Современное представление о строении атома: Современные представления о строении атома – Теоретический материал

Содержание

Современные представления о строении атома — “Химическая продукция”

Что такое строение атома, современные представления об атоме

Что такое современные представления о строении атома.

  • Химия — наука о веществах, их свойствах и превращениях.
  • Химическими веществами называют то, из чего состоит окружающий нас мир.

Свойства каждого химического вещества делятся на два типа: это химические, которые характеризуют его способность образовывать другие вещества, и физические, которые объективно наблюдаются и могут быть рассмотрены в отрыве от химических превращений.

Физическими свойствами вещества являются его агрегатное состояние (твердое, жидкое или газообразное), теплопроводность, теплоемкость, растворимость в различных средах (вода, спирт и др.), плотность, цвет, вкус и т.д.

Превращения одних химических веществ в другие вещества называют химическими явлениями или химическими реакциями. Следует отметить, что существуют также и физические явления, которые, очевидно, сопровождаются изменением каких-либо физических свойств вещества без его превращения в другие вещества.

ъ

К физическим явлениям относятся

  • плавление льда
  • замерзание
  • испарение воды и др.

О том, что в ходе какого-либо процесса имеет место химическое явление, можно сделать вывод, наблюдая характерные признаки химических реакций, такие как изменение цвета, образование осадка, выделение газа, выделение теплоты и (или) света.

Вывод о протекании химических реакций можно сделать, наблюдая:

  • образование осадка при кипячении воды, называемого в быту накипью;
  • выделение тепла и света при горении костра;
  • изменение цвета среза свежего яблока на воздухе;
  • образование газовых пузырьков при брожении теста и т.д.

Мельчайшие частицы вещества, которые в процессе химических реакций практически не претерпевают изменений, а лишь по-новому соединяются между собой, называются атомами.

Сама идея о существовании таких единиц материи возникла еще в древней Греции в умах античных философов, что собственно и объясняет происхождение термина «атом», поскольку «атомос» в буквальном переводе с греческого означает «неделимый».

Тем не менее, вопреки идее древнегреческих философов, атомы не являются абсолютным минимумом материи, т.е. сами имеют сложное строение.

Каждый атом состоит из так называемых субатомных частиц – протонов, нейтронов и электронов, обозначаемых соответственно символами p+, no и e−. Надстрочный индекс в используемых обозначениях указывает на то, что протон имеет единичный положительный заряд, электрон – единичный отрицательный заряд, а нейтрон заряда не имеет.

Что касается качественного устройства атома, то у каждого атома все протоны и нейтроны сосредоточены в так называемом ядре, вокруг которого электроны образуют электронную оболочку.

Протон и нейтрон обладают практически одинаковыми массами, т.е. mp ≈ mn , а масса электрона почти в 2000 раз меньше массы каждого из них, т.е. mp/me ≈ mn/me ≈ 2000.

Поскольку фундаментальным свойством атома является его электронейтральность, а заряд одного электрона равен заряду одного протона, из этого можно сделать вывод о том, что количество электронов в любом атоме равно количеству протонов.

Возможный состав атомов:

атом1 атом2 атом3 атом4
ядро 1p+ 1p+, 1n0 4p+, 3n0 4p+, 4n0
оболочка 1e 1e 4e 4e

Вид атомов с одинаковым зарядом ядер, т.е. с одинаковым числом протонов в их ядрах, называют химическим элементом. Таким образом, из таблицы выше можно сделать вывод о том, что атом1 и атом2 относятся в одному химическому элементу, а атом3 и атом4 — к другому химическому элементу.

Каждый химический элемент имеет свое название и индивидуальный символ, который читается определенным образом. Так, например, самый простой химический элемент, атомы которого содержат в ядре только один протон, имеет название «водород» и обозначается символом «Н», что читается как «аш», а химический элемент с зарядом ядра +7 (т. е. содержащий 7 протонов) — «азот», имеет символ «N» , который читается как «эн».

Как можно заметить из представленной выше таблицы, атомы одного химического элемента могут отличаться количеством нейтронов в ядрах.

Атомы, относящиеся к одному химическому элементу, но имеющие разное количество нейтронов и, как следствие массу, называют изотопами.

Так, например, химический элемент водород имеет три изотопа – 1Н, 2Н и 3Н. Индексы 1, 2 и 3 сверху от символа Н означают суммарное количество нейтронов и протонов. Т.е. зная, что водород – это химический элемент, который характеризуется тем, что в ядрах его атомов находится по одному протону, можно сделать вывод о том, что в изотопе 1Н вообще нет нейтронов (1-1=0), в изотопе 2Н – 1 нейтрон (2-1=1) и в изотопе 3Н – два нейтрона (3-1=2). Поскольку, как уже было сказано, нейтрон и протон имеют одинаковые массы, а масса электрона по сравнению с ними пренебрежимо мала, это значит, что изотоп 2Н практически в два раза тяжелее изотопа 1Н, а изотоп 3Н — и вовсе в три раза.

В связи с таким большим разбросом масс изотопов водорода изотопам 2Н и 3Н даже были присвоены отдельные индивидуальные названия и символы, что не характерно больше ни для одного другого химического элемента. Изотопу 2Н дали название дейтерий и присвоили символ D, а изотопу 3Н дали название тритий и присвоили символ Т.

Если принять массу протона и нейтрона за единицу, а массой электрона пренебречь, фактически верхний левый индекс помимо суммарного количества протонов и нейтронов в атоме можно считать его массой, в связи с чем этот индекс называют массовым числом и обозначают символом А. Поскольку за заряд ядра любого атома отвечают протоны, а заряд каждого протона условно считается равным +1, количество протонов в ядре называют зарядовым числом (Z). Обозначив количество нейтронов в атоме буквой N, математически взаимосвязь между массовым числом, зарядовым числом и количеством нейтронов можно выразить как:

A ravno Z plus N

Согласно современным представлениям, электрон имеет двойственную (корпускулярно-волновую) природу. Он обладает свойствами как частицы, так и волны. Подобно частице, электрон имеет массу и заряд, но в то же время поток электронов, подобно волне, характеризуется способностью к дифракции.

Для описания состояния электрона в атоме используют представления квантовой механики, согласно которым электрон не имеет определенной траектории движения и может находиться в любой точке пространства, но с разной вероятностью.

Область пространства вокруг ядра, где наиболее вероятно нахождение электрона, называется атомной орбиталью.

Атомная орбиталь может обладать различной формой, размером и ориентацией. Также атомную орбиталь называют электронным облаком.

Графически одну атомную орбиталь принято обозначать в виде квадратной ячейки:
jachejka 1

Квантовая механика имеет крайне сложный математический аппарат, поэтому в рамках школьного курса химии рассматриваются только лишь следствия квантово-механической теории.

Согласно этим следствиям, любую атомную орбиталь и находящийся на ней электрон полностью характеризуют 4 квантовых числа.

Главное квантовое число – n — определяет общую энергию электрона на данной орбитали. Диапазон значений главного квантового числа – все натуральные числа, т.е. n = 1,2,3,4, 5 и т.д.
Орбитальное квантовое число — l – характеризует форму атомной орбитали и может принимать любые целочисленные значения от 0 до n-1, где n, напомним, — это главное квантовое число.

Орбитали с l = 0 называют s-орбиталями. s-Орбитали имеют сферическую форму и не обладают направленностью в пространстве:

s-orbital
Орбитали с l = 1 называются p-орбиталями. Данные орбитали обладают формой трехмерной восьмерки, т.е. формой, полученной вращением восьмерки вокруг оси симметрии, и внешне напоминают гантель:

p -orbitals 3d 2
Орбитали с l = 2 называются d-орбиталями, а с l = 3 – f-орбиталями. Их строение намного более сложное.

3) Магнитное квантовое число – ml – определяет пространственную ориентацию конкретной атомной орбитали и выражает проекцию орбитального момента импульса на направление магнитного поля. Магнитное квантовое число ml соответствует ориентации орбитали относительно направления вектора напряженности внешнего магнитного поля и может принимать любые целочисленные значения от –l до +l, включая 0, т.е. общее количество возможных значений равно (2l+1). Так, например, при l = 0 ml = 0 (одно значение), при l = 1 ml = -1, 0, +1 (три значения), при l = 2 ml = -2, -1, 0, +1, +2 (пять значений магнитного квантового числа) и т.д.

Так, например, p-орбитали, т.е. орбитали с орбитальным квантовым числом l = 1, имеющие форму «трехмерной восьмерки», соответствуют трем значениям магнитного квантового числа (-1, 0, +1), что, в свою очередь, соответствует трем перпендикулярным друг другу направлениям в пространстве.

4) Спиновое квантовое число (или просто спин) — ms — условно можно считать отвечающим за направление вращения электрона в атоме, оно может принимать значения . Электроны с разными спинами обозначают вертикальными стрелками, направленными в разные стороны: ↓ и ↑.

Совокупность всех орбиталей в атоме, имеющих одно и то же значение главного квантового числа, называют энергетическим уровнем или электронной оболочкой. Любой произвольный энергетический уровень с некоторым номером n состоит из n2 орбиталей.

Множество орбиталей с одинаковыми значениями главного квантового числа и орбитального квантового числа представляет собой энергетический подуровень.

Каждый энергетический уровень, которому соответствует главное квантовое число n, содержит n подуровней. В свою очередь, каждый энергетический подуровень с орбитальным квантовым числом l, состоит из (2l+1) орбиталей. Таким образом, s-подуровень состоит из одной s-орбитали, p-подуровень – трех p-орбиталей, d-подуровень – пяти d-орбиталей, а f-подуровень — из семи f-орбиталей. Поскольку, как уже было сказано, одна атомная орбиталь часто обозначается одной квадратной ячейкой, то s-, p-, d- и f-подуровни можно графически изобразить следующим образом:

Каждой орбитали соответствует индивидуальный строго определенный набор трех квантовых чисел n, l и ml.

Распределение электронов по орбиталям называют электронной конфигурацией.

Заполнение атомных орбиталей электронами происходит в соответствии с тремя условиями:

Принцип минимума энергии: электроны заполняют орбитали, начиная с подуровня с наименьшей энергией. Последовательность подуровней в порядке увеличения их энергий выглядит следующим образом: 1s<2s<2p<3s<3p<4s≤3d<4p<5s≤4d<5p<6s…;
Для того чтобы проще запомнить данную последовательность заполнения электронных подуровней, весьма удобна следующая графическая иллюстрация:

grficheski pravilo Klechkovskogo

Принцип Паули: на каждой орбитали может находиться не более двух электронов.
Если на орбитали находится один электрон, то он называется неспаренным, а если два, то их называют электронной парой.

Правило Хунда: наиболее устойчивое состояние атома является такое, при котором в пределах одного подуровня атом обладает максимально возможным числом неспаренных электронов. Такое наиболее устойчивое состояние атома называется основным состоянием.
Фактически вышесказанное означает то, что, например, размещение 1-го, 2-х, 3-х и 4-х электронов на трех орбиталях p-подуровня будет осуществляться следующим образом:

chislo electronov poradok zapolnenija
Заполнение атомных орбиталей от водорода, имеющего зарядовое число равное 1, до криптона (Kr) с зарядовым числом 36 будет осуществляться следующим образом:

Jenergeticheskaja diagramma
Подобное изображение порядка заполнения атомных орбиталей называется энергетической диаграммой. Исходя из электронных диаграмм отдельных элементов, можно записать их так называемые электронные формулы (конфигурации). Так, например, элемент с 15ю протонами и, как следствие, 15ю электронами, т.е. фосфор (P), будет иметь следующий вид энергетической диаграммы:

jenergeticheskaja diagramma atoma fosfora
При переводе в электронную формулу атома фосфора примет вид:

15P = 1s22s22p63s23p3

Цифрами нормального размера слева от символа подуровня показан номер энергетического уровня, а верхними индексами справа от символа подуровня показано количество электронов на соответствующем подуровне.

Электронные формул первых 36 элементов периодической системы Д.И. Менделеева.

