Определение атома и молекулы. Определение атома до 1932 года. Какие атомы бывают

Молекула и атом: что это, что общего и в чем разница

Очень часто можно услышать мнение, что атом будучи составной частью молекулы, обладает теми же свойствами и имеет аналогичную структуру. Такая позиция лишь отчасти имеет право на существование, поскольку частицы имеют общие и отличительные признаки. Для начала достаточно рассмотреть свойства двух объектов, и на их основе делать дальнейшие выводы.

Атом

Атом можно рассматривать как элементарную частицу однородного вещества. Такое вещество, по определению, состоит только из одного химического элемента (С, N, O и другие с периодической таблицы Менделеева). Именно наименьшая часть таких элементов, которая может быть носителем их свойств, и называется атомом. Согласно последним современным представлениям, атом состоит из трех составляющих: протонов, нейтронов и электронов.

Атом

Первые две субчастицы вместе составляют базовое ядро, которое имеет положительный заряд. Двигающиеся вокруг ядра электроны привносят компенсационный заряд с противоположным знаком. Таким образом, делается первый вывод, что большинство атомов — электрически нейтральны. Что касается оставшейся части, то в силу различных физико-химических процессов, атомы могут либо присоединять, либо отпускать электроны, что приводит к появлению заряда. Атом имеет массу и размер (определяется размерами ядра) и определяет химические свойства вещества.

Молекула

Молекула является минимальной структурной единицей вещества. Такое вещество может состоять из нескольких химических элементов. Однако, молекулой можно считать и одноатомное вещество одного химического элемента — инертный газ аргона. Как и атомы, является электрически нейтральной. Ионизировать молекулу можно, но уже значительно сложнее: атомы внутри молекулы связаны между собой ковалентной, либо ионной связью. Поэтому присоединить или забрать электрон становится значительно сложнее. Большинство молекул имеет сложную архитектурную постройку, где каждый атом заранее занимает отведенное ему место.

Строение молекулы воды

Атом и молекула: общие свойства

Строение. Обе частицы являются структурными единицами вещества. При этом под атомом подразумевается один определенный элемент, молекула же включает в себя уже несколько химически связанных атомов, но структура (положительное ядро с отрицательными электронами) остается той же.

Электрическая нейтральность. При отсутствии внешних факторов — взаимодействия с другим химическим веществом, направленного электрического поля и других раздражителей, — атомы и молекулы не имеют заряда.

Замещение. Атом может выступать как молекула в одном случае — при работе с инертными газами. Также молекулой может считаться одноатомная ртуть.

Наличие массы. Обе частицы имеют свою четкую массу. В случае атома масса зависит от химического элемента и определяется весом ядра (протон почти в 1500 раз тяжелее электрона, поэтому вес отрицательной частицы часто не берется во внимание). Масса молекулы определяется исходя из ее химической формулы — элементов, входящих в ее состав.

Атом и молекула: отличные свойства

Неделимость. Атом является мельчайшим элементом, из которого нельзя выделить еще меньшую частицу. (Получение иона влияет только на заряд, но не на вес). Молекулу, в свою очередь, можно разделить на более мелкие молекулы или можно разложить на атомы. Процесса распада легко добиться с использованием химических катализаторов. Иногда достаточно просто нагреть вещество.

Свободное существование. Молекула может свободно существовать в природе. Атом существует в вольной форме лишь в двух случаях:

1. Как одноатомная ртуть или инертный газ.
2. В условиях космоса — как отдельные атомы могут находиться любые химические элементы.

В остальных случаях атом всегда входит в состав молекулы.

Образование заряда. Взаимодействие между ядром и электроном в атоме можно легко преодолеть даже мельчайшим электрическим полем. Таким образом, — из атома легко получить положительный или отрицательный ион. Наличие химических связей между атомами внутри молекулы требует приложения гораздо большего электрического поля или взаимодействия с другим химически активным веществом.

vchemraznica.ru

Из чего состоит материя? Одинаково ли строение каждого атома?

Материя – это содержимое нашего бытия. Она является объективной реальностью, наполняет пространство и служит главной составляющей всех живых и неживых элементов. Две, казалось бы, несовместимые области знаний, такие как наука и философия, согласны лишь в одном – в том, что материя выполняет главенствующую роль в жизни микро- и макромиров. Из чего состоит материя, которая нас окружает и из которой мы сделаны? Почему она принимает такие странные формы, многие из которых для нас еще даже не раскрыты? Попробуем в этом немного разобраться.

Как этот термин понимали великие люди?

О том, из чего состоит материя, и как она настолько кардинально меняет свои формы, люди начали думать еще со времен античности. В те годы не было микроскопов и телескопов, и даже самые мудрые философы не могли изучить какой-либо человеческий орган или просто деревяшку, из которой сбит стул, до атомного уровня. Однако античные знатоки четко знали, что такое пространство-время и как в нем ведут себя все элементы. Именно они составили трактовку, которая дошла до наших дней. Материя была поделена на две половины: вещи наполняли пространство, а события – время. Из-за постоянного хода последнего все предметы и живые объекты могли менять свою форму. Человек рождался, старел и умирал, дерево осыпалось, металл ржавел. В 17 веке физик и математик Лейбниц определил материю как субъект, определяющий свойства времени и пространства. В дальнейшем его труды проявились в теории относительности Эйнштейна.

Разглядывая что-либо под микроскопом

Если мы обратимся за помощью к биологической оптике, то своими глазами сможем увидеть, что материя состоит из атомов. Это простейшая характеристика данного термина, которая не имеет опровержений и не требует дальнейших доказательств. Атомами именуются малейшие частицы всего, что нас окружает, и нас самих. Структура каждого из них идентична. Но при этом в атомах каждого отдельного элемента нашего мира, будь то метановое облако в атмосфере Юпитера или печень собаки, закодирована информация о свойствах объекта-носителя. Атом состоит из ядра, которое всегда заряжено положительно, и электронов. Когда число протонов и электронов совпадает, данная частица становится нейтральной с точки зрения электрического заряда. Если равновесие нарушается, то атом превращается в ион, который имеет положительный или отрицательный заряд.

