Урок 13 Получить доступ за 50 баллов Строение атома

Состав атома

В ходе изучения химии вы уже познакомились со многими веществами и их свойствами. В нескольких уроках вам встречалось строение атома. Настало время познакомиться с ним более подробно.

Это нужно для того, чтобы лучше понимать понятия «валентность» и «степень окисления», уметь составлять формулы химических соединений и понимать формулы веществ, изображаенных схемами.

Здесь вы видите, из чего устроены молекулы веществ:

Lorem ipsum dolor sit amet, consectetur adipisicing elit. Adipisci autem beatae consectetur corporis dolores ea, eius, esse id illo inventore iste mollitia nemo nesciunt nisi obcaecati optio similique tempore voluptate!

Adipisci alias assumenda consequatur cupiditate, ex id minima quam rem sint vitae? Animi dolores earum enim fugit magni nihil odit provident quaerat. Aliquid aspernatur eos esse magnam maiores necessitatibus, nulla?

Эта информация доступна зарегистрированным пользователям

С одним из интересных свойств атома связана радиоактивность.

Радиоактивность – свойство атома самопроизвольно излучать невидимые глазом частицы; оно обусловлено распадом их атомных ядер, превращением в другие элементы.

Радиоактивными являются не все атомы.

Как правило, в среднем чем больше масса ядра, тем больше его нестабильность.

Распад радиоактивного атомного ядра сопровождается выбросом трех видов излучений (атом может излучать какой-либо один вид частиц или их комбинацию):

  • альфа излучение α
  • бета излучение β
  • гамма излучение γ

α-лучи представляют собой ядра атомов гелия – частицы, состоящей из двух протонов и двух нейтронов

β-лучи – электроны

γ-лучи – электромагнитное излучение с очень большой частотой: на шкале электромагнитых волн оно находится левее рентгеновского излучения, а значит, является более энергетичным

Lorem ipsum dolor sit amet, consectetur adipisicing elit. Adipisci autem beatae consectetur corporis dolores ea, eius, esse id illo inventore iste mollitia nemo nesciunt nisi obcaecati optio similique tempore voluptate!

Adipisci alias assumenda consequatur cupiditate, ex id minima quam rem sint vitae? Animi dolores earum enim fugit magni nihil odit provident quaerat. Aliquid aspernatur eos esse magnam maiores necessitatibus, nulla?

Эта информация доступна зарегистрированным пользователям

Используя α-излучение и испытывая его действие на тонкую металлическую фольгу, Эрнест Резерфорд обнаружил, что α-частицы, проходя через нее, отклоняются от первоначального направления движения.

Lorem ipsum dolor sit amet, consectetur adipisicing elit. Adipisci autem beatae consectetur corporis dolores ea, eius, esse id illo inventore iste mollitia nemo nesciunt nisi obcaecati optio similique tempore voluptate!

Adipisci alias assumenda consequatur cupiditate, ex id minima quam rem sint vitae? Animi dolores earum enim fugit magni nihil odit provident quaerat. Aliquid aspernatur eos esse magnam maiores necessitatibus, nulla?

Эта информация доступна зарегистрированным пользователям

Это открытие послужило экспериментальным доказательством существования положительно заряженного ядра атома. На его основе в 1911 г. ученый создал планетарную модель атома.

Согласно планетарной модели, атом состоит из несущего положительный заряд ядра и движущихся вокруг него отрицательно заряженных электронов.

Lorem ipsum dolor sit amet, consectetur adipisicing elit. Adipisci autem beatae consectetur corporis dolores ea, eius, esse id illo inventore iste mollitia nemo nesciunt nisi obcaecati optio similique tempore voluptate!

Adipisci alias assumenda consequatur cupiditate, ex id minima quam rem sint vitae? Animi dolores earum enim fugit magni nihil odit provident quaerat. Aliquid aspernatur eos esse magnam maiores necessitatibus, nulla?

Эта информация доступна зарегистрированным пользователям

Сейчас эту модель называют модель Резерфорда-Бора. Датский физик Нильс Бор внёс уточнение в схему Резерфорда: он сказал, что электроны движутся вокруг ядра не хаотично, а по строго определенным орбитам, а также рассчитал радиусы этих орбит.

Радиус первой орбиты в атоме водорода 5,2917720859 х 10−11 м в физики сейчас называют боровским радиусом.

Lorem ipsum dolor sit amet, consectetur adipisicing elit. Adipisci autem beatae consectetur corporis dolores ea, eius, esse id illo inventore iste mollitia nemo nesciunt nisi obcaecati optio similique tempore voluptate!

Adipisci alias assumenda consequatur cupiditate, ex id minima quam rem sint vitae? Animi dolores earum enim fugit magni nihil odit provident quaerat. Aliquid aspernatur eos esse magnam maiores necessitatibus, nulla?

