցիում (z = 38), ցիրկոնիում (z = 40), կապար (z = 82) և սամարիում (z = 62):

Լուծում.Այս տարրերի համար մենք գրում ենք կրճատ էլեկտրոնային բանաձևեր

Sr: 5s 2; Zr: 5s 2 4d 2; Pb: 6s 2 4f 14 5d 10 6p 2; Sm: 6s 2 4f 6,

որից պարզ է դառնում, որ տարրերը պատկանում են s (Sr), p (Pb), d (Zr) և f (Sm) ընտանիքներին։

11. Վալենտային էլեկտրոններ

Ապահովված է տվյալ տարրի քիմիական կապը միացությունների այլ տարրերի հետ վալենտային էլեկտրոններ. Վալենտային էլեկտրոնները որոշվում են որոշակի ընտանիքին պատկանող տարրերով: Այսպիսով, s-տարրերի համար վալենտային էլեկտրոնները արտաքին s-ենթամակարդակի էլեկտրոններն են, p-տարրերի համար՝ արտաքին ենթամակարդակները s և p, իսկ d-տարրերի համար վալենտային էլեկտրոնները գտնվում են արտաքին s-ենթամակարդակում և նախընտրական արտաքին d-ենթամակարդակը: f-տարրերի վալենտային էլեկտրոնների հարցը հստակ լուծված չէ։

Օրինակ 8.Որոշե՛ք վալենտային էլեկտրոնների թիվը ալյումինի և վանադիումի ատոմներում։

Լուծում. 1) Ալյումինի կրճատ էլեկտրոնային բանաձեւ (z = 13)՝ 3s 2 3p 1: Ալյումինը պատկանում է p-տարրերի ընտանիքին, հետևաբար, նրա ատոմն ունի երեք վալենտային էլեկտրոն (3s 2 3p 1):

2) Վանադիումի էլեկտրոնային բանաձև (z = 23)՝ 4s 2 3d 3. Վանադիումը պատկանում է d-տարրերի ընտանիքին, հետևաբար նրա ատոմն ունի հինգ վալենտային էլեկտրոն (4s 2 3d 3):

12. Ատոմների կառուցվածքը և պարբերական համակարգը

12.1. Պարբերական օրենքի բացահայտում

Նյութի կառուցվածքի ժամանակակից ուսումնասիրությունը, քիմիական նյութերի ողջ բազմազանության ուսումնասիրությունը և նոր տարրերի սինթեզը հիմնված են պարբերական օրենքի և քիմիական տարրերի պարբերական համակարգի վրա։

Տարրերի պարբերական աղյուսակը քիմիական տարրերի բնական համակարգում և դասակարգում է, որը մշակվել է ռուս նշանավոր քիմիկոս Դ.Ի. Մենդելեևը՝ հիմնվելով իր հայտնաբերած պարբերական օրենքի վրա։ Պարբերական համակարգը պարբերական օրենքի գրաֆիկական ներկայացումն է, դրա տեսողական արտահայտությունը։

Պարբերական օրենքը հայտնաբերել է Մենդելեևը (1869 թ.)՝ այն ժամանակ հայտնի 63 տարրերի քիմիական և ֆիզիկական հատկությունների վերլուծության և համեմատության արդյունքում։ Դրա սկզբնական ձևակերպումը.

Տարրերի և նրանց կողմից առաջացած պարզ և բարդ նյութերի հատկությունները պարբերաբար կախված են տարրերի ատոմային զանգվածից։

Պարբերական համակարգը մշակելիս Մենդելեևը պարզաբանեց կամ ուղղեց որոշ հայտնի, բայց վատ ուսումնասիրված տարրերի վալենտականությունը և ատոմային զանգվածները, կանխագուշակեց դեռևս չբացահայտված ինը տարրերի գոյությունը և նկարագրեց դրանցից երեքի (Ga, Ge, Sc) ակնկալվող հատկությունները: Այս տարրերի հայտնաբերմամբ (1875–1886) պարբերական օրենքը համընդհանուր ճանաչում ստացավ և հիմք հանդիսացավ քիմիայի հետագա զարգացման համար։