Во что выливаются атомы?

Из скопления двух и более атомов образуется молекула. В ней помимо информации о носителе содержится также немалая доля соединительного вещества. Благодаря ему молекулы способны образовывать ту самую материю, о которой мы говорим. Такие соединения передают информацию от разных атомов друг через друга и создают тем самым неразрывное вещество. Самое интересное то, что группироваться могут молекулы изначально разных компонентов. Самым ярким примером тут послужит вода: в ней присутствует водород и кислород в определенном процентном соотношении. Получается, чтобы понять, из чего состоит материя, нам нужно лишь изучить элементы периодической таблицы Менделеева и найти их в тех или иных предметах, которые нас окружают.

Что видим мы невооруженным глазом?

Отодвинув в сторону телескоп, мы, получив определенные знания, видим, что материя состоит из вещества. Благодаря своему строению, которое можно рассмотреть через оптику, оно способно принимать одно из четырех агрегатных состояний: газообразное, жидкое, твердое и плазматическое. Первые три из них мы можем легко представить на примере той же воды, которая, будучи жидкой, может превратиться в лед или в газ. Некоторые другие элементы могут существовать лишь в одном из этих четырех состояний. Углубляясь в античную философию, невозможно не провести аналогию с четырьмя стихиями. Мудрецы выделяли среди них воду, землю, воздух и огонь. Очевидно, что плазме, которая была обнаружена совсем недавно, соответствует именно пламя.

Что излучает любое вещество?

Тем, кто учил в школе физику, известно, что материя состоит из энергии ровно так же, как и из вещества. Сами атомы и их мельчайшие частицы, двигаясь и сталкиваясь, излучают поля с индивидуальными частотами. Они преобразуются в электромагнитные, квантовые и гравитационные поля в зависимости от свойств атомов конкретного вещества. Так как подобное взаимодействие и излучение происходит повсеместно, то есть и в теле человека, и в вакууме, и в черной дыре, вся наша материя наполнена энергией. Каждый объект обладает индивидуальным полем, которое имеет особенные свойства. Получается, что на энергетическом уровне мы все обмениваемся информацией, которую бессознательно воспринимаем и обрабатываем.

Обратная сторона медали

Мы кратко рассмотрели, из чего состоит материя и какими полями она может обладать. Теперь рассмотрим такой аспект, как темная материя. Ученые полагают, что из нее состоит 85 % всей Вселенной. Темное вещество не излучает никаких полей, не имеет собственной гравитации, однако от него исходит энергия. Из-за того что невозможно зафиксировать электромагнитные волны, исходящие от темной материи, мы не можем ее поймать и понять ее природу. Возможно, в тайном составе античастиц кроется тайна сотворения Вселенной и всех нас.

fb.ru

Как люди узнали, что все в мире состоит из атомов?

Атомы совсем крошечные, очень и очень маленькие. Вы наверняка знаете, что материя состоит из них, но вы никогда их не видели и не увидите, потому что атом невозможно разглядеть невооруженным (и даже иногда хорошо вооруженным) глазом. Стоит ли принимать на слово то, что все в нашем мире построено из этих крошечных «кирпичиков»?

Стоит. Даже самые скептически настроенные люди не смогут усомниться в существующих доказательствах. Так как же ученые открыли для науки атомы? И, что гораздо важнее, как они смогли доказать существование этих крошечных частиц?

В чем сложность?

Казалось бы, что проще, чем рассмотреть атомы в микроскоп. Но не все так элементарно, как сами частицы. Даже самый мощный микроскоп не в состоянии различить отдельный атом. Все потому, что размер атома гораздо меньше размера световой волны, и свет просто не может отражаться от крохотных частиц, тем самым превращая их в невидимые даже вооруженному глазу.

История открытия

Еще в конце XVIII века ученые стали замечать необъяснимое явление – ничем не обусловленное движение мелких частиц, например мельчайшей пыли над поверхностью воды. В середине XIX века шотландский ботаник Роберт Броун провел ряд экспериментов, в ходе которых он наблюдал движение мельчайших частиц каменной пыли. Через десятки лет частная теория относительности Эйнштейна путем математической формулы объяснила то, что в физике до тех пор называлось «броуновское движение».

К 1908 году все эксперименты, наблюдения и математические расчеты сводились к тому, что атомы реальны, и именно из них состоит любая окружающая нас материя. Однако не прошло и десятилетия, как наука ступила еще дальше и заставила ученых задуматься над тем, из чего же состоят сами атомы.

Структура атома

То, что атом не является единым целым, может показаться неожиданностью, особенно учитывая происхождение термина, который с греческого языка переводится как «неделимый». Однако физике давно известен факт сравнительно сложной и изменчивой структуры атомов. Проще всего сравнить строение «элементарных» частиц с солнечной системой.

Обычный атом составляют три компонента: протоны, нейтроны и электроны. Протоны и нейтроны образуют своеобразное «ядро» атома, поэтому в физике их часто называют нуклонами. Электроны же кружат вокруг ядра, как планеты вокруг солнца. Так же как солнце составляет 99,9% массы солнечной системы, так и атомное ядро практически полностью занимает массу атома.

Электрон

Если атомы невероятно малы, то их составляющие частицы еще меньше. Удивительно, что первым из трех элементов атомной структуры был обнаружен самый маленький по размеру – электрон. Для того чтобы понять, насколько электрон меньше атомного ядра, легче всего представить себе шмеля, летающего вокруг воздушного шара. Так каким же образом такие невообразимо малые частицы материи были обнаружены? Все дело в том, что несмотря на размер, электроны обладают огромной энергией, достаточной для создания видимых световых излучений.

