Каждый день мы пользуемся какими-нибудь предметами: берем их в руки, совершаем над ними любые манипуляции - переворачиваем, рассматриваем, в конце концов, ломаем. А вы никогда не задумывались о том, из чего состоят эти предметы? "Чего уж здесь думать? Из металла/дерева/пластика/ткани!" - недоуменно ответят многие из нас. Отчасти это правильный ответ. А из чего состоят эти материалы - металл, дерево, пластик, ткань и многие другие вещества? Сегодня мы и обсудим этот вопрос.
Молекула и атом: определение
У знающего человека ответ на него прост и банален: из атомов и молекул. Но некоторые люди озадачиваются и начинают сыпать вопросами: "Что такое атом и молекула? Как они выглядят?" и т.д., и т.п. Ответим на эти вопросы по порядку. Ну, во-первых, что такое атом и молекула? Скажем вам сразу, что эти определения - не одно и то же. И даже более того - это совершенно разные термины. Итак, атом - это самая маленькая часть химического элемента, которая является носителем его свойств, частица вещества мизерных массы и размеров. А молекула - это электрически нейтральная частица, которую образуют несколько соединенных атомов.
Что такое атом: строение
Атом состоит из электронной оболочки и (фото). В свою очередь ядро состоит из протонов и нейтронов, а оболочка - из электронов. В атоме протоны заряжены положительно, электроны - отрицательно, а нейтроны вообще не заряжены. Если число протонов соответствует то атом является электронейтральным, т.е. если мы прикоснемся к веществу, образованному из молекул с такими атомами, то не почувствуем ни малейшего электрического импульса. И даже сверхмощные ЭВМ его не уловят по причине отсутствия последнего. Но случается так, что протонов больше, чем электронов, и наоборот. Тогда такие атомы правильнее будет называть ионами. Если в нем больше протонов, то он электрически положительный, если же преобладают электроны - электрически отрицательный. В каждом определенном атоме есть строгое количество протонов, нейтронов и электронов. И его можно высчитать. Шаблон для решения задач по нахождению количества этих частиц выглядит так:
Хим. элемент - R (вставить название элемента)
Протоны (p) - ?
Электроны (е) - ?
Нейтроны (n) - ?
Решение:
р = порядковый № хим. элемента R в периодической системе им Д.И. Менделеева
е = р
n = А r (R) - № R
Что такое молекула: строение
Молекула - это наименьшая частица химического вещества, то есть она уже непосредственно входит в его состав. Молекула определенного вещества состоит из нескольких одинаковых или различных атомов. Особенности строения молекул зависят от физических свойств вещества, в котором они присутствуют. Молекулы состоят из электронов и атомов. Расположение последних можно узнать с помощью структурной формулы. позволяет определить ход химической реакции. Обычно они нейтральные (не имеют электрического заряда), и у них нет неспаренных электронов (все валентности являются насыщенными). Однако они могут быть и заряженными, тогда их правильное название - ионы. Также у молекул могут быть неспаренные электроны и ненасыщенные валентности - в этом случае их называют радикалами.
Заключение
Теперь вы знаете, что такое атом и Все без исключения вещества состоят из молекул, а последние, в свою очередь, построены из атомов. Физические свойства вещества определяют расположение и связь атомов и молекул в нем.
Атом (от греч. άτομοσ - неделимый) - наименьшая частица химического элемента, сохраняющая все его химические свойства. Атом состоит из плотного ядра из положительно заряженных протонов и электрически нейтральных нейтронов, которое окружено гораздо большей облаком отрицательно заряженных электронов. Когда число протонов соответствует числу электронов, атом электрически нейтрален, в противном случае это ион, с определенным зарядом. Атомы классифицируются по числу протонов и нейтронов: число протонов определяет химический элемент, а число нейтронов определяет нуклид элемента.Образуя между собой связи, атомы объединяются в молекулы и большие по размеру твердые тела.
О существовании мельчайших частиц вещества человечество догадывалось еще с давних времен, однако подтверждения существования атомов было получено лишь в конце 19-го века. Но почти сразу же стало понятно, что атомы, в свою очередь, имеют сложное строение, которой определяются их свойства.
Концепция атома как наименьшей неделимой частицы материи впервые была предложена древнегреческими философами. В 17-м и 18-м веках химики установили, что химические вещества вступают в реакции в определенных пропорциях, которые выражаются с помощью малых чисел. Кроме того они выделили определенные простые вещества, которые назвали химическими элементами. Эти открытия привели к возрождению идеи о неделимые частицы. Развитие термодинамики и статистической физики показал, что тепловые свойства тел можно объяснить движением таких частиц. В конце концов были экспериментально определены размеры атомов.
В конце 19-го и в начале 20-го веков, физики открыли первую из субатомных частиц - электрон, а несколько позже атомное ядро, таким образом показав, что атом не является неделим. Развитие квантовой механики позволил объяснить не только строение атомов, а также ихни свойства: оптические спектры, способность вступать в реакции и образовывать молекулы, т.
Общая характеристика строения атома
Современные представления о строении атома базируются на квантовой механике.
На популярном уровне строении атома можно изложить в рамках волновой модели, которая опирается на модель Бора, но учитывает также дополнительные сведения по квантовой механике.
По этой модели:
Атомы состоят из элементарных частиц (протонов, электронови нейтронов). Масса атома в основном сосредоточена в ядре, поэтому большая часть объема относительно пустая. Ядро окружено электронами. Количество электронов равно числу протонов в ядре, число протонов определяет порядковый номер элемента в периодической системе. В нейтральном атоме суммарный отрицательный заряд электронов равен положительному заряду протонов. Атомы одного элемента с разным количеством нейтронов называются изотопами.