Պարբերական օրենքի հայտնաբերումից և պարբերական համակարգի ստեղծումից հետո գրեթե 50 տարի, տարրերի հատկությունների պարբերականության պատճառն անհայտ էր։ Անհասկանալի էր, թե ինչու են նույն խմբի տարրերն ունեն նույն վալենտությունը և միացություններ են կազմում նույն բաղադրության թթվածնի և ջրածնի հետ, ինչու ժամանակաշրջաններում տարրերի թիվը նույնը չէ, ինչու է պարբերական համակարգի որոշ տեղերում տարրերի դասավորությունը։ չի համապատասխանում ատոմային զանգվածի ավելացմանը (Ar - K, Co - Ni, Te – I): Այս բոլոր հարցերի պատասխանները ստացվել են ատոմների կառուցվածքի ուսումնասիրությամբ։

12.2. Պարբերական օրենքի բացատրություն

1914 թվականին որոշվել են ատոմային միջուկների լիցքերը (Գ. Մոզելի) և պարզվել է. տարրերի հատկությունները պարբերական կախվածության մեջ ենոչ թե տարրերի ատոմային զանգվածի վրա, այլ վրա դրանց ատոմների միջուկների դրական լիցքը:Բայց պարբերական օրենքի ձևակերպումը փոխելուց հետո պարբերական համակարգի ձևը հիմնովին չի փոխվել, քանի որ տարրերի ատոմային զանգվածներն ավելանում են նույն հաջորդականությամբ, ինչ իրենց ատոմների լիցքերը, բացառությամբ վերը նշված հաջորդականությունների՝ արգոն՝ կալիում, կոբալտ. նիկել և թելուրիում - յոդ:

Տարրերի քանակի աճով միջուկային լիցքի ավելացման պատճառը պարզ է՝ ատոմների միջուկներում տարրից տարր շարժվելիս պրոտոնների թիվը միապաղաղ մեծանում է։ Բայց ատոմների էլեկտրոնային թաղանթի կառուցվածքը հիմնական քվանտային թվի արժեքների հաջորդական աճով պարբերաբար կրկնում էնմանատիպ էլեկտրոնային շերտերի նորացում։ Միևնույն ժամանակ, նոր էլեկտրոնային շերտերը ոչ միայն կրկնվում են, այլև դառնում են ավելի բարդ նոր ուղեծրերի ի հայտ գալու պատճառով, ուստի ավելանում են ատոմների արտաքին թաղանթներում էլեկտրոնների թիվը և ժամանակաշրջաններում տարրերի քանակը։

Առաջին շրջան.առաջին էներգետիկ մակարդակը, որն ունի միայն մեկ ուղեծր (1s ուղեծր), լցվում է էլեկտրոններով, հետևաբար այդ ժամանակաշրջանում կա միայն երկու տարր՝ ջրածին (1s 1) և հելիում (1s 2):

Երկրորդ շրջան.Լրացվում է երկրորդ էլեկտրոնային շերտը (2s2p), որում կրկնվում է առաջին շերտը (2s) և այն դառնում է ավելի բարդ (2p)՝ այս շրջանում կա 8 տարր՝ լիթիումից մինչև նեոն։

Երրորդ շրջան.լրացվում է երրորդ էլեկտրոնային շերտը (3s3p), որում կրկնվում է երկրորդ շերտը, և ոչ մի բարդություն չի առաջանում, քանի որ 3d ենթամակարդակը չի պատկանում այս շերտին. Այս շրջանում կա նաև 8 տարր՝ նատրիումից մինչև արգոն:

Չորրորդ շրջան.չորրորդ շերտը (4s3d4p) լցվում է էլեկտրոններով, որն ավելի բարդ է երրորդի համեմատ՝ 3d ենթամակարդակի հինգ d-օրբիտալների տեսքը, հետևաբար այս շրջանում կա 18 տարր՝ կալիումից մինչև կրիպտոն։

Հինգերորդ շրջան.հինգերորդ շերտը (5s4d5p) լցված է էլեկտրոններով, որոնց բարդությունը չորրորդի համեմատ չի առաջանում, հետևաբար հինգերորդ շրջանը նույնպես ունի 18 տարր՝ ռուբիդիումից մինչև քսենոն։