Именно благодаря этим излучениям их впервые обнаружил британский физик Джозеф Джон Томсон, который создал своеобразный прототип ускорителя элементарных частиц. В изогнутую стеклянную трубку, в которой предварительно был создан вакуум, Томсон с одного края пустил отрицательный заряд тока. В результате заряда электроны, которые сами по себе обладают отрицательным зарядом, смогли отделиться от ядра и направиться к противоположному краю трубки. При столкновении с поверхностью стекла отрицательно заряженные частицы создали удивительное желто-зеленое сияние.

Протон

Открытие электрона заставило ученых задуматься над тем, что атом не так прост, как кажется. Большинство атомов обладают нейтральным зарядом, и чтобы удержать в своей структуре отрицательно заряженные частицы, им нужен положительный заряд. Так, в фокус ученых попал нуклеус, или атомное ядро. В начале XX века было проведено несколько экспериментов, в результате которых ученые доказали существование протонов и, кроме этого, строение атома, напоминающее структуру солнечной системы.

Британский физик Эрнест Резерфорд провел эксперимент по рассеиванию частиц через тонкую золотую фольгу. Сам ученый признался, что не ожидал многого от эксперимента. Он направил на фольгу поток радиоактивных альфа-лучей, то есть радиацию с положительным зарядом. Большая часть радиации прошла прямо сквозь фольгу, но некоторые частицы отталкивались от золотой поверхности под достаточно большими углами, что указывало на положительно заряженные частицы внутри атомов. Причем частицы эти – достаточно большие и очень плотные, что позволило Резерфорду первым создать планетарную модель строения атома.

Нейтрон

Казалось бы, и строение и поведение атомов были подробно изучены и изложены в многочисленных трудах, но у науки возникла очередная проблема. Как только ученые смогли измерить атомную массу, появился вопрос: почему масса ядра в два раза больше, чем должны весить положительно заряженные протоны? С самого начала ученые предполагали наличие равного по количеству и массе числа нуклонов, не имеющих электрического заряда. Их даже заведомо назвали нейтронами, но никто не мог доказать их существование.

Ученый-физик из Кембриджского университета Джеймс Чедвик совершил прорыв в области ядерной физики, когда не поверил в то, что атомы бериллия излучают гамма-радиацию. На тот момент, гамма-лучи были еще очень свежим открытием, однако Чедвик не поверил большинству ученых и решил провести собственный эксперимент в 1932 году.

Он направил «радиацию», излучаемую бериллием, на материю, богатую протонами. Протоны были вытолкнуты, словно бильярдные шары; так, будто их отодвинули частицы с такой же массой. Такую реакцию невозможно объяснить гамма-радиацией, поэтому частицы были признаны нейтронами. Таким образом, все основные частицы атома были найдены, однако история его изучения на этом не заканчивается.

fb.ru

Откуда мы знаем, что все состоит из атомов?

Горы, звезды, люди — все, что мы видим вокруг, состоит из крошечных атомов. Атомы маленькие. Очень и очень. С детства мы знаем, что все вещество состоит из скоплений этих крошечных штучек. Также мы знаем, что их нельзя увидеть невооруженным глазом. Мы вынуждены слепо верить этим заявлениям, не имея возможности проверить. Атомы взаимодействуют друг с другом и по кирпичикам составляют наш мир. Откуда мы это знаем? Многие не любят принимать утверждения ученых за чистую монету. Давайте вместе с наукой пройдем путь от осознания атомов до непосредственного доказательства их существования.

Может показаться, что есть простой способ доказать существование атомов: засунуть их под микроскоп. Но этот подход не сработает. Даже самые мощные микроскопы, фокусирующие свет, не могут визуализировать один атом. Объект становится видимым, поскольку отражает световые волны. Атомы настолько меньше длины волны видимого света, что они вовсе не взаимодействуют. Иными словами, атомы невидимы даже для света. Однако атомы все же оказывают наблюдаемые эффекты на некоторые вещи, которые мы можем увидеть.

Сотни лет назад, в 1785 году, голландский ученый Ян Ингенхауж изучал странное явление, которое не мог понять. Мельчайшие частицы угольной пыли шныряли на поверхности какого-то спирта в его лаборатории.

50 лет спустя, в 1827 году, шотландский ботаник Роберт Броун описал нечто удивительно похожее. Изучая пыльцевые гранулы под микроскопом, Броун обнаружил, что некоторые гранулы испускают крошечные частицы — которые затем удалялись от пыльцы в случайном нервном танце.

Сначала Броун подумал, что частицы были каким-то неизвестным организмом. Он повторил эксперимент с другими субстанциями, вроде каменной пыли, которая явно была неживой, и снова увидел странное движение.

Потребовалось почти сто лет, чтобы наука нашла объяснение. Пришел Эйнштейн и разработал математическую формулу, которая предсказывала тот самый особенный тип движения — тогда названный броуновским движением, в честь Роберта Броуна. Теория Эйнштейна заключалась в том, что частицы пыльцевых гранул постоянно перемещались, поскольку в них врезались миллионы крошечных молекул воды — молекул, состоящих из атомов.

«Он объяснил, что это нервное движение, которое вы наблюдаете, на самом деле вызывалось воздействием отдельных молекул воды на частички пыли или что там у вас есть», — объясняет Гарри Клифф из Кембриджского университета, также куратор Музея науки в Лондоне.

К 1908 году наблюдения, подкрепленные расчетами, показали, что атомы реальны. За десять лет физики существенно продвинулись вперед. Растягивая отдельные атомы, они начали понимать их внутреннюю структуру.

Сюрпризом стало то, что атомы можно разделить — особенно в свете того, что само название «атом» вышло из греческого «атомос», означающего «неделимый». Но физики теперь знают, что атомы далеко не базовые кирпичи. Они состоят из трех основных частей: протонов,

hi-news.ru

Что такое изотопы в химии? Определение, строение

Ещё древние философы высказывали предположение, что материя строится из атомов. Однако о том, что сами «кирпичики» мироздания состоят из мельчайших частиц, учёные начали догадываться лишь на стыке XIX и XX веков. Опыты, доказывающие это, произвели в науке в своё время настоящую революцию. Именно количественное соотношение составных частей отличает один химический элемент от другого. Каждому из них отведено своё место в Периодической системе Менделеева согласно порядковому номеру. Но существуют разновидности атомов, занимающие в таблице одни и те же клетки, несмотря на различие в массе и свойствах. Почему это так и о том, что такое изотопы в химии, будет рассказано далее.

