Образуя между собой связи, атомы объединяются в молекулы и большие по размеру твердые тела.
О существовании мельчайших частиц вещества человечество догадывалось еще с давних времен, однако подтверждения существования атомов было получено лишь в конце 19-го века. Но почти сразу же стало понятно, что атомы, в свою очередь, имеют сложное строение, которой определяются их свойства.
Концепция атома как наименьшей неделимой частицы материи впервые была предложена древнегреческими философами. В 17-м и 18-м веках химики установили, что химические вещества вступают в реакции в определенных пропорциях, которые выражаются с помощью малых чисел. Кроме того они выделили определенные простые вещества, которые назвали химическими элементами. Эти открытия привели к возрождению идеи о неделимые частицы. Развитие термодинамики и статистической физики показал, что тепловые свойства тел можно объяснить движением таких частиц. В конце концов были экспериментально определены размеры атомов.
В конце 19-го и в начале 20-го веков, физики открыли первую из субатомных частиц - электрон, а несколько позже атомное ядро, таким образом показав, что атом не является неделим. Развитие квантовой механики позволил объяснить не только строение атомов, а также ихни свойства: оптические спектры, способность вступать в реакции и образовывать молекулы, т.
Общая характеристика строения атома
Современные представления о строении атома базируются на квантовой механике.
На популярном уровне строении атома можно изложить в рамках волновой модели, которая опирается на модель Бора, но учитывает также дополнительные сведения по квантовой механике.
По этой модели:
Атомы состоят из элементарных частиц (протонов, электронови нейтронов). Масса атома в основном сосредоточена в ядре, поэтому большая часть объема относительно пустая. Ядро окружено электронами. Количество электронов равно числу протонов в ядре, число протонов определяет порядковый номер элемента в периодической системе. В нейтральном атоме суммарный отрицательный заряд электронов равен положительному заряду протонов. Атомы одного элемента с разным количеством нейтронов называются изотопами.
В центре атома находится крошечное, положительно заряженное ядро, состоящее из протонов и нейтронов.
Ядро атома примерно в 10 000 раз меньше, чем сам атом. Таким образом, если увеличить атом до размеров аэропорту Борисполь, размер ядра будет меньше размера шарика для настольного тенниса.
Ядро окружено электронной облаком, которое занимает большую часть его объема. В электронной облаке можно выделить оболочки, для каждых из которых существует несколько возможных орбиталей. Заполненные орбитали составляют электронную конфигурацию, характерную для каждого химического элемента.
Каждая орбиталь может содержать до двух электронов, характеризуются тремя квантовыми числами: основным, орбитальным и магнитным.
Каждый электрон на орбитали имеет уникальное значение четвертой квантового числа: спина.
Орбитали определяются специфическим распределением вероятности того, где именно можно найти электрон. Примеры орбиталей и их обозначения приведены на рисунке справа. «Границей» орбитали считается расстояние, на котором вероятность того что электрон может находиться вне ее меньше 90%.
Каждая оболочка может содержать не более от строго определенного числа электронов. Например, ближайшая к ядру оболочка может иметь максимум два электрона, следующая - 8, третья от ядра - 18 и так далее.
Когда электроны присоединяются к атому, они опускаются на орбиталь с низкой энергией. Только электроны внешней оболочки могут участвовать в образовании межатомных связей. Атомы могут отдавать и присоединять электроны, становясь положительно или отрицательно заряженными ионами. Химические свойства элемента определяются тем, с какой легкостью ядро может отдавать или приобретать электроны. Это зависит как от числа электронов так и от степени заполненности внешней оболочки.
Размер атома
Размер атома является величиной, трудно поддается измерению, ведь центральное ядро окружает размыта электронное облако. Для атомов, образующих твердые кристаллы, расстояние между смежными узлами кристаллической решетки может служить приближенным значением их размера. Для атомов, кристаллов не формируют, используют другие техники оценки, включая теоретические расчеты. Например, размер атома водорода оценивают как 1,2 × 10-10 м. Это значение можно сравнить с размером протона (что является ядром атома водорода): 0,87 × 10-15 м и убедиться в том, что ядро атома водорода в 100 000 раз меньше, чем сам атом. Атомы других элементов сохраняют приблизительно то же соотношение. Причиной этого является то, что элементы с большим позитивно-заряженным ядром притягивают электроны сильнее.
Еще одной характеристикой размеров атома радиус ван дер Ваальса - расстояние, на которую до данного атома может приблизиться другой атом. Межатомные расстояния в молекулах характеризуются длиной химических связей или ковалентной радиусом.
Ядро
Основная масса атома сосредоточена в ядре, которое состоит из нуклонов: протонов и нейтронов, связанных между собой силами ядерного взаимодействия.
Количество протонов в ядре атома определяет его атомным номером и то, которому элементу принадлежит атом. Например, атомы углерода содержат 6 протонов. Все атомы с определенным атомным номером имеют одинаковые физические характеристики и проявляют одинаковые химические свойства. В периодической таблице элементы перечислены в порядке возрастания атомного номера.
Общее количество протонов и нейтронов в атоме элемента определяет его атомную массу, поскольку протон и нейтрон имеют массу приблизительно равную 1 а.е.м.. Нейтроны в ядре не влияют на то, которому элементу принадлежит атом, но химический элемент может иметь атомы с одинаковым количеством протонов и разным количеством нейтронов. Такие атомы имеют одинаковый атомный номер, но разную атомную массу, и называются изотопами элемента. Когда пишут название изотопа, после нее пишут атомную массу. Например, изотоп углерод-14 содержит 6 протонов и 8 нейтронов, что в сумме составляет атомную массу 14. Другой популярный метод нотации состоит в том, что атомная масса сказывается верхним индексом перед символом элемента. Например, углерод-14 обозначается, как 14C.
Атомная масса элемента приведена в периодической таблице является усредненным значением массы изотопов встречающихся в природе. Усреднение проводится согласно распространенности изотопа в природе.