Վեցերորդ շրջան.Վեցերորդ շերտը (6s4f5d6p) լցվում է, ավելի բարդ, քան հինգերորդը՝ 4f ենթամակարդակի յոթ ուղեծրերի ի հայտ գալու պատճառով, հետևաբար վեցերորդ շրջանում կա 32 տարր՝ ցեզիումից մինչև ռադոն։

Յոթերորդ շրջան.յոթերորդ շերտը (7s5f6d7p), որը նման է վեցերորդին, լցված է էլեկտրոններով, հետևաբար այս շրջանում կա նաև 32 տարր՝ ֆրանցիումից մինչև ատոմային համարով 118 տարր, որը ստացվել է, բայց դեռ անուն չունի։

Այսպիսով, ատոմների էլեկտրոնային թաղանթների ձևավորման օրինաչափությունները բացատրում են պարբերական աղյուսակի ժամանակաշրջաններում տարրերի քանակը: Այս օրենքների իմացությունը թույլ է տալիս ձևակերպել քիմիական տարրի ատոմային թվի ֆիզիկական նշանակությունը պարբերական համակարգում, պարբերաշրջանում և խմբում:

Ատոմային համարը z տարրն է ատոմի միջուկի դրական լիցքը, որը հավասար է միջուկի պրոտոնների թվին և ատոմի էլեկտրոնային թաղանթի էլեկտրոնների թվին։

Ժամանակաշրջան Քիմիական տարրերի հորիզոնական հաջորդականություն է, որի ատոմներն ունեն հավասար քանակությամբ էներգիայի մակարդակներ՝ մասամբ կամ ամբողջությամբ լցված էլեկտրոններով.

Ժամանակահատվածի թիվը հավասար է ատոմների էներգիայի մակարդակների թվին, ամենաբարձր էներգիայի մակարդակի թվին և էներգիայի ամենաբարձր մակարդակի հիմնական քվանտային թվի արժեքին:

Խումբ Այն տարրերի ուղղահայաց հաջորդականություն է, որոնք ունեն ատոմների նույն տեսակի էլեկտրոնային կառուցվածք, հավասար թվով արտաքին էլեկտրոններ, նույն առավելագույն վալենտությունը և նմանատիպ քիմիական հատկություններ:

Խմբի թիվը հավասար է ատոմների արտաքին էլեկտրոնների թվին, ստոյխիոմետրիկ վալենտության առավելագույն արժեքին և միացություններում տարրի դրական օքսիդացման վիճակի առավելագույն արժեքին։ Օգտագործելով խմբի համարը, կարող եք նաև որոշել տարրի բացասական օքսիդացման վիճակի առավելագույն արժեքը. այն հավասար է 8 թվի և այն խմբի թվի տարբերությանը, որում գտնվում է տարրը:

12.3. Պարբերական աղյուսակի հիմնական ձևերը

Պարբերական աղյուսակի մոտ 400 ձև կա, բայց ամենատարածված երկուսն են երկար (18 բջիջ) և կարճ (8 բջիջ):

IN երկար(18-բջջանոց) համակարգը (ներկայացված այս դասարանում և տեղեկագրքում) ունի երեք կարճ և չորս երկար ժամանակաշրջան: Կարճ ժամանակաշրջանները (առաջին, երկրորդ և երրորդ) ունեն միայն s- և p-տարրեր, ուստի նրանք ունեն 2 (առաջին շրջան) կամ 8 տարր: Չորրորդ և հինգերորդ ժամանակաշրջաններում, բացի s- և p-տարրերից, հայտնվում են 10 d-տարրեր, ուստի այդ ժամանակաշրջանները պարունակում են 18-ական տարր: Վեցերորդ և յոթերորդ ժամանակաշրջաններում հայտնվում են f-տարրեր, ուստի ժամանակաշրջաններն ունեն 32-ական տարր։ Բայց f-տարրերը հանված են աղյուսակից և ցուցադրվում են ստորև (որպես հավելված) երկու տողով, և նրանց տեղը համակարգում նշվում է աստղանիշներով։ Առաջին շարքը պարունակում է 14 f-տարրեր, որոնք հաջորդում են լանթանին, ուստի նրանք ունեն ընդհանուր անվանումը «lanthanides», իսկ երկրորդ շարքը պարունակում է 14 f-տարրեր, որոնք հաջորդում են actinium, ուստի նրանք ունեն ընդհանուր անվանումը «actinides»: Պարբերական աղյուսակի այս ձևը առաջարկվում է IUPAC-ի կողմից բոլոր երկրներում օգտագործելու համար:

IN կարճ(8-բջջային) համակարգ (այն հասանելի է նաև այս լսարանում և տեղեկագրքում), f-տարրերը նույնպես ներառված են հավելվածում, և մեծ ժամանակաշրջաններ (4-րդ, 5-րդ, 6-րդ և 7-րդ), որոնք պարունակում են 18-ական տարր (առանց f-elements), բաժանված է 10:8 հարաբերակցությամբ, իսկ երկրորդ մասը դրվում է առաջինի տակ: Այսպիսով, մեծ ժամանակաշրջանները բաղկացած են երկու տողերից (տողերից): Այս տարբերակում պարբերական աղյուսակում կա ութ խումբ, և նրանցից յուրաքանչյուրը բաղկացած է հիմնական և կողային ենթախմբից: Առաջին և երկրորդ խմբերի հիմնական ենթախմբերը պարունակում են s-տարրեր, իսկ մնացածը պարունակում են p-տարրեր: Բոլոր խմբերի երկրորդական ենթախմբերում կան d-տարրեր. Հիմնական ենթախմբերը պարունակում են 7–8 տարր, իսկ երկրորդական ենթախմբերը՝ 4 տարր, բացառությամբ ութերորդ խմբի, որում երկրորդական ենթախումբը (VIII-B) բաղկացած է ինը տարրից՝ երեք «եռյակից»։

Այս համակարգում ենթախմբերի տարրերն են ամբողջական էլեկտրոնային անալոգներ. Նույն խմբի տարրերը, բայց տարբեր ենթախմբերը նույնպես անալոգային են (դրանք ունեն նույն թվով արտաքին էլեկտրոններ), բայց այս անալոգիան թերի է, քանի որ. Արտաքին էլեկտրոնները գտնվում են տարբեր ենթամակարդակներում։ Կարճ ձևը կոմպակտ է և, հետևաբար, օգտագործելու համար ավելի հարմար, բայց այն չունի այդ մեկ առ մեկ համապատասխանությունը ատոմների ձևի և էլեկտրոնային կառուցվածքի միջև, որը բնորոշ է երկար համակարգին:

Օրինակ 9.Բացատրեք, թե ինչու են քլորը և մանգանը նույն խմբում, բայց 8 բջջանոց պարբերական համակարգի տարբեր ենթախմբերում:

Լուծում.Քլորի (ատոմային թիվ 17) էլեկտրոնային բանաձևը 3s 2 3p 5 է, իսկ մանգանը (ատոմային թիվ 25)՝ 4s 2 3d 5։ Երկու տարրերի ատոմներն ունեն յոթ արտաքին (վալենտային) էլեկտրոն, ուստի դրանք գտնվում են նույն խմբում (յոթերորդ), բայց տարբեր ենթախմբերում, քանի որ քլորը
p-տարր, իսկ մանգանը d-տարր է:

12.4. Տարրերի պարբերական հատկությունները

Պարբերականությունն արտահայտվում է ատոմների էլեկտրոնային թաղանթի կառուցվածքում, հետևաբար, հատկությունները, որոնք կախված են էլեկտրոնների վիճակից, լավ համընկնում են պարբերական օրենքի հետ. Բայց պարզ նյութերի և միացությունների բաղադրությունը և հատկությունները կախված են ատոմների էլեկտրոնային կառուցվածքից, հետևաբար պարզ նյութերի և միացությունների շատ հատկություններում նկատվում է պարբերականություն՝ հալման և եռման ջերմաստիճան և ջերմություն, քիմիական կապերի երկարություն և էներգիա, էլեկտրոդների պոտենցիալներ, ստանդարտ. նյութերի առաջացման էնթալպիաներ և էնտրոպիաներ և այլն, դ. Պարբերական օրենքը ներառում է ատոմների, տարրերի, պարզ նյութերի և միացությունների ավելի քան 20 հատկություններ:

1) Ատոմային և իոնային շառավիղներ

Ըստ քվանտային մեխանիկայի՝ էլեկտրոնը կարող է տեղակայվել ատոմի միջուկի շուրջ ցանկացած կետում՝ և՛ մոտ, և՛ զգալի հեռավորության վրա։ Հետևաբար, ատոմների սահմանները անորոշ են և անորոշ: Միևնույն ժամանակ, քվանտային մեխանիկայում հաշվարկվում են միջուկի շուրջ էլեկտրոնի բաշխման հավանականությունը և յուրաքանչյուր ուղեծրի համար էլեկտրոնի առավելագույն խտության դիրքը։

Ատոմի ուղեծրային շառավիղ (իոն)միջուկից մինչև այս ատոմի (իոն) ամենահեռավոր արտաքին ուղեծրի առավելագույն էլեկտրոնային խտությունը հեռավորությունն է:.