Атом и его частицы

Исследуя структуру материи посредством бомбардировки альфа-частицами, Э. Резерфорд доказал в 1910 году, что основное пространство атома заполнено пустотой. И только в центре находится ядро. Вокруг него по орбиталям двигаются отрицательные электроны, составляя оболочку этой системы. Так была создана планетарная модель «кирпичиков» материи.

Что такое изотопы? Вспомните из курса химии, что ядро тоже имеет сложное строение. Оно состоит из положительных протонов и не имеющих заряда нейтронов. Количество первых определяет качественные характеристики химического элемента. Именно число протонов отличает вещества друг от друга, наделяя их ядра определённым зарядом. И по этому признаку им присваивается порядковый номер в таблице Менделеева. Но количество нейтронов у одного и того же химического элемента дифференцирует их на изотопы. Определение в химии данному понятию поэтому можно дать следующее. Это разновидности атомов, отличающиеся по составу ядра, обладающие одинаковым зарядом и порядковым номеров, но имеющие разные массовые числа, ввиду различий в количестве нейтронов.

Обозначения

Изучая химию в 9 классе и изотопы, школьники узнают о принятых условных обозначениях. Буквой Z отмечается заряд ядра. Это цифра совпадает с количеством протонов и поэтому является их показателем. Сумма этих элементов с нейтронами, отмечаемыми значком N, составляет А – массовое число. Семейство изотопов одного вещества, как правило, обозначается значком того химического элемента, которых в таблице Менделеева наделяется порядковым номером, совпадающим с числом протонов в нём. Левый верхний индекс, добавляемый к указанному значку соответствует массовому числу. К примеру, 238U. Заряд элемента (в данном случае урана, отмеченного порядковым номером 92) обозначается похожим индексом снизу.

Зная эти данные, легко можно подсчитать количество нейтронов у данного изотопа. Оно равно массовому числу за вычетом порядкового номера: 238 – 92 = 146. Количество нейтронов могло бы быть меньше, от этого данный химический элемент не перестал бы оставаться ураном. Следует заметить, что чаще всего у других, более простых, веществ число протонов и нейтронов приблизительно совпадает. Подобные сведения помогают понять, что такое изотоп в химии.

Нуклоны

Индивидуальностью определённый элемент наделяет именно число протонов, а количество нейтронов на неё никаким образом не влияет. Но атомная масса составляется из этих двух указанных элементов, имеющих общее наименование «нуклоны», представляя собой их сумму. Однако этот показатель не зависит от числа электронов, формирующих отрицательно заряженную оболочку атома. Почему? Стоит только сравнить.

Доля массы протона в атоме велика и составляет приблизительно 1 а. е. м. или 1,672 621 898(21)·10-27кг. Нейтрон близок к показателям этой частицы (1,674 927 471(21)·10-27кг). А вот масса электрона в тысячи раз меньше, считается ничтожной и не учитывается. Вот почему, зная верхний индекс элемента в химии, состав ядра изотопов узнать несложно.

Изотопы водорода

Изотопы некоторых элементов настолько известны и распространены в природе, что получили собственные наименования. Ярким и наиболее простым примером тому может служить водород. В естественных условиях он содержится в своей самой распространённой разновидности протия. Этот элемент имеет массовое число 1, а ядро его состоит из одного протона.

Так что такое изотопы водорода в химии? Как известно, атомы этого вещества имеют первый номер в таблице Менделеева и соответственно наделены в природе зарядовым числом 1. Но количество нейтронов в ядре атома у них различно. Дейтерий, являясь тяжёлым водородом, помимо протона имеет в составе ядра ещё одну частицу, то есть нейтрон. В результате это вещество проявляет собственные физические свойства, в отличие от протия, обладая собственным весом, температурой плавления и кипения.

Тритий

Сложнее всех устроен тритий. Это сверхтяжёлый водород. В соответствии с определением изотопов в химии, он имеет зарядовое число 1, но массовое число 3. Его часто называют тритоном, потому что помимо одного протона, он имеет в составе ядра два нейтрона, то есть состоит из трёх элементов. Наименование этого элемента, открытого в 1934 году Резерфордом, Олифантом и Хартеком, было предложено ещё до его выявления.

Это неустойчивое вещество, проявляющее радиоактивные свойства. Ядро его обладает способностью расщепляться с выделение бета-частицы и электронного антинейтрино. Энергия распада данного вещества не очень велика и составляет 18,59 кэВ. Поэтому подобная радиация не является для человека слишком опасной. От неё способна защитить обыкновенная одежда и хирургические перчатки. А получаемый с пищей этот радиоактивный элемент быстро выводится из организма.

Изотопы урана

Гораздо опаснее оказываются различные типы урана, которых на сегодняшний день науке известно 26. Поэтому, рассказывая о том, что такое изотопы в химии, невозможно не упомянуть об этом элементе. Несмотря на разнообразие видов урана, в природе его изотопов встречается всего три. К ним относятся 234U, 235U, 238U. Первый из них, обладая подходящими свойствами, активно применяется как топливо в ядерных реакторах. А последний - для производства плутония-239, который сам, в свою очередь, незаменим как ценнейшее топливо.

Каждый из радиоактивных элементов характеризуется собственным периодом полураспада. Это отрезок времени, в течение которого вещество расщепляется в отношении ½. То есть в результате этого процесса количество сохранившейся части вещества вдвое уменьшается. Этот отрезок времени для урана огромен. К примеру, для изотопа-234 он исчисляется в 270 тысячелетий, а для двух других указанных разновидностей он гораздо значительнее. Рекордный период полураспада - у урана-238, продолжающийся миллиарды лет.

