Из чего состоит атом химия

Что напоминает атом – торт «Киевский» или булочку с изюмом? Разберем атомно-молекулярное учение, узнаем, почему японский физик сравнивал атом с Сатурном, и закрепим знания с помощью мини-теста в конце.

24 апреля 2019
Поделитесь в соц.сетях

История открытия. Демокрит. Начала атомистики

Уже в древности философы задумывались, из чего же состоит природа вокруг них. Демокрит первым из античных ученых предположил, что все в мире состоит из крошечных неделимых частиц. Эту частицу он назвал атом, что в переводе с греческого означает «неделимый».

К сожалению, возможности ученых в те времена были весьма ограничены. Каких-либо приборов, позволяющих исследовать строение вещества, у них не было. Но значение Демокрита в зарождении атомистики невозможно сбросить со счетов истории.

Характеристика элементарных частиц

Из таблички видно, что вся масса атома сосредоточена в протонах и нейтронах, то есть в ядре. При этом само ядро положительно заряжено, а вокруг ядра вращаются отрицательно заряженные электроны.

В разновидностях одного и того же химического элемента может быть различное число элементарных частиц. Давай рассмотрим это на примере атома водорода.

Первый случай: ядро атома водорода состоит из одного протона (масса ядра = 1 а.е.м.). Такой атом называется протием, именно он указан в периодической системе Д.И. Менделеева.

Добавим к этому ядру один нейтрон, тогда масса ядра будет равна 2 а.е.м.. Мы получили вторую разновидность атома водорода — дейтерий.

Если добавить второй нейтрон к такому ядру, то мы получим тритий. Так вот, разновидности одного и того же химического элемента, которые различаются числом нейтронов в ядре, называются изотопами.

Как определить количество элементарных частиц

Сейчас мы научимся определять количество протонов, нейтронов и электронов в атоме любого химического элемента. В этом нам поможет периодическая система Д.И. Менделеева.

Давай рассмотрим ячейку в периодической системе с углеродом:

В верхней части ячейки располагается порядковый номер элемента (это целое число), под ним располагается относительная атомная масса. Она является нецелым числом, поэтому её легко определять. Относительная атомная масса, округленная до целого числа, называется массовым числом.

Эти характеристики связаны с количеством элементарных частиц в атоме следующим образом:

(№ элемента = p = Z = ē)

Число нейтронов = массовое число – порядковый номер

Давай рассмотрим основные определения и положения, связанные с характеристикой элемента и числовыми операциями:

  • Орбиты, на которых располагаются электроны, называются электронными слоями (или энергетическими уровнями). Нумерация слоев начинается с ближайшего к ядру электронного слоя.
  • На каждом электронном слое может находиться не более 2N2 электронов (где N — номер слоя).
  • Число занятых электронами слоев в атоме элемента совпадает с номером периода, в котором он находится.
  • Последний энергетический уровень называют внешним (максимальное число ē на внешнем уровне = 8). Обычно на нем находятся валентные электроны, то есть электроны на внешней (валентной) оболочке атома.
  • Число валентных электронов, как правило, совпадает с номером группы, в котором находится элемент.

Атомы: что внутри?

На примере атома углерода определим количество элементарных частиц в его атоме.

Порядковый номер углерода равен 6, значит, заряд его атома + 6, число протонов и число электронов совпадает и тоже равно 6.

Относительная атомная масса равна 12,01, а число нейтронов равно 12 – 6 = 6.

Углерод находится во втором периоде, IV группе. Это показывает нам, что занято лишь 2 электронных слоя, при этом на внешнем электронном уровне располагаются 4 электрона.

“Грустный” и “веселый” атом

При заполнении электронами ячеек мы описываем так называемое основное состояние. Это такое состояние атома, при котором энергия системы минимальна. Его состояние можно определить как “веселое”: в атоме всё спокойно и в порядке.

Но может быть и другая ситуация, когда на электроны оказывается какое-то воздействие. Тогда происходит процесс, похожий на развод пары в человеческом мире. В результате воздействия те электроны, которые находились на орбитали вдвоем и были спаренными, могут друг с другом “поссориться” и “разъехаться” по разным орбиталям.