С увеличением атомного номера растет положительный заряд ядра, а, следовательно, кулоновское отталкивание между протонами. Чтобы удержать протоны вместе необходимо все больше нейтронов. Однако большое количество нейтронов нестабильна, и это обстоятельство накладывает ограничение на возможный заряд ядра и число химических элементов, существующих в природе. Химические элементы с большими атомными номерами имеют очень малый время жизни, могут быть созданы только при бомбардировке ядер легких элементов ионами, и наблюдаются лишь во время экспериментов с использованием ускорителей. По состоянию на февраль 2008 тяжелым синтезированным химическим элементом является унуноктий
Многие изотопов химических элементов нестабильны и распадаются со временем. Это явление используется радиоелементним тест для определения возраста объектов имеет большое значение для археологии и палеонтологии.
Модель Бора
Модель Бора - первая физическая модель, которая сумела правильно описать оптические спектры атома водорода. После развития точных методов квантовой механики модель Бора имеет только историческое значение, но благодаря своей простоте она до сих пор широко преподается и используется для качественного понимания строения атома.
Модель Бора базируется на планетарной модели Резерфорда, описывающий атом как маленькое положительно заряженное ядро с отрицательно заряженными электронами на орбитах на разных уровнях, что напоминает структуру солнечной системы. Резерфорд предложил планетарную модель, чтобы объяснить результаты своих экспериментов по рассеянию альфа-частиц металлической фольгой. По планетарной моделью атом состоит из тяжелого ядра, вокруг которого вращаются электроны. Но то, чем электроны, вращающиеся вокруг ядра, не падают по спирали на него, было непостижимым для тогдашних физиков. Действительно, согласно классической теории электромагнетизма электрон, который вращается вокруг ядра должен излучать электромагнитные волны (свет), что привело бы к постепенной потере им энергии и падения на ядро. Поэтому, каким образом атом может вообще существовать? Более того, исследование электромагнитного спектра атомов показали, что электроны в атоме могут излучать свет только определенной частоты.
Эти трудности были преодолены в модели предложенной Нильсом Бором в 1913, которая постулирует, что:
Электроны могут находиться только на орбитах, имеющих дискретные квантованные энергии. То есть возможны не любые орбиты, а лишь некоторые специфические. Точные значения энергий допустимых орбит зависят от атома.
Законы классической механики не действуют, когда электроны переходят из одной допустимой орбиты на другую.
Когда электрон переходит с одной орбиты на другую, разница в энергии излучается (или поглощается) единственным квантом света (фотоном), частота которого напрямую зависит от энергетической разницы между двумя орбитами.
где ν - это частота фотона, E - разность энергий, а h - константа пропорциональности, также известная как постоянная Планка.
Определив, что можно записать
где ω это угловая частота фотона.
Допустимые орбиты зависят от квантованных значений углового орбитального момента L, описываемая уравнением
где n = 1,2,3,...
и называется квантовым числом углового момента.
Эти предположения позволили объяснить результаты тогдашних наблюдений, например, почему спектр состоит из дискретных линий. Предположение (4) утверждает, что наименьшее значение n - это 1. Соответственно, наименьший допустимый радиус атома равен 0,526 Å (0,0529 нм = 5,28 · 10-11 м). Это значение известно как радиус Бора.
Иногда модель Бора называют Полуклассическая, потому, что, хотя она включает некоторые идеи квантовой механики, она не является полным квантовомеханических описанием атома водорода. Однако модель Бора была значительным шагом к созданию такого описания.
При строгом квантовомеханической описании атома водорода уровни энергии находятся из решения стационарного уравнения Шредингера. Эти уровни характеризуются тремя указанными выше квантовыми числами, формула для квантования углового момента другая, квантовое число углового момента равен нулю для сферических s-орбиталей, единицы для вытянутых гантелеобразную p-орбиталей и т.д. (см. рисунок вверху).
Энергия атома и его квантование
Значение энергии, которые может иметь атом, исчисляются и интерпретируются, исходя из положений квантовой механики. При этом учитываются такие факторы, как электростатическое взаимодействие электронов с ядром и электронов между собой, спины электронов, принцип Тождественные частицы. В квантовой механике состояние, в котором находится атом описывается волновой функцией, которую можно найти из решения уравнения Шредингера. Существует определенный набор состояний, каждое из которых имеет определенное значение энергии. Состояние с наименьшей энергией называется основным состоянием. Другие состояния называются возбужденными. Атом находится в возбужденном состоянии конечное время, излучая рано или поздно квант электромагнитного поля (фотон) и переходя в основное состояние. В основном состоянии атом может находиться долго. Чтобы возбудиться, ему нужна внешняя энергия, которая может поступить к нему только из внешней среды. Атом излучает или поглощает свет только определенных частот, соответствующих разности энергий его состояний.
Возможные состояния атома индексируются квантовыми числами, такими как спин, квантовое число орбитального момента, квантовое число полного момента. Подробнее об их классификации можно прочитать в статье электронные терм
Электронные оболочки сложных атомов
Сложные атомы имеют десятки, а для очень тяжелых элементов, даже сотни электронов. Согласно принципу Тождественные частицы электронные состояния атомов формируются всеми электронами, и невозможно определить, где находится каждый из них. Однако, в так называемом одноэлектронном приближении, можно говорить об определенных энергетические состояния отдельных электронов.
Согласно этим представлениям существует определенный набор орбиталей, которые заполняются электронами атома. Эти орбитали образуют определенную электронную конфигурацию. На каждой орбитали может находиться не более двух электронов (принцип запрета Паули). Орбитали группируются в оболочки, каждая из которых может иметь лишь определенное фиксированное число орбиталей (1, 4, 10 и т.д.). Орбитали подразделяют на внутренние и внешние. В основном состоянии атома внутренние оболочки полностью заполнены электронами.