В центре атома находится крошечное, положительно заряженное ядро, состоящее из протонов и нейтронов.
Ядро атома примерно в 10 000 раз меньше, чем сам атом. Таким образом, если увеличить атом до размеров аэропорту Борисполь, размер ядра будет меньше размера шарика для настольного тенниса.
Ядро окружено электронной облаком, которое занимает большую часть его объема. В электронной облаке можно выделить оболочки, для каждых из которых существует несколько возможных орбиталей. Заполненные орбитали составляют электронную конфигурацию, характерную для каждого химического элемента.
Каждая орбиталь может содержать до двух электронов, характеризуются тремя квантовыми числами: основным, орбитальным и магнитным.
Каждый электрон на орбитали имеет уникальное значение четвертой квантового числа: спина.
Орбитали определяются специфическим распределением вероятности того, где именно можно найти электрон. Примеры орбиталей и их обозначения приведены на рисунке справа. «Границей» орбитали считается расстояние, на котором вероятность того что электрон может находиться вне ее меньше 90%.
Каждая оболочка может содержать не более от строго определенного числа электронов. Например, ближайшая к ядру оболочка может иметь максимум два электрона, следующая - 8, третья от ядра - 18 и так далее.
Когда электроны присоединяются к атому, они опускаются на орбиталь с низкой энергией. Только электроны внешней оболочки могут участвовать в образовании межатомных связей. Атомы могут отдавать и присоединять электроны, становясь положительно или отрицательно заряженными ионами. Химические свойства элемента определяются тем, с какой легкостью ядро может отдавать или приобретать электроны. Это зависит как от числа электронов так и от степени заполненности внешней оболочки.
Размер атома
Размер атома является величиной, трудно поддается измерению, ведь центральное ядро окружает размыта электронное облако. Для атомов, образующих твердые кристаллы, расстояние между смежными узлами кристаллической решетки может служить приближенным значением их размера. Для атомов, кристаллов не формируют, используют другие техники оценки, включая теоретические расчеты. Например, размер атома водорода оценивают как 1,2 × 10-10 м. Это значение можно сравнить с размером протона (что является ядром атома водорода): 0,87 × 10-15 м и убедиться в том, что ядро атома водорода в 100 000 раз меньше, чем сам атом. Атомы других элементов сохраняют приблизительно то же соотношение. Причиной этого является то, что элементы с большим позитивно-заряженным ядром притягивают электроны сильнее.
Еще одной характеристикой размеров атома радиус ван дер Ваальса - расстояние, на которую до данного атома может приблизиться другой атом. Межатомные расстояния в молекулах характеризуются длиной химических связей или ковалентной радиусом.
Ядро
Основная масса атома сосредоточена в ядре, которое состоит из нуклонов: протонов и нейтронов, связанных между собой силами ядерного взаимодействия.
Количество протонов в ядре атома определяет его атомным номером и то, которому элементу принадлежит атом. Например, атомы углерода содержат 6 протонов. Все атомы с определенным атомным номером имеют одинаковые физические характеристики и проявляют одинаковые химические свойства. В периодической таблице элементы перечислены в порядке возрастания атомного номера.
Общее количество протонов и нейтронов в атоме элемента определяет его атомную массу, поскольку протон и нейтрон имеют массу приблизительно равную 1 а.е.м.. Нейтроны в ядре не влияют на то, которому элементу принадлежит атом, но химический элемент может иметь атомы с одинаковым количеством протонов и разным количеством нейтронов. Такие атомы имеют одинаковый атомный номер, но разную атомную массу, и называются изотопами элемента. Когда пишут название изотопа, после нее пишут атомную массу. Например, изотоп углерод-14 содержит 6 протонов и 8 нейтронов, что в сумме составляет атомную массу 14. Другой популярный метод нотации состоит в том, что атомная масса сказывается верхним индексом перед символом элемента. Например, углерод-14 обозначается, как 14C.
Атомная масса элемента приведена в периодической таблице является усредненным значением массы изотопов встречающихся в природе. Усреднение проводится согласно распространенности изотопа в природе.
С увеличением атомного номера растет положительный заряд ядра, а, следовательно, кулоновское отталкивание между протонами. Чтобы удержать протоны вместе необходимо все больше нейтронов. Однако большое количество нейтронов нестабильна, и это обстоятельство накладывает ограничение на возможный заряд ядра и число химических элементов, существующих в природе. Химические элементы с большими атомными номерами имеют очень малый время жизни, могут быть созданы только при бомбардировке ядер легких элементов ионами, и наблюдаются лишь во время экспериментов с использованием ускорителей. По состоянию на февраль 2008 тяжелым синтезированным химическим элементом является унуноктий
Многие изотопов химических элементов нестабильны и распадаются со временем. Это явление используется радиоелементним тест для определения возраста объектов имеет большое значение для археологии и палеонтологии.
Модель Бора
Модель Бора - первая физическая модель, которая сумела правильно описать оптические спектры атома водорода. После развития точных методов квантовой механики модель Бора имеет только историческое значение, но благодаря своей простоте она до сих пор широко преподается и используется для качественного понимания строения атома.