Ուղեծրային շառավիղները (դրանց արժեքները տրված են տեղեկատու գրքում) ժամանակահատվածների ընթացքում նվազում են, քանի որ Ատոմներում (իոններում) էլեկտրոնների քանակի ավելացումը չի ուղեկցվում նոր էլեկտրոնային շերտերի առաջացմամբ։ Յուրաքանչյուր հաջորդ տարրի ատոմի կամ իոնի էլեկտրոնային թաղանթը որոշակի ժամանակահատվածում դառնում է ավելի խիտ՝ համեմատած նախորդի հետ՝ միջուկի լիցքի ավելացման և դեպի միջուկ էլեկտրոնների ներգրավման մեծացման պատճառով:

Ուղեծրային շառավիղները խմբերում մեծանում են, քանի որ Յուրաքանչյուր տարրի ատոմը (իոնը) տարբերվում է իր բարձրագույնից նոր էլեկտրոնային շերտի տեսքով:

Ուղեծրի ատոմային շառավիղների փոփոխությունը հինգ ժամանակաշրջանների համար ցույց է տրված Նկ. 13, որտեղից պարզ է դառնում, որ կախվածությունն ունի պարբերական օրենքին բնորոշ «սղոցի» ձև։

Բրինձ. 13. Ուղեծրի շառավիղի կախվածությունը

Բայց ժամանակաշրջաններում ատոմների և իոնների չափերի նվազումը միապաղաղ չի լինում. առանձին տարրերում նկատվում են փոքր «պոռթկումներ» և «իջումներ»։ Որպես կանոն, «բացերը» պարունակում են տարրեր, որոնց էլեկտրոնային կոնֆիգուրացիան համապատասխանում է կայունության բարձրացման վիճակին. օրինակ՝ երրորդ շրջանում դա մագնեզիում է (3s 2), չորրորդ շրջանում՝ մանգան (4s 2 3d 5) և ցինկ (4s 2 3d 10) և այլն:

Նշում.Ուղեծրային շառավիղների հաշվարկները կատարվել են անցյալ դարի յոթանասունականների կեսերից՝ շնորհիվ էլեկտրոնային հաշվողական տեխնիկայի զարգացման։ Նախկինում օգտագործված արդյունավետատոմների և իոնների շառավիղներ, որոնք որոշվում են մոլեկուլների և բյուրեղների միջմիջուկային հեռավորությունների վերաբերյալ փորձարարական տվյալների հիման վրա։ Ենթադրվում է, որ ատոմները չսեղմվող գնդիկներ են, որոնք միացություններում դիպչում են իրենց մակերեսին։ Կովալենտային մոլեկուլներում որոշված ​​արդյունավետ շառավիղները կոչվում են կովալենտշառավիղներ, մետաղական բյուրեղներում – մետաղականշառավիղներ, իոնային կապերով միացություններում՝ իոնայինշառավիղներ. Արդյունավետ շառավիղները տարբերվում են ուղեծրային շառավղներից, սակայն դրանց փոփոխությունը ատոմային թվի հետ նույնպես պարբերական է։

2) Ատոմների էներգիա և իոնացման ներուժ

Իոնացման էներգիա(E ion) կոչվում է էներգիան, որը ծախսվում է ատոմից էլեկտրոն հեռացնելու և ատոմը դրական լիցքավորված իոնի վերածելու համար.

Փորձնականորեն ատոմների իոնացումն իրականացվում է էլեկտրական դաշտում՝ չափելով պոտենցիալ տարբերությունը, որի դեպքում տեղի է ունենում իոնացում։ Այս պոտենցիալ տարբերությունը կոչվում է իոնացման ներուժ(J). Իոնացման ներուժի չափման միավորը eV/ատոմն է, իսկ իոնացման էներգիայի միավորը՝ կՋ/մոլ; Անցումը մի արժեքից մյուսին իրականացվում է ըստ հարաբերությունների.