Нуклиды

Не каждый из видов атома, характеризующихся собственным и строго определённым числом протонов и электронов, настолько стабилен, чтобы существовать хоть сколько-нибудь продолжительный период, достаточный для его изучения. Те из них, которые обладают относительной устойчивостью, называются нуклидами. Стабильные образования такого рода радиоактивному распаду не подвергаются. Нестабильные называются радионуклидами и тоже, в свою очередь, делятся на короткоживущие и долгожители. Как известно из уроков химии 11 класса о строении атомов изотопов, наибольшим числом радионуклидов обладают осмий и платина. По одному стабильному имеют кобальт и золото, а наибольшее количество устойчивых нуклидов у олова.

Вычисление порядкового номера изотопа

Теперь постараемся обобщить сведения, описанные ранее. Поняв, что такое изотопы в химии, пришло время выяснить, как можно использовать полученные знания. Рассмотрим это на конкретном примере. Допустим, известно, что некоторый химический элемент обладает массовым числом 181. При этом оболочка атома данного вещества содержит в себе 73 электрона. Как можно, воспользовавшись таблицей Менделеева, узнать название данного элемента, а также число протонов и нейтронов в составе его ядра?

Приступим к решению задачи. Определить наименование вещества можно, зная его порядковый номер, который соответствует количеству протонов. Так как число положительных и отрицательных зарядов в атоме равны, то оно составляет 73. Значит, это тантал. При том, общее количество нуклонов в сумме составляет 181, а значит, протонов у данного элемента 181 – 73 = 108. Достаточно просто.

Изотопы галлия

Элемент галлий в периодической системе имеет порядковый номер 71. В природе у этого вещества есть два изотопа - 69Ga и 71Ga. Как определить процентное соотношение разновидностей галлия?

Решение задач на изотопы по химии почти всегда связано с информаций, которую можно получить из таблицы Менделеева. В этот раз следует поступить аналогичным образом. Определим из указанного источника среднюю атомную массу. Она равна 69,72. Обозначив за x и y количественное соотношение первого и второго изотопа, примем сумму их равной 1. А значит, в виде уравнения это запишется: x + y = 1. Отсюда следует, что 69x + 71y = 69,72. Выразив y через x и подставив первое уравнение во второе, получаем, что x = 0,64, а y = 0,36. Это значит, что 69Ga содержится в природе 64 %, а процентное соотношение 71Ga составляет 34 %.

Превращения изотопов

Радиоактивное расщепление изотопов с трансформацией их в другие элементы разделяется на три основных типа. Первым из них является альфа-распад. Он происходит с испусканием частицы, представляющей собой ядро атома гелия. То есть это образование, состоящие из совокупности пар нейтронов и протонов. Поскольку количество последних определяет зарядовое число и номер атома вещества в периодической системе, то в результате этого процесса происходит качественное превращение одного элемента в другой, а в таблице он сдвигается влево на две клетки. При этом массовое число элемента уменьшается на 4 единицы. Это мы знаем из разделов химии о строении атомов изотопов.

При потере ядром атома бета-частицы, по сути представляющей собой электрон, меняется его состав. Один из нейтронов трансформируется в протон. Это значит, что качественные характеристики вещества вновь меняются, а элемент сдвигается в таблице на одну клетку вправо, практически не теряя при этом в массе. Обычно подобное превращение сопряжено с электромагнитным гамма-излучением.

Превращение изотопа радия

Вышеизложенные сведения и знания из химии 11 класса об изотопах снова помогают решать практические задачи. К примеру, следующие: 226Ra при распаде превращается в химический элемент IV группы, обладающий массовым числом 206. Сколько альфа- и бета-частиц при этом он должен потерять?

Учитывая изменения в массе и группу дочернего элемента, воспользовавшись таблицей Менделеева, легко определить, что образовавшимся при расщеплении изотопом будет свинец с зарядом 82 и массовым числом 206. А учитывая зарядовое число этого элемента и исходного радия, следует предположить, что ядро его потеряло пять альфа-частиц и четыре бета-частицы.

Использование радиоактивных изотопов

Всем прекрасно известно, какой вред живым организмам может нанести радиоактивное излучение. Однако свойства радиоактивных изотопов бывают для человека полезны. Они с успехом применяются во многих отраслях промышленности. С их помощью возможно обнаружить утечку в инженерных и строительных сооружениях, подземных трубопроводах и нефтепроводах, накопительных баках, теплообменниках на электростанциях.

Указанные свойства активно используются также в научных экспериментах. К примеру, муха цеце является переносчиком многих серьёзных заболеваний для человека, скота и домашних животных. В целях предотвращения подобного самцов этих насекомых стерилизуют посредством слабого радиоактивного излучения. Изотопы также бывают незаменимы при изучении механизмов некоторых химических реакций, ведь атомами данных элементов можно метить воду и другие вещества.

При биологических исследованиях часто также используются меченые изотопы. К примеру, именно таким образом было установлено, как фосфор влияет на почву, рост и развитие культурных растений. С успехом свойства изотопов применяются и в медицине, что позволило лечить раковые опухоли и другие тяжёлые заболевания, определять возраст биологических организмов.

fb.ru

Атомная химия - Популярная химия

Идея о том, что кажущаяся неделимой материя состоит из мельчайших, невидимых глазу частиц, была выдвинута древнегреческим философом Демокритом ещё в V в. до нашей эры. Демокрит считал, что атомы – вечные, неизменные частицы. Доказать своё утверждение Демокрит не мог. Эта теория так и оставалась всего лишь предположением вплоть до начала XIX в., когда химия начала формироваться как наука.

Слово «атом» происходит от греческого «атомос», что означает «неделимый».

Что такое атом

Джон Дальтон

Химиками было обнаружено, что в процессе химических реакций многие вещества распадаются на более простые вещества. Так, вода распадается на кислород и водород. Оксид ртути распадается на ртуть и кислород. Но кислород, ртуть и водород  уже невозможно разложить на более простые вещества с помощью химических реакций. Такие вещества были названы химическими элементами.