На внутренних орбиталях электроны находятся очень близко к ядру и сильно к нему привязаны. Чтобы вырвать электрон из внутренней орбитали нужно предоставить ему большую энергию, до нескольких тысяч электрон-вольт. Такую энергию электрон на внутренней оболочке может получить лишь поглотив квант рентгеновского излучения. Энергии внутренних оболочек атомов индивидуальны для каждого химического элемента, а потому по спектру рентгеновского поглощения можно идентифицировать атом. Это обстоятельство используют в рентгеновском анализе.
На внешней оболочке электроны находятся далеко от ядра. Именно эти электроны участвуют в формировании химических связей, поэтому внешнюю оболочку называют валентной, а электроны внешней оболочки валентными электронами.
Квантовые переходы в атоме
Между различными состояниями атомов возможны переходы, вызванные внешним возмущением, чаще электромагнитным полем. Вследствие квантования состояний атома оптические спектры атомов состоят из отдельных линий, если энергия кванта света не превышает энергию ионизации. При более высоких частотах оптические спектры атомов становятся непрерывными. Вероятность возбуждения атома светом падает с дальнейшим ростом частоты, но резко возрастает при определенных характерных для каждого химического элемента частотах в рентгеновском диапазоне.
Возбужденные атомы излучают кванты света с теми же частотами, на которых происходит поглощение.
Переходы между различными состояниями атомов могут вызываться также взаимодействием с быстрыми заряженными частицами.
Химические и физические свойства атома
Химические свойства атома определяются в основном валентными электронами - электронами на внешней оболочке. Количество электронов на внешней оболочке определяет валентность атома.
Атомы последнего столбца периодической таблице элементов имеют полностью заполненную внешнюю оболочку, а для перехода электрона на следующую оболочку нужно предоставить атома очень большую энергию. Поэтому эти атомы инертны, не склонны вступать в химические реакции. Инертные газы изреживаются и кристаллизуются только при очень низких температурах.
Атомы первого столбца периодической таблицы элементов имеют на внешней оболочке один электрон, и является химически активными. Их валентность равна 1. Характерным типом химической связи для этих атомов в кристаллизованного состоянии является металлический связь.
Атомы второго столбика периодической таблицы в основном состоянии имеют на внешней оболочке 2 s-электроны. Их внешняя оболочка заполнена, поэтому они должны быть инертными. Но для перехода из основного состояния с конфигурацией электронной оболочки s2 в состояние с конфигурацией s1p1 нужно очень мало энергии, поэтому эти атомы имеют валентность 2, однако они проявляют меньшую активности.
Атомы третьего столбика периодической таблице элементов имеют в основном состоянии электронную конфигурацию s2p1. Они могут проявлять разную валентность: 1, 3, 5. Последняя возможность возникает тогда, когда электронная оболочка атома дополняется до 8 электронов и становится замкнутой.
Атомы Четвертая колонка периодической таблицы элементов своем имеют валентность 4 (например, углекислый газ CO2), хотя возможна и валентность 2 (например, угарный газ CO). До этого столбика принадлежит углерод - элемент, который образует самые разнообразные химические соединения. Соединениям углерода посвящен особый раздел химии - органическая химия. Другие элементы этого столбика - кремний, германий при обычных условиях является твердотельными полупроводниками.
Элементы пятой колонки имеют валентность 3 или 5.
Элементами шестого столбца периодической таблицы в основном состоянии имеют конфигурацию s2p4 и общий спин 1. Поэтому они двухвалентные. Существует также возможность перехода атома в возбужденное состояние s2p3s" со спином 2, в котором валентность равна 4 или 6.
Элементам седьмой колонки периодической таблицы не хватает одного электрона на внешней оболочке для того, чтобы ее заполнить. Они в основном одновалентные. Однако могут вступать в химические соединения в возбужденных состояниях, проявляя валентности 3,5,7.
Для переходных элементов характерно заполнение внешней s-оболочки, прежде чем полностью заполняется d-оболочка. Поэтому они в основном имеют валентность 1 или 2, но в некоторых случаях один из d-электронов участвует в образовании химических связей, и валентность становится равной трем.
При образовании химических соединений атомные орбитали видоизменяются, деформируются и становятся молекулярных орбиталей. При этом происходит процесс гибридизации орбиталей - образование новых орбиталей, как специфической суммы базовых.
История понятия атом
Подробнее в статье атомистика
Понятие атом, как и само слово, имеет древнегреческое происхождение, хотя истинность гипотезы о существовании атомов нашла свое подтверждение только в 20 веке. Основной идеей, которая стояла за данным понятием протяжении всех столетий, было представление о мире как о наборе огромного количества неделимых элементов, которые являются очень простыми по своей структуре и существуют от начала времен.
Первые проповедники атомистического учения
Первым начал проповедовать атомистическое учения в 5 веке до нашей эры философ Левкипп. Затем эстафету подхватил его ученик Демокрит. Сохранились лишь отдельные фрагменты их работ, из которых становится ясно, что они исходили из небольшого количества достаточно абстрактных физических гипотез:
«Сладость и горечь, жара и холод смысл определения, на самом же [только] атомы и пустота».
По Демокритом, вся природа состоит из атомов, мельчайших частиц вещества, которые покоятся или движутся в совершенно пустом пространстве. Все атомы имеют простую форму, а атомы одного сорта тождественны; многообразие природы отражает многообразие форм атомов и многообразие способов, в которые атомы могут сцепляться между собой. И Демокрит, и Левкип считали, что атомы, начав двигаться, продолжают двигаться по законам природы.
Наиболее тяжелым для древних греков был вопрос о физической реальности основных понятий атомизма. В каком смысле можно было говорить о реальности пустоты, если она, не имея материи, не может иметь никаких физических свойств? Идеи Левкипа и Демокрита не могли служить удовлетворительной основой теории вещества в физическом плане, поскольку не объясняли, не из чего состоят атомы, ни почему атомы неделимы.
Через поколение после Демокрита, Платон предложил свое решение этой проблемы: «мельчайшие частицы принадлежат не царству материи, а царству геометрии; они представляют собой различные телесные геометрические фигуры, ограниченные плоскими треугольниками».
