Часть 1. Введение
Весь наш мир вокруг состоит из материи. А сама она составлена из разных молекул, которые состоят из атомов. Атом - это некий конструкт, из которого устроена наша с вами Вселенная.
В ходе данной статьи разберемся в самом фундаментальном: что такое атом, каковы его свойства и что его определяет.
- Атом (от др.-греч. ἄτομος «неделимый, не разрезаемый») - электронейтральная химически неделимая частица.
Сейчас науке известны физические способы деления, например: как расщеплять тяжелые атомные ядра урана, высвобождая колоссальную энергию. Этим процессом руководят атомные электростанции.
Происходит это потому, что в ядре самого атома участвуют самые сильные силы, известные на данный момент - ядерные силы. Эти силы своего рода удерживают компоненты ядра, чтобы оно само, в свою очередь, не разлетелось во все стороны.
Часть 2. История открытия
С чего все начиналось? В древней Греции зародилось философское учение - атомистика.
Основными основоположниками данного учения считаются Левкипп и Демокрит.
Основной сутью их учения является существование таких мельчайших и неделимых частиц, которые они назвали атомами.
Далее в ходе истории философия и естественные науки развивались. Начали появляться попытки изобразить атом в виде модели.
Джозеф Джон Томсон - ученый, который выдвинул одну из первых моделей атома (1904 г.), которую в мире прозвали как "пудинг с изюмом"
Основой этой модели послужило представление атом, что атом состоит из объема (ядро еще не открыли), который заряжен положительно, а внутри него плавают отрицательно заряженные "изюминки" - электроны.
Однако, в ходе дальнейших экспериментов теория не нашла подтверждения. Теорию полностью опровергли после эксперимента по рассеиванию альфа-частиц на золотой фольге в 1909 г. Ученым, его проводившим является Эрнест Резерфорд, который в 1911 г. предположил, что в атомах существует маленькое положительно заряженное ядро и электроны, вращающиеся вокруг него.
Это было почти столь же невероятно, как если бы вы стреляли 15-дюймовым снарядом в кусок тонкой бумаги, а снаряд возвратился бы к вам и нанёс удар.
— Эрнест Резерфорд
Теория Эрнеста Резерфорда, однако, не объясняло следующую проблему:
Исходя из представлений классической механики, электрон, обладающий энергией должен был ее потерять, тем самым бы упал на ядро, но ничего подобного не происходило. Оставался вопрос - почему?
Данная проблематика привела к развитию нового раздела физики - квантовой механики.
Объяснить решение данной проблемы смог молодой ученый - Нильс Бор. Он в 1913 г. ввел в модель несколько постулатов:
Данные постулаты ответили на основной вопрос - почему электроны не падают на ядро. Теперь ученые поняли, что для объяснения характера электронов и атома нужно прибегнуть к законам квантовой механики.
Часть 3. Основа строения атома
- Планетарная модель атома Бора-Резерфорда:
Мы имеем представление, что в центре атома находится положительно заряженное ядро, а вокруг него по орбитам вращаются отрицательно заряженные электроны.
Давайте остановимся на них поподробнее:
Ядро - заряженно положительно, так как оно содержит положительно заряженные частицы - протоны. Также помимо них в ядре присутствуют нейтрально заряженные частицы - нейтроны (не имеющие заряда)
Как мы уже говорили, компоненты ядра удерживаются при помощи ядерных сил.
Вокруг ядра на большом расстоянии от него расположены атомные орбитали, на которых расположены отрицательно заряженные электроны.
Электроны в сравнении с протонами и нейтронами практически не имеют массы. Протоны и нейтроны, в свою очередь, имеют приблизительно равную массу и составляют 99,9% массы всего атома. Однако ядро составляет ничтожную часть объема всего атома, так как атомные орбитали расположены на большом расстоянии от ядра.
- Атом - электронейтральная частица, поэтому количество протонов должно равняться количеству электронов, чтобы суммарно заряд был равен нулю.
- Протоны и электроны несут одинаковый по модулю элементарный заряд 1,6 * 10^(-19) Кл. У протонов со знаком плюс, у электронов со знаком минус.
- Между положительно заряженным ядром и электронами действуют электростатические (Кулоновские) силы притяжения. Чем дальше находится орбиталь, тем меньше они этим силам подвержены. (Основа химических свойств - обмен электронами между атомами).
Само собой существуют разнообразные по своей природе атомы, которые различаются по своим свойствам, по количеству протонов и нейтронов в системе. Поэтому введено понятие химический элемент, чтобы уметь их различать между собой.
Химический элемент - это как порода у животных, только у атомов.
Элемент обозначается специальным символом (подробнее увидите в периодической таблице химических элементов). Слева от него есть два числа (вверху и внизу):
- Протоновое число Z - порядковый номер элемента, соответствующий количеству протонов в ядре (количество протонов также соответствует количеству электронов у атома).