В 1808 г. английский физик и химик Джон Дальтон опубликовал свой документальный труд «Новая система химической философии». Дальтон предположил, что каждый химический элемент  имеет атом, отличный от атомов других элементов. И в химических реакциях эти атомы объединяются или смешиваются в разных пропорциях. В результате образуются химические вещества. Так, в состав воды входят два атома водорода и один атом кислорода. И при любой химической реакции водород и кислород всё равно будут в составе воды в соотношении 2:1. Дальтон считал, что атомы неделимы. И даже сейчас, когда мы знаем, что атом состоит из положительно заряженного ядра и вращающихся по орбитам около него отрицательно заряженных электронов, мы согласны с Дальтоном в том, что каждому химическому элементу соответствует свой особый тип атома.

Строение атома

Атом

Атом – наименьшая частица вещества, которая является носителем его свойств. Это также и наименьшее количество химического элемента, которое содержится в молекулах. Состоит атом из ядра и электронной оболочки. В состав ядра входят протоны и нейтроны. А электронная оболочка состоит из электронов. Атомы разных веществ отличаются размерами, массой и свойствами.

Объединяясь, атомы образуют молекулы. Молекула – наименьшая частица вещества, способная существовать самостоятельно и обладающая всеми его химическими свойствами. В составе молекулы могут быть атомы одного или различных химических элементов. Если молекула вещества состоит из атома только одного вещества, то понятия атом и молекула для неё совпадают. Атомы объединяются межатомными или химическими связями.

Согласно атомной теории, каждый атом – это центр химической соединяемости. Он может соединяться с одним или несколькими атомами другого вещества.

А все химические вещества разделяют на простые и сложные.

Простое химическое вещество состоит из атомов только одного элемента и не распадается на более простые вещества при обычной химической реакции. Простое вещество может иметь атомное строение, то есть оно состоит из одиночных атомов. Примеры таких веществ – газы аргон Ar и гелий He.

Сложное химическое вещество состоит из атомов двух и более химических элементов. Эти элементы во время химических реакций могут превращаться в другие вещества или разлагаться на простые элементы.

Химические атомные связи

Молекула

Химические связи между атомами бывают металлические, ковалентные и ионные.

В электронной оболочке атома столько электронов, сколько протонов в ядре, так как в целом атом нейтрален. Все электроны движутся по орбитам вокруг ядра подобно тому, как планеты движутся вокруг Солнца.

В молекуле с ионной химической связью электроны одного химического элемента отдают свои электроны, а атомы другого элемента их принимают. И тогда первый атом превращается в ион, имеющий положительный заряд. А атом другого химического элемента приобретает дополнительные электроны и становится отрицательно заряженным ионом. Ионная связь в молекуле возникает в том случае, когда атомы элементов сильно отличаются в размерах.

В случае, если атомы имеют маленький размер и примерно одинаковые радиусы, у них могут образовываться общие пары электронов. Такая связь называется ковалентной. В свою очередь, ковалентная связь бывает неполярная и полярная. Неполярная связь возникает между одинаковыми атомами, а полярная – между разными.

Чтобы понять, что такое металлическая атомная связь, необходимо познакомиться с понятием «валентность».

Валентностью называют способность атома одного элемента присоединять один или несколько атомов другого элемента. За единицу валентности принята соединяемость атома водорода, так как атом водорода способен присоединить к себе только один атом другого элемента. Считается, что водород одновалентен. Одновалентными считаются также все химические элементы, которые способны присоединить к себе только один атом водорода. Если элемент может присоединить к себе два атома водорода, то его валентность равна 2. И так далее. Кислород – двухвалентный химический элемент. Обычно валентность элемента равна количеству электронов на внешней орбите атома. Эти электроны и называются валентными.

Так вот, металлическая связь образуется, когда валентные электроны связываемых атомов металлического кристалла образуют единое электронное облако. Это облако можно легко смещать действием электрического напряжения. Это и объясняет, почему металлы так хорошо проводят электрический ток.

ximik.biz

Определение атома и молекулы. Определение атома до 1932 года

Начиная от периода античности и до средины 18-го века в науке господствовали представления о том, что атом – это частица материи, которую нельзя разделить. Английский ученый, а также и естествоиспытатель Д. Дальтон дал определение атома как наименьшей составной части химического элемента. М. В. Ломоносов в своем атомно-молекулярном учении смог дать определение атома и молекулы. Он был уверен в том, что молекулы, которые он называл «корпускулами», состоят из «элементов» - атомов - и находятся в постоянном движении.

Д. И. Менделеев считал, что эта субъединица веществ, составляющих материальный мир, сохраняет все свои свойства только в случае, если она не подвергается разделению. В данной статье мы дадим определение атома как объекта микромира и изучим его свойства.

Предпосылки создания теории строения атома

В 19 веке общепризнанным считалось утверждение о неделимости атома. Большинство ученых считали, что частицы одного химического элемента ни при каких условиях не могут превратиться в атомы другого элемента. Эти представления служили основой, на которой базировалось определение атома до 1932 года. В конце 19 столетия в науке были сделаны фундаментальные открытия, которые изменили эту точку зрения. Прежде всего в 1897 году английским физиком Д. Ж. Томсоном был открыт электрон. Этот факт в корне менял представления ученых о неделимости составной части химического элемента.

Как доказать, что атом сложно устроен

Еще до открытия электрона ученые единодушно сходились во мнении о том, что атомы не имеют зарядов. Потом было установлено, что электроны легко выделяются из какого угодно химического элемента. Их можно обнаружить в пламени, они являются переносчиками электрического тока, их выделяют вещества во время рентгеновского излучения.

Но если электроны входят в состав всех без исключения атомов и заряжены отрицательно, значит, в атоме есть еще какие-то частицы, которые обязательно имеют положительный заряд, в противном случае атомы не были бы электронейтральными. Помочь разгадать строение атома помогло такое физическое явление, как радиоактивность. Оно дало правильно определение атома в физике, а затем и в химии.