период № элемента символ название электронная формула
I 1 H водород 1s 1
2 He гелий 1s 2
II 3 Li литий 1s 2 2s 1
4 Be бериллий 1s 2 2s 2
5 B бор 1s 2 2s 2 2p 1
6 C углерод 1s 2 2s 2 2p 2
7 N азот 1s 2 2s 2 2p 3
8 O кислород 1s 2 2s 2 2p 4
9 F фтор 1s 2 2s 2 2p 5
10 Ne неон 1s 2 2s 2 2p 6
III 11 Na натрий 1s 2 2s 2 2p 6 3s 1
12 Mg магний 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2
13 Al алюминий 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 1
14 Si кремний 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 2
15 P фосфор 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 3
16 S сера 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 4
17 Cl хлор 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 5
18 Ar аргон 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6
IV 19 K калий 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 1
20 Ca кальций 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2
21 Sc скандий 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 1
22 Ti титан 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 2
23 V ванадий 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 3
24 Cr хром 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 1 3d 5 здесь наблюдается проскок одного электрона с s на d подуровень
25 Mn марганец 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 5
26 Fe железо 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 6
27 Co кобальт 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 7
28 Ni никель 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 8
29 Cu медь 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 1 3d 10 здесь наблюдается проскок одного электрона с s на d подуровень
30 Zn цинк 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 10
31 Ga галлий 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 10 4p 1
32 Ge германий 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 10 4p 2
33 As мышьяк 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 10 4p 3
34 Se селен 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 10 4p 4
35 Br бром 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 10 4p 5
36 Kr криптон 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 10 4p 6

В основном своем состоянии электроны в атомных орбиталях расположены согласно принципу наименьшей энергии. Тем не менее, при наличии пустых p-орбиталей в основном состоянии атома, нередко, при сообщении ему избыточной энергии атом можно перевести в так называемое возбужденное состояние.

Атом бора в основном своем состоянии имеет электронную конфигурацию и энергетическую диаграмму следующего вида:

5B = 1s22s22p1

электронная формула атома бора
А в возбужденном состоянии (*), т.е. при сообщении некоторой энергии атому бора, его электронная конфигурация и энергетическая диаграмма будут выглядеть так:

5B* = 1s22s12p2

электронная формула атома бора в возбужденном состоянии

В зависимости от того, какой подуровень в атоме заполняется последним, химические элементы делят на s, p, d или f.

Нахождение s, p, d и f-элементов в таблице Д.И. Менделеева:

  • У s-элементов последний заполняемый s-подуровень. К данным элементам относятся элементы главных (слева в ячейке таблицы) подгрупп I и II групп.
  • У p-элементов заполняется p-подуровень. К p-элементам относят последние шесть элементов каждого периода, кроме первого и седьмого, а также элементы главных подгрупп III-VIII групп.
  • d-Элементы расположены между s – и p-элементами в больших периодах.
  • f-Элементы называют лантаноидами и актиноидами. Они вынесены вниз таблицы Д.И. Менделеева.

Вопрос 22. Современные представления о строении атома

Атом – это мельчайшая, химически неделимая частица.  В настоящее время известно более 110 химических элементов (видов атомов). Согласно современным представлениям атомы имеют сложное строение. Они состоят из ядра и электронов. Ядро почти в 2000 раз тяжелее атома. Но при этом оно примерно в 50000 раз меньше атома. Если мысленно увеличить масштаб и представить, что ядро атома имеет диаметр 2 см, тогда радиус атома составил бы приблизительно 500 м. Как выяснили ученые, ядро тоже имеет сложное строение. Оно состоит, главным образом, из двух видов частиц протонов и нейтронов.

Планетарная модель атома Бора-Резерфорда. В 1911 году Эрнест Резерфорд, проделав ряд экспериментов, пришёл к выводу, что атом представляет собой подобие планетной системы, в которой электроны движутся по орбитам вокруг расположенного в центре атома тяжёлого положительно заряженного ядра («модель атома Резерфорда»). Однако такое описание атома вошло в противоречие с классической электродинамикой. Дело в том, что, согласно классической электродинамике, электрон при движении с центростремительным ускорением должен излучать электромагнитные волны, а, следовательно, терять энергию. Расчёты показывали, что время, за которое электрон в таком атоме упадёт на ядро, совершенно ничтожно. Для объяснения стабильности атомов Нильсу Бору пришлось ввести постулаты, которые сводились к тому, что электрон в атоме, находясь в некоторых специальных энергетических состояниях, не излучает энергию («модель атома Бора-Резерфорда»). Постулаты Бора показали, что для описания атома классическая механика неприменима. Дальнейшее изучение излучения атома привело к созданию квантовой механики, которая позволила объяснить подавляющее большинство наблюдаемых фактов. Современная модель атома является развитием планетарной модели. Согласно этой модели, ядро атома состоит из положительно заряженных протонов и не имеющих заряда нейтронов и окружено отрицательно заряженными электронами. Однако представления квантовой механики не позволяют считать, что электроны движутся вокруг ядра по сколько-нибудь определённым траекториям (неопределённость координаты электрона в атоме может быть сравнима с размерами самого атома).

Химические свойства атомов определяются конфигурацией электронной оболочки и описываются квантовой механикой. Положение атома в таблице Менделеева определяется электрическим зарядом его ядра (то есть количеством протонов), в то время как количество нейтронов принципиально не влияет на химические свойства; при этом нейтронов в ядре, как правило, больше, чем протонов (см. : атомное ядро). Если атом находится в нейтральном состоянии, то количество электронов в нём равно количеству протонов. Основная масса атома сосредоточена в ядре, а массовая доля электронов в общей массе атома незначительна (несколько сотых процента массы ядра). Хотя слово атом в первоначальном значении обозначало частицу, которая не делится на меньшие части, согласно научным представлениям он состоит из более мелких частиц, называемых субатомными частицами. Атом состоит из электронов, протонов, все атомы, кроме водорода-1, содержат также нейтроны. Электрон является самой лёгкой из составляющих атом частиц с массой 9,11×10−31 кг, отрицательным зарядом и размером, слишком малым для измерения современными методами. Протоны обладают положительным зарядом и в 1836 раз тяжелее электрона (1,6726×10−27 кг). Нейтроны не обладают электрическим зарядом и в 1839 раз тяжелее электрона (1,6929×10−27 кг). При этом масса ядра меньше суммы масс составляющих её протонов и нейтронов из-за эффекта дефекта массы. Нейтроны и протоны имеют сравнимый размер, около 2,5×10−15 м, хотя размеры этих частиц определены плохо. В стандартной модели элементарных частиц как протоны, так и нейтроны состоят из элементарных частиц, называемых кварками. Наряду с лептонами, кварки являются одной из основных составляющих материи. И первые и вторые являются фермионами. Существует шесть типов кварков, каждый из которых имеет дробный электрический заряд, равный +2⁄3 или −1⁄3 элементарного. Протоны состоят из двух u-кварков и одного d-кварка, а нейтрон — из одного u-кварка и двух d-кварков. Это различие объясняет разницу в массах и зарядах протона и нейтрона. Кварки связаны между собой сильными ядерными взаимодействиями, которые передаются глюонами. При описании электронов в атоме в рамках квантовой механики, обычно рассматривают распределение вероятности в 3n-мерном пространстве для системы n электронов. Электроны в атоме притягиваются к ядру, между электронами также действует кулоновское взаимодействие. Эти же силы удерживают электроны внутри потенциального барьера, окружающего ядро. Для того, чтобы электрон смог преодолеть притяжение ядра, ему необходимо получить энергию от внешнего источника. Чем ближе электрон находится к ядру, тем больше энергии для этого необходимо.

Электронам, как и другим частицам, свойственен корпускулярно-волновой дуализм. Иногда говорят, что электрон движется по орбитали, что неверно. Состояние электронов описывается волновой функцией, квадрат модуля которой характеризует плотность вероятности нахождения частиц в данной точке пространства в данный момент времени, или, в общем случае, оператором плотности. Существует дискретный набор атомных орбиталей, которым соответствуют стационарные чистые состояния электронов в атоме. Каждой орбитали соответствует свой уровень энергии. Электрон может перейти на уровень с большей энергией, поглотив фотон. При этом он окажется в новом квантовом состоянии с большей энергией. Аналогично, он может перейти на уровень с меньшей энергией, излучив фотон. Энергия фотона при этом будет равна разности энергий электрона на этих уровнях

Современные представления о строении атома

Осознание содержания этого пункта позволяет:

характеризовать основные положения современной теории строения атома, состав атомных ядер;

объяснять значение понятий «нуклиды», «нуклоны», «изотопы», «орбиталь»;

уметь определять число протонов и нейтронов в ядре атома, число электронов в атоме, его массовое число.

За 25 веков, со времен философов Древней Греции и до конца XIX в., В науке господствовало мнение о том, что атом — наименьшая неделимая частица вещества, которая остается неизменной при любых процессов или явлений.

Однако в конце XIX в. в физике был сделан ряд открытий, которые показали сложное строение атома.

— Вспомните, какие открытия стали прямыми доказательствами сложности атома.

На основании новых открытий начала развиваться теория строения атома (модель строения атома Э. Резерфорда, 1911 г.; модель Н. Бора, 1913 г.).

— Объясните, что является общим для этих моделей и чем они отличаются друг от друга.

Современная теория строения атома возникла как результат переосмысления и дополнения теории Бора. Существенным нововведением стало понятие о электронное облако (атомную орбиталь), которое пришло на смену понятию о электрон лишь как частицу. Орбиталью называется пространство вокруг ядра, в котором пребывания электрона скорее. Современная квантовая теория строения атома учитывает волновые свойства электрона и других элементарных частиц — протонов, нейтронов и т. д..

Основные положения современной теории строения атома

1. Электрона свойственна двойственная (корпускулярно — волновая) природа. Как частица электрон имеет определенную массу и заряд, а как волна — способность к дифракции (огибания препятствия).

2. Для электрона невозможно одновременно и точно измерить координату и энергию. В каждый момент времени можно определить только одну из этих свойств.

3. Электрон в атоме не вращается вокруг ядра по определенной траектории, а может двигаться в любой части навколоядерного пространства. Однако вероятность нахождения его в разных частях пространства неодинакова.

4. Ядра атомов состоят из протонов и нейтронов. Число протонов равно атомному номеру элемента (протонное число), а сумма чисел протонов и нейтронов (нуклонов) соответствует его массовому числу.

Различные виды атомов имеют общее название — нуклиды. Важнейшие характеристики нуклидов — атомный номер и массовое число, их обозначают слева от символа элемента, например n Na — нуклид Натрия. Если нуклиды одного и того же элемента имеют одинаковый заряд ядра, но разные массовые числа, они называются изотопами.

Атом — сложная частица. Он состоит из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов. Ядро атома содержит протоны и нейтроны, общее название которых — нуклоны.

Масса атома сосредоточена в его ядре. Количество протонов и нейтронов определяет массовое число элемента. Количество протонов в ядре равно атомному номеру (протонном числу) элемента, а число нейтронов — массовому числу минус атомный номер.

Электрон имеет корпускулярно — волновую природу. Число электронов в атоме также равно атомному номеру (протонном числу) элемента.

Электроны в атоме постоянно движутся, но определенной траектории движения они не имеют. Электрон может находиться в любом участке пространства около ядра, образуя электронное облако. Такая трехмерная участок пространства около ядра, где пребывание электрона скорее, называется орбиталью.

категория: Химия

Современные представления о строении атома

Работа добавлена: 2015-12-13

Лекция № 2

Современные представления о строении атома

В создании современной теории  строения атома особую роль сыграли Эрнест Резерфорд и Нильс Бор. В 1911 году Резерфорд проводя опыты по бомбардировке α-частицами металлической фольги, выяснил, что внутри атомов расположены тяжёлые частицы, впоследствии названые ядрами, он же предложил планетарную модель строения атома. А в 1913 году Бор выдвинул первую квантовую теорию атома.

Итак, атом – это сложная микросистема, состоящая из элементарных частиц. Он состоит из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов. Носителем положительного заряда  ядра является протон. В ядра атомов всех элементов, кроме лёгкого изотопа водорода, входят протоны и нейтроны.

Частица

Символ

Масса покоя,

Кг

Относитель-ная масса

Заряд, Кл

Протон

P

1,673 ∙ 10-27

1,007276

1,602 ∙ 10-19

Нейтрон

N

1,675 ∙ 10-27

1,008665

0

Электрон

E

9,109 ∙ 10-31

0, 000549

1,602 ∙ 10-19

Ядро – фундаментальная основа атома, определяет индивидуальность элементов, состоит из нуклонов.

Величина радиусов атомов 0,05 – 0,30 нм. Масса электрона гораздо меньше, чем масса нуклонов, поэтому масса атома приблизительно равна массе ядра.

Свойства ядра определяются в основном его составом. Число протонов – заряд ядра, характеризует принадлежность атома данному химическому элементу. Другой важной характеристикой ядра является массовое число А:

А = Z + N, где N – общее число нейтронов; Z – общее число протонов.

Атомы с различным числом протонов и нейтронов, но с одинаковым А называются изобарами. 

Атомы с одинаковым числом протонов, и следовательно одинаковым зарядом ядра, называются изотопами.

Атомы с одинаковым числом нейтронов называются изотонами.

На основании определения изотопов, можно дать более современное определение химического элемента. Химический элемент – это вид атомов, характеризующихся определённым зарядом ядра.

В химии атомное ядро принято считать точкой, которая обладает положительным зарядом + Z и массой, выражаемой массовым числом А. Однако ядро – это частица, которая имеет собственную структуру. Согласно современной теории атомное ядро имеет оболочечное строение. Протоны и нейтроны независимо друг от друга занимают ядерные слои и подслои, подобно тому, как это наблюдается для электронов в электронной оболочке атома.