Тогда атом можно определить как “грустный”: электроны ссорятся, атома грустит. В химии это состояние и называется возбужденным. Такой “развод” возможен только в пределах одного энергетического уровня.

Атомные подуровни заполняются электронами в порядке увеличения их энергии. Этот порядок выглядит следующим образом:

1s → 2s → 2p → 3s → 3p → 4s → 3d → 4p → 5s → 4d → 5p → 6s → …

Свойства атомов

Массу атомов принято измерять в атомных единицах массы – а.е.м. Атомная единица массы представляет собой массу 1/12 части свободно покоящегося атома углерода, находящегося в основном состоянии.

В химии для измерения массы атомов используется понятие «моль». 1 моль – это такое количество вещества, в котором содержится число атомов, равное числу Авогадро.

Размер

Размеры атомов чрезвычайно малы. Так, самый маленький атом – это атом Гелия, его радиус – 32 пикометра. Самый большой атом – атом цезия, имеющий радиус 225 пикометров. Приставка пико означает десять в минус двенадцатой степени! То есть , если 32 метра уменьшить в тысячу миллиардов раз, мы получим размер радиус атома гелия.

При этом, масштабы вещей таковы, что, по сути, атом на 99% состоит из пустоты. Ядро и электроны занимают крайне малую часть его объема. Для наглядности, рассмотрим такой пример. Если представить атом в виде олимпийского стадиона в Пекине (а можно и не в Пекине, просто представьте себе большой стадион), то ядро этого атома будет представлять собой вишенку, находящуюся в центре поля. Орбиты электронов при этом находились бы где-то на уровне верхних трибун, а вишня весила бы 30 миллионов тонн. Впечатляет, не так ли?

Электроны в атоме

Давайте рассмотрим, какое место занимают электроны в атоме. Если ядро составляет 99,86 % от массы, а, как известно, что количество протонов и электронов равно. То на долю электронов приходится всего 0,14% от массы.

На данный момент, электрон считают элементарной частицей.

Модель Резерфорда (планетарная) на очень примитивном уровне даёт представление,как располагаются электроны и протоны в атоме, поскольку атом имеет достаточно сложное строение.

Электрон настолько мал и находится в постоянном движении с достаточно большой скоростью, что зафиксировать его в определённом месте и времени сложно. Именно по этой причине говорят, что электрон в атоме находится не в заданной точке, а может там предположительно находиться, потому что его зафиксировать в определённый момент времени невозможно.

atom vodoroda

Ядро атома Водорода имеет 1 протон, вокруг которого вращается один электрон. Но как быть, если количество электронов в атоме будет два и более, каким образом они будут размещаться.

Поскольку они двигаются с достаточной большой скоростью, то чтобы указать распределение электронов в атоме используют 4 числа – орбитальные характеристики.

Прежде чем, мы перейдём к орбитальным характеристикам, давайте представим многоэтажный дом, в который необходимо разместить жителей, в нашем случае – это электроны.

Первая орбитальная характеристика

10

Другими словами, представляем, что наш многоэтажный дом содержит 7 этажей. Цифры 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 обозначают номер этажа или энергетические уровни электрона в атоме.

Вторая орбитальная характеристика

11

Возвращаемся к нашему, многоэтажному дому, орбитальное число показывает типы орбиталей или в сравнении с домом квартиры s, p, d и f.

Третья орбитальная характеристика

12

Представить квартиру, в виде ячейки или квадрата, так вот магнитное квантовое число указывает число орбиталей.

13

Смотрим, на первом этаже размещается только s-квартиры, которые будут однокомнатными. На втором этаже уже имеется две квартиры s и р, т.е. однокомнатная и трёхкомнатная. На третьем этаже s, p, d. Четвёртый, пятый и шестой этажи размещают 4 квартиры s, p, d и f.

Четвёртая орбитальная характеристика

14

Это означает, что в одной ячейке (квадрате), может поселиться не больше двух электронов.

Вот на таком достаточно примитивном уровне, мы рассмотрели состояние электронов в атоме. Но как они там располагаются? Каждый электрон занимает своё определённое место, согласно энергии.