- Массовое (нуклоновое число) A - общее количество протонов и нейтронов в ядре.
- Суммарное название для протонов и нейтронов - нуклоны.
- Химический элемент, различающийся только количеством нейтронов в ядре - изотоп.
Примечание - в случае, если вам нужно найти количество нейтронов, отнимите от массового числа А протоновое число Z (из общего количества нуклонов вы исключите протоны).
Часть 4. Периодический закон и периодическая система химических элементов (ПСХЭ).
Наверное каждый, хотя бы отдаленно слышал о ПСХЭ и Д.И.Менделееве. Разберем здесь основной закон, который был выдвинут этим ученым и поподробнее взглянем на его таблицу в современном виде.
- Периодический закон был открыт Д.И. Менделеевым в 1868 году. Его современная формулировка: свойства химических элементов и образуемых ими соединений (простых и сложных) находятся в периодической зависимости от величины заряда атомного ядра.
Таблица Менделеева поделена на группы (по вертикали) и периоды (по горизонтали).
- В группах выделены похожие по своим химическим свойствам химические элементы (например, 1я группа - группа щелочных металлов).
- Номер периода соответствует количеству энергетических уровней (количество атомных орбиталей, на которых находятся электроны).
С 1й по 13ю группу находятся представители только металлов. (исключая бор - он полуметалл.)
Группа полуметаллов выделена отдельным цветом - лесенкой, начиная от элемента бора в 13й группе. Под лесенкой всегда будут находится металлы. Над ней и справа от нее - неметаллы.
Отдельно бы хотелось упомянуть и последнюю 18ю (8А) группу - группа благородных (инертных по своей природе) газов. Данные газы неохотно вступают в химические реакции и часто используются для изолирования высокоактивных химических вещевств.
Приведу также примеры часто встречаемых тривиальных названий для отдельных групп:
- 1А группа - группа щелочных металлов
- 2А группа - группа щелочноземельных металлов
- 16 группа (6А группа) - группа халькогенов
- 17 группа (7А группа) - группа галогенов.
Часть 5. Электронные конфигурации и квантовые числа.
Электронные свойства каждого элемента можно расписать при помощи электронной конфигурации и квантовых чисел. Это своего рода инструмент, позволяющий полностью расписать на какой орбитали находится тот или иной электрон, уточнить геометрическую форму этой орбитали, ее магнитные и энергетические свойства и тп.
Я настоятельно советую просмотреть мое авторское видео по теме квантовые числа и электронные конфигурации, там находится полная и подробная информация по данной теме, включая примеры и их решение.
Оставлю вкратце некую информацию и здесь.
Всего существует 4 квантовых числа, при помощи которых мы определяем информацию об электронах и АО (атомных орбиталей)
- Главное квантовое число n - соответствует номеру АО, а также ее уровню энергии (чем больше номер, тем больше энергии).
- Орбитальное квантовое число l - соответствует геометрической форме орбитали, а также и уровню энергии самой орбитали (чем более сложная форма, тем больше энергии)
- Магнитное квантовое число m - соответствует магнитным свойствам этой орбитали, ее положению в пространстве.
- Спиновое квантовое число S - соответствует моменту импульса электрона и его направлению.
Подробнее о каждом из квантовых чисел вы увидите в видео. Хотелось бы еще оставить информацию об электронной конфигурации.
- Электронная конфигурация - способ описать положение и порядок заполнения электронов по соответствующим орбиталям.
Если уходить глубже, что вообще такое атомная орбиталь?
Атомная орбиталь - область вероятности, на которой вероятнее всего находится электрон.
Атомные орбитали бывают следующих форм: s, p, d, f
Чем более сложная форма, тем больше требуется энергии для ее заполнения.
Для удобного заполнения орбиталей по порядку увеличения энергии можно пользоваться следующими трюками:
- Комбинация квантовых чисел n и l дает полное представление об уровне энергии данной конкретной орбитали, находящейся на конкретном энергетическом уровне.
- Для удобства заполнения советую соорудить "лесенку", начиная от 1го энергетического уровня, до последнего.
Примечание: 3d орбитали требуется больше энергии, чем 4s орбитали. Можете сравнить и при помощи комбинации первых двух квантовых чисел. Для 3d орбитали их сумма равна 5, для 4s орбитали их сумма равна 4(можно увидеть справа от начала диагональной стрелки). Поэтому 4s орбиталь будет заполняться первой, а лишь потом 3d орбиталь. Такие моменты не единичны только для данных типов орбиталей, будьте внимательны.
Надеюсь данный гайд вам помог разобраться в теме строении атома, благодарю за внимание.
- Облачко науки