Сопоставление показывает, что масса ядра всегда меньше арифметической суммы масс протонов и нейтронов, входящих в его состав. Разность между этими величинами называется дефектом массы. Дефект массы соответствует энергии, которая выделяется при образовании ядра из свободных протонов и нейтронов, и может быть вычислен из соотношения Эйнштейна E = mc2. Это энергия связи нуклонов в ядре,  она в миллионы раз превышает энергию связи атомов в молекуле. Поэтому при химических превращениях веществ атомные ядра не изменяются.

Следует отметить, что природа ядерных сил окончательно не выяснена, они действуют на очень малых расстояниях (порядка 10-15 метра) и связывают отдельные протоны и нейтроны, образуя большие ядра. В настоящее время известно порядка 300 устойчивых и свыше 1400 радиоактивных ядер.   

Как мы уже выяснили, ядра атомов при химических реакциях не затрагиваются, следовательно химические свойства элементов в основном зависят от количества и расположения электронов в их атомах.

Электрон –   это отрицательно заряженная исключительно лёгкая частица, которая была открыта в 1897 году в ходе опытов с катодными лучами.

В 1913 году Нильс Бор разработал модель атома. Его теория строения атома основывалась на двух положениях, которые называют постулатами Бора.

Первый постулат:  электроны движутся вокруг ядра атома по круговым орбитам.   Чем ближе орбита электрона расположена к ядру, тем меньше запас энергии атома, так как с уменьшением расстояния между двумя электрическими зарядами различных знаков их общая энергия убывает.

Бор предположил, что в атоме электроны могут двигаться только по определённым орбитам (имеется в виду расстояние от ядра), которые называются разрешёнными. Каждой из орбит электрона соответствует определённая энергия атома. С орбиты на орбиту электрон может переходить только скачками. Энергия атома при этом также изменяется скачкообразно, говорят, что энергия квантуется.

Второй постулат утверждает,  что момент количества движения (импульс mv) электрона по орбите носит квантовый характер и равен целому числу, кратному величине h/2π (h – постоянная Планка, h = 6,63 ∙ 10-34 Дж∙ с).

Теория Бора хорошо объясняла процессы, происходящие в атоме при излучении. Определив частоту колебаний по спектру излучения, можно рассчитывать энергии разрешённых орбит.

Теория Бора позволила точно «рассчитать» атом водорода, но для сложных атомов оказалась неэффективной. Здесь на помощь пришла квантовая или волновая механика – новый раздел физики, который возник в 20-х годах 20 века.

Квантовая механика описывает  движение и взаимодействие микрочастиц. Она основывается на: 1) представлении о квантовании энергии; 2) волновом характере движения микрочастиц; 3) вероятностном (статистическом) методе описания микрообъектов.

Основные положения квантовой механики

  1.  Исследования атомных спектров, явления фотоэффекта и др. привели учёных к выводу, что энергия распространяется и передаётся, поглощается и спускается не непрерывно, а отдельными порциями – квантами. Энергия системы микрочастиц также может принимать только определенные значения, изменятся она скачкообразно или квантуется.
  2.  Известно, что электромагнитное излучение обладает энергией, массой, производит давление и т.д. (например, за год масса Солнца уменьшается за счёт излучения на 1,5 ∙ 1017 кг). В тоже время известны явления дифракции и интерференции света, радиоволн, которые указывают на волновую природу электромагнитного излучения. Поэтому для описания электромагнитного излучения привлекают как волновые, так и корпускулярные представления.

В 1924 году Луи де Бройль предложил распространить корпускулярно-волновые представления на все микрочастицы, то есть движение любой микрочастицы рассматривать как волновой процесс. Математически это нашло выражение в соотношении де Бройля, согласно которому частице, имеющей массу m и движущейся со скоростью v, соответствует волна длиной λ: λ = h/mv.

Гипотеза де Бройля была экспериментально подтверждена обнаружением у потока электронов дифракционного и интерференционного эффектов. Для макрочастиц λ имеет величину 10-29 м и меньше, поэтому экспериментально волновой процесс у макрочастиц обнаружит не удаётся.

  1.  Кажущуюся двойственную природу микрочастиц объясняет установлен-ный Вернером Гейзенбергом в 1927 году принцип неопределённости: невозможно одновременно определить и скорость (или импульс p = mv) и положение микрочастицы (её координаты). Математическое выражение принципа неопределенности Гейзенберга имеет вид: ΔqΔv >=  h/m.  

Для макрочастиц ( тяжёлых, m – большая) величина h/m очень мала, поэтому для них справедливы законы классической механики, в рамках которых можно одновременно точно определить скорость и положение частицы.

Квантовая механика заменяет классическое понятие точного нахождения частицы, в частности электрона в пространстве понятием статистической вероятности нахождения электрона в данной точке пространства или элементе объёма dv вокруг ядра.

Квантовая механика описывает движение электрона в атоме при помощи так называемой волновой функции Ψ (пси).  В разных точках атомного пространства эта функция принимает разные значения. Математически это записывается равенством Ψ = Ψ(x,y,z), где  x, y, z – координаты точки. Физический смысл имеет квадрат волновой функции Ψ2, он характеризует вероятность нахождения электрона в данной точке атомного пространства.

В качестве модели состояния электрона в атоме в квантовой механике принято представление об электронном облаке,  плотность его участков пропорциональна вероятности нахождения там электрона. Пространство вокруг ядра, в котором наиболее вероятно пребывание электрона, называется орбиталью. Итак,  электроны в атомах располагаются на орбиталях.

Каждую орбиталь можно однозначно описать с помощью трёх квантовых чисел: главное квантовое число n, орбитальное квантовое число l, магнитное квантовое число ml .

Главное квантовое число n  характеризует удаленность электронов от ядра и в значительной степени определяет энергию электрона.  Может принимать значения 1, 2, 3…..7.

Орбитальное (или азимутальное) квантовое число l определяет момент количества движения электрона или симметрию (форму) электронного облака. Для каждого значения n  орбитальное квантовое число может принимать значения, заключенные между 0 и  n-1. Орбитальное квантовое число можно обозначать буквами: 0   l    2   3   4    5

                         s    p   d   f    g    h

n

l

Обозначение орбиталей

1

0

1s

2

0, 1

2s,  2p

3

0,  1,  2

3s,   3p,  3d

4

0,  1,  2,  3

4s,  4p,   4d,  4f

Согласно квантовохимическим расчётам s-орбитали имеют форму шара,   p-орбитали – форму гантели, d – объёмного четырёхлепесткового цветка.

Магнитное квантовое число ml характеризует пространственное расположение орбиталей, оно принимает значения –l,…,0,….+l.

l

ml

Число орбиталей

s   0

0

1

p   1  

-1, 0, 1

3

d  2

-2, -1, 0, 1, 2

5

f  3

-3, -2, -1, 0, 1, 2, 3

7

Общее число орбиталей данного энергетического уровня (данного n) равно n2.

Существует ещё четвёртое спиновое квантовое число ms. Оно характеризует спин электрона или собственное вращение электрона вокруг своей оси, принимает значения +1/2  и -1/2.

В 1925 году Вольфганг Паули высказал принцип: в атоме не может быть двух электронов, имеющих одинаковый набор всех четырёх квантовых чисел. Из принципа Паули непосредственно вытекает, что на одной орбитали могут находиться лишь два электрона с  ms равным +1/2 и -1/2.

Число орбиталей данного энергетического уровня равно n2, значит, ёмкость энергетического уровня равна 2n2.

PAGE  6

Возможно эти работы будут Вам интересны.

1. Современные представления о видообразовании. Элементарные эволюционные факторы и пути видообразования

2. Современные представления о генетической регуляции развития. Основные клеточные процессы и межклеточные взаимодействия в онтогенезе. Эмбриональная индукция

3. Современные представления о структуре генов про- и эукариот. Функциональная классификация генов

4. Современные представления о синтезе белка: синтез аминоацил-тРНК, представление о синтезе полипептидных цепей на рибосомах. Посттрансляционныый процессинг белковых молекул

5. Современные представления о структурной организации белковых молекул. Первичная, вторичная, третичная, четвертичная структура белков. Виды связей и взаимодействий, стабилизирующих различные уровни структурной организации белков и надмолекулярных белковых

6. Формы представления сигнала

7. Модели представления знаний

8. Способы представления алгоритмов, их характеристика

9. Способы хранения и представления информации

10. ГРАФИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ АНАЛИЗА И ПРЕДСТАВЛЕНИЯ

Современное представление о строении атома, S- и P- орбитали.

К середине XIX века было уже достаточно накоплено экспериментального материала

по органической химии: получено много соединений, изучен их состав, прослежены закономерности протекания отдельных химических реакций.

Но значительные трудности возникали в определении валентности углерода.

СН 4

С 2 Н 6

С 3 Н 8

В соединения x метана, этана, пропана, которые входят в состав природного газа, углерод может дать разную валентность и даже дробную.

Согласно с современными электронными представлениями,

все особенности органических соединений определяются свойствами элемента углерода.

Периодическая система химических

элементов Д.И. Менделеева

Периодическая система химических

элементов Д.И. Менделеева

Углерод

1S 2 2S 2 2P 2

1S 2 2S 1 2P 3

В возбуждённом состоянии

В свободном состоянии

E

E

2S

2P

2P

2S

1 S

1 S

Структуру внешнего электронного слоя можно выразить следующим образом.

4 орбитали атома углерода, которые содержат неспаренные электроны, дают возможность образовывать

с другими атомами и друг с другом

4 ковалентные связи.

E

E

E

E

E

E

Ковалентная связь (от латинского «со» — совместно и «vales» — имеющий силу) осуществляется за счёт электронной пары, принадлежащей обоим атомам.

..

..

Метан

СН 4

Эмпирическая формула

..

H

H

..

H —С— H

H — С — H

H

H

Структурная формула

Электронная формула

Структурные формулы считаются языком органической химии.

Образование ковалентных связей

S — S

S — P

P — P

Молекула метана

H

H

С

H

H

Гибридизация — это взаимодействие (смешение) разных по типу, но близких

по энергии атомных орбиталей данного атома с образованием гибридных орбиталей

одинаковой формы и энергии.

Гибридизация

При взаимодействии одного s-электронного облака с тремя

р-электронными облаками образуются 4 качественно новых гибридизированных электронных облака или атомные орбитали.

Гибридизованные орбитали

позволяют увеличить площадь перекрывания с орбиталями других атомов, что ведёт к образованию более прочных связей.

Результатом перекрывания большей доли гибридной орбитали

с орбиталями других атомов является ковалентная связь.

Атом углерода характеризуется тремя видами гибридизации с участием

s- и р-орбиталей.

Образование молекул с ковалентной связью сопровождается выделением энергии.

кДж/моль

Энергия связи указывает

на его прочность и измеряется

в килоджоулях на 1 моль.

C

Cl

Энергия связи углерода и хлора составляет 240 кДж/моль.

..

..

Правила органической химии

H

H —С— H

H

Валентность углерода — 4

Углерод образует 4 связи

..

H

кДж/моль

..

H — С — H

H

Энергия измеряется в килоджоулях

История развития представлений о строении атома » HimEge.ru

Все тела живой и неживой природы, несмотря на их разнообразие, состоят из мельчайших частиц — атомов. Первым, кто высказал предположение об этом, считается древнегреческий философ Демокрит. Именно он назвал атомом мельчайшую неделимую частицу образующую вещество (атом в переводе с др.греч «неделимый»). Лишь в конце XIX в. были сделаны открытия, показавшие сложность строения атома, что атомы разлагаются на более мелкие элементарные частицы и таким образом «атомами» в Демокритовском смысле не являются. Тем не менее, термин используется и теперь в современной химии и физике, несмотря на несоответствие его этимологии современным представлениям о строении атома.

Первые представления об атоме

Демокрит считал, что если разделить, например, яблоко на две половины, затем одну из них еще на две части, и продолжать деление таким образом до тех пор пока результат деления перестанет быть яблоком, то мельчайшая частица которая все еще сохраняет свойство яблока является атомом яблока (т.е. неделимой частью яблока). Он утверждал, что атомы существуют вечно; они настолько малы, что их размеры не поддаются измерению; все атомы одинаковы, но они различаются внешне (атомы воды, например, гладкие, они способны перекатываться, и поэтому жидкости свойственна текучесть; атомы железа имеют зубчики, которыми они зацепляются друг за друга, что придает железу свойства твердого тела). Представления Демокрита были умозрительными.

 

Группу греческих философов, придерживавшихся того взгляда, что существуют подобные крошечные неделимые частицы, называли атомистами.  Атоми́зм — натурфилософская теория, согласно которой чувственно воспринимаемые (материальные) вещи состоят из химически неделимых частиц — атомов. (В современной физике вопрос об атомизме является открытым. Некоторые теоретики придерживаются атомизма, но под атомами подразумевают фундаментальные частицы, которые далее неделимы).