Понятие атома в индийской философии
Через тысячу лет отвлеченные рассуждения древних греков проникли в Индию и были восприняты некоторыми школами индийской философии. Но если западная философия считала, что атомистическая теория должна стать конкретной и объективной основой теории материального мира, индийская философия всегда воспринимала вещественный мир как иллюзию. Когда атомизм появился в Индии, он принял форму теории, согласно которой реальность в мире имеет процесс, а не субстанция, и что мы присутствуем в мире как звенья процесса, а не как сгустки вещества.
То есть и Платон, и индийские философы считали примерно так: если природа состоит из мелких, но конечных по размерам, долей, то почему их нельзя разделить, хотя бы в воображении, на еще более мелкие частицы, которые стали предметом дальнейшего рассмотрения?
Атомистическая теория в римской науке
Римский поэт Лукреций (96 - 55 годы до н.э.) был одним из немногих римлян, которые проявляли интерес к чистой науки. В своей поэме О природе вещей (De rerum natura) он подробно выстроил факты, свидетельствующие в пользу атомистической теории. Например, ветер, дующий с большой силой, хотя никто не может его видеть, наверное состоит из частиц, утечка чтобы их разглядеть. Мы можем чувствовать вещи на расстоянии по запаху, звука и теплу, которые распространяются, оставаясь невидимыми.
Лукреций связывает свойства вещей со свойствами их составляющих, т.е. атомов: атомы жидкости малы и имеют округлую форму, поэтому жидкость течет так легко и просачивается через пористую вещество, тогда как атомы твердых веществ имеют крючки, которыми они сцеплены между собой. Так же и различные вкусовые ощущения и звуки разной громкости состоят из атомов соответствующих форм - от простых и гармоничных к извилистым и нерегулярных.
Но учение Лукреция были осуждены церковью, поскольку он дал довольно материалистическую их интерпретацию: например, представление о том, что Бог, запустив один раз атомный механизм, более не вмешивается в его работу, или то, что душа умирает вместе с телом.
Первые теории о строении атома
Одна из первых теорий о строении атома, которая имеет уже современные очертания, была описана Галилеем (1564-1642). По его теории вещество состоит из частиц, которые не находятся в состоянии покоя, а под воздействием тепла движутся во все стороны; тепло - является ничем иным как движением частиц. Структура частиц является сложной, и если лишить любую часть ее материальной оболочки, то изнутри брызнет свет. Галилей был первым, кто, хотя и в фантастической форме, представил строение атома.
Научные основы
В 19 веке Джон Дальтон получил свидетельство существования атомов, но предполагал, что они неделимы. Эрнест Резерфорд показал экспериментально, что атом состоит из ядра, окруженного отрицательно заряженными частицами - электронами.
Рассмотрим еще одно применение принципа неопределенности (38.3), но только, пожалуйста, не воспринимайте этот расчет чересчур буквально; общая мысль правильна, но анализ проделан не очень аккуратно. Мысль эта касается определения размера атомов; ведь по классическим воззрениям электроны должны были бы излучать свет и, крутясь по спирали, упасть на поверхность ядра. Но, согласно квантовой механике, это невозможно, потому что в противном случае мы бы знали, где очутился электрон и насколько быстро он вертится.
Допустим, имеется атом водорода и мы измеряем положение электрона; мы не должны быть в состоянии предвидеть точно, где он окажется, иначе расплывание импульса станет бесконечным. Всякий раз, как мы смотрим на электрон, он где-нибудь оказывается; у него есть амплитуда вероятности оказаться в различных местах, так что есть вероятность найти его где угодно. Однако не все эти места должны быть возле самого ядра; положим, что существует разброс в расстояниях порядка , т. е. расстояние от ядра до электрона примерно в среднем равно . Определим , потребовав, чтобы полная энергия атома оказалась минимальной.
Разброс в импульсах, в согласии с соотношением неопределенностей, должен быть равен примерно ; поэтому, стремясь измерить как-нибудь импульс электрона (например, рассеивая на нем фотоны и наблюдая эффект Допплера от движущегося рассеивателя), мы не будем получать все время нуль (электрон не стоит на месте), а будем получать импульсы порядка . Кинетическая энергия электронов примерно будет равна . (To, что мы сейчас делаем, в каком-то смысле есть анализ размерностей: мы прикидываем, как кинетическая энергия может зависеть от постоянной Планка , массы и размера атома . Ответ получается с точностью до численных множителей типа ; и т. д. Мы даже не определили как следует .) Далее, потенциальная энергия равна частному от деления минус на расстоянии от центра, скажем, (как мы помним, - это квадрат заряда электрона, деленный на ). Теперь смотрите: когда уменьшается, то потенциальная энергия тоже уменьшается, но чем меньше , тем больше требуемый принципом неопределенности импульс и тем больше кинетическая энергия. Полная энергия равна
(38.10)
Мы не знаем, чему равно , но зато мы знаем, что атом, обеспечивая свое существование, вынужден идти на компромисс, с тем чтобы полная энергия его была как можно меньше. Чтобы найти минимум , продифференцируем его по , потребуем равенства производной нулю и найдем . Производная равна
(38.11)
Уравнение дает для величину
(38.12)
Это расстояние называется боровским радиусом, и мы видим, что размеры атома - порядка ангстрема. Получилась правильная цифра. Это очень хорошо, это даже удивительно хорошо, ведь до сих пор никаких теоретических соображений о размере атома у нас не было. С классической точки зрения атомы попросту невозможны: электроны должны упасть на ядра. Подставив формулу (38.12) для в (38.10), мы найдем энергию. Она оказывается равной
(38.(3)
Что означает отрицательная энергия? А то, что, когда электрон находится в атоме, у него энергии меньше, чем когда он свободен. Иначе говоря, в атоме он связан. И нужна энергия, чтобы вырвать его из атома; для ионизации атома водорода требуется энергия . Не исключено, конечно, что потребуется вдвое или втрое больше энергии, или в раз меньше, так как расчет наш был очень неряшлив. Однако мы схитрили и выбрали все константы так, чтобы итог получился абсолютно правильным! Эта величина - называется ридбергом энергии; это энергия ионизации водорода.
