1-сабақ. Атомның құрамы мен құрылысы. Атомда электрондардың қозғалысы мен таралуы

Теориялық түсінік

Атом — заттың ең кіші бөлшегі және оның барлық химиялық қасиеттерін сақтайтын негізгі құрылымдық бірлік. Атомның ортасында тығыз орналасқан ядро болады. Ядро құрамында протондар мен нейтрондар кездеседі. Протон – оң зарядты бөлшек, ал нейтрон – зарядсыз. Екеуінің массасы шамалас, сондықтан атомның жалпы массасының басым бөлігі ядроға тән. Ядроның айналасында теріс зарядты электрондар қозғалады. Электронның массасы өте аз болғандықтан, ол атомның массасына айтарлықтай үлес қоспайды.

Электрондар ядроны белгілі бір қашықтықта қоршап, энергетикалық деңгейлерде орналасады. Бірінші деңгей ең төмен энергиялы, әрі ең жақын орналасқан. Әр деңгей максимум 2n² электронын сыйдырады. Мысалы, бірінші деңгей – 2, екінші – 8, үшінші – 18 электронға дейін орналасуы мүмкін. Бірақ электрондардың нақты таралуы Ауфбау принципіне сәйкес жүзеге асады: алдымен энергиясы төмен деңгейлер мен орбитальдар толады.

Электрондар орбиталь деп аталатын кеңістіктік аймақтарда қозғалады. Орбитальдардың түрлері: s, p, d, f. s-орбиталь шар тәрізді, p – гантель тәрізді. s-орбитальға 2 электрон, p-орбитальға 6 электрон, d-ке 10, f-ке 14 электрон сияды. Орбитальдардағы электрондар Гунд ережесі бойынша алдымен жеке-жеке орналасып, кейін жұптасады.

Атомдағы электрондардың орналасу тәртібі электрондық конфигурация арқылы жазылады. Мысалы, көміртек атомы 1s2 2s2 2p2 түрінде көрсетіледі. Бұл оның 6 электронының орбитальдар бойынша бөлінгенін білдіреді. Электрондардың таралуы элементтің химиялық қасиеттерін, валенттілігін, байланыс түзу қабілетін және периодтық жүйедегі орнын анықтайды. Сондықтан атом құрылысы — химиядағы ең негізгі ұғымдардың бірі.

Бақылау сұрақтары

1. Атомның ядросы мен электрон қабатының қызметін өз сөзіңізбен түсіндіріңіз.

2. Энергетикалық деңгейлердің толу тәртібі қай заңдылықтарға негізделеді? Механизмін сипаттаңыз.

3. Орбитальдардың пішіні мен сыйымдылығының электрон таралуына әсерін мысалдармен түсіндіріңіз.

4. Электрондық конфигурация элементтің химиялық қасиеттерін қалай анықтайды? Нақты мысал келтіріңіз.

5. Қате конфигурация жазып, оның қай ережеге қарсы екенін түсіндіріп, дұрыс нұсқасын көрсетіңіз.

Қосымша тапсырмалар

1-есеп
Берілген: элементтің Z = 11
Тапсырма: протон, нейтрон (A = 23 болса), электрон санын анықтаңыз және конфигурациясын жазыңыз.
Нұсқаулық:
Z → протон = электрон.
Нейтрон = A – Z.
Соңында орбитальдарға бөліп жазыңыз.

2-есеп
Электрондық конфигурациясы: 1s2 2s2 2p4
Тапсырма: элементтің атын, топ, периодын анықтау.
Нұсқаулық: электрондарды қосыңыз → Z табыңыз; ең үлкен деңгей → период; сыртқы электрон → топ.

3-есеп
Берілген: Z = 17
Тапсырма: электрондарды деңгейлер бойынша таратыңыз.
Нұсқаулық: 2–8–7 тәртібін қолданыңыз; қажет болса толық конфигурациясын жазыңыз.

4-есеп
Берілген конфигурация: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p1
Тапсырма: p-орбитальдағы электрон санын және жұптаспаған электрон санын анықтау.
Нұсқаулық: 2p + 3p электрондарын қосыңыз; Гунд ережесін қолданыңыз.

Шығармашылық тапсырмалар

1. Атом моделінің эволюциясын қысқа мәтін не схема түрінде сипаттау.
   Нұсқаулық: Дальтон → Томсон → Резерфорд → Бор → Кванттық модель кезеңдерін тізбектеп, әрқайсының жаңалығын көрсетіңіз.