Основы атомной теории строения вещества

В 1808 г. физик Дальтон Джон (1766–1844) возродил атомизм, доказал реальность существования атомов. Он писал: «Атомы — химические элементы, которые нельзя создать заново, разделить на более мелкие частицы, уничтожить путем каких-либо химических превращений. Любая химическая реакция просто изменяет порядок группировки атомов». Джон Дальтон ввёл понятие «атомный вес», первым рассчитал атомные веса (массы) ряда элементов и составил первую таблицу их относительных атомных весов, заложив тем самым основу атомной теории строения вещества.

Дальтон был одним из самых знаменитых и уважаемых учёных своего времени, ставший широко известным благодаря своим новаторским работам в разных областях знания. Он впервые (1794) провёл исследования и описал дефект зрения, которым страдал сам, — цветовая слепота, позже названный в его честь дальтонизмом; открыл закон парциальных давлений (закон Дальтона) (1801), закон равномерного расширения газов при нагревании (1802), закон растворимости газов в жидкостях (закон Генри-Дальтона). Установил закон кратных отношений (1803), обнаружил явление полимеризации (на примере этилена и бутилена).

Однако вопрос о внутреннем строении атомов даже не возникал, так как атомы считались неделимыми.

В 1897 г. английский физик Дж. Томсон изучая катодные лучи, пришел к выводу, что атомы любого вещества содержат отрицательно заряженные частицы, которые он назвал электронами. Огромной заслугой Томсона явилось доказательство того, что все частицы, образующие катодные лучи, тождественны друг другу и входят в состав вещества. Он предложил первую модель атома — «пудинг с изюмом» 1904 г.

По мысли Томсона, положительный заряд атома занимает весь объем атома и распределен в этом объеме с постоянной плотностью,в положительно заряженной сфере находится несколько электронов, так что атом подобен кексу, в котором роль изюминок играют электроны.

Ядерная модель атома (планетарная)

Резерфорд бомбардировал α-частицами атомы тяжелых элементов (золото, серебро, медь и др.). α-частицы – это полностью ионизированные атомы гелия. Электроны, входящие в состав атомов, вследствие малой массы не могут заметно изменить траекторию α-частицы. Рассеяние, то есть изменение направления движения α-частиц, может вызвать только тяжелая положительно заряженная часть атома.

Было обнаружено, что большинство α-частиц проходит через тонкий слой металла, практически не испытывая отклонения. Однако небольшая часть частиц отклоняется на значительные углы, превышающие 30°. Очень редкие α-частицы (приблизительно одна на десять тысяч) испытывали отклонение на углы, близкие к 180°.

Этот результат был совершенно неожиданным даже для Резерфорда. Он находился в резком противоречии с моделью атома Томсона, согласно которой положительный заряд распределен по всему объему атома. При таком распределении положительный заряд не может создать сильное электрическое поле, способное отбросить α-частицы назад.

Эти соображения привели Резерфорда к выводу, что атом почти пустой, и весь его положительный заряд сосредоточен в малом объеме. Эту часть атома Резерфорд назвал атомным ядром. Так возникла ядерная модель атома (планетарная):
1. В центре атома находится положительно заряженное ядро, занимающее ничтожную часть пространства внутри атома.
2. Весь положительный заряд и почти вся масса атома сосредоточены в его ядре (масса электрона равна 1/1823 а.е.м.).
3. Вокруг ядра вращаются электроны. Их число равно положительному заряду ядра.

Но на основе этой модели нельзя объяснить факт существования атома, его устойчивость. Ведь движение электронов по орбитам происходит с ускорением, причем весьма немалым. Ускоренно движущийся электрон по законам электродинамики должен терять энергию и приближаться к ядру. Как показывают расчеты, основанные на механике Ньютона и электродинамике Максвелла, электрон за ничтожное время должен упасть на ядро. Атом должен прекратить свое существование. В действительности ничего подобного не происходит. Атомы устойчивы и в невозбужденном состоянии могут существовать неограниченно долго, совершенно не излучая электромагнитные волны. Не согласующийся с опытом вывод о неизбежной гибели атома вследствие потери энергии на излучение — это результат применения законов классической физики к явлениям, происходящим внутри атома. Отсюда следует, что к явлениям атомных масштабов законы классической физики неприемлемы.

Датским физик Нильс Бор (1885 — 1962) считал что поведение микрочастиц нельзя описывать теми же законами, что и макроскопических тел.
Бор предположил, что величины характеризующие микромир, должны квантоваться, т.е. они могут принимать только определенные дискретные значения.
Законы микромира — квантовые законы!  Эти законы в начале 20 столетия еще не были установлены наукой. Бор сформулировал их в виде трех постулатов. дополняющих ( и «спасающих») атом Резерфорда. Его теория впоследствии привела к созданию стройной теории движения микрочастиц — квантовой механики.

Первый постулат Бора гласит: атомная система может находиться только в особых стационарных, или квантовых, состояниях, каждому из которых соответствует определенная энергия E. В стационарном состоянии атом не излучает.
Согласно второму постулату Бора излучение света происходит при переходе атома из стационарного состояния с большей энергией в стационарное состояние с меньшей энергией. Энергия излученного фотона равна разности энергий стационарных состояний.

Квантовая теория строения атома

Теорию Бора сменила квантовая теория, которая учитывает волновые свойства электрона и других элементарных частиц, образующих атом.

В основе современной теории строения атома лежат следующие основные положения:

1. Электрон имеет двойственную (корпускулярно-волновую) природу. Он может вести себя и как частица, и как волна, подобно частице, электрон обладает определенной массой и зарядом; в то же время, движущийся электрон проявляет волновые свойства, например, характеризуется способностью к дифракции. Длина волны электрона λ и его скорость v связаны соотношением де Бройля:

λ = h / mv,    где m — масса электрона.

2. Для электрона невозможно одновременно точно, измерить координату и скорость. Чем точнее мы измеряем скорость, тем больше неопределенность в координате, и наоборот. Математическим выражением принципа неопределенности Гейзенберга служит соотношение

∆x∙m∙∆v > ћ/2,
где ∆х — неопределенность положения координаты, ∆v — погрешность измерения скорости.

3. Электрон в атоме не движется по определенным траекториям, а может находиться в любой части около ядерного пространства, однако вероятность его нахождения в разных частях этого пространства неодинакова. Пространство вокруг ядра, в котором вероятность нахождения электрона достаточно велика, называют орбиталью.

4. Ядра атомов состоят из протонов и нейтронов (общее название — нуклоны). Число протонов в ядре равно порядковому номеру элемента, а сумма чисел протонов и нейтронов соответствует его массовому числу.

Последнее положение было сформулировано после того, как в 1920 г. Э.Резерфорд открыл протон, а в 1932 г. Дж.Чедвик — нейтрон.

Различные виды атомов имеют общее название — нуклиды. Нуклиды достаточно характеризовать любыми двумя числами из трех фундаментальных параметров: А — массовое число, Z — заряд ядра, равный числу протонов, и N — число нейтронов в ядре. Эти параметры связаны между собой соотношениями:

Z = А — N,
N = А — Z,
А= Z + N.

Нуклиды с одинаковым Z, но различными А и N, называют изотопами.

Сформулированные выше положения составляют суть новой теории, описывающей движение микрочастиц, — квантовой механики (механику, применимую к движению обычных тел и описываемую законами Ньютона, стали называть классической механикой). Наибольший вклад в развитие этой теории внесли француз Л. де Бройль, немец В.Гейзенберг, австриец Э.Шредингер, англичанин П.Дирак. Впоследствии каждый из этих ученых был удостоен Нобелевской премии.

Квантовая механика — математически очень сложная теория. Но главная трудность не в этом. Процессы, которые описывает квантовая механика, — процессы микромира — недоступны не только восприятию нашими органами чувств, но и воображению. Люди лишены возможности представить их себе наглядно в полной мере, так как они совершенно отличны от тех макроскопических явлений, которые человечество наблюдало на протяжении миллионов лет. Человеческое воображение не создает новые, а лишь комбинирует известные, поэтому практически невозможно на нашем макроскопическом языке описать поведение фотонов и других частиц.

См. также Современная теория строения атома 

Современные представления о строении атомов

Введение: определение атома 

Основная  часть: современные представления  о строении атома 

Заключение: немного об ученых 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Определение атома 

А́том (от др.-греч. ἄτομος — неделимый) —  наименьшая химически неделимая  часть химического элемента, являющаяся носителем его свойств. Атом состоит из атомного ядра и электронов. Ядро атома состоит из положительно заряженных протонов и незаряженных нейтронов. Если число протонов в ядре совпадает с числом электронов, то атом в целом оказывается электрически нейтральным. В противном случае он обладает некоторым положительным или отрицательным зарядом и называется ионом. Атомы классифицируются по количеству протонов и нейтронов в ядре: количество протонов определяет принадлежность атома некоторому химическому элементу, а число нейтронов — изотопу этого элемента. 
 

 История представлений о строении атома 

Впервые понятие “атом” (неделимый) было введено  греческим философом Демокритом в V веке до нашей эры. Он утверждал, что атомы существуют вечно; они настолько малы, что их размеры не поддаются измерению; все атомы одинаковы, но они различаются внешне (атомы воды, например, гладкие, они способны перекатываться, и поэтому жидкости свойственна текучесть; атомы железа имеют зубчики, которыми они зацепляются друг за друга, что придает железу свойства твердого тела). Представления Демокрита были умозрительными и мало полезными. 

В начале нглийский химик и физик Д. Дальтон вновь предположил, что вещества состоят из мельчайших частиц – атомов. Он установил, что атомы одного и того же химического элемента имеют одинаковые свойства, а разным элементам соответствуют разные атомы. Введена важнейшая характеристика атома – атомная масса. Атом также считался неделимой частицей. 

Однако  со временем эпериментальные доказательства сложной структуры атома: фотоэффект (явление, когда при освещении некоторых металлов с их поверхности испускаются носители электрического заряда), катодные лучи (поток отрицательно заряженных частиц – электронов из катода в вакуумированной трубке, содержащей катод и анод), рентгеновские лучи (электромагнитное излучение, подобное видимому свету, но с гораздо более высокой частотой, испускаемое веществами при сильном воздействии на них катодных лучей), радиоактивность (явление самопроизвольного превращения одного химического элемента в другой, сопровождающееся испусканием электронов, положительно заряженных частиц, других элементарных частиц и рентгеновского излучения). 

Таким образом, было установлено, что атомы  состоят из отрицательно и положительно заряженных частиц, сильно взаимодействующих между собой. Возник вопрос, как же устроен атом? 

Современные представления о  строении атома. 

Подтверждённая  экспериментально в 1927 г. двойственная природа электрона, обладающего  свойствами не только частицы, но и волны, побудила учёных к созданию новой теории строения атома, учитывающей оба этих свойства. Современная теория строения атома опирается на квантовую механику. 

Двойственность  свойств электрона проявляется  в том, что он, с одной стороны, обладает свойствами частицы (имеет определённую массу покоя), а с другой — его движение напоминает волну и может быть описано определённой амплитудой, длиной волны, частотой кол***ий и др. Поэтому нельзя говорить о какой-либо определённой траектории движения электрона — можно лишь судить о той или иной степени вероятности его нахождения в данной точке пространства.

Cледовательно, под электронной орбитой следует  понимать не определённую линию  перемещения электрона, а некоторую  часть пространства вокруг ядра, в пределах которого вероятность пребывания электрона наибольшая. Иными словами, электронная орбита не характеризует последовательность перемещения электрона от точки к точке, а определяется вероятностью нахождения электрона на определённом расстоянии от ядра. В связи с этим электрон представляют не в виде материальной точки, а как бы “размазанным” по всему объёму атома в виде так называемого электронного облака, имеющего области сгущения и разрежения электрического заряда. Представление об электроне как о некотором облаке электрического заряда удобно; оно довольно точно передаёт особенности поведения электрона. Однако следует иметь в виду, что электронное облако не имеет резко очерченных границ, и даже на большом расстоянии от ядра существует вероятность пребывания электрона. Для характеристики формы электронного облака понятие орбиталь вместо понятия орбита было введено именно для того, чтобы не смешивать движение электрона с движением тела в классической физике. Однако при упрощённом рассмотрении строения атома иногда сохраняют термин орбита, помня тем не менее об особом характере движения электрона в атоме.

