Основные понятия химии. Строение атома. Изотопы

Мир вокруг нас, каким бы сложным и многообразным он ни казался, состоит из удивительно простых «кирпичиков» — атомов. Эти мельчайшие частицы вещества являются фундаментом всего материального мира: от необъятных звёздных систем до тончайших биологических структур.

История изучения атома насчитывает более двух с половиной тысячелетий. Первыми догадку о существовании мельчайших, неделимых частиц вещества выдвинули древнегреческие философы Левкипп и Демокрит. Однако лишь в XX веке, благодаря трудам Резерфорда, Бора, Шрёдингера и Гейзенберга человечество смогло заглянуть в удивительный мир атомов.

В этой статье мы рассмотрим:

• основные понятия, которыми пользуются химики для описания строения вещества
• несколько основных моделей строения атома и выводы, которые можно сделать на их основе
• организацию энергетических уровней в атомах

Химия — наука о веществах, их строении, свойствах, превращениях и явлениях, сопровождающих эти превращения. }

Два основных понятия, изучаемых в химии — «вещество» и «химическая реакция».

Вещество — это устойчивая совокупность частиц (атомов, молекул, ионов), обладающая определёнными физическими и химическими свойствами. }

Каждое вещество характеризуется определённым набором физических характеристик: агрегатное состояние, цвет, механическая прочность, плотность, температуры плавления и кипения, способность проводить электрический ток и тепло, молярная масса и многие другие.

Вещества могут иметь различное строение (молекулярное, атомное, ионное), но независимо от этого наименьшей структурной единицей любого вещества является атом.

Атом — электронейтральная частица, состоящая из положительно заряженного ядра и окружающей его электронной оболочки.

Электронная оболочка — совокупность электронов в атоме. }

Ядро атома образовано протонами (p), несущими положительный заряд, и нейтральными частицами — нейтронами (n). Величина заряда протона равна величине заряда электрона, однако имеет противоположный знак.

Порядковый номер химического элемента в таблице Менделеева соответствует количеству протонов в ядре, величине заряда ядра этого элемента и суммарному числу электронов в атоме.

По массе протон и нейтрон практически эквивалентны, тогда как электрон легче их примерно в 2000 раз.

Ученые-физики в разное время предлагали различные модели строения атома. Рассмотрим две модели, актуальные на сегодняшний день: планетарную модель строения атома (Э. Резерфорд и Н. Бор) и квантовую модель строения атома (Э. Шрёдингер).

Согласно планетарной модели, атом представляет собой систему с чётко фиксированными орбитами, по которым электроны движутся вокруг ядра, аналогично движению планет по орбитам вокруг Солнца.

Современные представления о строении атома базируются на принципах квантовой механики: вместо классических орбит вводится понятие электронных орбиталей. В рамках квантовой теории каждый электрон в атоме занимает определённую орбиталь, характеризующую область его вероятного нахождения.

Орбиталь — это часть электронного облака, которое создают электроны при движении вокруг ядра в атоме. }

Вид атомов, характеризующихся одним и тем же зарядом ядра и одинаковым распределением электронов, называют химическим элементом. Каждый элемент имеет свой символ.

Произношение остальных химических элементов соответствует названию элементов на русском языке. К примеру аргон (Ar) произносится как «аргон», хром (Cr) произносится как «хром» и т.д.

1. Основная масса атома сосредоточена в ядре, поскольку вклад электронов в общую массу пренебрежимо мал;
2. Массовое число атома (A) определяется суммой числа протонов и нейтронов, так как их относительные массы приблизительно равны 1:

1. Число протонов равно заряду ядра атома — зарядовому числу Z;
2. В нейтральном атоме соблюдается следующее равенство, обеспечивающее нулевой суммарный заряд:

Массовое число А — общее число протонов и нейтронов в ядре, оно всегда целое и примерно равно относительной атомной массе. }

Зарядовое число ядра Z — это число протонов в ядре, оно равно порядковому номеру элемента. }

Разновидности атомов одного элемента, различающиеся числом нейтронов в ядре и, следовательно, имеющие разное массовое число (массу), называются изотопами. }

Химические свойства изотопов практически одинаковы (за исключением изотопов водорода), некоторые физические свойства незначительно различаются. Обычно изотопы различных элементов не имеют специальных названий. Единственное исключение — водород. Его изотопы:

Дейтерий и тритий — это тяжёлые изотопы водорода. Дейтерий (обозначается как ²H или D) встречается в природе — в составе тяжёлой воды. Его получают в основном путём электролиза обычной воды, где дейтерий отделяется от лёгкого водорода. Тритий (³H или T) — радиоактивный изотоп. В природе почти не встречается, его получают в ядерных реакторах из лития.

Дейтерий используется в ядерной энергетике — как компонент тяжёлой воды, замедляющей нейтроны. В органической химии дейтерий применяют как «метку»: его добавляют в молекулы, чтобы отслеживать их поведение в химических реакциях. Это помогает изучать механизмы реакций.

Энергетический уровень (электронный слой) — совокупность электронов с близкими значениями энергии. }

Число энергетических уровней с электронами в атоме соответствует номеру периода элемента в Периодической системе. Это объясняет закономерное изменение свойств элементов при увеличении их атомного номера.