Невидимые лучи

Французским физиком А. Беккерелем было впервые описано явление испускания атомами некоторых химических элементов, визуально невидимых лучей. Они ионизируют воздух, проходят через вещества, вызывают почернение фотопластинок. Позже супруги Кюри и Э. Резерфорд установили, что радиоактивные вещества превращаются в атомы других химических элементов (например, уран – в нептуний).

Радиоактивное излучение неоднородно по составу: альфа-частицы, бета-частицы, гамма-лучи. Таким образом, явление радиоактивности подтвердило, что частицы элементов таблицы Менделеева имеют сложное строение. Этот факт послужил причиной изменений, внесенных в определение атома. Из каких частиц состоит атом, если учитывать полученные Резерфордом новые научные факты? Ответом на этот вопрос стала предложенная ученым ядерная модель атома, согласно которой вокруг положительно-заряженного ядра вращаются электроны.

Противоречия модели Резерфорда

Теория ученого, несмотря на ее выдающийся характер, не смогла объективно дать определение атома. Её выводы шли вразрез с фундаментальными законами термодинамики, согласно которым все электроны, вращающиеся вокруг ядра, теряют свою энергию и, как бы то ни было, рано или поздно должны упасть на него. Атом в этом случае разрушается. Этого на самом деле не происходит, так как химические элементы и частицы, из которых они состоят, существуют в природе очень долго. Необъяснимо такое определение атома, базирующиеся на теории Резерфорда, равно как и явление, возникающее при пропускании раскаленных простых веществ через дифракционную решетку. Ведь образующиеся при этом атомные спектры имеют линейную форму. Это вступало в противоречие с резерфордовской моделью атома, согласно которой спектры должны были бы быть сплошными. Согласно представлениям квантовой механики, в настоящее время электроны характеризуются в ядре не как точечные объекты, а как имеющие вид электронного облака.

Наибольшая его плотность в определенном локусе пространства вокруг ядра и считается местоположением частицы в данный момент времени. Также было выяснено, что в атоме электроны расположены послойно. Количество слоев можно определить, зная номер периода, в котором находится элемент в периодической системе Д. И. Менделеева. Например, атом фосфора содержит 15 электроном и имеет 3 энергетических уровня. Показатель, определяющий количество энергетических уровней, называют главным квантовым числом.

Экспериментально было установлено, что электроны энергетического уровня, расположенного ближе всех к ядру, имеют наименьшую энергию. Каждая энергетическая оболочка делится на подуровни, а они, в свою очередь, на орбитали. Электроны, расположенные на различных орбиталях, имеют равную форму облака (s, p, d, f).

Исходя из вышесказанного следует, что форма электронного облака не может быть произвольной. Она строго определена согласно орбитального квантового числа. Добавим еще и то, что состояние электрона в макрочастице определяется еще двумя значениями – магнитным и спиновым квантовыми числами. Первое базируется на уравнении Шредингера и характеризует пространственную ориентацию электронного облака исходя из трехмерности нашего мира. Второй показатель – спиновое число, по нему определяют вращение электрона вокруг своей оси по или против часовой стрелки.

Открытие нейтрона

Благодаря работам Д. Чедвика, проведенным им в 1932 году, было дано новое определение атома в химии и физике. В своих опытах ученый доказал, что при расщеплении полония возникает излучение, вызванное частицами, не имеющими заряда, с массой 1,008665. Новая элементарная частица была названа нейтроном. Её открытие и изучение её свойств позволило советским ученым В. Гапону и Д. Иваненко создать новую теорию строения атомного ядра, содержащего протоны и нейтроны.

Согласно новой теории, определение атома вещества имело следующий вид: это структурная единица химического элемента, состоящая из ядра, содержащего протоны и нейтроны и электронов, движущихся вокруг него. Число положительных частиц в ядре всегда равно порядковому номеру химического элемента в периодической системе.

В дальнейшем профессор А. Жданов в своих опытах подтвердил, что под влиянием жесткого космического излучения атомные ядра расщепляются на протоны и нейтроны. Кроме этого, было доказано, что силы, удерживающие эти элементарные частицы в ядре, чрезвычайно энергоемкие. Они действуют на очень коротких расстояниях (порядка 10-23 см) и называются ядерными. Как было сказано ранее, еще М. В. Ломоносов смог дать определение атома и молекулы исходя из известных ему научных фактов.

В настоящее время общепризнанной считают следующую модель: атом состоит из ядра и электронов, движущихся вокруг него по строго определенным траекториям – орбиталям. Электроны одновременно проявляют свойства и частицы, и волны, то есть, имеют дуальную природу. В ядре атома сосредоточена практически вся его масса. Она состоит из протонов и нейтронов, связанных ядерными силами.

Можно ли взвесить атом

Оказывается, каждый атом имеет массу. Например, у гидрогена она равна 1,67х10-24 г. Даже трудно представить насколько мала эта величина. Чтобы найти вес такого объекта, используют не весы, а осциллятор, представляющий собой углеродную нанотрубку. Для расчета веса атома и молекулы более удобной величиной является относительная масса. Она показывает, во сколько раз вес молекулы или атома больше чем 1/12 часть атома карбона, которая составляет 1,66х10-27 кг. Относительные атомные массы указаны в периодической системе химических элементов, и они не имеют размерности.

Ученые хорошо знают, что атомная масса химического элемента – это средняя величина массовых чисел всех его изотопов. Оказывается, в природе единицы одного химического элемента могут иметь различные массы. При этом заряды ядер таких структурных частиц одинаковы.

Учеными установлено, что изотопы различаются между собой количеством нейтронов в ядре, а заряд ядер у них одинаков. Например, у атома хлора, имеющего массу 35 содержится 18 нейтронов и 17 протонов, а с массой 37 – 20 нейтронов и 17 протонов. Многие химические элементы представляют собой смеси изотопов. Например, такие простые вещества, как калий, аргон, кислород содержат в своем составе атомы, представляющие 3 разных изотопа.