Рассмотрим распределение электронов по энергетическим уровням в атоме. Наверняка вы заметили, что наш дом семиэтажный. Как думаете, по какой причине? ПСХЭ содержит 7 периодов (7 этажей). Если элемент находится во втором периоде, значит, его электроны будут занимать 1 и 2 этаж и никаким образом не могут попасть на 5 или 6 этажи. В данном примере 2 этаж будут называть внешним, научным языком – внешним энергетическим уровнем (он крайний).

Главные правила образования оболочки электронов в атоме

15

Источник

Давайте дадим волю фантазии, допустим, к нашему семиэтажному дому подошёл Бор, не лес как вы могли подумать, а элемент. Смотрим в шпаргалку, как вы уже догадались, это будет периодическая таблица, и ищем там его расположение. Бор занимает ячейку под номером 5. Эта ячейка находится во втором периоде, третьей группе. Значит, число электронов в атоме 5, они размещаются на I и II этажах. Первый уровень будут занимать 2 электрона. Значит на второй этаж (внешний уровень) переходят оставшиеся 3. Два будут занимать s-подуровень, один будет размещаться на р-подуровне. Строение оболочки атома В (бор).

16

Составим электронную и графическую схему элемента на примере Si и V с помощью алгоритма.

17

Обратите внимание, чтобы составить электронную формулу элемента, достаточно знать его расположение в ПСХЭ. Итак, начинаем по порядку.

  1. Кремний, находится под № 14, символ Si.Ar (Si) = 28
  2. Заряд ядра +14. e = 14, р = 14, n = 28 – 14 = 14
  3. III период, IV (А)группа.
  4. Энергетических уровней 3. Не забываем, что следуя правилу Гунда, электроны занимают, ячейку по одному на внешнем p-подуровне
  5. Исходя с этого всего, электронная оболочка атома записывается в виде формулы

18

  1. Ванадий, № 23, символ V.
  2. Заряд ядра +23. Электронов 23.
  3. IV период, V(Б) группе.
  4. Энергетических уровней 4. IV открывает большие периоды, которые имеют свою особенность заполнения. Применив принцип Клечковского, мы увидим, что изначально заполняется 4s-подуровень, а только тогда 3d-подуровень.
  5. Исходя с этого всего, схема строения электронной оболочки атома запишется в следующем виде.

19

Существует основное состояние электрона в атоме и возбуждённое, которое возникает, если к атому применить некоторую определённую энергию. Электроны во внешнем электронном слое атома имеют способность перемещаться, занимая место на свободной орбитали, образуя при этом возбуждённое состояние.

20

Обратите внимание, число неспаренных электронов отвечает валентности элементов: Li (I), Be (II), B (III), C (II и IV).

Фактчек

  • Атом — электронейтральная частица, состоящая из ядра и вращающихся вокруг него электронов.
  • Электроны располагаются на электронных подуровнях, причем их число определяется порядковым номером элемента.
  • Существует группа атомов одного и того же химического элемента, у которых имеется разное число нейтронов. Такие элементы называют изотопами.
  • Электроны располагаются по ячейкам так, чтобы энергия системы была минимальна.
  • Иногда для достижения минимума энергии некоторые правила нарушаются — таковым является проскок электрона.

Задание 1.

Ядро атома состоит из:

  1. Протонов и нейтронов
  2. Протонов и электронов
  3. Нейтронов и электронов
  4. Протонов, нейтронов и электронов

Задание 2.

У изотопов различается число:

  1. Протонов
  2. Нейтронов
  3. Электронов
  4. Нейтронов и электронов

Задание 3.

Проскок электрона характерен для элемента:

Задание 4.

На третьем электронном слое может находиться максимально:

  1. 8 электронов
  2. 18 электронов
  3. 2 электрона
  4. 32 электрона

Ответы: 1. — 1; 2. — 2; 3. — 4; 4. — 2.

Строение атома

Уже древнегреческие ученые догадывались о существовании мельчайших химически частиц, из которых состоит любой предмет и организм. И если в XVII-XVIII вв. химики были уверены, что атом неделимая элементарная частица, то на рубеже XIX-XX вв., опытным путем удалось доказать, что атом не является неделимым.

