Урок 13 Получить доступ за 75 баллов Строение 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:

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

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.

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.

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.

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.

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.

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:

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.

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.

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.

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:

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.

Опыт с детектированием: электрон ведёт себя как частица.

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».

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.

3) Третья орбитальная характеристика – магнитное 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.