Только теперь становится понятным, отчего мы не проваливаемся сквозь пол. При ходьбе вся масса атомов наших ботинок отталкивается от пола, от всей массы его атомов. Атомы сминаются, электроны вынуждены тесниться в меньшем объеме, и по принципу неопределенности их импульсы в среднем увеличиваются, а увеличение импульсов означает рост энергии. Сопротивление атомов сжатию - это не классический, а квантовомеханический эффект. По классическим понятиям следовало ожидать, что при сближении электронов с протонами энергия уменьшится; наивыгоднейшее расположение положительных и отрицательных зарядов в классической физике - это когда они сидят верхом друг на друге. Классической физике это было хорошо известно и представляло загадку: атомы-то все же существовали! Конечно, ученые и тогда придумывали разные способы выхода из тупика, по правильный (будем надеяться!) способ стал известен только нам!
Кстати, когда вокруг ядра бывает много электронов, то они тоже стараются держаться подальше друг от друга. Причина этого пока вам непонятна, но это факт, что если какой-то электрон занял какое-то место, то другой этого места уже не займет. Точнее, из-за существования двух направлений спина, эти электроны могут усесться друг на друга и вертеться: один - в одну сторону, другой - в другую. Но уже никакого третьего на это место вам не поместить. Вы должны их помещать на новые места, и в этом-то истинная причина того, что вещество обладает упругостью. Если бы можно было помещать все электроны в одно место, вещество было бы даже плотней, чем обычно. И именно благодаря тому, что электроны не могут сидеть друг на друге, существуют и столы, и другие твердые предметы.
Естественно поэтому, что, желая понять свойства вещества, нужно пользоваться квантовой механикой; классической для этого явно недостаточно.
Молекула (новолат. molecula, уменьшит. от лат. moles-масса), микрочастица, образованная из двух или большего числа атомов и способная к самостоятельному существованию. Имеет постоянный состав (качественный и количественный) входящих в нее атомных ядер и фиксированное число электронов и обладает совокупностью свойств, позволяющих отличать одну молекулу от других, в том числе от молекул того же состава. Молекула, как система, состоящая из взаимодействующих электронов и ядер, может находиться в различных состояниях и переходить из одного состояния в другое вынужденно (под влиянием внешних воздействий) или самопроизвольно. Для всех молекул данного вида характерна некоторая совокупность состояний, которая может служить для идентификации молекул. Как самостоятельное образование молекула обладает в каждом состоянии определенным набором физических свойств, эти свойства в той или иной степени сохраняются при переходе от молекул к состоящему из них веществу и определяют свойства этого вещества. При химических превращениях молекула одного вещества обмениваются атомами с молекулами другого вещества, распадаются на молекулы с меньшим числом атомов, а также вступают в химические реакции других типов. Поэтому химия изучает вещества и их превращения в неразрывной связи со строением и состоянием молекул
Обычно молекулой называют электрически нейтральную частицу; если молекула несет электрический заряд (положительный или отрицательный), то говорят о молекулярных ионах (катионах или анионах соответственно). В веществе положительные ионы всегда сосуществуют вместе с отрицательными. Молекулы, находящиеся в состояниях с мультиплетностью, отличной от единицы (как правило, в дублетных состояниях), называют радикалами. Свободные радикалы в обычных условиях, как правило, не могут существовать длительное время. Известны, однако, свободные радикалы сравнительно сложного строения, которые являются достаточно стабильными и могут существовать при обычных условиях.
По числу входящих в молекулу атомных ядер различают молекулы двухатомные, трехатомные и т.д. Если число атомовв молекуле превосходит сотни и тысячи, молекула называется макромолекулой. Сумма масс всех атомов, входящих в состав молекулы, рассматривается как молекулярная масса (смотри также Молекулярная масса полимера. Молекулярно-массовое распределение). По величине молекулярной массы все вещества условно делят на низко- и высокомолекулярные.
А́том (от др.-греч. ἄτομος - неделимый) - частица вещества микроскопических размеров и массы, наименьшая часть химического элемента, являющаяся носителем его свойств.
Представление об атомах как неделимых мельчайших частицах вещества возникло еще в античные времена, но только в XVIII веке трудами А. Лавуазье, М. В. Ломоносова и других ученых была доказана реальность существования атомов.
Общая характеристика строения атома. Атом состоит из положительно заряженного ядра, окруженного облаком отрицательно заряженныхэлектронов. Размеры атома в целом определяются размерами его электронного облака и велики по сравнению с размерами _ядра атома (линейные размеры атома ~ 10~ 8 см, его ядра ~ 10" -10" 13 см). Электронное облако атома не имеет строго определенных границ, поэтому размеры атома в значит. степени условны и зависят от способов их определения (см. Атомные радиусы). Ядро атома состоит из Z протонов и N нейтронов, удерживаемых ядерными силами (см. Ядро атомное). Положит. заряд протона и отрицат. заряд электрона одинаковы по абс. величине и равны е= 1,60*10 -19 Кл; нейтрон не обладает элек-трич. зарядом. Заряд ядра +Ze - осн. характеристика атома, обусловливающая его принадлежность к определенному хим. элементу. Порядковый номер элемента в периодич. системе Менделеева (атомный номер) равен числу протонов в ядре.
В электрически нейтральном атоме число электронов в облаке равно числу протонов в ядре. Однако при определенных условиях он может терять или присоединять электроны, превращаясь соотв. в положит. или отрицат. ион, напр. Li + , Li 2+ или О - , О 2- . Говоря об атомах определенного элемента, подразумевают как нейтральные атомы, так и ионы этого элемента.