Эта информация доступна зарегистрированным пользователям

Позже были открыты составные части атомного ядра: протон и нейтрон, а еще позднее было выявлено огромное число разнообразных микрочастиц.

 

Таким образом, по современным представлениям, атом состоит из ядра и электронов. В свою очередь, ядро состоит из протонов и нейтронов.

По своей массе протоны и нейтроны почти одинаковы, их массы равны 1 дальтону (атомная единица массы). Протон имеет положительный заряд, условно принятый равным +1, а нейтрон заряда не имеет.

Электрон имеет заряд, по модулю равный заряду протона, но отрицательный, то есть –1. Масса электрона примерно в 1800 раз меньше массы протона, поэтому ей пренебрегают. Протоны обозначают символом р, нейтроны – n, электроны – е.

 

Согласно современной теории ядра, протоны и нейтроны связаны между собой сильным взаимодействием.

Всего физики выделяют 4 вида взаимодействий: сильные (ядерные), слабые, гравитационные, электромагнитные.

Составляющие атом частицы обусловливают его важнейшие характеристики.

Заряд ядра – важнейшая характеристика атома и соответствующего ему химического элемента.

Положительный заряд ядра обусловлен протонами: заряд ядра равен числу протонов в нем.

Порядковый номер элемента в периодической системе Менделеева как раз и равен заряду ядра его атомов и обозначается буквой Z.

Таким образом, химический элемент – это вид атомов с одинаковым зарядом ядра.

Другой характеристикой атома, зависимой от частиц ядра, является масса ядра.

Масса ядра складывается из числа протонов и нейтронов в ядре атома.

От количества и расположения электронов в атоме зависят его качественные характеристики: способность объединяться с другими атомами и химические свойства.

Lorem ipsum dolor sit amet, consectetur adipisicing elit. Adipisci autem beatae consectetur corporis dolores ea, eius, esse id illo inventore iste mollitia nemo nesciunt nisi obcaecati optio similique tempore voluptate!

Adipisci alias assumenda consequatur cupiditate, ex id minima quam rem sint vitae? Animi dolores earum enim fugit magni nihil odit provident quaerat. Aliquid aspernatur eos esse magnam maiores necessitatibus, nulla?

Эта информация доступна зарегистрированным пользователям

Изотопы

Итак, химический элемент – это вид атомов с одинаковым зарядом ядра, а значит, с одинаковым количеством протонов.

А как быть с количеством нейтронов?

Существуют ли атомы с одинаковым количеством протонов, но разным количеством нейтронов?

Да, такие атомы существуют и называются они изотопами.

Изотопы- это атомы с одинаковым количеством протонов, но разным количеством нейтронов.

Слово «изотопы» произошло от двух греческих слов «изос» – равный и «топос» – место. Название обозначает, что такие атомы занимают одно место в периодической системе химических элементов.

В одном из прошлых уроков, когда речь шла про открытие периодического закона, я обратил ваше внимание на несоответствие в таблице элементов: калий находится правее аргона, но его массовое число на единицу меньше.

Таких «аномалий» в таблице несколько: кобальт-никель, теллур-йод.

Lorem ipsum dolor sit amet, consectetur adipisicing elit. Adipisci autem beatae consectetur corporis dolores ea, eius, esse id illo inventore iste mollitia nemo nesciunt nisi obcaecati optio similique tempore voluptate!

Adipisci alias assumenda consequatur cupiditate, ex id minima quam rem sint vitae? Animi dolores earum enim fugit magni nihil odit provident quaerat. Aliquid aspernatur eos esse magnam maiores necessitatibus, nulla?

Эта информация доступна зарегистрированным пользователям

Кроме того, массы всех элементов в периодической системе дробные.

Это не согласуется с тем, что массы протонов и нейтронов приняты за единицу.

Ответы на все эти вопросы химики нашли в начале XX века.

Было обнаружено, что у каждого элемента есть несколько изотопов. Они отличаются только массой ядра.

И для каждого элемента имеется своё процентное соотношение изотопов.

Если умножить процентное содержание изотопа на его массу и полученные значения сложить, то мы получим среднюю массу атомного ядра данного элемента (здесь мы рассматриваем только природные элементы, поскольку с помощью ядерной физики люди искусственно получили очень много изотопов, которых до этого в природе не существовало).

Например, хлор в природе имеет два изотопа: с массовым числом 35 – 75,53 %, с массовым числом 37 – 24,47 %.

Посчитаем среднюю атомную массу природного хлора:

 М=(35 х 0,7553) + (37 х 0,2447)= 35,4894
 
Примерно это значение мы и можем видеть в периодической таблице элементов!

Lorem ipsum dolor sit amet, consectetur adipisicing elit. Adipisci autem beatae consectetur corporis dolores ea, eius, esse id illo inventore iste mollitia nemo nesciunt nisi obcaecati optio similique tempore voluptate!