По современным  представлениям состояние элетрона в атоме описывается четырьмя квантовыми числами. Главное квантовое  число n характеризует величину энергии электрона и может принимать только положительные целочисленные значения: 1, 2, 3 и т. д. С увеличением главного квантового числа энергия электрона возрастает. Состояние электрона, отвечающее определённому значению главного квантового числа, называют энергетическим уровнем электрона в атоме. Помимо энергии электрона главное квантовое число определяет размеры электронного облака: чем выше значение главного квантового числа, тем больше электронное облако. Электроны, характеризующиеся одним и тем же квантовым числом, имеют электронные облака приблизительно одинаковых размеров. Поэтому говорят о существовании в атоме электронных слоёв. Электронные слои обозначают большими буквами латинского алфавита K, L, M, N, O, причём K-слой является первым от ядра атома, ему соответствует главное квантовое число n = 1, L-слой — вторым, M-слой — третьим и т. д. Электроны, образующие данный слой, могут обладать несколько отличающейся друг от друга энергией и иметь орбитали различных форм. Из квантовомеханической теории следует, что с увеличением главного квантового числа n изменяются число и характер электронных орбиталей в пределах данного электронного слоя. Количество орбиталей для каждого значения n равно квадрату главного квантового числа (n2).

Второе  квантовое число l, описывающее форму электронного облака, называется орбитальным квантовым числом. При данном главном вантовом числе n орбитальное квантовое число l может принимать любые целочисленные значения от 0 до n–1. Соответствующие орбитали обозначаются строчными буквами латинского алфавита: s (l = 0), p (l = 1), d (l = 2), f (l = 3). Орбитальное квантовое число отображает энергию электрона на подуровне. Электроны с различными орбитальными квантовыми числами несколько отличаются друг от друга: их энергия тем выше, чем больше число l. Число возможных подуровней в каждом энергетическом уровне совпадает с порядковым номером электронного слоя, но фактически ни один энергетический уровень не содержит больше четырёх подуровней. Это справедливо для стационарного состояния атомов всех элементов. Так, первому энергетическому уровню соответствует s-подуровень; второму уровню — два подуровня: s и p; третьему уровню — три подуровня: s, p и d; четвёртому и следующим уровням —четыре подуровня: s, p, d и f.

Ориентацию  орбиталей в пространстве определяет третье квантовое число, называемое магнитным квантовым числом и обозначаемое m. При данном орбитальном квантовом числе l магнитное квантовое число m может принимать любые целочисленные значения от –l до +l, в том числе нулевое значение. Оно определяет число орбиталей в одном и том же электронном слое: одна s-орбиталь (m = 0), три p-орбитали (m равно –1, 0, +1), пять d-орбиталей (m равно –3, –2, –1, 0, +1, +2, +3). Орбитали с различными магнитными квантовыми числами, но с одинаковым главным и орбитальным квантовыми числами характеризуются одной и той же энергией. Магнитное квантовое число есть вектор, следовательно, ему соответствует не только определённое числовое значение, но и определённое направление, что выражается в знаках “+” и “–”.

Четвёртое квантовое число, называемое спином и обозначаемое ms, раньше связывали  с вращением электрона вокруг своей оси, но теперь ему не придают  какого-либо наглядного образа и считают  чисто квантовомеханической величиной. Спин электрона может иметь два значения: +1/2 и –1/2. 
 
 
 

Строение  атомного ядра. Субатомные частицы. Элементы. Изотопы. 

Атом  состоит из ядра и окружающего  его электронного “облака”. Находящиеся  в электронном облаке электроны  несут отрицательный электрический  заряд. Протоны, входящие в состав ядра, несут положительный заряд.

В любом  атоме число протонов в ядре в  точности равно числу электронов в электронном облаке, поэтому  атом в целом – нейтральная  частица, не несущая заряда.

Атом  может потерять один или несколько  электронов или наоборот – захватить чужые электроны. В этом случае атом приобретает положительный или отрицательный заряд и называется ионом.

Практически вся масса атома сосредоточена  в его ядре, так как масса  электрона составляет всего лишь 1/1836 часть массы протона. Плотность вещества в ядре фантастически велика – порядка 1013 – 1014 г/см3. Спичечный коробок, наполненный веществом такой плотности, весил бы 2,5 миллиарда тонн!

Внешние размеры атома – это размеры  гораздо менее плотного электронного облака, которое примерно в 100000 раз больше диаметра ядра.

Кроме протонов, в состав ядра большинства  атомов входят нейтроны, не несущие  никакого заряда. Масса нейтрона практически  не отличается от массы протона. Вместе протоны и нейтроны называются нуклонами (от латинского nucleus – ядро).

Электроны, протоны и нейтроны являются главными “строительными деталями” атомов и называются субатомными частицами. Их заряды и массы в кг и в  специальных “атомных” единицах массы (а.е.м.) показаны в таблице 1.

Таблица 1. Субатомные частицы.

Частица Заряд Масса:
    кг а.е.м.
Протон +1 1,67·10-27 1,00728
Нейтрон 0 1,67·10-27 1,00867
Электрон -1 9,11·10-31 0,000549
 

Частица

Заряд

Масса:    
 

кг

а.е.м.

Протон

+1

1,67·10-27

1,00728

Нейтрон

0

1,67·10-27

1,00867

Электрон

-1

9,11·10-31

0,000549

Из таблицы 1 видно, что массы субатомных частиц чрезвычайно малы. Показатель степени (например, десять в минус двадцать седьмой степени) показывает, сколько нулей после запятой нужно записать, чтобы получилась десятичная дробь, выражающая массу субатомной частицы в килограммах. Это ничтожнейшая часть килограмма, поэтому массу субатомных частиц удобнее выражать в атомных единицах массы (сокращенно – а.е.м.). За атомную единицу массы принята ровно 1/12 часть массы атома углерода, в ядре которого содержится 6 протонов и 6 нейтронов. Схематическое изображение такого “эталонного” атома углерода приведено на рис. 2 . Атомную единицу массы можно выразить и в граммах: 1 а.е.м. = 1,660540·10-24 г.

<>

Рис. 2. Атомы состоят из положительно заряженного ядра и электронного облака. а) В состав ядра атома водорода входит только 1 протон, а электронное облако заполняется одним электроном. б) В ядре атома углерода 6 протонов и 6 нейтронов, а в электронном облаке – 6 электронов. в) Существует также изотопный углерод, ядре которого на 1 нейтрон больше. Содержание этого изотопа в природном углероде составляет чуть более 1% (об изотопах см. ниже). Линейные размеры атомов очень малы: их радиусы составляют от 0,3 до 2,6 ангстрема (1 ангстрем = 10–8 см). Радиус ядра около 10–5 ангстрема, то есть 10–13 см. Это в 100000 раз меньше размеров электронной оболочки. Поэтому правильно показать относительные пропорции ядер и электронных оболочек на рисунке невозможно. Если бы атом увеличился до размеров Земли, то ядро имело бы всего около 60 м в диаметре и могло бы поместиться на футбольном поле.

Масса атома, выраженная в килограммах  или граммах, называется абсолютной атомной массой. Чаще пользуются относительной  атомной массой, которая выражается в атомных единицах массы (а.е.м.). Относительная атомная масса представляет собой отношение массы какого-нибудь атома к массе 1/12 части атома углерода. Иногда говорят более коротко: атомный вес. Последний термин вовсе не устаревший, как иногда пишут в учебниках – он широко используются в современной научной литературе, поэтому мы тоже будем его применять. Относительная атомная масса и атомный вес, фактически, безразмерные величины (масса какого-либо атома делится на массу части атома углерода), поэтому обозначение “а.е.м.” после численного значения обычно опускают (но можно и написать, в этом не будет ошибки). Термины “относительная атомная масса”, “атомная масса”, “атомный вес” в научном химическом языке обычно используются равноправно и между ними просто не делают различий. В Международном союзе химиков (IUPAC) существует Комиссия по относительной распространенности изотопов и атомным весам (Commission on Isotopic Abundances and Atomic Weights или сокращенно – CIAAW), но не “Комиссия по относительным атомным массам”. Однако все химики прекрасно понимают, что речь идет об одном и том же.

2.3: Современный взгляд на структуру атома

Точная физическая природа атомов, наконец, появилась в результате серии элегантных экспериментов, проведенных между 1895 и 1915 годами. Наиболее заметным из этих достижений был знаменитый эксперимент Эрнеста Резерфорда 1911 года по рассеянию альфа-лучей, который Установлено, что

Само ядро ​​состоит из двух видов частиц. Протоны – носители положительного электрического заряда в ядре; заряд протона точно такой же, как заряд электрона, но противоположного знака.Это означает, что в любом [электрически нейтральном] атоме количество протонов в ядре (часто называемое ядерным зарядом ) уравновешивается тем же числом электронов вне ядра. Другая ядерная частица – это нейтрон . Как следует из названия, эта частица не несет электрического заряда. Его масса почти такая же, как у протона. Большинство ядер содержат примерно равное количество нейтронов и протонов, поэтому мы можем сказать, что эти две частицы вместе составляют почти всю массу атома.

Элементы

На сегодняшний день открыто около 115 различных элементов; по определению, каждый химически уникален. Чтобы понять, почему они уникальны, вам необходимо понять структуру атома (фундаментальной, индивидуальной частицы элемента) и характеристики его компонентов. Атомы состоят из электронов, протонов и нейтронов. Хотя это чрезмерное упрощение, игнорирующее другие обнаруженные субатомные частицы, его достаточно для обсуждения химических принципов.Некоторые свойства этих субатомных частиц сведены в Таблицу \ (\ PageIndex {1} \), которая иллюстрирует три важных момента:

  1. Электроны и протоны имеют электрические заряды, одинаковые по величине, но противоположные по знаку. Относительные заряды -1 и +1 относятся к электрону и протону соответственно.
  2. Нейтроны имеют примерно такую ​​же массу, как протоны, но не имеют заряда. Они электрически нейтральны.
  3. Масса протона или нейтрона примерно в 1836 раз больше массы электрона.Протоны и нейтроны составляют основную массу атомов.

Открытие электрона и протона имело решающее значение для разработки современной модели атома и представляет собой отличный пример применения научного метода. Фактически, выяснение структуры атома – одна из величайших детективных историй в истории науки.

Таблица \ (\ PageIndex {1} \): Свойства субатомных частиц *
Частица Масса (г) Атомная масса (а.е.м.) Электрический заряд (кулоны) Относительный заряд
электрон \ (9.{-24} \) 1.008665 0 0

В большинстве случаев символы для элементов являются производными непосредственно от названия каждого элемента, например C для углерода, U для урана, Ca для кальция и Po для полония. Элементы также были названы из-за их свойств [например, радий (Ra) из-за его радиоактивности], по стране происхождения ученых, открывших их [полоний (Po) для Польши], по имени выдающихся ученых [кюрий (Cm) для Кюри], для богов и богинь [селен (Se) для греческой богини луны Селены] и по другим поэтическим или историческим причинам.Некоторые символы, используемые для элементов, которые были известны с древности, произошли от исторических названий, которые больше не используются; остались только символы, указывающие на их происхождение. Примеры: Fe для железа, от латинского ferrum ; Na для натрия, от латинского natrium ; и W для вольфрама из немецкого wolfram . Примеры находятся в Таблице \ (\ PageIndex {2} \).

Таблица \ (\ PageIndex {2} \): символы элементов, основанные на именах, которые больше не используются
Элемент Символ Вывод Значение
сурьма Сб стибий Латиница для «марки»
медь Cu медь от Cyprium, латинского названия острова Кипр, основного источника медной руды в Римской империи
золото Au золотой «золото» на латыни
утюг Fe железо Латиница для «железа»
свинец Пб отвес «тяжелый» на латыни
ртуть Hg гидраргирум Латиница для «жидкого серебра»
калий К калий от арабского al-qili, «щелочь»
серебро Ag серебристый Латиница для «серебра»
натрий Na натрий «натрий» на латыни
банка Sn олова Латиница для «олова»
вольфрам Вт вольфрам по-немецки «волчий камень», потому что он мешал плавлению олова и, как считалось, пожирал олово.

Напомним, что ядра большинства атомов содержат нейтроны, а также протоны.В отличие от протонов, количество нейтронов для большинства элементов не является абсолютно фиксированным. Атомы, которые имеют одинаковое количество протонов и, следовательно, один и тот же атомный номер, но разное количество нейтронов, называются изотопами. Все изотопы элемента имеют одинаковое количество протонов и электронов, что означает, что они обладают одинаковым химическим составом. Изотопы элемента различаются только их атомной массой, которая определяется массовым числом (A), суммой числа протонов и нейтронов.

Элемент углерод (C) имеет атомный номер 6, что означает, что все нейтральные атомы углерода содержат 6 протонов и 6 электронов.{14} C \) ( 14 C), с 8 нейтронами и 6 протонами. Однако ядро ​​ 14 C нестабильно, но подвергается медленному радиоактивному распаду, что является основой метода датирования углерода-14, используемого в археологии. Многие элементы, кроме углерода, имеют более одного стабильного изотопа; олово, например, имеет 10 изотопов. Свойства некоторых распространенных изотопов приведены в Таблице \ (\ PageIndex {3} \).