Модель Бора базируется на планетарной модели Резерфорда, описывающий атом как маленькое положительно заряженное ядро с отрицательно заряженными электронами на орбитах на разных уровнях, что напоминает структуру солнечной системы. Резерфорд предложил планетарную модель, чтобы объяснить результаты своих экспериментов по рассеянию альфа-частиц металлической фольгой. По планетарной моделью атом состоит из тяжелого ядра, вокруг которого вращаются электроны. Но то, чем электроны, вращающиеся вокруг ядра, не падают по спирали на него, было непостижимым для тогдашних физиков. Действительно, согласно классической теории электромагнетизма электрон, который вращается вокруг ядра должен излучать электромагнитные волны (свет), что привело бы к постепенной потере им энергии и падения на ядро. Поэтому, каким образом атом может вообще существовать? Более того, исследование электромагнитного спектра атомов показали, что электроны в атоме могут излучать свет только определенной частоты.
Эти трудности были преодолены в модели предложенной Нильсом Бором в 1913, которая постулирует, что:
Электроны могут находиться только на орбитах, имеющих дискретные квантованные энергии. То есть возможны не любые орбиты, а лишь некоторые специфические. Точные значения энергий допустимых орбит зависят от атома.
Законы классической механики не действуют, когда электроны переходят из одной допустимой орбиты на другую.
Когда электрон переходит с одной орбиты на другую, разница в энергии излучается (или поглощается) единственным квантом света (фотоном), частота которого напрямую зависит от энергетической разницы между двумя орбитами.
где ν - это частота фотона, E - разность энергий, а h - константа пропорциональности, также известная как постоянная Планка.
Определив, что можно записать
где ω это угловая частота фотона.
Допустимые орбиты зависят от квантованных значений углового орбитального момента L, описываемая уравнением
где n = 1,2,3,...
и называется квантовым числом углового момента.
Эти предположения позволили объяснить результаты тогдашних наблюдений, например, почему спектр состоит из дискретных линий. Предположение (4) утверждает, что наименьшее значение n - это 1. Соответственно, наименьший допустимый радиус атома равен 0,526 Å (0,0529 нм = 5,28 · 10-11 м). Это значение известно как радиус Бора.
Иногда модель Бора называют Полуклассическая, потому, что, хотя она включает некоторые идеи квантовой механики, она не является полным квантовомеханических описанием атома водорода. Однако модель Бора была значительным шагом к созданию такого описания.
При строгом квантовомеханической описании атома водорода уровни энергии находятся из решения стационарного уравнения Шредингера. Эти уровни характеризуются тремя указанными выше квантовыми числами, формула для квантования углового момента другая, квантовое число углового момента равен нулю для сферических s-орбиталей, единицы для вытянутых гантелеобразную p-орбиталей и т.д. (см. рисунок вверху).
Энергия атома и его квантование
Значение энергии, которые может иметь атом, исчисляются и интерпретируются, исходя из положений квантовой механики. При этом учитываются такие факторы, как электростатическое взаимодействие электронов с ядром и электронов между собой, спины электронов, принцип Тождественные частицы. В квантовой механике состояние, в котором находится атом описывается волновой функцией, которую можно найти из решения уравнения Шредингера. Существует определенный набор состояний, каждое из которых имеет определенное значение энергии. Состояние с наименьшей энергией называется основным состоянием. Другие состояния называются возбужденными. Атом находится в возбужденном состоянии конечное время, излучая рано или поздно квант электромагнитного поля (фотон) и переходя в основное состояние. В основном состоянии атом может находиться долго. Чтобы возбудиться, ему нужна внешняя энергия, которая может поступить к нему только из внешней среды. Атом излучает или поглощает свет только определенных частот, соответствующих разности энергий его состояний.
Возможные состояния атома индексируются квантовыми числами, такими как спин, квантовое число орбитального момента, квантовое число полного момента. Подробнее об их классификации можно прочитать в статье электронные терм
Электронные оболочки сложных атомов
Сложные атомы имеют десятки, а для очень тяжелых элементов, даже сотни электронов. Согласно принципу Тождественные частицы электронные состояния атомов формируются всеми электронами, и невозможно определить, где находится каждый из них. Однако, в так называемом одноэлектронном приближении, можно говорить об определенных энергетические состояния отдельных электронов.
Согласно этим представлениям существует определенный набор орбиталей, которые заполняются электронами атома. Эти орбитали образуют определенную электронную конфигурацию. На каждой орбитали может находиться не более двух электронов (принцип запрета Паули). Орбитали группируются в оболочки, каждая из которых может иметь лишь определенное фиксированное число орбиталей (1, 4, 10 и т.д.). Орбитали подразделяют на внутренние и внешние. В основном состоянии атома внутренние оболочки полностью заполнены электронами.
На внутренних орбиталях электроны находятся очень близко к ядру и сильно к нему привязаны. Чтобы вырвать электрон из внутренней орбитали нужно предоставить ему большую энергию, до нескольких тысяч электрон-вольт. Такую энергию электрон на внутренней оболочке может получить лишь поглотив квант рентгеновского излучения. Энергии внутренних оболочек атомов индивидуальны для каждого химического элемента, а потому по спектру рентгеновского поглощения можно идентифицировать атом. Это обстоятельство используют в рентгеновском анализе.
На внешней оболочке электроны находятся далеко от ядра. Именно эти электроны участвуют в формировании химических связей, поэтому внешнюю оболочку называют валентной, а электроны внешней оболочки валентными электронами.
Квантовые переходы в атоме
Между различными состояниями атомов возможны переходы, вызванные внешним возмущением, чаще электромагнитным полем. Вследствие квантования состояний атома оптические спектры атомов состоят из отдельных линий, если энергия кванта света не превышает энергию ионизации. При более высоких частотах оптические спектры атомов становятся непрерывными. Вероятность возбуждения атома светом падает с дальнейшим ростом частоты, но резко возрастает при определенных характерных для каждого химического элемента частотах в рентгеновском диапазоне.
