Состав и строение атома. Химическая связь и структура вещества

Учебниковая опора

• Оспанова М. К., Белоусова Т. Г., Аухадиева К. С. «Химия. 10 класс ЕМН», 10 класс, Мектеп, 2019, с. 24–32
• Оспанова М. К., Белоусова Т. Г., Аухадиева К. С. «Химия. 10 класс ЕМН», 10 класс, Мектеп, 2019, с. 43–58
• Усманова М. Б., Сакарьянова К. Н., Сахариева Б. Н. «Химия», 8 класс, Атамура, 2018, с. 4–10
• Усманова М. Б., Сакарьянова К. Н., Сахариева Б. Н. «Химия», 8 класс, Атамура, 2018, с. 117–127

Главное

• Ядро состоит из нуклонов — протонов и нейтронов; $Z$ = число протонов = порядковый номер; $A = Z + N$.
• Изотопы — нуклиды с одинаковым $Z$ и разным $A$ (разным числом нейтронов).
• Ёмкость энергетического уровня $N = 2n^2$: 2, 8, 18, 32.
• $s$-орбиталь — сфера, $p$-орбиталь — гантель (три: $p_x, p_y, p_z$); на орбитали не более двух электронов с противоположными спинами.
• Тип связи определяется разностью электроотрицательностей (ЭО): неполярная ковалентная, полярная ковалентная, ионная; плюс металлическая и водородная.
• Свойства вещества зависят от типа связи и типа кристаллической решётки.

Теория

Состав атома. Нуклид обозначают $^A_ZX$. Число протонов $Z$ совпадает с зарядом ядра и номером элемента; число нейтронов $N = A - Z$; число электронов в нейтральном атоме равно $Z$.

Радиоактивность — самопроизвольный распад нестабильных ядер:

• $\alpha$-распад: $^A_ZX \rightarrow {}^{A-4}_{Z-2}Y + {}^4_2He$;
• $\beta^-$-распад: нейтрон превращается в протон, $^A_ZX \rightarrow {}^{A}_{Z+1}Y + e^-$ (+ антинейтрино);
• $\gamma$-излучение — без изменения состава ядра. Закон распада: $N(t) = N_0 \cdot 2^{-t/T_{1/2}}$.

Электронная оболочка. Заполнение идёт последовательно: $1s \to 2s \to 2p \to 3s \to 3p \to 4s$ (у K и Ca электрон идёт на $4s$, а не на $3d$). Электронная формула: цифра — уровень, буква — подуровень, индекс — число электронов. Сумма индексов = $Z$. Пример: $Cl$ $1s^22s^22p^63s^23p^5$, на внешнем уровне 7 электронов. Электронно-графическая формула показывает те же электроны ячейками и стрелками: у азота три $2p$-электрона занимают три разные ячейки поодиночке.

Важно различать ёмкость уровня и фактическое число электронов: у Na на третьем уровне один электрон, хотя ёмкость — 18. Недостроенный внешний уровень определяет активность элемента.

Электроотрицательность — способность атома притягивать электроны связи (шкала Полинга: от 0,7 у Cs до 4,0 у F). В периоде растёт слева направо, в группе уменьшается сверху вниз. Значения: Na 0,9; Mg 1,2; Al 1,5; Si 1,8; P 2,1; H 2,1; S 2,5; Cl 3,0; O 3,5; F 4,0.

Виды связи

Связь	Между кем	Признак	Примеры
Ковалентная неполярная	одинаковые неметаллы	$\Delta\chi \le 0{,}4$	$H_2, Cl_2, N_2, O_2$
Ковалентная полярная	разные неметаллы	небольшая $\Delta\chi$	$HF, H_2O, NH_3, HCl$
Ионная	типичный металл + типичный неметалл	$\Delta\chi > 2{,}0$	$NaCl, KF, CaO$
Металлическая	атомы металла	«электронный газ»	Na, Cu, Fe
Водородная	H, связанный с F, O, N, и неподелённая пара соседа	меж- или внутримолекулярная	$H_2O$, HF

Ковалентная связь образуется по обменному или донорно-акцепторному механизму; её свойства — насыщаемость, направленность, длина, энергия, кратность ($\sigma$- и $\pi$-связи). Ионная связь ненасыщаема и ненаправлена. Металлическая связь обеспечивает электро-, теплопроводность и пластичность.

Гибридизация и форма молекул

Тип	Форма	Угол	Примеры
$sp^3$	тетраэдр	$109^\circ 28'$	$CH_4$
$sp^2$	плоский треугольник	$120^\circ$	$C_2H_4$, $BF_3$
$sp$	линия	$180^\circ$	$C_2H_2$, $BeCl_2$

Кристаллические решётки

• Атомная (в узлах атомы, ковалентные связи): твёрдые, тугоплавкие, плохо растворимы — алмаз, Si, $SiO_2$.
• Молекулярная (молекулы, слабые межмолекулярные силы): легкоплавкие, летучие — газы, $I_2$, $Br_2$, большинство органических веществ. Йод возгоняется.
• Ионная (ионы): тугоплавкие, растворимы в воде, растворы и расплавы проводят ток — соли, гидроксиды.
• Металлическая — металлы.

Формулы / правила

• $A = Z + N$; $\bar e = Z$ (в нейтральном атоме); у иона $\bar e = Z - \text{заряд}$.
• $N_{\max}(\bar e) = 2n^2$.
• $\alpha$: $A-4$, $Z-2$; $\beta^-$: $A$ без изменений, $Z+1$.

Примеры

1. Сколько нейтронов в $^{35}_{17}Cl$? $N = 35 - 17 = 18$.
2. Какой тип связи в KF? ЭО K = 0,8, F = 4,0; $\Delta = 3{,}2 > 2$ — ионная: $K^0 - 1\bar e \to K^+$, $F^0 + 1\bar e \to F^-$.
3. Что образуется при $\alpha$-распаде $^{226}_{88}Ra$? $A = 222$, $Z = 86$ — радон $^{222}_{86}Rn$.
4. Какая решётка у вещества, которое легко возгоняется и не проводит ток? Молекулярная (как у $I_2$).

Типичные ошибки на ЕНТ

• Путают массовое число и число нейтронов: $N = A - Z$, а не $A$.
• Считают, что после $3p$ заполняется $3d$; у K и Ca электроны идут на $4s$.
• Путают ёмкость уровня (18 на третьем) и число электронов на внешнем уровне.
• Связь в $O_2$ или $Cl_2$ называют полярной: при одинаковых атомах она неполярная.
• Связывают тугоплавкость только с ионной решёткой, забывая про атомную (алмаз, $SiO_2$).

Самопроверка

1. Сколько электронов вмещает третий энергетический уровень? — 18.
2. Как меняется ЭО в группе сверху вниз? — Уменьшается.
3. Какая гибридизация и угол в молекуле $BeCl_2$? — $sp$, $180^\circ$.
4. Какой тип связи в $NH_3$? — Ковалентная полярная.
5. Чем отличаются изотопы одного элемента? — Числом нейтронов (массовым числом) при одинаковом $Z$.