Максимальное число электронов на энергетическом уровне равно N = 2n², где n — это номер энергетического уровня (периода). }

Химическое поведение атомов определяется валентными электронами — они находятся на внешнем (в случае с элементами побочных подгрупп также на предвнешнем) энергетическом уровне и участвуют в образовании химических связей. У элементов главных подгрупп их количество совпадает с номером группы, что позволяет предсказать химическую активность и возможные степени окисления.

Химическая устойчивость атома зависит от завершённости внешнего электронного слоя. Устойчивое состояние достигается при наличии 8 электронов (или 2 — у элементов первого периода) на внешнем уровне. Такое строение характерно для благородных газов (VIIIА группа), поэтому они химически инертны.

Именно внешние электроны (у элементов главных подгрупп — это и есть валентные электроны) определяют химические свойства атома и типы связей, которые он может образовывать.

Как было отмечено ранее, структурными единицами вещества являются разные частицы: атомы, молекулы, ионы.

Атомы химических элементов взаимодействуют друг с другом и образуют молекулы.

Молекула — наименьшая частица вещества (молекулярного строения), сохраняющая его состав и химические свойства. }

Состав молекулы можно выразить химической формулой.

Химическая формула — это условная запись состава вещества (качественного и количественного) с помощью символов элементов и подстрочных индексов. }

Относительная молекулярная масса Мᵣ — величина, показывающая во сколько раз абсолютная масса молекулы данного вещества больше атомной единицы массы.

Ион — заряженная частица, которая получается при отрыве или присоединении электронов.

Катион — положительно заряженный ион, который получается при отрыве электронов:

Na⁰ – 1ē = Na⁺.

Анион — отрицательно заряженный ион, который получается при присоединении электронов:

Cl⁰ + 1ē = Cl⁻.

Относительная атомная масса Aᵣ — среднее значение величин атомных масс всех изотопов данного химического элемента.

Относительная атомная масса Aᵣ — величина, показывающая во сколько раз абсолютная масса атома данного химического элемента больше атомной единицы массы.

Атомная единица массы (а.е.м.) — это 1/12 часть абсолютной массы атома углерода ¹²С. }

Для количественных расчётов по химическим формулам и уравнениям химических реакций используют понятие «количество вещества». В веществах содержится очень большое количество разных частиц: молекул, атомов и ионов, поэтому для удобства измерения количества вещества ввели специальную единицу — моль.

Моль — это количество вещества, которое содержит 6,02 · 10²³ частиц этого вещества.

Число 6,02 · 10²³ называют числом Авогадро. Физическую величину NA = 6,02 · 10²³ моль — называют постоянной Авогадро.

Молярная масса — масса одного моль вещества. }

Молярная масса вещества M (г/моль) совпадает по численному значению с его относительной молекулярной массой Mᵣ. Она рассчитывается путем сложения молярных масс всех атомов, входящих в состав молекулы, с обязательным учетом индексов, указанных в химической формуле:

M(H₂SO₄) = 2M(H) + M(S) + M(O) = 2 · 1 + 32 + 4 · 16 = 98г/моль

M(HCl) = M(H) + M(Cl) = 1 + 35,5 = 36,5 г/моль

Этот принцип распространяется на любые химические соединения — от простейших двухатомных молекул до сложных органических веществ.

Вещества бывают простые и сложные.

Простые вещества состоят из атомов одного химического элемента.
Различные простые вещества, образованные одним и тем же химическим элементом, называются аллотропными модификациями. }

Все эти модификации отличаются друг от друга кристаллической структурой и физическими свойствами.

Простые вещества подразделяют на металлы и неметаллы.

Сложные вещества (или химические соединения) состоят из атомов разных химических элементов.}

Состав вещества — постоянный, то есть постоянно соотношение элементов в соединении.
Сложные вещества подразделяют на органические (углеводороды, кислородсодержащие и азотсодержащие соединения) и неорганические (оксиды, гидроксиды, бескислородные кислоты, соли).

Вещества, состоящие из нескольких соединений, не связанных между собой постоянными соотношениями, называют смесями. Состав смесей не является постоянным.

Примеры смесей: морская вода (смесь воды и растворённых в ней солей), воздух (смесь азота, кислорода, благородных газов (главным образом, аргона), углекислого газа и паров воды), бензин (смесь углеводородов).

Однородные смеси (например, воздух), в которых между компонентами нет поверхности раздела фаз, называются гомогенные смеси. Неоднородные смеси (например, смесь древесных и железных опилок), в которых компоненты разделены поверхностью раздела фаз, называются гетерогенные смеси.

Химическая реакция — процесс превращения одного вещества в другое, сопровождающееся изменением состава и (или) строения (реакции аллотропизации и изомеризации). }

Способности вещества участвовать в тех или иных химических реакциях называются химическими свойствами этого вещества.

Условная запись химической реакции с помощью химических формул и коэффициентов называется химическим уравнением. }

При химических реакциях ядра атомов не затрагиваются — происходит перераспределение валентных электронов. От распределения электронов на внешней оболочке зависят химические свойства атомов химических элементов, а также соединений, которые образуют данные атомы химических элементов. Поэтому так важно правильно записывать электронные конфигурации атомов химических элементов.

В статье мы рассмотрели ключевые концепции, позволяющие понять природу вещества. Понимание строения атома позволяет объяснить, почему одни вещества вступают в реакции, а другие остаются инертными, как образуются химические связи и почему элементы проявляют те или иные свойства.

Атомная теория продолжает развиваться и сегодня. Каждое новое открытие в этой области даёт нам более глубокое понимание устройства материи и открывает возможности для создания новых материалов и технологий.