2. 5 элементке салыстырмалы электрондық конфигурация диаграммасын құрыңыз.
   Нұсқаулық: периодтық жүйеден 5 элемент таңдаңыз; әрқайсының s және p деңгейлерін диаграмма түрінде көрсетіңіз.

2-сабақ. Энергетикалық деңгейлер. Квант сандары мен атомдық орбитальдар.

Теориялық түсінік

Атомдағы электрондардың орналасуы белгілі бір энергияға ие аймақтармен — энергетикалық деңгейлермен (қабаттар) анықталады. Әр деңгей атом ядросынан белгілі бір қашықтықта орналасады және электрондардың энергиясы жоғарылаған сайын ядродан алыстау қабаттарға көтеріледі. Энергетикалық деңгейлер n = 1, 2, 3, ... басты квант саны арқылы белгіленеді. Әр деңгейде электрондардың белгілі максимал саны болады: ол формуламен 2n² есептеледі.

Энергетикалық деңгейлер өз ішінде орбиталдардан тұратын энергетикалық ішкідеңгейлерге (s, p, d, f) бөлінеді. Орбиталь — электронды табу ықтималдығы жоғары кеңістік аймағы. Әр орбитальда максимум екі электрон ғана бола алады. Электрондардың осылайша орбитальдарға толуын сипаттайтын бірнеше квант саны бар.

1. Басты квант саны (n) — электронның жалпы энергиясын және деңгей ретін анықтайды.

2. Орбитальдық квант саны (l) — орбиталь түрін анықтайды:

   • s (l=0), p (l=1), d (l=2), f (l=3).

3. Магниттік квант саны (ml) — орбитальдың кеңістіктегі бағытын көрсетеді (–l…+l).

4. Спин квант саны (ms) — электронның өз осін айналу бағытын білдіреді (+½ немесе –½).

Квант сандары атомдағы электрондардың толық күйін сипаттайды. Екі электронның төрт квант саны да бірдей болуы мүмкін емес. Бұл — Паули тыйым салу принципі. Ал электрондар алдымен ең төменгі энергиялы орбитальдарды толтырады, бұл Ауфбау принципі деп аталады.
Соңғысы — Хунд ережесі, оған сәйкес p-, d-, f-орбитальдары алдымен бір-бірден параллель спинмен толады.

Энергетикалық деңгейлер мен квант сандары атомдардың электрондық конфигурациясын, химиялық қасиетін және периодтық жүйедегі орнын түсінуге мүмкіндік береді.

Бақылау сұрақтары

1. Энергетикалық деңгей деген не және ол электрон энергиясымен қалай байланысты?

2. Орбиталь ұғымын түсіндіріп, s, p, d, f орбитальдарының айырмашылықтарын сипатта.

3. Төрт түрдегі квант сандарының әрқайсысы қандай ақпарат береді?

4. Ауфбау принципі, Паули принципі және Хунд ережесінің мәнін салыстырып түсіндір.

5. Басты квант саны n өзгергенде электронның орналасуы мен энергиясы қалай өзгереді?

Қосымша тапсырмалар:

1) Тапсырма

Берілген квант сандарымен электрон бар ма екенін анықта:
n = 3, l = 2, ml = 3, ms = +½
Нұсқаулық: ml мәні –l…+l аралығында болу керек. Диапазонды тексер.

2) Тапсырма

Атомдағы үшінші деңгейге (n=3) ең көп дегенде қанша электрон сыяды?
Нұсқаулық: формула 2n² қолдан.

3) Тапсырма

Қай жиынтық мүмкін:
а) n=2, l=1, ml=0, ms=–½
b) n=1, l=1, ml=0, ms=+½
Нұсқаулық: n=1 деңгейінде тек l=0 болады.

4) Тапсырма

3p орбитальдарында қанша орбиталь бар және барлығы қанша электрон орналасуы мүмкін?
Нұсқаулық: p-орбитальдар саны = 3; әр орбиталь = 2 электрон.

Шығармашылық тапсырма

1) Шығармашылық тапсырма

Атомның энергетикалық деңгейлерінің 3D моделінің эскизін жаса (қағазға).
Нұсқаулық: n=1,2,3 деңгейлерді концентрлік шеңберлермен көрсет; әр деңгейдің ішкідеңгейін (s,p) белгілеп шық.

2) Шығармашылық тапсырма

Квант сандарының рөлін түсіндіретін шағын инфографика жаса.
Нұсқаулық: төрт квант санының әрқайсысына жеке белгі (иконка) ойлап тап және оның қандай ақпарат беретіні қасында жазылсын.