Здравствуйте, Дорогие друзья! В этой статье мы с Вами поговорим об атомах и молекулах. Разберемся что это такое и поймём что с ними можно делать.
Итак, первая «пара» по химии у нас начнется со стандартного понятия.
Атом – наименьшая элементарная единица вещества. Долгое время атомы считались неделимыми, то есть в своё время ученые и мыслители обнаружили присутствие атома в веществе, выдохнули свободно, сказали, что меньше атома частиц нет и быть не может и благополучно ввели в заблуждение массу народа. Атом в своём составе имеет такие частицы, как протоны и нейтроны, а, ну да, еще и электроны. Давайте разберемся как принято изображать атом в учебных пособиях.
Мы рассматриваем простейший атом изотопа Водорода, у которого один протон, один нейтрон и по закону жанра один электрон. О том, что такое «изотоп» я расскажу вам в одной из следующих статей. А теперь подумаем так ли выглядит атом на самом деле? Представьте сгусток энергии сжатый в точку, рядом с ним микроскопическая чёрная дыра – эти два компонента – протон и нейтрон, образуют ядро. Вокруг ядра незримый барьер, который не даёт ему разрушиться. Этот барьер настолько сильный, что для того, чтобы его разрушить нужно приложить большое количество энергии. Теперь представьте, что вокруг ядра плавает сверкающая дымка чистой энергии – это не что иное как электрон. Да-да, электрон – это не шарик как мы привыкли его представлять себе. Мы делаем это потому что так проще представить себе крошечное скопление энергии. Почему я не добавил рисунок, который хоть как-нибудь отражал бы вид атома?.. Просто сделать это не так просто, наверное, всей фантазии не хватит на это. Но, мы отвлеклись. Наука – это мир фактов, а для того, чтобы интерпретировать что-либо с их точки зрения, излишние и ненужные подробности можно и опустить.
Итак, исторически сложилось так, что о строении атома выдвигалось несколько гипотез. Первая: модель Томсона или как её прозвали люди «пудинг с изюмом». То есть у нас имеется некая энергетическая субстанция в которой циркулируют энергетические сгустки – электроны. Хорошее объяснение строения атома, вот только не понятно как описать поведение частиц в атоме и взаимодействие между атомами. Ученики превосходят учителей, вот и ученик Томсона, Резерфорд углубил мысль и создал еще одну гипотезу строения атома: планетарную. Думаю, объяснять на что похожа модель Резерфорда не надо: звезда – атом, планеты – электроны. На основе модели Резерфорда была построена та модель, которая была принята всеми как наиболее верная. Эту модель в 1913 году создал Нильс Бор, поэтому она и носит его имя. Модель Бора была очень удачной: с помощью неё удалось описать взаимодействие частиц в атоме. Именно эту модель мы и рассмотрели первой.
Итак, наука не стоит на месте и мы с Вами можем только удивляться её достижениям. Если говоря о радиотехнических цепях мы рассматриваем численные значения, то почему бы не сделать это и в химии. Численные значения следующие:
Ну вот: мы собрали все значения в одном месте. Теперь давайте вспоминать дальше. Атомы, состоящие из нуклонов (протонов и нейтронов) и электронов образуют молекулы, молекулы – вещества, вещества – окружающий нас мир. Все вещества разделяют на две большие группы: металлы и неметаллы. Рассмотрим строение первого пришедшего на ум атома (пока что без классификации на эти группы).
Атом Бериллия имеет в составе своего ядра 4 протона, 5 нейтронов и 4 электрона. То есть заряд атома равен нулю. Как установить число протонов и нейтронов? Число протонов в невозбужденном состоянии соответствует числу электронов (заряд компенсируется). Если знать массу атома вещества, то можно определить и количество положительно и нейтрально заряженных частиц. Но не будем отвлекаться от темы. Зачем я решил привести пример? На рисунке мы видим, что электроны движутся по траекториям – орбиталям. На самом деле, как я уже говорил такое обозначение не является истинным – это всего лишь приближение, принятое учеными для лучшего восприятия процессов, протекающих в атоме. На самом же деле у нас имеется ядро, вокруг которого на определенном расстоянии перетекают «облачки» энергии, у кого с фантазией всё в порядке, те смогут представить. Расстояния, а точнее траектории по которым «плавают» электроны для удобства классифицировали. Итак, существуют уровни и подуровни орбиталей. На каждом уровне и подуровне существует своеобразный лимит находящихся на них электронов:
Поясняю изображенное на рисунке. Предположим, что у атома присутствуют все перечисленные орбитали. Первый уровень лежит ближе других к ядру атома, этот уровень обозначается единицей. Его форма условно принята за сферу, поэтому к названию уровня (единица) добавляется пояснение в виде буквы «s» – сфера. Получаем название первой атомной орбитали: 1s. На первой орбитали может находиться не больше двух электронов. Это ограничение называется принципом Паули. Его мы подробно рассмотрим в одной из последующих статей. Переходим на второй уровень – он расположен немного дальше от ядра, чем первый. Второй уровень содержит две орбитали: одну – сферическую, вторую – в виде двух симметрично расположенных друг напротив друга капель или гантелевидную. Первый подуровень второго уровня называется 2s, аналогично орбитали первого уровня. Второй подуровень называется главным и обозначается буквой «p». То есть орбиталь называется 