Таблица \ (\ PageIndex {3} \): Свойства выбранных изотопов
Элемент Символ Атомная масса (а.е.м.) Массовое число изотопа Изотопные массы (а.е.м.) Процентное содержание (%)
водород H 1.0079 1 1.007825 99.9855
2 2.014102 0,0115
бор B 10,81 10 10.012937 19,91
11 11.009305 80.09
углерод С 12.011 12 12 (определено) 99,89
13 13.003355 1,11
кислород O 15,9994 16 15,994915 99.757
17 16,999132 0,0378
18 17.999161 0,205
утюг Fe 55,845 54 53.939611 5,82
56 55.934938 91.66
57 56.935394 2,19
58 57.933276 0,33
уран U 238,03 234 234.040952 0,0054
235 235,043930 0.7204
238 238.050788 99,274

Источники изотопных данных: Г. Ауди и др., Nuclear Physics A 729 (2003): 337–676; Дж. К. Котц и К. Ф. Перселл, Химия и химическая реакционная способность, 2-е изд., 1991.

Пример \ (\ PageIndex {1} \)

Элемент с тремя стабильными изотопами состоит из 82 протонов. Отдельные изотопы содержат 124, 125 и 126 нейтронов. Определите элемент и напишите символы для изотопов.

Дано : количество протонов и нейтронов

Запрошено : элемент и атомный символ

Стратегия :

  1. Обратитесь к таблице Менделеева и используйте количество протонов, чтобы идентифицировать элемент.
  2. Вычислите массовое число каждого изотопа, сложив количество протонов и нейтронов.
  3. Укажите символ каждого изотопа с массовым числом в качестве верхнего индекса и числом протонов в нижнем индексе, оба написанных слева от символа элемента.{81} Br} \).

    Атомная теория

    3.1 Атомная теория

    Цели обучения

    1. Изложение современной теории атома.
    2. Узнайте, как устроены атомы.

    Наименьшая часть элемента, которая поддерживает идентичность этого элемента, называется атомом. Наименьшая часть элемента, которая поддерживает идентичность этого элемента. Отдельные атомы чрезвычайно малы.Чтобы построить линию длиной 1 см, потребуется около пятидесяти миллионов атомов подряд. Точка в конце печатного предложения состоит из нескольких миллионов атомов. Атомы настолько малы, что трудно поверить, что вся материя состоит из атомов, но это так.

    Представление о том, что атомы играют фундаментальную роль в химии, формализовано современной атомной теорией Представление о том, что атомы играют фундаментальную роль в химии., Впервые высказанное английским ученым Джоном Далтоном в 1808 году. Оно состоит из трех частей:

    1. Вся материя состоит из атомов.
    2. Атомы одного и того же элемента одинаковы; атомы разных элементов разные.
    3. Атомы объединяются в целочисленных соотношениях с образованием соединений.

    Эти концепции составляют основу химии.

    Хотя слово атом происходит от греческого слова, которое означает «неделимый», теперь мы понимаем, что сами атомы состоят из более мелких частей, называемых субатомных частиц . Первым был обнаружен электрон – крошечная субатомная частица с отрицательным зарядом., крошечная субатомная частица с отрицательным зарядом. Его часто обозначают как e , с правым надстрочным индексом, показывающим отрицательный заряд. Позже были обнаружены две более крупные частицы. Протон – субатомная частица с положительным зарядом. более массивная (но все же крошечная) субатомная частица с положительным зарядом, представленная как p + . Нейтрон: субатомная частица без заряда. представляет собой субатомную частицу с массой примерно такой же, как у протона, но без заряда. Он представлен как n или n 0 .Теперь мы знаем, что все атомы всех элементов состоят из электронов, протонов и (за одним исключением) нейтронов. Таблица 3.1 «Свойства трех субатомных частиц» суммирует свойства этих трех субатомных частиц.

    Таблица 3.1 Свойства трех субатомных частиц

    Имя Символ Масса (прибл .; кг) Заряд
    Протон п. + 1.6 × 10 −27 1+
    Нейтрон n, n 0 1,6 × 10 −27 нет
    Электрон e 9,1 × 10 −31 1−

    Как эти частицы расположены в атомах? Они не расположены случайным образом.Эксперименты Эрнеста Резерфорда в Англии в 1910-х годах указали на ядерную модель – модель атома, в котором протоны и нейтроны находятся в центральном ядре, а электроны находятся на орбите вокруг ядра. атома. Относительно массивные протоны и нейтроны собираются в центре атома, в области, называемой ядром, центром атома, содержащим протоны и нейтроны. атома (множественное число ядер ). Электроны находятся вне ядра и проводят время, вращаясь в космосе вокруг ядра.(См. Рисунок 3.1 «Структура атома».)

    Рисунок 3.1 Структура атома

    В центре атома протоны и нейтроны, образующие ядро, а электроны вращаются вокруг ядра.

    Современная атомная теория утверждает, что атомы одного элемента одинаковы, а атомы разных элементов различны. Что отличает атомы разных элементов? Фундаментальной характеристикой, которой обладают все атомы одного и того же элемента, является число протонов .Все атомы водорода имеют в ядре один и только один протон; все атомы железа имеют в ядре 26 протонов. Это число протонов настолько важно для идентичности атома, что его называют атомным номером – числом протонов в атоме. элемента. Таким образом, атомный номер водорода равен 1, а атомный номер железа – 26. Каждый элемент имеет свой собственный характерный атомный номер.

    Однако атомы одного и того же элемента могут иметь разное количество нейтронов. Атомы одного и того же элемента (т.е., атомы с одинаковым числом протонов) с разным числом нейтронов называются изотопами (атомы одного и того же элемента, которые имеют разное число нейтронов). Большинство природных элементов существуют в виде изотопов. Например, большинство атомов водорода имеют в своем ядре единственный протон. Однако небольшое количество (примерно один из миллиона) атомов водорода имеет в своих ядрах протон и нейтрон. Этот конкретный изотоп водорода называется дейтерий. Очень редкая форма водорода имеет в ядре один протон и два нейтрона; этот изотоп водорода называется тритием.Сумма количества протонов и нейтронов в ядре называется массовым числом. Сумма количества протонов и нейтронов в ядре. изотопа.

    У нейтральных атомов такое же количество электронов, как и у протонов, поэтому их общий заряд равен нулю. Однако, как мы увидим позже, так будет не всегда.

    Пример 1

    1. Наиболее распространенные атомы углерода содержат шесть протонов и шесть нейтронов в своих ядрах. Каковы атомный номер и массовое число этих атомов углерода?
    2. Изотоп урана имеет атомный номер 92 и массовое число 235.Сколько протонов и нейтронов в ядре этого атома?

    Решение

    1. Если в ядре атома углерода шесть протонов, его атомный номер равен 6. Если у него также шесть нейтронов в ядре, то массовое число равно 6 + 6, или 12.
    2. Если атомный номер урана 92, то это количество протонов в ядре. Поскольку массовое число равно 235, то количество нейтронов в ядре составляет 235 – 92, или 143.

    Проверьте себя

    Число протонов в ядре атома олова – 50, а число нейтронов в ядре – 68. Каковы атомный номер и массовое число этого изотопа?

    Ответ

    Атомный номер = 50, массовое число = 118

    Обращаясь к атому, мы просто используем название элемента: термин натрий относится как к элементу, так и к атому натрия.Но постоянно использовать имя элемента может быть неудобно. Вместо этого химия определяет символ для каждого элемента. Атомарный символ – одно- или двухбуквенное представление имени элемента. представляет собой одно- или двухбуквенное сокращение названия элемента. По соглашению первая буква символа элемента всегда заглавная, а вторая буква (если есть) – строчная. Таким образом, символ водорода – H, символ натрия – Na, а символ никеля – Ni. Большинство символов происходит от английского названия элемента, хотя некоторые символы происходят от латинского названия элемента.(Символ натрия Na происходит от его латинского названия natrium .) В таблице 3.2 «Названия и символы общих элементов» перечислены некоторые общие элементы и их символы. Вам следует запомнить символы в Таблице 3.2 «Имена и символы общих элементов», так как именно так мы будем представлять элементы в химии.

    Таблица 3.2 Названия и символы общих элементов

    Имя элемента Символ Имя элемента Символ
    Алюминий Al Меркурий рт. Ст.
    Аргон Ar Молибден Пн
    Мышьяк как Неон Ne
    Барий Ba Никель Ni
    Бериллий Be Азот N
    висмут Bi Кислород O
    Бор B Палладий Pd
    Бром рублей фосфор P
    Кальций Ca Платина Pt
    Углерод С Калий К
    Хлор Класс Радий Ra
    Хром Кр Радон Rn
    Кобальт Co Рубидий руб.
    Медь Cu Скандий сбн
    Фтор F Селен SE
    Галлий Ga Кремний Si
    Германий Ge Серебро Ag
    Золото Au Натрий Na
    Гелий He Стронций Sr
    Водород H Сера S
    Йод я Тантал Ta
    Иридий Ir Олово Sn
    Утюг Fe Титан Ti
    Криптон Кр вольфрам Вт
    Свинец Пб Уран U
    Литий Li Ксенон Xe
    Магний мг Цинк Zn
    Марганец Mn Цирконий Zr

    Элементы сгруппированы вместе в специальной таблице, называемой периодической таблицей – диаграммой всех элементов.. Простая периодическая таблица показана на рисунке 3.2 «Простая периодическая таблица», а более обширная представлена ​​в главе 17 «Приложение: Периодическая таблица элементов». Элементы в периодической таблице перечислены в порядке возрастания атомного номера. Периодическая таблица имеет особую форму, которая станет для нас важной, когда мы рассмотрим организацию электронов в атомах (см. Главу 8 «Электронная структура»). Одно немедленное использование таблицы Менделеева помогает нам идентифицировать металлы и неметаллы.Неметаллы находятся в верхнем правом углу таблицы Менделеева, на одной стороне жирной линии, разделяющей правую часть таблицы. Все остальные элементы – металлы.

    Рисунок 3.2 Простая периодическая таблица

    Есть простой способ представить изотопы с помощью атомных символов. Используем конструкцию

    XZA

    , где X – символ элемента, A – массовое число, а Z – атомный номер. Таким образом, для изотопа углерода, который имеет 6 протонов и 6 нейтронов, символ

    . C612

    , где C – символ элемента, 6 – атомный номер, а 12 – массовое число.

    Пример 2

    1. Какой символ у изотопа урана с атомным номером 92 и массовым числом 235?
    2. Сколько протонов и нейтронов в F2656e?

    Решение

    1. Обозначение этого изотопа – U92235.
    2. В этом атоме железа 26 протонов и 56 – 26 = 30 нейтронов.

    Проверьте себя

    Сколько протонов в N1123a?

    Ответ

    11 протонов

    Также принято указывать массовое число после названия элемента, чтобы указать на конкретный изотоп. Углерод-12 представляет собой изотоп углерода с 6 протонами и 6 нейтронами, а уран-238 представляет собой изотоп урана с 146 нейтронами.

    Основные выводы

    • Химия основана на современной атомной теории, которая утверждает, что вся материя состоит из атомов.
    • Сами атомы состоят из протонов, нейтронов и электронов.
    • Каждый элемент имеет свой атомный номер, равный количеству протонов в его ядре.
    • Изотопы элемента содержат разное количество нейтронов.
    • Элементы представлены атомным символом.
    • Таблица Менделеева – это таблица, в которой упорядочены все элементы.

    Упражнения

    1. Перечислите три утверждения, из которых состоит современная атомная теория.

    2. Объясните, как устроены атомы.

    3. Что больше, протон или электрон?

    4. Что больше, нейтрон или электрон?

    5. Каковы заряды каждой из трех субатомных частиц?

    6. Где находится большая часть массы атома?

    7. Нарисуйте схему атома бора, в ядре которого находятся пять протонов и шесть нейтронов.

    8. Нарисуйте схему атома гелия, в ядре которого есть два протона и два нейтрона.

    9. Определите атомный номер . Какой атомный номер у атома бора?

    10. Какой атомный номер у гелия?

    11. Определите изотоп и приведите пример.

    12. В чем разница между дейтерием и тритием?

    13. Какая пара представляет собой изотопы?

      1. h34e и h33e
      2. F2656e и M2556n
      3. S1428i и P1531
    14. Какая пара представляет собой изотопы?

      1. C2040a и K1940
      2. F2656e и F2658e
      3. U92238 и U92235
    15. Укажите полные обозначения каждого атома, включая атомный номер и массовое число.

      1. атом кислорода с 8 протонами и 8 нейтронами
      2. Атом калия с 19 протонами и 20 нейтронами
      3. Атом лития с 3 протонами и 4 нейтронами
    16. Укажите полные обозначения каждого атома, включая атомный номер и массовое число.