Возбужденные атомы излучают кванты света с теми же частотами, на которых происходит поглощение.
Переходы между различными состояниями атомов могут вызываться также взаимодействием с быстрыми заряженными частицами.
Химические и физические свойства атома
Химические свойства атома определяются в основном валентными электронами - электронами на внешней оболочке. Количество электронов на внешней оболочке определяет валентность атома.
Атомы последнего столбца периодической таблице элементов имеют полностью заполненную внешнюю оболочку, а для перехода электрона на следующую оболочку нужно предоставить атома очень большую энергию. Поэтому эти атомы инертны, не склонны вступать в химические реакции. Инертные газы изреживаются и кристаллизуются только при очень низких температурах.
Атомы первого столбца периодической таблицы элементов имеют на внешней оболочке один электрон, и является химически активными. Их валентность равна 1. Характерным типом химической связи для этих атомов в кристаллизованного состоянии является металлический связь.
Атомы второго столбика периодической таблицы в основном состоянии имеют на внешней оболочке 2 s-электроны. Их внешняя оболочка заполнена, поэтому они должны быть инертными. Но для перехода из основного состояния с конфигурацией электронной оболочки s2 в состояние с конфигурацией s1p1 нужно очень мало энергии, поэтому эти атомы имеют валентность 2, однако они проявляют меньшую активности.
Атомы третьего столбика периодической таблице элементов имеют в основном состоянии электронную конфигурацию s2p1. Они могут проявлять разную валентность: 1, 3, 5. Последняя возможность возникает тогда, когда электронная оболочка атома дополняется до 8 электронов и становится замкнутой.
Атомы Четвертая колонка периодической таблицы элементов своем имеют валентность 4 (например, углекислый газ CO2), хотя возможна и валентность 2 (например, угарный газ CO). До этого столбика принадлежит углерод - элемент, который образует самые разнообразные химические соединения. Соединениям углерода посвящен особый раздел химии - органическая химия. Другие элементы этого столбика - кремний, германий при обычных условиях является твердотельными полупроводниками.
Элементы пятой колонки имеют валентность 3 или 5.
Элементами шестого столбца периодической таблицы в основном состоянии имеют конфигурацию s2p4 и общий спин 1. Поэтому они двухвалентные. Существует также возможность перехода атома в возбужденное состояние s2p3s" со спином 2, в котором валентность равна 4 или 6.
Элементам седьмой колонки периодической таблицы не хватает одного электрона на внешней оболочке для того, чтобы ее заполнить. Они в основном одновалентные. Однако могут вступать в химические соединения в возбужденных состояниях, проявляя валентности 3,5,7.
Для переходных элементов характерно заполнение внешней s-оболочки, прежде чем полностью заполняется d-оболочка. Поэтому они в основном имеют валентность 1 или 2, но в некоторых случаях один из d-электронов участвует в образовании химических связей, и валентность становится равной трем.
При образовании химических соединений атомные орбитали видоизменяются, деформируются и становятся молекулярных орбиталей. При этом происходит процесс гибридизации орбиталей - образование новых орбиталей, как специфической суммы базовых.
История понятия атом
Подробнее в статье атомистика
Понятие атом, как и само слово, имеет древнегреческое происхождение, хотя истинность гипотезы о существовании атомов нашла свое подтверждение только в 20 веке. Основной идеей, которая стояла за данным понятием протяжении всех столетий, было представление о мире как о наборе огромного количества неделимых элементов, которые являются очень простыми по своей структуре и существуют от начала времен.
Первые проповедники атомистического учения
Первым начал проповедовать атомистическое учения в 5 веке до нашей эры философ Левкипп. Затем эстафету подхватил его ученик Демокрит. Сохранились лишь отдельные фрагменты их работ, из которых становится ясно, что они исходили из небольшого количества достаточно абстрактных физических гипотез:
«Сладость и горечь, жара и холод смысл определения, на самом же [только] атомы и пустота».
По Демокритом, вся природа состоит из атомов, мельчайших частиц вещества, которые покоятся или движутся в совершенно пустом пространстве. Все атомы имеют простую форму, а атомы одного сорта тождественны; многообразие природы отражает многообразие форм атомов и многообразие способов, в которые атомы могут сцепляться между собой. И Демокрит, и Левкип считали, что атомы, начав двигаться, продолжают двигаться по законам природы.
Наиболее тяжелым для древних греков был вопрос о физической реальности основных понятий атомизма. В каком смысле можно было говорить о реальности пустоты, если она, не имея материи, не может иметь никаких физических свойств? Идеи Левкипа и Демокрита не могли служить удовлетворительной основой теории вещества в физическом плане, поскольку не объясняли, не из чего состоят атомы, ни почему атомы неделимы.
Через поколение после Демокрита, Платон предложил свое решение этой проблемы: «мельчайшие частицы принадлежат не царству материи, а царству геометрии; они представляют собой различные телесные геометрические фигуры, ограниченные плоскими треугольниками».
Понятие атома в индийской философии
Через тысячу лет отвлеченные рассуждения древних греков проникли в Индию и были восприняты некоторыми школами индийской философии. Но если западная философия считала, что атомистическая теория должна стать конкретной и объективной основой теории материального мира, индийская философия всегда воспринимала вещественный мир как иллюзию. Когда атомизм появился в Индии, он принял форму теории, согласно которой реальность в мире имеет процесс, а не субстанция, и что мы присутствуем в мире как звенья процесса, а не как сгустки вещества.