Строение атома и свойства веществ . Хим. св-ва определяются строением внеш. электронных оболочек атомов, в к-рых электроны связаны сравнительно слабо (энергии связи от неск. эВ до неск. десятков эВ). Строение внеш. оболочек атомов хим. элементов одной группы (или подгруппы) периодич. системы аналогично, что и обусловливает сходство хим. св-в этих элементов.(1) При увеличении числа электронов в заполняющейся оболочке их энергия связи, как правило, увеличивается; наиб. энергией связи обладают электроны в замкнутой оболочке. Поэтому атомы с одним или неск. электронами в частично заполненной внеш. оболочке отдают их в хим. р-циях. Атомы, к-рым не хватает одного или неск. электронов для образования замкнутой внеш. оболочки, обычно принимают их. Атомы благородных газов, обладающие замкнутыми внеш. оболочками, при обычных условиях не вступают в хим. р-ции.
Строение внутр. оболочек атомов, электроны которых связаны гораздо прочнее (энергия связи 10 2 -10 4 эВ), проявляется лишь при взаимод. атомов с быстрыми частицами и фотонами высоких энергий. Такие взаимод. определяют характер рентгеновских спектров и рассеяние частиц (электронов,нейтронов) на атомах (см. Дифракционные методы). Масса атома определяет такие его физ. св-ва, как импульс, кинетич. энергия. От механических и связанных с ними магн. и электрич. моментов ядра атома зависят нек-рые тонкие физ. эффекты (ЯМР, ЯКР, сверхтонкая структура спектральных линий, см Спектроскопия).
1сноска: Электро́нво́льт (редко электроновольт ; русское обозначение: эВ , международное: eV ) - внесистемная единица энергии, используемая в атомной и ядерной физике, в физике элементарных частиц и в близких и родственных областях науки (биофизике, физической химии, астрофизике и т. п.). В Российской Федерации электронвольт допущен к использованию в качестве внесистемной единицы без ограничения срока с областью применения.
Ядерная модель атома
В начале 20 века в результате изучения катодных лучей были обнаружены отрицательные частицы – электроны с зарядом 1,6 . 10‾ 19 Кл, массой 9,11 . 10‾ 31 кг, открыто рентгеновское электромагнитное излучение. Обобщив эти открытия, Дж.Томсон в 1897 году предложил свою модель атома – это положительно заряженная сфера, в которую вкраплены отрицательные электроны (подобно изюму в пудинге). Если эта модель верна, тогда металлическая фольга – это пленка положительного электричества, содержащая электроны и поток α- частиц должен легко проникать через нее, не меняя направление.
В 1909 г. сотрудники англ. ученого Э. Резерфорда это проверили. 1 из 100000 α - частиц при прохождении через золотую фольгу рассеивались на большие углы и даже поворачивали обратно. Анализируя результаты эксперимента, Резерфорд сделал вывод, что масса и заряд атома сконцентрированы в малой части объема, называемой ядром. Отклоняются те α - частицы, которые сталкиваются с ядрами. Большинство же α - частиц проходит через пространство между ядрами. Модель строения атома, предложенная Э. Резерфордом, напоминала солнечную систему. Ее называют планетарной моделью. Согласно ей, в центре атома находится положительное ядро, в котором сосредоточена вся масса атома. Вокруг ядра по круговым орбитам движутся электроны. Заряд ядра и число электронов одинаковы, т.е. атом нейтральная частица.
В 1913г. английский физик Мозли измерил длины волн рентгеновских лучей, испускаемых разными металлами в катодной трубке, и построил график зависимости обратного значения квадратного корня из длины волны рентгеновских лучей от порядкового номера элемента. Этот график (рис.1) показывает, что порядковый номер отражает какую-то важную характеристику элемента. Мозли предположил, что этой характеристикой является заряд ядра атома, и что он возрастает на единицу при переходе от одного элемента к следующему за ним по порядку. Он назвал порядковый номер атомным номером - Z .
Закон Мозли :
Корень квадратный из величины, обратной длине волны рентгеновских лучей, испускаемых атомами различных элементов, находится в линейной зависимости от порядкового номера элемента.
Это закон, связывающий частоту спектральных линий характеристического рентгеновского излучения атома химического элемента с его порядковым номером.
где - длина волны, а – постоянная величина, Z – порядковый номер элемента (заряд ядра).
Позже стало известно, что порядковый номер равен числу протонов в ядре. Таким образом, порядковый (атомный) номер равен заряду ядра и он же определяет наличие в нем протонов (положительных частиц). А так как атомы нейтральны, то число электронов в атоме должно быть равно числу протонов. Но массы атомов оказались больше суммарной массы протонов. Для объяснения избытка массы было высказано предположение о существовании нейтронов. Эти частицы должны были иметь ту же массу, что и протон, но нулевой заряд (1,675 . 10 - 27 кг). Нейтрон был открыт сотрудником Резерфорда Чедвигом в 1932 г. Было окончательно установлено, что атом состоит из ядра и электронов, а ядро – из протонов и нейтронов. Их сумму называютнуклонным числом или массовым - А .
А = Z + N ,
Z - число протонов, N - число нейтронов.
Атомы с различным числом протонов (Z ) и нейтронов (N ), но с одинаковым числом нуклонов А , называют изобарами . Например,
Изотопы – атомы с одинаковым числом протонов (Z ), но с разным числом нуклонов
Изотоны – атомы с одинаковым числом нейтронов (N )
Таким образом, дробные значения атомных масс в периодической системе объясняются наличием изотопов для одного и того же элемента.
А́томное ядро́ - центральная часть атома, в которой сосредоточена основная его масса (более 99,9 %). Ядро заряжено положительно, заряд ядра определяет химический элемент, к которому относят атом. Размеры ядер различных атомов составляют несколько фемтометров, что в более чем в 10 тысяч раз меньше размеров самого атома.
Спектра́льная ли́ния - особенность участка спектра, выражающаяся в локальном повышении (светлые, эмиссионные линии, спектральные максимумы) или понижении (тёмные линии, линии поглощения, спектральные минимумы) уровня сигнала.