Adipisci alias assumenda consequatur cupiditate, ex id minima quam rem sint vitae? Animi dolores earum enim fugit magni nihil odit provident quaerat. Aliquid aspernatur eos esse magnam maiores necessitatibus, nulla?

Эта информация доступна зарегистрированным пользователям

Изотопы известны для всех химических элементов.

Абсолютное большинство изотопов нестабильны – такие элементы радиоактивны: ядро атома способно самопроизвольно распадаться.

Открытию и изучению радиоактивных элементов посвятили свою жизнь многие ученые, среди которых особое место занимают супруги Мария и Пьер Кюри.

Lorem ipsum dolor sit amet, consectetur adipisicing elit. Adipisci autem beatae consectetur corporis dolores ea, eius, esse id illo inventore iste mollitia nemo nesciunt nisi obcaecati optio similique tempore voluptate!

Adipisci alias assumenda consequatur cupiditate, ex id minima quam rem sint vitae? Animi dolores earum enim fugit magni nihil odit provident quaerat. Aliquid aspernatur eos esse magnam maiores necessitatibus, nulla?

Эта информация доступна зарегистрированным пользователям

Радиоактивные изотопы находят широкое применение в медицине.

Для исследования функций печени, почек и других органов широко применяется радиоактивный изотоп иод-127, для лечения раковых заболеваний – радиоизотоп кобальт-60.

Радиоизотопы также используют для выявления утечки в технике, испытания двигателей на износ в авиастроении, изучения механизмов химических реакций, измерения толщины металла.

Lorem ipsum dolor sit amet, consectetur adipisicing elit. Adipisci autem beatae consectetur corporis dolores ea, eius, esse id illo inventore iste mollitia nemo nesciunt nisi obcaecati optio similique tempore voluptate!

Adipisci alias assumenda consequatur cupiditate, ex id minima quam rem sint vitae? Animi dolores earum enim fugit magni nihil odit provident quaerat. Aliquid aspernatur eos esse magnam maiores necessitatibus, nulla?

Эта информация доступна зарегистрированным пользователям

На основе радиоактивного изотопа углерода С-14 создан метод радиоуглеродного анализа. Он основан на том, что в живой природе содержание изотопа С-14 постоянно (около 10-10%), а после смерти живого организма  ононачинает уменьшаться (поскольку изотоп является радиоактивным и со временем распадается с образованием азота N-14).

Измеряя количество оставшегося изотопа С-14 в останках организма, мы можем таким образом определить его возраст.

Lorem ipsum dolor sit amet, consectetur adipisicing elit. Adipisci autem beatae consectetur corporis dolores ea, eius, esse id illo inventore iste mollitia nemo nesciunt nisi obcaecati optio similique tempore voluptate!

Adipisci alias assumenda consequatur cupiditate, ex id minima quam rem sint vitae? Animi dolores earum enim fugit magni nihil odit provident quaerat. Aliquid aspernatur eos esse magnam maiores necessitatibus, nulla?

Эта информация доступна зарегистрированным пользователям

Состояния электронов в атоме

Экспериментально установлено, что электроны обладают двойственной природой: для них характерны свойства как частицы (имеют массу и размер), так и волны (не имеют траектории движения и определенного положения в пространстве).

Интересный эксперимент провели с помощью экрана и перегородки с двумя щелями:

Lorem ipsum dolor sit amet, consectetur adipisicing elit. Adipisci autem beatae consectetur corporis dolores ea, eius, esse id illo inventore iste mollitia nemo nesciunt nisi obcaecati optio similique tempore voluptate!

Adipisci alias assumenda consequatur cupiditate, ex id minima quam rem sint vitae? Animi dolores earum enim fugit magni nihil odit provident quaerat. Aliquid aspernatur eos esse magnam maiores necessitatibus, nulla?

Эта информация доступна зарегистрированным пользователям

Опыт без детектирования: электрон ведет себя как волна.

Понятно, что если светить на экран через перегородку, то мы увидим явление интерференции – наложения световых волн друг на друга, то есть на экране будут чередоваться светлые и темные полоски.

Но если «выстреливать» в экран из электронной пушки единичными электронами, то «поведение» электронов будет зависеть от того, что в данный момент делает экспериментатор. Если за электронами не следить, то они также образуют на экране интерференцию, как будто они -  волны.

Но если у перегородки установить детектор, чтобы понять, через какую из щелей прошел электрон, то на экране мы увидим две полоски, как будто электроны - это частицы.

Lorem ipsum dolor sit amet, consectetur adipisicing elit. Adipisci autem beatae consectetur corporis dolores ea, eius, esse id illo inventore iste mollitia nemo nesciunt nisi obcaecati optio similique tempore voluptate!