2р. На 2р орбитали могут располагаться до 6 электронов. А значит общее максимальное количество электронов на втором уровне – 8. Дальше идёт третий уровень. Первый подуровень третьего уровня – сфера, называется 3s. Второй подуровень третьего уровня – гантель, называется 3р. Третий подуровень – двойная гантель, он носит название 3d. На d-орбиталях могут находиться до 10 электронов. В итоге, общее количество электронов на третьем уровне может достигать 2+6+10=18. Идём дальше. Четвертый уровень. Первый подуровень четвёртого уровня – сфера, он носит название, как Вы уже, наверное догадались, 4s. Второй подуровень – гантелеобразный, называется он 4p, далее следует уровень 4d. Замыкает список подуровень 4f - своей формой он напоминает четыре скрещенные гантели. f-орбиталь может содержать до 14 электронов, то есть, в общей сложности, на четвертом уровне могут располагаться до 32 электронов. Далее следуют пятый и последующие уровни. С повышением уровня конфигурация орбиталей изменяется. Запомнили? Теперь вернемся к нашему атому Бериллия и опишем его орбитали. На первом уровне два электрона и на втором тоже два. Орбитали заполняются по порядку, начиная с первой, то есть:
Цифра после обозначения подуровня показывает количество находящихся на нём электронов. Ну две орбитали это как-то не солидно. Давайте распишем орбитали для, например, Урана:
Большое, однако, описание получилось. К слову, правильнее называть подобные описания «электронная формула атома», то есть формула, показывающая расположение электронов в атоме относительно ядра. Мы видим, что две из пяти последних орбиталей у Урана заполнены «как-то не так»: на 5f-орбитали находится 3 электрона вместо положенных 14, на 6d-орбитали – один вместо десяти. О том почему так мы также поговорим позже. Эта статья – ознакомительная. Поэтому ознакамливаемся дальше. Электроны с ядром в атомы соединили, соединяем атомы в молекулы. Как это сделать? Мы уже говорили про заряд атома и о том, что он складывается из зарядов ядра и электронов. У одних на орбиталях имеются вакантные места для электронов, у других – «лишние» электроны. Объединяясь, такие атомы взаимно уравновешивают заряд. Рассмотрим что-нибудь не сложное, пусть это будет молекула Кислорода.
Мы помним, что на р-орбитали максимальное количество электронов составляет 6. Представим следующую картину: мы едем в маршрутке, каждый ряд сидений – орбиталь. Пассажиры стараются занять, по возможности свободные места, то есть, если есть эти самые свободные места, люди не садятся рядом друг с другом. Также и электроны: если имеется возможность двигаться по подуровню в одиночку, парой они двигаться не будут. Назовём такие посадочные места «подорбиталями». На «подорбитали» возможно нахождение максимум двух электронов, и, если имеется возможность, находясь на орбитали не создавать пару, электрон занимает «подорбиталь» в одиночку. Смотрим на Кислород: на 2р-орбитали у него «некомплект», вместо 6 всего 4 электрона. Всего «подорбиталей» у него 3 (так как возможно нахождение максимум 6 электронов, 3*2=6). Четыре на три нацело не делится, то есть какому-нибудь электрону придется занять место рядом с другим электроном. Смотрим на рисунок 4.
Мы видим, что у атома имеется два свободных места. Так почему бы двум атомам не сделать следующее?
Ура. Молекула получена. Теперь вернемся к атому Бериллия. А как ему создать молекулу, если у него заполнены все «подорбитали», то есть свободных мест для электронов нет? Очень просто, смотрим на рисунок 6.
То есть здесь связь образована не путем образования общей электронной пары, а путем перетекания электронов от одного атома к другому. Такая связь называется металлической, а элементы, способные её образовывать – металлами. На данный момент известно около 85 элементов со свойствами металлов. Все остальные элементы образуют связь подобно Кислороду и называются неметаллами. Образуемая неметаллами химическая связь называется ковалентной. А что если у одного атома полный набор электронов, а у другого есть вакантные места, то есть один из элементов – металл, а другой – неметалл? Аналогично металлической связи, электроны от металла устремляются к атому-неметаллу. Однако обратной реакции не следует: электроны надёжно «увязают» на орбиталях неметалла, а лишних электронов для обмена с атомом металла у неметалла нет. Если не поняли из слов, смотрим на рисунок 7.
Такая связь называется ионной. На рисунке показано, как электроны под воздействием тепловой энергии (как и в случае металлической связи) проникают из орбиталей Бериллия (металла) на орбитали Кислорода (неметалла), в итоге образуется молекула оксида Бериллия. Зачем в реакцию вносить тепловую энергию? Всё просто: атому металла незачем отдавать свои электроны, орбитали заполнены полностью, атом стабилен. Именно поэтому электронам металла нужно сообщить энергию, чтобы они вступили в связь с атомом неметалла. На этом, пожалуй, закончим нашу «лекцию». Я постарался объяснить всё максимально простыми словами, надеюсь было понятно и не менее интересно. Если моя статья помогла Вам, поделитесь ею со своими друзьями, может им тоже будет интересно. Ставьте лайки, подписывайтесь на мой канал, чтобы не пропустить новые публикации. Впереди будет много интересного. Следующую статью я планирую посвятить математике, а именно производным. Так что, спасибо что читаете! Удачи!