То есть и Платон, и индийские философы считали примерно так: если природа состоит из мелких, но конечных по размерам, долей, то почему их нельзя разделить, хотя бы в воображении, на еще более мелкие частицы, которые стали предметом дальнейшего рассмотрения?
Атомистическая теория в римской науке
Римский поэт Лукреций (96 - 55 годы до н.э.) был одним из немногих римлян, которые проявляли интерес к чистой науки. В своей поэме О природе вещей (De rerum natura) он подробно выстроил факты, свидетельствующие в пользу атомистической теории. Например, ветер, дующий с большой силой, хотя никто не может его видеть, наверное состоит из частиц, утечка чтобы их разглядеть. Мы можем чувствовать вещи на расстоянии по запаху, звука и теплу, которые распространяются, оставаясь невидимыми.
Лукреций связывает свойства вещей со свойствами их составляющих, т.е. атомов: атомы жидкости малы и имеют округлую форму, поэтому жидкость течет так легко и просачивается через пористую вещество, тогда как атомы твердых веществ имеют крючки, которыми они сцеплены между собой. Так же и различные вкусовые ощущения и звуки разной громкости состоят из атомов соответствующих форм - от простых и гармоничных к извилистым и нерегулярных.
Но учение Лукреция были осуждены церковью, поскольку он дал довольно материалистическую их интерпретацию: например, представление о том, что Бог, запустив один раз атомный механизм, более не вмешивается в его работу, или то, что душа умирает вместе с телом.
Первые теории о строении атома
Одна из первых теорий о строении атома, которая имеет уже современные очертания, была описана Галилеем (1564-1642). По его теории вещество состоит из частиц, которые не находятся в состоянии покоя, а под воздействием тепла движутся во все стороны; тепло - является ничем иным как движением частиц. Структура частиц является сложной, и если лишить любую часть ее материальной оболочки, то изнутри брызнет свет. Галилей был первым, кто, хотя и в фантастической форме, представил строение атома.
Научные основы
В 19 веке Джон Дальтон получил свидетельство существования атомов, но предполагал, что они неделимы. Эрнест Резерфорд показал экспериментально, что атом состоит из ядра, окруженного отрицательно заряженными частицами - электронами.
Атом, как обособленная единица, построен из ядра, заряженного положительным и из электронов, несущих отрицательных заряд. Вот из чего состоит атом.
В его центре располагается ядро, которое образуют ещё более мелкие частицы - протоны и нейтроны. Относительно радиуса всего атома радиус ядра примерно в сто тысяч раз меньше. Плотность ядра чрезвычайно высока.
Стабильная ядра с положительным зарядом - это протон. Нейтрон - это элементарная частица, не обладающая электрическим зарядом, с массой, приблизительно равной массе протона. Масса ядра складывается, соответственно, из общей массы протонов и нейтронов, совокупность которых в составе ядра сокращённо называют нуклоном. Эти нуклоны в ядре связаны уникальными Число протонов в атоме равно определённому в атомной оболочке и, как следствие, составляет основу для химических свойств атома.
Электрон как мельчайшая частица вещества несёт в себе элементарный отрицательный электрический постоянно вращаются вокруг ядра по определённым орбитам подобно вращению планет вокруг Солнца. Таким образом, на вопрос о том, из чего состоит атом, можно дать следующий ответ: из элементарных частиц с положительными, отрицательными и нейтральными зарядами.
Существует следующая закономерность: размер атома зависит от размера его электронной оболочки, или высоты орбиты. В рамках ответа на вопрос о том, из чего состоит атом, можно уточнить, что электроны способны как добавляться, так и удаляться из атома. Это обстоятельство превращает атом в положительный ион или, соответственно, в отрицательный. А сам процесс трансформации элементарной химической частицы называют ионизацией.
В сконцентрирован большой запас энергии, которая способна высвобождаться во время ядерных реакций. Такие реакции, как правило, возникают при столкновении атомных ядер с другими элементарными частицами или с ядрами иных химических элементов. В результате способны образовываться новые ядра. Например, реакция способна осуществить переход нейтрона в протон, при этом из ядра атома удаляется бета-частица, иначе - электрон.
Качественный переход в центре атома протона в нейтрон способен осуществляться двумя вариантами. В первом случае из ядра выходит частица с массой, которая равна массе электрона, однако с положительным зарядом, называющаяся позитроном (так называемый позитронный распад). Второй вариант предполагает захват ядром атома одного из ближайшей к нему электронов с К-орбиты (К-захват). Так химические элементы превращаются из одного в другой благодаря тому, из чего состоит атом.
Бывают такие состояния образовавшегося ядра, когда оно обладает избытком энергии, иначе говоря, оно находится в возбуждённом состоянии. В случае перехода в естественное состояние ядро выделяет чрезмерную энергию в виде порции электромагнитного излучения с очень малой длиной волны - так образуется гамма-излучение. Та энергия, что выделяется при осуществляемых ядерных реакциях, находит практическое применение в ряде отраслей науки и промышленности.
Начиная от периода античности и до средины 18-го века в науке господствовали представления о том, что атом - это частица материи, которую нельзя разделить. Английский ученый, а также и естествоиспытатель Д. Дальтон дал определение атома как наименьшей составной части химического элемента. М. В. Ломоносов в своем атомно-молекулярном учении смог дать определение атома и молекулы. Он был уверен в том, что молекулы, которые он называл «корпускулами», состоят из «элементов» - атомов - и находятся в постоянном движении.
Д. И. Менделеев считал, что эта субъединица веществ, составляющих материальный мир, сохраняет все свои свойства только в случае, если она не подвергается разделению. В данной статье мы дадим определение атома как объекта микромира и изучим его свойства.