Атом, будучи микроскопической частицей вещества, состоит из ядра и электронов. Ядро в 10000 раз меньше атома, однако практически вся его масса сосредоточена именно в ядре. Главной характеристикой атомного ядра, является то, что он имеет положительный заряд и состоит из протонов и нейтронов. Протоны заряжены положительно, а нейтроны не имеют заряда (они нейтральны).

Связаны они друг с другом с помощью сильного ядерного взаимодействия. Масса протона примерно равна массе нейтрона, но при этом в 1840 раз больше массы электрона. Протоны и нейтроны имеют в химии общее название – нуклоны. Сам атом является электронейтральным.

Атом любого элемента можно обозначить электронной формулой и электронно графической формулой:

Единственным химическим элементом из периодической системы, в ядре которого не содержатся нейтроны, является легкий водород (протий).

Электрон является отрицательно заряженной частицей. Электронная оболочка состоит из движущихся вокруг ядра электронов. Электроны имеют свойства притягиваться к ядру, а между друг друг на них оказывает влияние кулоновское взаимодействие. Чтобы преодолеть притяжения ядра, электроны должны получать энергию от внешнего источника. Чем дальше электрон находится от ядра, тем меньше энергии для этого необходимо.

Модели атомов

На протяжении долго времени ученые стремились познать природу атома. На раннем этапе большой вклад внес древнегреческий философ Демокрит. Хотя сейчас его теория и кажется нам банальной и слишком простой, в тот период, когда представления об элементарных частицах только начинало зарождаться, его теория о кусочках материи воспринималась совершенно серьезно. Демокрит считал, что свойства любого вещества зависят от формы, массы и других характеристик атомов. Так, например, у огня, полагал он, острые атомы – поэтому огонь обжигает; у воды атомы гладкие, поэтому она способна течь; у твердых предметов, по его представлению, атомы были шереховатые.

Демокрит считал, что из атомов состоит абсолютно все, даже душа человека.

В 1904 году Дж. Дж. Томсон предложил свою модель атома. Основные положения теории сводились к тому, что атом представлялся положительно заряженным телом, внутри которого находились электроны с отрицательным зарядом. Позже эта теория была опровергнута Э. Резерфордом.

Модель атома Томсона

Также в 1904 году японским физиком Х. Нагаока была предложена ранняя планетарная модель атома по аналогии с планетой Сатурн. Электроны по этой теории объединены в кольца и вращаются вокруг положительно заряженного ядра. Эта теория оказалась ошибочной.

В 1911 году Э. Резерфорд, проделав ряд опытов, сделал выводы, что атом по своему строению похож на планетную систему. Ведь электроны, словно планеты, движутся по орбитам вокруг тяжелого положительно заряженного ядра. Однако это описание противоречило классической электродинамике. Тогда датский физик Нильс Бор в 1913 году ввел постулаты, суть которых заключалась в том, что электрон, находясь в некоторых специальных состояниях, не излучает энергию. Таким образом, постулаты бора показали, что для атомов классическая механика неприменима. Планетарная модель, описанная Резерфордом и дополненная Бором, получила название – планетарная модель Бора-Резерфорда.

Планетарная модель Бора-Резерфорда

Дальнейшее изучение атома привело к созданию такого раздела, как квантовая механика, с помощью которого объяснялись многие научные факты. Современные представления об атоме развились из планетарной модели Бора-Резерфорда.

Главные правила образования оболочки электронов в атоме

15

Источник

Давайте дадим волю фантазии, допустим, к нашему семиэтажному дому подошёл Бор, не лес как вы могли подумать, а элемент. Смотрим в шпаргалку, как вы уже догадались, это будет периодическая таблица, и ищем там его расположение. Бор занимает ячейку под номером 5. Эта ячейка находится во втором периоде, третьей группе. Значит, число электронов в атоме 5, они размещаются на I и II этажах. Первый уровень будут занимать 2 электрона. Значит на второй этаж (внешний уровень) переходят оставшиеся 3. Два будут занимать s-подуровень, один будет размещаться на р-подуровне. Строение оболочки атома В (бор).