Остаточной интенсивностью называют усиление/ослабление излучения в спектральной линии по сравнению с непрерывным спектром.
Функция, характеризующая зависимость остаточной интенсивности от частоты, называется профилем линии.
Рентге́новское излуче́ние - электромагнитные волны, энергия фотонов которых лежит на шкале электромагнитных волн между ультрафиолетовым излучением и гамма-излучением, что соответствует длинам волн от 10 −2 до 10 2 Å (от 10 −12 до 10 −8 м).
Фото́н (от др.-греч. φῶς, род. пад. φωτός, «свет») - элементарная частица, квант электромагнитного излучения (в узком смысле -света). Это безмассовая частица, способная существовать в вакууме только двигаясь со скоростью света.
«Неужели это возможно в домашних условиях?» - спросите вы. Вполне возможно, только для того, чтобы рассчитать диаметр атома, надо кое-что знать. Например, что атомы многих металлов можно представить в виде маленьких, плотно упакованных шариков. В таком случае атомы-шарики занимают 74 % всего пространства, а остальные 26 % приходятся на пустот ы между ними. Еше надо знать, как связан объем шара (У) с его диаметром UD - эту формулу можно найти в учебнике или в справочнике по математике: V- тГ/Ь. где к = 3,14. Наконец, надо знать очень важную для химии величину, которая называе тся постоянной Авогадро (Л/л) в честь итальянского ученого XIX века Амедео Авогадро (1776-1856). Эта константа показывает, сколько частиц - атомов, ионов или молекул содержится водном моле вещества. Моль - очень удобная для химиков единица измерения, так как в одном моле любого вещест ва содержится одинаковое число частиц. Например. 1 моль воды (18 г), или I моль сахара (343 г), или 1 моль кислорода (32 г) содержит одинаковое число молекул, равное Л"д = 6.02 ¦ !0". Ровно столько же атомов содержит 1 моль алюминия (27 г), или I моль меди (64 г), или I мольсеребра (108 г). А I моль поваренной соли (58,5 г) содержит по 6.02 10" положительно заряженных ионов (катионов) натрия и отрицательно заряженных ионов (анионов) хлора. Понятие «моль» (раньше его называли «грамм-молекулой»,аеще раньше, во времена Менделеева, - «химическим паем») удобно тем, что им можно пользоваться и не зная численного значения постоянной Авогадро. так как ве-щества реагируют друг с другом в соответствии с числом молей в них.
О том, как ученые определили это оіромное число, мы еще поговорим, а пока вернемся к нашей ложке. Итак, пусть в предыдущем опыте нам повезло, и ложка оказалась из серебра высокой пробы с плотностью 10,5 г/см1. Теперь у нас есть все данные, чтобы определить размер «сереб-ряного атома». В I см"серебра содержится 10,5 г: 108 г/моль = 0,097 моль, или 0,097 ¦ 6,02 ¦ I0J1 = 5,84 10" атомов серебра. Если не считать пустоты между атомами, то на долю самих атомов-шари ков придется не 1 см3, а немного меньше - 0,74 см3. Значит, объем одного атома равен 0,74с.м3/5.84- Ю"= 1.27-10 "см3. Осталось только по приведенной выше формуле рассчитать диаметр атома серебра. Он получится очень маленьким: d = 3 10 4 см. пли 0,3 нм (нанометр - одна миллнардная часть метра - самая подходящая единица для измерения таких малых величин).
Все атомы имеют очень малые размеры. Цепочка из миллиона атомов серебра, плотно уложенных друг к другу, протянется всего на 0,3 мм. Для сравнения: если уложить в цепочку миллион маковых зер- нышек диаметром 1 мм, то такая цепочка протянется на 1 км! Из-за малою размера атомов их невозможно увидеть даже и самый сильный оптический микроскоп. Зато ученые придумали другие приборы, позволяющие получать изображения отдельных атомов.
Примерно такие же размеры, как атом серебра, имеют небольшие молекулы - кислорода, азота, метана, волы; все они содержат несколько небольших а томов. Бывают молекулы, которые значительно больше: они содержат много атомов или агомы больших размеров (например, атомы иода). В следующем разделе мы познакомимся с одним из методов измерения размера молекул. А сейчас - некоторые ин тересные и полезные сведения об Авогадро и постоянной, названной его именем.
Итальянский химик Авогадро прожил очень дол гую по меркам того времени жизнь. Он родился в 1776 году в Турине, в Северной Италии. Получил юридическое образование и в возрасте 20 лет был назначен секретарем префектуры. Это были годы, когда в Италии гремела слава молодого французского полководца Наполеона. Однако Авогадро не привлекала ни военная, ни юридическая карьера. Со временем он стал все больше интересоваться естественными науками - физикой и химией, которые изучил самостоятельно. В 1809 году он начал преподавать физику в городе Верчслли, недалеко от Турина, а в 1820 году был назначен профессором математической физики в Туринском университете. В университете Авогадро проработал до преклонного возраста и покинул его лишь в 1850 году. Умер Авогадро в Турине в 1856 году. О его личной жизни сохранилось очень мало сведений. Прославили же Авогадро две статьи, опубликованные в 1811 и 1814 годах. Вначале они не вызвали интереса и были почти забыты. Сегодня же имя Авогадро знают школьники всех стран, если они изучают физику и химию. Закон Авогадро звучит очень просто: «Равные объемы газообразных веществ при одинаковом давлении и температуре содержат одно и то же число молекул, так что плотность различных газов служит мерой массы их молекул». Из этого закона следовало, что, измеряя плотность разных газов, можно определять относительные массы, а также состав молекул газообразных соединений. Благодарные потомки на-звали число частиц в одном моле вещества постоянной Авогадро, которую обозначили как JVa. Кстати, само слово «моль» - итальянского, вернее, латинского происхождения. В переводе с латыни moles означает «тяжесть, глыба, громада». На современной двухцентовой итальянской монете изображен купол со шпилем «Антонеллиевой громады» {mole A/ilonelliana), самой высокой конструкции в Италии (167,5 м); интересно, что это сооружение считается символом Турина, родного города Авогадро. Соответственно, molecula (с уменьшительным суффиксом -си/о) - «маленькая масса», как корпускула - «маленькое тело» (так во времена Ломоносова называли молекулы). Помимо указанного значения слово motes на латыни означает «дамба, насыпь, укрепленная большими камнями» (вспомним слово «мол» - сооружение в гаванях для защиты судов от морских волн)- Тот же корень в латинском слове mola - «жернов» («громадный камень») и в глаголе то/о - «молоть». Отсюда и молот с молотком, и моляр - зуб, размалывающий твердую пищу, как жернов на мельнице, и даже вредная моль - насекомое, измельчающее, стирающее вещи в муку
Постоянная Авогадро - огромное число, с трудом поддающееся воображению; оно, к примеру, в 4 миллиарда раз больше, чем расстояние от Земли до Солнца, выраженное в миллиметрах! Это означает, что атомы и молекулы очень маленькие - раз их так много помещается в сравнительно небольшом количестве вещества. Еще в XIX веке ученым было очевидно, что. постольку атомы и молекулы очень маленькие и никто их еше не видел, постоянная Авогадро должна быть очень велика. Постепенно физики научились определять размеры молекул и значение постоянной Авогадро - сначала очень грубо, приблизительно, затем все точнее. Прежде всего им было понятно, что обе вели-чины связаны между собой: чем меньше окажутся атомы и молекулы, тем больше получится постоянная Авогадро.