Определение атомарности

Оно имеет несколько трактовок. Рассмотрим, что понимают под этим термином в химии. Если атомы какого-либо химического элемента способны хотя бы кратковременно существовать обособленно, не стремясь к образованию более сложной частицы – молекулы, то говорят, что такие вещества имеют атомарное строение. Например, многостадийная реакция хлорирования метана. Она широко применяется в химии органического синтеза для получения важнейших галогеносодержащих производных: дихлорметана, четыреххлористого углерода. В ней происходит расщепление молекул хлора на атомы, обладающие высокой реакционной способностью. Они разрушают сигма-связи в молекуле метана, обеспечивая цепную реакцию замещения.

Еще один пример химического процесса, имеющего большое значение в промышленности – использование пероксида водорода в качестве дезинфицирующего и отбеливающего средства. Определение атомарного кислорода, как продукта расщепления перекиси водорода, происходит как в живых клетках (под действием фермента каталазы), так и в лабораторных условиях. Атомарный кислород качественно определяют по его высоким антиоксидантным свойствам, а также по способности разрушать патогенные агенты: бактерии, грибы и их споры.

Как устроена атомная оболочка

Нами было уже выяснено ранее, что структурная единица химического элемента имеет сложное строение. Вокруг положительно-заряженного ядра вращаются отрицательные частицы электроны. Лауреат Нобелевской премии Нильс Бор, основываясь на квантовой теории света, создал свое учение, в котором характеристика и определение атома имеют следующий вид: электроны двигаются вокруг ядра только по определенным стационарным траекториям, при этом не излучают энергию. Учение Бора доказало, что частицы микромира, к которым относятся атомы и молекулы, не подчиняются законам, справедливым для больших тел – объектов макрокосмоса.

Строение электронных оболочек макрочастиц было изучено в работах по квантовой физике таких ученых, как Хунд, Паули, Клечковский. Так стало известно, что электроны делают вращательные движения вокруг ядра не хаотично, а по определенным стационарным траекториям. Паули установил, что в пределах одного энергетического уровня на каждой из его орбиталей s, p, d, f в электронных ячейках может находиться не более двух отрицательно заряженных частиц с противоположным значением спина + ½ и – ½.

Правило Хунда объяснило, как правильно заполняются электронами орбитали с одинаковым уровнем энергии.

Правило Клечковского, называемое еще правилом n+l, объяснило, как заполняются орбитали многоэлектронных атомов (элементов 5, 6, 7 периодов). Все вышеперечисленные закономерности послужили теоретическим обоснованием системы химических элементов, созданной Дмитрием Менделеевым.

Степень окисления

Она является фундаментальным понятием в химии и характеризует состояние атома в молекуле. Современное определение степени окисления атомов звучит следующим образом: это условный заряд атома в молекуле, который рассчитывают исходя из представлений, что молекула имеет только ионный состав.

Степень окисления может выражаться целым или дробным числом, с положительным, отрицательным или нулевым значениями. Чаще всего атомы химических элементов имеют несколько степеней окисления. Например, у азота это -3, -2, 0, +1, +2, +3, +4, +5. А вот такой химический элемент, как фтор, во всех своих соединениях имеет только одну степень окисления, равную -1. Если он представлен простым веществом, то его степень окисления равна нулю. Этой химической величиной удобно пользоваться для классификации веществ и для описания их свойств. Чаще всего степенью окисления атома пользуются в химии при составлении уравнений окислительно-восстановительных реакций.

Свойства атомов

Благодаря открытиям квантовой физики, современное определение атома, базирующееся на теории Д. Иваненко и Е. Гапона, дополняется следующими научными фактами. Строение ядра атома не изменяется во время химических реакций. Изменению подвергаются только стационарные электронные орбитали. Их строением можно объяснить очень много физических и химических свойств веществ. Если электрон покидает стационарную орбиту и переходит на орбиталь с более высоким показателем энергии, такой атом называется возбужденным.

Нужно отметить, что электроны не могут длительное время находиться на таких несвойственных им орбиталях. Возвращаясь на свою стационарную орбиту, электрон излучает квант энергии. Изучение таких характеристик структурных единиц химических элементов, как сродство к электрону, электроотрицательность, энергия ионизации, позволило ученым не только дать определение атома, как важнейшей частице микромира, но также позволило им объяснить способность атомов образовывать стойкое и энергетически более выгодное молекулярное состояние материи, возможное вследствие создания различных типов устойчивой химической связи : ионной, ковалентно-полярной и неполярной, донорно-акцепторной (как разновидности ковалентной связи) и металлической. Последняя обуславливает важнейшие физические и химические свойства всех металлов.

Экспериментально установлено, что размер атома может изменяться. Всё будет зависеть от того, в какую молекулу он входит. Благодаря рентгеноструктурному анализу можно рассчитать расстояние между атомами в химическом соединении, а также узнать радиус структурной единицы элемента. Владея закономерностями изменения радиусов атомов, входящих в период или в группу химических элементов, можно спрогнозировать их физические и химические свойства. Например, в периодах с увеличением заряда ядра атомов их радиусы уменьшаются («сжатие атома»), поэтому металлические свойства соединений ослабевают, а неметаллические усиливаются.

Таким образом, знания о строении атома позволяют точно определить физические и химические свойства всех элементов, входящих в периодическую систему Менделеева.

fb.ru

---

• 
  Від чого залежить сила ампера
• 
  Из постоянного в переменный
• 
  Постоянный и переменный ток это
• 
  Мосэнергосбыт телефон в раменском
• 
  Устройство гальванометра
• 
  Чем вырезать отверстие под розетку в плитке
• 
  Как найти сопротивление контура
• 
  Как возбудить генератор
• 
  Воздушный компрессор винтовой устройство
• 
  Основные дефекты сердечника статора
• 
  Схема импульсного блока питания обратноходового