Adipisci alias assumenda consequatur cupiditate, ex id minima quam rem sint vitae? Animi dolores earum enim fugit magni nihil odit provident quaerat. Aliquid aspernatur eos esse magnam maiores necessitatibus, nulla?

Эта информация доступна зарегистрированным пользователям

Опыт с детектированием: электрон ведёт себя как частица.

Lorem ipsum dolor sit amet, consectetur adipisicing elit. Adipisci autem beatae consectetur corporis dolores ea, eius, esse id illo inventore iste mollitia nemo nesciunt nisi obcaecati optio similique tempore voluptate!

Adipisci alias assumenda consequatur cupiditate, ex id minima quam rem sint vitae? Animi dolores earum enim fugit magni nihil odit provident quaerat. Aliquid aspernatur eos esse magnam maiores necessitatibus, nulla?

Эта информация доступна зарегистрированным пользователям

Экспериментально доказано, что невозможно четко определить местоположение электрона в атоме в любой конкретный момент времени.

Поэтому ученые условились говорить о вероятности пребывания электрона в той или иной части внутриатомного пространства.

Для характеристики состояния электронов в атоме введено понятие «электронное облако».

Lorem ipsum dolor sit amet, consectetur adipisicing elit. Adipisci autem beatae consectetur corporis dolores ea, eius, esse id illo inventore iste mollitia nemo nesciunt nisi obcaecati optio similique tempore voluptate!

Adipisci alias assumenda consequatur cupiditate, ex id minima quam rem sint vitae? Animi dolores earum enim fugit magni nihil odit provident quaerat. Aliquid aspernatur eos esse magnam maiores necessitatibus, nulla?

Эта информация доступна зарегистрированным пользователям

Пространство вокруг ядра атома, в котором наиболее вероятно нахождение электрона, называется его орбиталью.

 

Для описания состояния электронов используют четыре характеристики:

1) Главное квантовое число (n) отражает нахождение электрона на определенном энергетическом уровне.

Общее число уровней в атоме равно номеру периода, в котором расположен химический элемент.

Например, у атома азота семь электронов. Они размещены на двух энергетических уровнях: на первом – 2, на втором – 5.

2) Вторая характеристика – орбитальное квантовое число – уточняет энергетическое состояние электрона в атоме и определяет форму его электронного облака.

Электронные облака могут быть разных форм, и в зависимости от этого различают s-, p-, d-, f-орбитали (эти названия произошли от английских названий спектральных линий соответствующих орбиталей).

Энергия электронов при увеличении номера орбитального квантового числа возрастает неравномерно.

А порядок заполнения электронов при увеличении заряда ядра зависит именно от энергии электрона –он в первую очередь занимает позицию с минимальной энергией.

 

На рисунке показано сравнение энергии электронов с разными орбитальными квантовыми числами.

Lorem ipsum dolor sit amet, consectetur adipisicing elit. Adipisci autem beatae consectetur corporis dolores ea, eius, esse id illo inventore iste mollitia nemo nesciunt nisi obcaecati optio similique tempore voluptate!

Adipisci alias assumenda consequatur cupiditate, ex id minima quam rem sint vitae? Animi dolores earum enim fugit magni nihil odit provident quaerat. Aliquid aspernatur eos esse magnam maiores necessitatibus, nulla?

Эта информация доступна зарегистрированным пользователям

3) Третья орбитальная характеристикамагнитное квантовое число (m) – описывает положение орбитали в пространстве.

Таким образом, орбиталь – это совокупность положений электрона в атоме.

На каждой орбитали может находиться не более двух электронов.

4) У таких электронов отличается четвертая квантовая характеристика – спин.

 

С учетом описанных характеристик электроны в атоме заполняют орбитали не хаотично, а в строго определенном порядке.

В атоме нет абсолютно одинаковых электронов: хотя бы одной из четырех характеристик своего состояния они отличаются друг от друга.

Химическое поведение атомов определяется прежде всего их внешними электронами.

Знание состояния электронов в атоме, графическое и символическое отражение электронных конфигураций их состояния позволяют объяснить многие явления химии.

Lorem ipsum dolor sit amet, consectetur adipisicing elit. Adipisci autem beatae consectetur corporis dolores ea, eius, esse id illo inventore iste mollitia nemo nesciunt nisi obcaecati optio similique tempore voluptate!

Adipisci alias assumenda consequatur cupiditate, ex id minima quam rem sint vitae? Animi dolores earum enim fugit magni nihil odit provident quaerat. Aliquid aspernatur eos esse magnam maiores necessitatibus, nulla?

Эта информация доступна зарегистрированным пользователям

В бесплатной версии урока недоступны:

  • Видео
  • Изображения
  • Дополнительная информация
  • Таблицы
  • Тесты
Получить доступ