Предпосылки создания теории строения атома
В 19 веке общепризнанным считалось утверждение о неделимости атома. Большинство ученых считали, что частицы одного химического элемента ни при каких условиях не могут превратиться в атомы другого элемента. Эти представления служили основой, на которой базировалось определение атома до 1932 года. В конце 19 столетия в науке были сделаны фундаментальные открытия, которые изменили эту точку зрения. Прежде всего в 1897 году английским физиком Д. Ж. Томсоном был открыт электрон. Этот факт в корне менял представления ученых о неделимости составной части химического элемента.
Как доказать, что атом сложно устроен
Еще до ученые единодушно сходились во мнении о том, что атомы не имеют зарядов. Потом было установлено, что электроны легко выделяются из какого угодно химического элемента. Их можно обнаружить в пламени, они являются переносчиками электрического тока, их выделяют вещества во время рентгеновского излучения.
Но если электроны входят в состав всех без исключения атомов и заряжены отрицательно, значит, в атоме есть еще какие-то частицы, которые обязательно имеют положительный заряд, в противном случае атомы не были бы электронейтральными. Помочь разгадать строение атома помогло такое физическое явление, как радиоактивность. Оно дало правильно определение атома в физике, а затем и в химии.
Невидимые лучи
Французским физиком А. Беккерелем было впервые описано явление испускания атомами некоторых химических элементов, визуально невидимых лучей. Они ионизируют воздух, проходят через вещества, вызывают почернение фотопластинок. Позже супруги Кюри и установили, что радиоактивные вещества превращаются в атомы других химических элементов (например, уран - в нептуний).
Радиоактивное излучение неоднородно по составу: альфа-частицы, бета-частицы, гамма-лучи. Таким образом, явление радиоактивности подтвердило, что частицы элементов таблицы Менделеева имеют сложное строение. Этот факт послужил причиной изменений, внесенных в определение атома. Из каких частиц состоит атом, если учитывать полученные Резерфордом новые научные факты? Ответом на этот вопрос стала предложенная ученым ядерная модель атома, согласно которой вокруг положительно-заряженного ядра вращаются электроны.
Противоречия модели Резерфорда
Теория ученого, несмотря на ее выдающийся характер, не смогла объективно дать определение атома. Её выводы шли вразрез с фундаментальными законами термодинамики, согласно которым все электроны, вращающиеся вокруг ядра, теряют свою энергию и, как бы то ни было, рано или поздно должны упасть на него. Атом в этом случае разрушается. Этого на самом деле не происходит, так как химические элементы и частицы, из которых они состоят, существуют в природе очень долго. Необъяснимо такое определение атома, базирующиеся на теории Резерфорда, равно как и явление, возникающее при пропускании раскаленных простых веществ через дифракционную решетку. Ведь образующиеся при этом атомные спектры имеют линейную форму. Это вступало в противоречие с резерфордовской моделью атома, согласно которой спектры должны были бы быть сплошными. Согласно представлениям квантовой механики, в настоящее время электроны характеризуются в ядре не как точечные объекты, а как имеющие вид электронного облака.
Наибольшая его плотность в определенном локусе пространства вокруг ядра и считается местоположением частицы в данный момент времени. Также было выяснено, что в атоме электроны расположены послойно. Количество слоев можно определить, зная номер периода, в котором находится элемент в периодической системе Д. И. Менделеева. Например, атом фосфора содержит 15 электроном и имеет 3 энергетических уровня. Показатель, определяющий количество энергетических уровней, называют главным квантовым числом.
Экспериментально было установлено, что электроны энергетического уровня, расположенного ближе всех к ядру, имеют наименьшую энергию. Каждая энергетическая оболочка делится на подуровни, а они, в свою очередь, на орбитали. Электроны, расположенные на различных орбиталях, имеют равную форму облака (s, p, d, f).
Исходя из вышесказанного следует, что форма электронного облака не может быть произвольной. Она строго определена согласно орбитального Добавим еще и то, что состояние электрона в макрочастице определяется еще двумя значениями - магнитным и спиновым квантовыми числами. Первое базируется на уравнении Шредингера и характеризует пространственную ориентацию электронного облака исходя из трехмерности нашего мира. Второй показатель - спиновое число, по нему определяют вращение электрона вокруг своей оси по или против часовой стрелки.
Открытие нейтрона
Благодаря работам Д. Чедвика, проведенным им в 1932 году, было дано новое определение атома в химии и физике. В своих опытах ученый доказал, что при расщеплении полония возникает излучение, вызванное частицами, не имеющими заряда, с массой 1,008665. Новая элементарная частица была названа нейтроном. Её открытие и изучение её свойств позволило советским ученым В. Гапону и Д. Иваненко создать новую теорию строения атомного ядра, содержащего протоны и нейтроны.
Согласно новой теории, определение атома вещества имело следующий вид: это структурная единица химического элемента, состоящая из ядра, содержащего протоны и нейтроны и электронов, движущихся вокруг него. Число положительных частиц в ядре всегда равно порядковому номеру химического элемента в периодической системе.
В дальнейшем профессор А. Жданов в своих опытах подтвердил, что под влиянием жесткого космического излучения атомные ядра расщепляются на протоны и нейтроны. Кроме этого, было доказано, что силы, удерживающие эти элементарные частицы в ядре, чрезвычайно энергоемкие. Они действуют на очень коротких расстояниях (порядка 10 -23 см) и называются ядерными. Как было сказано ранее, еще М. В. Ломоносов смог дать определение атома и молекулы исходя из известных ему научных фактов.