      1. Атом магния с 12 протонами и 12 нейтронами
      2. Атом магния с 12 протонами и 13 нейтронами
      3. Атом ксенона с 54 протонами и 77 нейтронами
    17. Америций-241 – изотоп, используемый в детекторах дыма.Каков полный символ этого изотопа?

    18. Углерод-14 – изотоп, используемый для проведения радиоактивных испытаний на датирование ранее живого материала. Каков полный символ этого изотопа?

    19. Укажите атомарные символы для каждого элемента.

      1. натрий
      2. аргон
      3. азот
      4. радон
    20. Укажите атомарные символы для каждого элемента.

      1. серебро
      2. золото
      3. ртуть
      4. йод
    21. Дайте название элементу.

      1. Si
      2. Мн
      3. Fe
      4. Cr
    22. Дайте название элементу.

      1. F
      2. Класс
      3. руб.
      4. I

    Ответы

    1. Вся материя состоит из атомов; атомы одного и того же элемента одинаковы, а атомы разных элементов различны; атомы объединяются в целочисленных отношениях с образованием соединений.

    2. Протон больше электрона.

    3. протон: 1+; электрон: 1-; нейтрон: 0

    4. Атомный номер – это количество протонов в ядре.Бор имеет атомный номер пять.

    5. Изотопы – это атомы одного и того же элемента, но с разным числом нейтронов. h21 и h22 являются примерами.

      1. изотопов
      2. не изотопы
      3. не изотопы
      1. кремний
      2. марганец
      3. утюг
      4. хром

    История строения атома | Безграничная химия

    Ранние идеи об атомах

    Представление об атоме как неделимом строительном блоке материи было зафиксировано еще в V веке до нашей эры.

    Цели обучения

    Опишите ранние разработки, приведшие к современной концепции атома

    Основные выводы

    Ключевые моменты
    • Древнегреческие философы Демокрит и Левкипп записали концепцию atomos , неделимого строительного блока материи, еще в V веке до нашей эры.
    • Идея неделимой частицы получила дальнейшее развитие и исследование ряда ученых и философов, включая Галилея, Ньютона, Бойля, Лавуазье и Далтона.
    • Джону Далтону, английскому химику и метеорологу приписывают первую современную атомную теорию, основанную на его экспериментах с атмосферными газами.
    Ключевые термины
    • атом : Наименьшее возможное количество вещества, которое все еще сохраняет свою идентичность как химический элемент, который, как теперь известно, состоит из ядра, окруженного электронами.
    • Закон множественных пропорций : Закон, гласящий, что реагенты всегда объединяются в заданных целочисленных соотношениях.

    Ранняя история атома

    Материя состоит из неделимых строительных блоков. Эта идея была зафиксирована еще в V веке до нашей эры Левкиппом и Демокритом. Греки называли эти частицы atomos , что означает неделимые, и от этого термина произошло современное слово «атом». Демокрит предположил, что разные типы и комбинации этих частиц ответственны за различные формы материи. Однако в то время эти идеи в значительной степени игнорировались, поскольку большинство философов придерживалось аристотелевской точки зрения.

    Концепция атома была пересмотрена и развита многими учеными и философами, включая Галилея, Ньютона, Бойля и Лавуазье. В 1661 году Бойль представил обсуждение атомов в своей книге The Skeptical Chymist . Однако английскому химику и метеорологу Джону Далтону приписывают первую современную атомную теорию, как это объясняется в его A New System Химической философии .

    Джона Далтона Новая система химической философии : Химические структуры из Новой системы химической философии Далтона.

    Эксперименты Дальтона с газами привели к одним из самых ранних измерений атомных масс и к концепции атомной структуры и реакционной способности. Атомная теория Дальтона содержала следующие идеи:

    • Все атомы данного элемента идентичны.
    • Атомы разных элементов различаются по массе и размеру.
    • Атомы неразрушимы. Химические реакции могут привести к их перегруппировке, но не к их созданию или разрушению.

    Дальтон также изложил закон множественных пропорций, который описывает, как реагенты будут сочетаться в заданных соотношениях.Как и ранние философы, теории Дальтона не пользовались популярностью на протяжении большей части 19 века, но с тех пор его идеи были приняты с поправками, касающимися субатомных частиц и взаимного преобразования энергии и массы.

    Модели временной шкалы атома – YouTube : Это видео о различных способах, которыми ученые изображали атомы на протяжении многих лет. Он начинается с Демокрита и Левкиппа, первых философов, которые обсуждали атомы.Видео также охватывает работы Далтона, Томпсона, Резерфорда, Нильса Бора и Шредингера.

    Закон сохранения массы

    Закон сохранения массы гласит, что масса в изолированной системе не создается и не разрушается.

    Цели обучения

    Определите закон сохранения массы

    Основные выводы

    Ключевые моменты
    • Закон сохранения массы гласит, что масса в изолированной системе не создается и не разрушается химическими реакциями или физическими преобразованиями.
    • Согласно закону сохранения массы, масса продуктов химической реакции должна равняться массе реагентов.
    • Закон сохранения массы полезен для ряда вычислений и может использоваться для решения неизвестных масс, таких как количество газа, потребляемого или производимого во время реакции.
    Ключевые термины
    • закон сохранения массы : Закон, который гласит, что масса не может быть создана или разрушена; он просто переставлен.
    • продукт : Химическое вещество, образующееся в результате химической реакции.
    • реагент : Любой из участников, присутствующий в начале химической реакции. Кроме того, молекула до того, как претерпит химическое изменение.

    История закона сохранения массы

    Антуан Лавуазье : Портрет Антуана Лавуазье, ученого, которому приписывают открытие закона сохранения массы.

    Древние греки впервые предложили идею о том, что общее количество материи во Вселенной постоянно.Однако Антуан Лавуазье описал закон сохранения массы (или принцип сохранения массы / материи) как фундаментальный принцип физики в 1789 году.

    Этот закон гласит, что, несмотря на химические реакции или физические преобразования, масса сохраняется, то есть не может быть создана или уничтожена в изолированной системе. Другими словами, в химической реакции масса продуктов всегда будет равна массе реагентов.

    Закон сохранения массы-энергии

    Этот закон был позже изменен Эйнштейном в законе сохранения массы-энергии, который описывает тот факт, что полная масса и энергия в системе остаются постоянными.Эта поправка включает тот факт, что масса и энергия могут быть преобразованы друг в друга. Однако закон сохранения массы остается полезным понятием в химии, поскольку энергия, производимая или потребляемая в типичной химической реакции, составляет ничтожное количество массы.

    Таким образом, мы можем визуализировать химические реакции как перегруппировку атомов и связей, в то время как количество атомов, участвующих в реакции, остается неизменным. Это предположение позволяет нам представить химическую реакцию в виде сбалансированного уравнения, в котором количество молей любого элемента, участвующего в ней, одинаково с обеих сторон уравнения.Дополнительным полезным приложением этого закона является определение масс газообразных реагентов и продуктов. Если суммы твердых или жидких реагентов и продуктов известны, любую оставшуюся массу можно отнести к газу.

    Сохранение атомов – YouTube : В этом видео рассказывается, как атомы сохраняются в химической реакции.

    Закон определенного состава

    Закон определенного состава гласит, что химические соединения состоят из фиксированного соотношения элементов, определяемого массой.

    Цели обучения

    Определить закон определенного состава

    Основные выводы

    Ключевые моменты
    • Закон определенного состава был предложен Джозефом Прустом на основе его наблюдений за составом химических соединений.
    • Пруст предположил, что соединение всегда состоит из элементов одинаковой пропорции по массе.
    • Хотя поначалу противоречивый закон определенного состава был поддержан атомной теорией Дальтона.
    Ключевые термины
    • элемент : любое одно из простейших химических веществ, которое не может быть разложено в ходе химической реакции или каким-либо химическим способом и состоит из атомов, имеющих одинаковое количество протонов.
    • Закон определенного состава : Закон, который гласит, что химические соединения образуются из постоянных и определенных соотношений элементов, определяемых массой.

    История закона определенного состава или пропорций

    Джозеф Пруст : Портрет Джозефа Пруста

    Французский химик Жозеф Пруст предложил закон определенного состава или пропорций, основываясь на своих экспериментах, проведенных между 1798 и 1804 годами по элементному составу воды и карбоната меди.

    В 1806 году Пруст обобщил свои наблюдения в виде того, что сейчас называется законом Пруста. В нем говорится, что химические соединения состоят из постоянных и определенных соотношений элементов, определяемых массой. Например, диоксид углерода состоит из одного атома углерода и двух атомов кислорода. Следовательно, по массе углекислый газ можно описать фиксированным соотношением 12 (масса углерода): 32 (масса кислорода) или упростить как 3: 8.

    В то время теория Пруста вызывала разногласия и оспаривалась рядом химиков, в первую очередь еще одним французским химиком, Клодом Луи Бертолле.Бертолле поддерживал идею о том, что элементы могут смешиваться в любом соотношении. Однако формулировка теории атома английским химиком Джоном Дальтоном поддержала идею Пруста на атомном уровне, поскольку Дальтон предположил, что химические соединения состоят из заданных составов атомов из различных элементов. Закон множественных пропорций Дальтона расширил закон определенного состава, чтобы постулировать, что в ситуациях, когда элементы могут объединяться, чтобы образовать несколько комбинаций, соотношение элементов в этих соединениях может быть выражено в виде небольших целых чисел.

    Джон Далтон и закон определенных пропорций – YouTube : Это видео исследует закон определенных пропорций и закон множественных пропорций.

    Применение закона определенного состава или пропорций

    Закон определенного состава применим как к молекулярным соединениям с фиксированным составом, так и к ионным соединениям, поскольку они требуют определенных соотношений для достижения электрической нейтральности. Есть некоторые исключения из закона определенного состава.Эти соединения известны как нестехометрические соединения, и их примеры включают закись железа. Кроме того, закон определенного состава не учитывает изотопные смеси.

    Закон множественных пропорций

    Закон множественных пропорций гласит, что элементы объединяются в небольших целочисленных соотношениях, образуя соединения.

    Цели обучения

    Определите закон кратных пропорций.

    Основные выводы

    Ключевые моменты
    • Закон кратных пропорций – это правило стехиометрии.
    • Джон Дальтон сформулировал закон множественных пропорций как часть своей теории, согласно которой атомы образуют основной неделимый строительный блок материи.
    • Закон множественных пропорций гласит, что когда элементы образуют соединения, пропорции элементов в этих химических соединениях могут быть выражены в небольших целочисленных отношениях.
    • Закон множественных пропорций является расширением закона определенного состава, который гласит, что соединения будут состоять из определенных соотношений элементов.
    Ключевые термины
    • Закон множественных пропорций : Закон, гласящий, что если два элемента образуют соединение, то отношение массы второго элемента к массе первого элемента будет небольшим целочисленным соотношением.
    • атом : наименьшее возможное количество вещества, которое все еще сохраняет свою идентичность как химический элемент, теперь известно, что оно состоит из ядра, окруженного электронами.

    Закон Далтона

    Закон множественных пропорций, также известный как закон Далтона, был предложен английским химиком и метеорологом Джоном Далтоном в его работе 1804 г. A New System of Chemical Philosophy .Это правило стехиометрии. Закон, основанный на наблюдениях Дальтона над реакциями атмосферных газов, гласит, что, когда элементы образуют соединения, пропорции элементов в этих химических соединениях могут быть выражены в небольших целочисленных отношениях.

    Например, реакция элементов углерода и кислорода может давать как моноксид углерода (CO), так и диоксид углерода (CO 2 ). В CO 2 отношение количества кислорода к количеству углерода является фиксированным соотношением 1: 2, отношением простых целых чисел.В СО соотношение составляет 1: 1.

    В своей теории атомной структуры и состава Дальтон представил концепцию, согласно которой вся материя состоит из различных комбинаций атомов, которые являются неделимыми строительными блоками материи. Закон множественных пропорций Дальтона является частью основы современной атомной теории, наряду с законом определенного состава Джозефа Пруста (который гласит, что соединения образуются при определенных соотношениях масс реагирующих элементов) и законом сохранения массы, который был предложен Антуаном. Лавуазье.Эти законы проложили путь к нашему нынешнему пониманию атомной структуры и состава, включая такие концепции, как молекулярные или химические формулы.

    Джон Дальтон и теория атома

    Дальтон представил теорию, согласно которой элементы различаются массой атомов.

    Цели обучения

    Определить основные положения атомной теории Дальтона

    Основные выводы

    Ключевые моменты
    • Атомная теория Дальтона предполагала, что вся материя состоит из атомов, неделимых и неразрушимых строительных блоков.Хотя все атомы элемента были идентичны, разные элементы имели атомы разного размера и массы.
    • Атомная теория
    • Дальтона также утверждала, что все соединения состоят из комбинаций этих атомов в определенных соотношениях.
    • Дальтон также предположил, что химические реакции приводят к перегруппировке реагирующих атомов.
    Ключевые термины
    • атом : Наименьшее возможное количество вещества, которое все еще сохраняет свою идентичность как химический элемент, который, как теперь известно, состоит из ядра, окруженного электронами.
    • единица атомной массы : Стандартная единица измерения массы атома.