Преподаватели и популяризаторы химии придумали множество эффектных способов, чтобы наглядно показать грандиозность этого числа. Вот некоторые из них.
В пустыне Сахара содержится менее трех молей самых мелких песчинок.
Если объем футбольного мяча увеличить в Л^ раз, то в таком мяче поместится Земной шар. Если же в NA раз увеличить диаметр мяча, то в нем поместится самая большая галактика, содержащая сотни миллиардов звезд. Кстати, число звезд во Вселенной примерно равно постоянной Авогадро.
Если взять 100 г красителя, пометить каким-либо способом все его молекулы, вылить этот краситель в море и подождать, пока он равномерно распределится по всем морям и океанам до самого дна, то, зачерпнув в любом месте Земного шара стакан воды, мы обязательно обнаружим в нем не один десяток «меченых» молекул.
При каждом вдохе человека в его легкие попадает хотя бы несколько молекул кислорода и азога, которые содержались в последнем выдохе Юлия Цезаря (44 год до н. э.).
Если взять моль долларовых бумажек, они покроют все материки двухкилометровым плотным слоем,
В древности на Востоке придумали такую легенду. В сказочном царстве находится огромная гранитная скала. Представим себе, что она имеет форму куба с ребром, равным 1 км. Раз в столетие на скалу садится ворон и чистит об нее клюв. Если предположить, что при этом скала стирается на 0,0001 г. то число лет, за которое от скалы не останется ни одной песчинки, меньше, чем постоянная Авогадро.
Рассмотрим зависимость некоторых свойств атомов от строения их электронных оболочек. Остановимся, прежде всего, на закономерностях изменения атомных и ионных радиусов.
Электронные облака не имеют резко очерченных границ. Поэтому понятие о размере атома не является строгим. Но если представить себе атомы в кристаллах простого вещества в виде соприкасающихся друг с другом шаров, то расстояние между центрами соседних шаров (т. е. между ядрами соседних атомов) можно принять равным удвоенному радиусу атома. Так, наименьшее межъядерное расстояние в кристаллах меди равно ; это позволяет считать, что радиус атома меди равен половине этой величины, т. е. .
Зависимость атомных радиусов от заряда ядра атома Z имеет периодический характер. В пределах одного периода с увеличением Z проявляется тенденция к уменьшению размеров атома, что особенно четко наблюдается в коротких периодах (радиусы атомов приведены в нм):
Это объясняется увеличивающимся притяжением электронов внешнего слоя к ядру по мере возрастания его заряда.
С началом застройки нового электронного слоя, более удаленного от ядра, т. е. при переходе к следующему периоду, атомные радиусы возрастают (сравните, например, радиусы атомов фтора и натрия). В результате в пределах подгруппы с возрастанием заряда ядра размеры атомов увеличиваются. Приведем в качестве примера значения атомных радиусов (в нм) элементов некоторых главных подгрупп:
Электроны наружного слоя, наименее прочно связанные с ядром, могут отрываться от атома и присоединяться к другим атомам, входя в состав наружного слоя последних.
Атомы, лишившиеся одного или нескольких электронов, становятся заряженными положительно, так как заряд ядра атома превышает сумму зарядов оставшихся электронов. Наоборот, атомы, присоединившие к себе лишние электроны, заряжаются отрицательно. Образующиеся заряженные частицы называются ионами.
Ионы обозначают теми же символами, что и атомы, указывая справа вверху их заряд: например, положительный трехзарядный ион алюминия обозначают , отрицательный однозарядный ион хлора - .
Потеря атомов электронов приводит к уменьшению его эффективных размеров, а присоединение избыточных электронов - к увеличению. Поэтому радиус положительно заряженного иона (катиона) всегда меньше, а радиус отрицательно заряженного нона (аниона) всегда больше радиуса соответствующего электронейтрального атома. Так, радиус атома калия составляет , а радиус иона радиусы атома хлора и иона соответственно равны 0,099 и . При этом радиус иона тем сильней отличается от радиуса атома, чем больше заряд иона. Например, радиусы атома хрома и ионов и составляют соответственно 0,127, 0,083 и .
В пределах одной подгруппы радиусы ионов одинакового заряда возрастают с увеличением заряда ядра. Это иллюстрируется следующими примерами (радиусы ионов даны в нм):
Такая закономерность объясняется увеличением числа электронных слоев и растущим удалением внешних электронов от ядра.