В настоящее время общепризнанной считают следующую модель: атом состоит из ядра и электронов, движущихся вокруг него по строго определенным траекториям - орбиталям. Электроны одновременно проявляют свойства и частицы, и волны, то есть, имеют дуальную природу. В ядре атома сосредоточена практически вся его масса. Она состоит из протонов и нейтронов, связанных ядерными силами.
Можно ли взвесить атом
Оказывается, каждый атом имеет массу. Например, у гидрогена она равна 1,67х10 -24 г. Даже трудно представить насколько мала эта величина. Чтобы найти вес такого объекта, используют не весы, а осциллятор, представляющий собой углеродную нанотрубку. Для расчета веса атома и молекулы более удобной величиной является относительная масса. Она показывает, во сколько раз вес молекулы или атома больше чем 1/12 часть атома карбона, которая составляет 1,66х10 -27 кг. Относительные атомные массы указаны в периодической системе химических элементов, и они не имеют размерности.
Ученые хорошо знают, что атомная масса химического элемента - это средняя величина массовых чисел всех его изотопов. Оказывается, в природе единицы одного химического элемента могут иметь различные массы. При этом заряды ядер таких структурных частиц одинаковы.
Учеными установлено, что изотопы различаются между собой количеством нейтронов в ядре, а заряд ядер у них одинаков. Например, у атома хлора, имеющего массу 35 содержится 18 нейтронов и 17 протонов, а с массой 37 - 20 нейтронов и 17 протонов. Многие химические элементы представляют собой смеси изотопов. Например, такие простые вещества, как калий, аргон, кислород содержат в своем составе атомы, представляющие 3 разных изотопа.
Определение атомарности
Оно имеет несколько трактовок. Рассмотрим, что понимают под этим термином в химии. Если атомы какого-либо химического элемента способны хотя бы кратковременно существовать обособленно, не стремясь к образованию более сложной частицы - молекулы, то говорят, что такие вещества имеют атомарное строение. Например, многостадийная реакция хлорирования метана. Она широко применяется в химии органического синтеза для получения важнейших галогеносодержащих производных: дихлорметана, четыреххлористого углерода. В ней происходит расщепление молекул хлора на атомы, обладающие высокой реакционной способностью. Они разрушают сигма-связи в молекуле метана, обеспечивая цепную реакцию замещения.
Еще один пример химического процесса, имеющего большое значение в промышленности - использование пероксида водорода в качестве дезинфицирующего и отбеливающего средства. Определение атомарного кислорода, как продукта расщепления перекиси водорода, происходит как в живых клетках (под действием фермента каталазы), так и в лабораторных условиях. качественно определяют по его высоким антиоксидантным свойствам, а также по способности разрушать патогенные агенты: бактерии, грибы и их споры.
Как устроена атомная оболочка
Нами было уже выяснено ранее, что структурная единица химического элемента имеет сложное строение. Вокруг положительно-заряженного ядра вращаются отрицательные частицы электроны. Лауреат Нобелевской премии Нильс Бор, основываясь на квантовой теории света, создал свое учение, в котором характеристика и определение атома имеют следующий вид: электроны двигаются вокруг ядра только по определенным стационарным траекториям, при этом не излучают энергию. Учение Бора доказало, что частицы микромира, к которым относятся атомы и молекулы, не подчиняются законам, справедливым для больших тел - объектов макрокосмоса.
Строение электронных оболочек макрочастиц было изучено в работах по квантовой физике таких ученых, как Хунд, Паули, Клечковский. Так стало известно, что электроны делают вращательные движения вокруг ядра не хаотично, а по определенным стационарным траекториям. Паули установил, что в пределах одного энергетического уровня на каждой из его орбиталей s, p, d, f в электронных ячейках может находиться не более двух отрицательно заряженных частиц с противоположным значением спина + ½ и - ½.
Правило Хунда объяснило, как правильно заполняются электронами орбитали с одинаковым уровнем энергии.
Правило Клечковского, называемое еще правилом n+l, объяснило, как заполняются орбитали многоэлектронных атомов (элементов 5, 6, 7 периодов). Все вышеперечисленные закономерности послужили теоретическим обоснованием системы химических элементов, созданной Дмитрием Менделеевым.
Степень окисления
Она является фундаментальным понятием в химии и характеризует состояние атома в молекуле. Современное определение степени окисления атомов звучит следующим образом: это условный заряд атома в молекуле, который рассчитывают исходя из представлений, что молекула имеет только ионный состав.
Степень окисления может выражаться целым или дробным числом, с положительным, отрицательным или нулевым значениями. Чаще всего атомы химических элементов имеют несколько степеней окисления. Например, у азота это -3, -2, 0, +1, +2, +3, +4, +5. А вот такой химический элемент, как фтор, во всех своих соединениях имеет только одну степень окисления, равную -1. Если он представлен простым веществом, то его степень окисления равна нулю. Этой химической величиной удобно пользоваться для классификации веществ и для описания их свойств. Чаще всего степенью окисления атома пользуются в химии при составлении уравнений окислительно-восстановительных реакций.
Свойства атомов
Благодаря открытиям квантовой физики, современное определение атома, базирующееся на теории Д. Иваненко и Е. Гапона, дополняется следующими научными фактами. Строение ядра атома не изменяется во время химических реакций. Изменению подвергаются только стационарные электронные орбитали. Их строением можно объяснить очень много физических и химических свойств веществ. Если электрон покидает стационарную орбиту и переходит на орбиталь с более высоким показателем энергии, такой атом называется возбужденным.