E իոն = 96,5 Ջ

Ատոմից առաջին էլեկտրոնի հեռացումը բնութագրվում է առաջին իոնացման պոտենցիալով (J 1), երկրորդին՝ երկրորդով (J 2) և այլն։ Հերթական իոնացման պոտենցիալները մեծանում են (Աղյուսակ 1), քանի որ յուրաքանչյուր հաջորդ էլեկտրոն պետք է հեռացվի մեկով ավելացող դրական լիցքով իոնից: Սեղանից 1-ը ցույց է տալիս, որ լիթիում իոնացման պոտենցիալի կտրուկ աճ է նկատվում J2-ի, բերիլիումում՝ J3-ի, բորիում՝ J4-ի և այլնի համար։ Ջ-ի կտրուկ աճը տեղի է ունենում, երբ արտաքին էլեկտրոնների հեռացումն ավարտվում է, իսկ հաջորդ էլեկտրոնը գտնվում է նախաարտաքին էներգիայի մակարդակում։

Աղյուսակ 1

Երկրորդ շրջանի տարրերի ատոմների (eV/ատոմ) իոնացման պոտենցիալները

Տարր	J 1	J2	J 3	J 4	J5	J 6	J 7	J 8
Լիթիում	5,39	75,6	122,4	–	–	–	–	–
Բերիլիում	9,32	18,2	158,3	217,7	–	–	–	–
Բոր	8,30	25,1	37,9	259,3	340,1	–	–	–
Ածխածին	11,26	24,4	47,9	64,5	392,0	489,8	–	–
Ազոտ	14,53	29,6	47,5	77,4	97,9	551,9	666,8	–
Թթվածին	13,60	35,1	54,9	77,4	113,9	138,1	739,1	871,1
Ֆտորին	17,40	35,0	62,7	87,2	114,2	157,1	185,1	953,6
Նեոն	21,60	41,1	63,0	97,0	126,3	157,9

Իոնացման պոտենցիալը տարրի «մետաղականության» ցուցիչ է. որքան ցածր է այն, այնքան էլեկտրոնի համար ավելի հեշտ է անջատվել ատոմից, և այնքան ավելի ուժեղ պետք է արտահայտվեն տարրի մետաղական հատկությունները: Այն տարրերի համար, որոնց հետ սկսվում են ժամանակաշրջանները (լիթիում, նատրիում, կալիում և այլն), առաջին իոնացման պոտենցիալը կազմում է 4–5 էՎ/ատոմ, և այդ տարրերը բնորոշ մետաղներ են։ Այլ մետաղների համար J 1 արժեքներն ավելի բարձր են, բայց ոչ ավելի, քան 10 էՎ/ատոմ, իսկ ոչ մետաղների համար՝ սովորաբար ավելի քան 10 էՎ/ատոմ՝ ազոտ 14,53 էՎ/ատոմ, թթվածին 13,60 էՎ/ատոմ և այլն։

Առաջին իոնացման պոտենցիալները մեծանում են ժամանակաշրջաններում և նվազում խմբերում (նկ. 14), ինչը վկայում է ժամանակաշրջաններում ոչ մետաղական հատկությունների, իսկ խմբերում՝ մետաղականների աճի մասին։ Հետեւաբար, ոչ մետաղները գտնվում են վերին աջ մասում, իսկ մետաղները՝ պարբերական համակարգի ստորին ձախ մասում։ Մետաղների և ոչ մետաղների միջև սահմանը «լղոզված է», քանի որ Տարրերի մեծ մասն ունի ամֆոտերային (երկակի) հատկություններ։ Այնուամենայնիվ, նման պայմանական սահմանը կարելի է գծել այն ցուցադրվում է պարբերական աղյուսակի երկար (18-բջջային) ձևով, որը հասանելի է այստեղ՝ դասարանում և տեղեկագրքում:

Բրինձ. 14. Իոնացման ներուժի կախվածություն

առաջին–հինգերորդ ժամանակաշրջանների տարրերի ատոմային թվից։