16

Составим электронную и графическую схему элемента на примере Si и V с помощью алгоритма.

17

Обратите внимание, чтобы составить электронную формулу элемента, достаточно знать его расположение в ПСХЭ. Итак, начинаем по порядку.

  1. Кремний, находится под № 14, символ Si.Ar (Si) = 28
  2. Заряд ядра +14. e = 14, р = 14, n = 28 – 14 = 14
  3. III период, IV (А)группа.
  4. Энергетических уровней 3. Не забываем, что следуя правилу Гунда, электроны занимают, ячейку по одному на внешнем p-подуровне
  5. Исходя с этого всего, электронная оболочка атома записывается в виде формулы

18

  1. Ванадий, № 23, символ V.
  2. Заряд ядра +23. Электронов 23.
  3. IV период, V(Б) группе.
  4. Энергетических уровней 4. IV открывает большие периоды, которые имеют свою особенность заполнения. Применив принцип Клечковского, мы увидим, что изначально заполняется 4s-подуровень, а только тогда 3d-подуровень.
  5. Исходя с этого всего, схема строения электронной оболочки атома запишется в следующем виде.

19

Существует основное состояние электрона в атоме и возбуждённое, которое возникает, если к атому применить некоторую определённую энергию. Электроны во внешнем электронном слое атома имеют способность перемещаться, занимая место на свободной орбитали, образуя при этом возбуждённое состояние.

20

Обратите внимание, число неспаренных электронов отвечает валентности элементов: Li (I), Be (II), B (III), C (II и IV).

Периодичность свойств элементов. Электроотрицательность

С развитием учения о строении атома, периодический закон занимает ещё больше значимое место в естествознании. Уже неоднократно говорилось, что ПСХЭ является уникальной подсказкой. Достаточно знать расположение и строение электронных оболочек атомов элементов, и возникает возможность судить о том, какими характеристиками он будет обладать. В настоящее время периодический закон имеет формулировку, данную Менделеевым, с небольшим уточнением.

21

За то, какими свойствами будет наделён элемент, отвечают электроны, которые размещены на внешнем энергетическом уровне. Их ещё называют валентные электроны атома, именно они отвечают за периодическое изменение свойств элементов.

С увеличением массы атома в пределах периода, количество электронов также возрастает, пока не заполнятся все вакантные ячейки уровня.

В ходе химической реакции происходит «движение» электронов. Т.е. одни элементы будут отдавать их, а вторые принимать.

Электроотрицательность — это способность атома «оттягивать» на себя электронную плотность других атомов

При образовании химических связей, каждый атом стремится «к совершенству», т.е. завершить энергетический уровень. Такой уровень имеют благородные газы ns 2 np 6 . А остальным чтобы получить данную конфигурацию необходимо отдать, либо принять электроны.

Рассмотрим на примере, образования вещества NaCl.

22

Отдав свой один электрон с внешнего 3s-уровня, атом Натрия образует ион Na + , по своей электронной конфигурации аналогичный Неону. Хлор принимая электрон, образует ион Cl − – принимая электронную конфигурацию Аргона.

Обобщая данный пример, сделаем вывод, элементы, которые содержат малое количество электронов на внешнем уровне (1 – 3) будут только отдавать электроны – и они будут относиться к металлам. Неметаллы характеризуются способностью принимать электроны.

23

Из определения сделаем вывод, что наибольшую электроотрицательность имеет Фтор (F), нет ни одного элемента, кому бы он смог отдать свой электрон, а будет только забирать. Минимальную ЭО будет иметь Франций (Fr).

Ещё одна важная причина изменения свойств элементов, которая изменяется периодически, это радиус атома. Если ЭО характеризует неметаллы, то по радиусу судят о металлических свойствах. Металлы легко отдают электроны, чем дальше они находятся от ядра, тем легче «отрываются». Радиус атома с увеличением заряда ядра в периоде уменьшается, так как ядро начинает сильнее притягивать электроны.

Оцените статью
TutShema
Добавить комментарий