Нужно отметить, что электроны не могут длительное время находиться на таких несвойственных им орбиталях. Возвращаясь на свою стационарную орбиту, электрон излучает квант энергии. Изучение таких характеристик структурных единиц химических элементов, как сродство к электрону, электроотрицательность, энергия ионизации, позволило ученым не только дать определение атома, как важнейшей частице микромира, но также позволило им объяснить способность атомов образовывать стойкое и энергетически более выгодное молекулярное состояние материи, возможное вследствие создания различных типов устойчивой химической связи: ионной, ковалентно-полярной и неполярной, донорно-акцепторной (как разновидности ковалентной связи) и металлической. Последняя обуславливает важнейшие физические и химические свойства всех металлов.
Экспериментально установлено, что размер атома может изменяться. Всё будет зависеть от того, в какую молекулу он входит. Благодаря рентгеноструктурному анализу можно рассчитать расстояние между атомами в химическом соединении, а также узнать радиус структурной единицы элемента. Владея закономерностями изменения радиусов атомов, входящих в период или в группу химических элементов, можно спрогнозировать их физические и химические свойства. Например, в периодах с увеличением заряда ядра атомов их радиусы уменьшаются («сжатие атома»), поэтому металлические свойства соединений ослабевают, а неметаллические усиливаются.
Таким образом, знания о позволяют точно определить физические и химические свойства всех элементов, входящих в периодическую систему Менделеева.
Современный человек постоянно слышит словосочетания, которые содержат производные от слова «атом». Это энергия, электростанция, бомба. Кто-то принимает это как должное, а некоторые задаются вопросом: «Что такое атом?».
Что означает это слово?
Оно имеет древнегреческие корни. Происходит от «атомос», которое в дословном переводе значит «неразрезаемый».
Кто-то, уже немного знакомый с физикой атома, возмутится: "Как "неразрезаемый"? Он же состоит из каких-то частиц!" Все дело в том, что название появилось, когда ученые еще не знали, что атомы - не мельчайшие частицы.
После опытного доказательства этого факта было решено не менять привычного названия. И в 1860 году "атомом" стали называть мельчайшую частицу, которая имеет все свойства химического элемента, к которому относится.
Что больше атома и меньше его?
Молекула всегда больше. Она образована из нескольких атомов и является самой маленькой частицой вещества.
А вот меньше — элементарные частицы. Например, электроны и протоны, нейтроны и кварки. Их очень много.
Уже много чего про него сказано. Но до сих пор еще не очень понятно, что такое атом.
Что он из себя представляет?
Вопрос о том, как представить модель атома, уже давно занимает ученых. Сегодня принята та из них, которую предложил Э. Резерфорд и доработал Н. Бор. По ней атом разделяется на две части: ядро и электронное облако.
Большая часть массы атома сосредоточена в его центре. Ядро состоит из нейтронов и протонов. А электроны в атоме расположены на достаточно большом удалении от центра. Получается нечто похожее на Солнечную систему. В центре, как Солнце, ядро, и вокруг него вращаются электроны по своим орбиталям, как планеты. Именно поэтому модель часто называют планетарной.
Интересно, что ядро и электроны занимают очень малое пространство по сравнению с общими размерами атома. Получается, что в центре маленькое ядро. Потом пустота. Очень большая пустота. И потом узкая полоска маленьких электронов.
К такой модели атомов ученые пришли не сразу. До этого было выдвинуто множество предположений, которые были опровергнуты опытами.
Одной из таких идей было представление атома в виде сплошного тела, которое имеет положительный заряд. А электроны в атоме предлагалось разместить по всему этому телу. Такую идею выдвигал Дж. Томсон. Его модель атома еще называлась «Пудинг с изюмом». Уж очень модель напоминала это блюдо.
Но она была несостоятельна, потому что не могла объяснить некоторых свойств атома. Поэтому ее отвергли.
Японский ученый Х. Нагаока на вопрос, что такое атом, предлагал такую модель. По его мнению, эта частица имеет отдаленное сходство с планетой Сатурн. В центре ядро, а электроны вращаются вокруг него по орбитам, связанным в кольцо. Несмотря на то, что модель не была принята, некоторые ее положения были использованы в планетарной схеме.
О числах, связанных с атомом
Сначала о физических величинах. Общий заряд атома всегда равен нулю. Это связано с тем, что число электронов и протонов в нем одинаково. А их заряд одинаков по величине и имеет противоположные знаки.
Часто возникают ситуации, когда атом теряет электроны или, наоборот, притягивает к себе лишние. В таких ситуациях говорят о том, что он стал ионом. И его заряд зависит от того, что случилось с электронами. Если их количество стало меньше, заряд иона положительный. Когда электронов больше положенного, ион становится отрицательным.
Теперь о химии. Эта наука, как никакая другая, больше всего дает понимание, что такое атом. Ведь даже основная таблица, которая в ней изучается, основана на том, что атомы расположены в ней в определенном порядке. Речь идет о таблице Менделеева.
В ней каждому элементу приписывается определенный номер, который связан с числом протонов в ядре. Обычно он обозначается буквой z.
Следующее значение — это массовое число. Оно равно сумме протонов и нейтронов, находящихся в ядре атома. Принято его обозначение буквой A.
Два указанных числа связаны друг с другом таким равенством:
A = z + N .
Здесь N — это количество нейтронов в атомном ядре.
Еще одной важной величиной является масса атома. Для ее измерения введена особая величина. Она сокращается: а.е.м . И читается как атомная единица массы. Исходя их этой единицы, три частицы, из которых состоят все атомы Вселенной, имеют массы:
Эти значения часто нужны при решении химических задач.