    История атомной теории Дальтона

    Хотя концепция атома восходит к идеям Демокрита, английский метеоролог и химик Джон Далтон сформулировал первое современное описание атома как фундаментального строительного блока химических структур. Дальтон разработал закон множественных пропорций (впервые представленный в 1803 году), изучая и расширяя работы Антуана Лавуазье и Жозефа Пруста.

    Пруст изучил оксиды олова и обнаружил, что их массы были либо 88,1% олова и 11,9% кислорода, либо 78,7% олова и 21,3% кислорода (это были оксид олова (II) и диоксид олова соответственно). Дальтон отметил, исходя из этих процентных соотношений, что 100 г олова будут соединяться либо с 13,5 г, либо с 27 г кислорода; 13,5 и 27 образуют соотношение 1: 2. Дальтон обнаружил, что атомная теория вещества может элегантно объяснить эту общую закономерность в химии – в случае оксидов олова Пруста один атом олова соединяется с одним или двумя атомами кислорода.

    Дальтон также считал, что атомная теория может объяснить, почему вода поглощает разные газы в разных пропорциях: например, он обнаружил, что вода поглощает углекислый газ намного лучше, чем азот. Дальтон предположил, что это произошло из-за различий в массе и сложности соответствующих частиц газа. Действительно, молекулы углекислого газа (CO 2 ) тяжелее и крупнее молекул азота (N 2 ).

    Дальтон предположил, что каждый химический элемент состоит из атомов одного уникального типа, и хотя они не могут быть изменены или разрушены химическими средствами, они могут объединяться в более сложные структуры (химические соединения).Поскольку Дальтон пришел к своим выводам путем экспериментов и изучения результатов эмпирическим путем, это стало первой действительно научной теорией атома.

    Джона Далтона Новая система химической философии : На этом изображении из книги Далтона «Новая система химической философии», опубликованной в 1808 году, изображены различные атомы и молекулы.

    Атомная теория Дальтона

    Основные положения атомной теории Дальтона:

    1. Все состоит из атомов, которые являются неделимыми строительными блоками материи и не могут быть разрушены.
    2. Все атомы элемента идентичны.
    3. Атомы разных элементов различаются по размеру и массе.
    4. Соединения образуются с помощью различных целочисленных комбинаций атомов.
    5. Химическая реакция приводит к перегруппировке атомов в реагентах и ​​продуктах.

    Теория атома была пересмотрена с годами, чтобы включить в нее существование атомных изотопов и взаимное преобразование массы и энергии. Кроме того, открытие субатомных частиц показало, что атомы можно разделить на более мелкие части.Однако важность Дальтона в развитии современной атомной теории была признана путем обозначения атомной единицы массы как Дальтон.

    История атома 5: Современная теория

    Назначение

    Для изучения развития современной теории атома.


    Контекст

    Этот урок – пятая из серии из пяти частей, которая расширит и углубит понимание учащимися атома и истории его открытия и развития с древних времен до наших дней.

    История атома 1: Древние греки исследуют теории древних греков об атоме. История атома 2: Далтон исследует ранние вехи в теории атома и роль Джона Далтона. История атома 3: Периодическая таблица рассматривает раннее развитие периодической таблицы и ее влияние на атомную мысль. История атома 4: Дж. Дж. Томсон анализирует эволюцию современных представлений о внутренней работе атомов, а Дж. Дж. Вклад Томсона. Этот урок исследует развитие современной атомной теории.

    Греческие философы Левкипп и Демокрит впервые разработали концепцию атома в 5 гг. До н. Э. Однако, поскольку Аристотель и другие выдающиеся мыслители того времени категорически противостояли их идее об атоме, их теория оставалась незамеченной и по существу похоронена до 16 и 17 веков. Со временем новаторские эксперименты Лавуазье 18 -го -го века точно измерили все вещества, участвующие в процессе горения, доказав, что «когда вещества горят, нет чистой прибавки или потери веса.Лавуазье основал науку современной химии, которая получила большее признание благодаря усилиям Джона Дальтона, который модернизировал древнегреческие представления об элементе, атоме, соединении и молекуле и предоставил средства объяснения химических реакций в количественном выражении. ( Наука для всех американцев , стр. 153–155.)

    По мере того, как эта серия уроков исследует дальнейшие открытия в конфигурации, связях и внутренних структурах атомов, учащиеся поймут, насколько более утонченной, модернизированной и научной атомной теория стала после критических открытий Лавуазье и Дальтона три столетия назад. .

    Студентам важно понимать, что изучение материи продолжается и по сей день, и что тысячелетние усилия человечества по выявлению, пониманию и документированию природы материи в конечном итоге создали современные науки, такие как химия, и продолжают вести к бесчисленным целенаправленным исследованиям. технологические достижения и изобретения, такие как телевизоры и компьютеры, которые делают жизнь человечества все более и более полноценной, удобной, а иногда и неприятной. Студенты также должны понять, что с течением времени представления древних о материи часто оказывались неточными с помощью современной науки.

    В средней школе ученики должны были познакомиться с ранними теориями материи и с тем, как они привели к работам Лавуазье и рождению современной химии. Это понимание поможет студентам лучше понять важность работы Джона Далтона и то, как он в конечном итоге положил начало «последовательному использованию языка, научной классификации и символов в создании современной химии». ( Benchmarks for Science Literacy , pp. 250–251.)

    Идеи этого урока также связаны с концепциями, содержащимися в этих стандартах Common Core State:

    • CCSS.ELA-Literacy.RST.9-10.1 Приводите конкретные текстовые доказательства для поддержки анализа научных и технических текстов, уделяя внимание точным деталям объяснений или описаний.
    • CCSS.ELA-Literacy.RST.9-10.2 Определение основных идей или выводов текста; проследить текст объяснения или изображения сложного процесса, явления или концепции; дайте точное изложение текста.
    Подробнее

    Планирование вперед

    Этот урок должен длиться два урока по 45 минут.


    Мотивация

    Кратко просмотрите и обсудите то, что студенты узнали в «Истории атома 4». После прочтения и взаимодействия с работой Дж. Дж. Томсона, студенты смогли последовать за первым важным научным приключением во внутреннем мире атома и открытием электрона.

    Рассматривая цель Томсона в экспериментах с катодными лучами и электрическими токами внутри стеклянных трубок, отметьте, что Томсон был первым ученым, отмеченным в этой исторической серии, который использовал передовые приборы в процессе открытия атома.На этом заключительном уроке они узнают о большей роли, которую играют более крупные и продвинутые инструменты, такие как ускорители, в продвижении изучения современной теории атома.

    Студенты должны уметь вспомнить смелую гипотезу Томсона о том, что катодные лучи представляют собой «потоки частиц, намного меньших, чем атомы». Попросите их рассказать об инновационных и механических деталях «трех экспериментов», которые ему потребовались для выделения и идентификации «корпускул» (электронов) или «вещества, из которого состоят все химические элементы.”

    Обсуждая изгибные лучи Томсона и электромагнитные поля, найдите время, чтобы «сделать шаг назад» и попросить студентов рассмотреть и оценить поистине удивительную степень, в которой прошлые и настоящие ученые должны были пойти, чтобы идентифицировать атом – фундаментальный компонент, из которого все материя в жизни создается – а теперь и внутренняя структура и работа этой основной, невидимой и таинственной сущности.

    Оценивая важность открытия электрона, студенты могут вспомнить самого Томсона, изумлявшегося тому, как нечто столь незначительное может изменить науку и решить социальные проблемы и безработицу с помощью исследований и технологических разработок.Возможно, стоит отметить, что Томсон и другие сыграли решающую роль в компьютерных технологиях, телевизорах и других научных предприятиях, которыми человечество пользуется и которым живет сегодня. Как и в случае с другими научными открытиями, студентам следует напомнить, что Томсону очень помогли, и он смог сделать и подтвердить свои открытия благодаря работе бесчисленного множества других ученых (например, Перрина, Ленарда и т. Д.).

    Объясните студентам, что с момента открытия электрона в 1897 году современная атомная теория значительно продвинулась вперед.На этом уроке учащиеся узнают, как открытия Томсона помогли начать широкомасштабное продолжающееся исследование внутренней структуры атомов – исследование, которое продолжает открывать многочисленные виды частиц, сил, структур и субатомных идей. Эти и другие открытия привели к Стандартной модели, которая, как надеются ученые, однажды детально объяснит структуру и стабильность всей материи.


    Развитие

    Прежде чем начать, стоит отметить ряд заблуждений и трудностей, с которыми студенты столкнулись в области «частиц.Например, как отмечалось в «Истории атома 2», некоторые ученики средних и старших классов «могут думать, что вещества можно разделить на мелкие частицы, [но] они не распознают частицы как строительные блоки, а как образуются в основном из сплошных веществ при определенных условиях »(Pfundt, 1981). Дальнейшие исследования выявили следующее:

    Учащиеся всех возрастов демонстрируют широкий спектр представлений о природе и поведении частиц. Им не хватает понимания очень маленького размера частиц; приписывать частицам макроскопические свойства; верят, что в пространстве между частицами должно быть что-то; испытывают трудности с пониманием внутреннего движения частиц в твердых телах, жидкостях и газах; и у них есть проблемы с концептуальным представлением сил между частицами ( Детское обучение естествознанию, 1987).Несмотря на эти трудности, есть некоторые свидетельства того, что тщательно разработанное обучение, проводимое в течение длительного периода времени, может помочь ученикам средней школы развить правильные представления о частицах. ( Benchmarks for Science Literacy , pp. 336–337.)

    Class One
    Студенты должны использовать электронную таблицу для студентов «Современная теория», чтобы перейти и прочитать каждый раздел книги «Электроны в атомах», хронологической временной шкалы, отмечающей вехи с 1897 года по настоящее время в развитии атомизма со времен появления электрона.

    В зависимости от ваших предпочтений, вы можете предложить студентам читать самостоятельно или в классе, где после каждого раздела уходит время, чтобы задать вопросы и обсудить значение открытий и изобретений, связанных с электронами. После того, как материал будет изучен, назначьте студенческий лист «Электроны в атомах» в качестве задания или викторины. Ответы приведены в листе учителя “Электроны в атоме”.

    Class Two
    Этот второй класс основан на всеобъемлющем веб-ресурсе The Particle Adventure.

    Для начала студенты должны прочитать «Краткое изложение физики элементарных частиц», в котором кратко описывается эволюция физики элементарных частиц с начала 1900-х годов до наших дней. ПРИМЕЧАНИЕ. Этот раздел охватывает как историю, так и науку о частицах. Хотя важно сосредоточить внимание на истории, вы можете сделать акцент на основах науки о частицах, в зависимости от вашей цели и уровня ваших учеников. Используйте вопросы из листа для учителя физики элементарных частиц, чтобы вести обсуждение после того, как учащиеся закончат чтение.

    Затем предложите студентам прочитать и просмотреть раздел «Хронология физики элементарных частиц» на сайте, в частности два последних раздела: 1900–1964 гг. Н.э .: квантовая теория и 1964 г. – настоящее время: современный взгляд (Стандартная модель).

    Хотя эти разделы временной шкалы охватывают эволюцию теории атома со времен греков, студенты должны сосредоточиться на последних двух современных разделах, которые охватывают появление квантованного атома, ведущего к недавней теории Стандартной модели.

    Перед тем, как студенты начнут читать конкретные хронологические события в каждой области, укажите или перефразируйте полезные введения в каждом разделе, которые помогут кратко обобщить историю развития субатомных элементов со времен Дж.Дж. Томсон. Это следующие:

    Квантовая теория — 1900–1964

    В начале двадцатого века ученые считали, что они понимают самые фундаментальные принципы природы. Атомы были прочными строительными блоками природы; люди доверяли законам движения Ньютона; казалось, что большинство проблем физики решены. Однако, начиная с теории относительности Эйнштейна, которая пришла на смену механике Ньютона, ученые постепенно осознали, что их знания были далеко не полными.Особый интерес представляла развивающаяся область квантовой механики, которая полностью изменила фундаментальные принципы физики.

    Современный вид – Стандартная модель – с 1964 г. по настоящее время

    К середине 1960-х годов физики осознали, что их прежнее понимание, согласно которому вся материя состоит из основных протонов, нейтронов и электронов, было недостаточным для объяснения множества обнаруживаемых новых частиц. Теория кварков Гелл-Манна и Цвейга решила эти проблемы. За последние тридцать лет теория, которая теперь называется Стандартной моделью частиц и взаимодействий, постепенно развивалась и получила все большее признание благодаря новым данным, полученным на новых ускорителях частиц.

    После того, как учащиеся прочитают и обсудят эти важные события в развитии современной теории атома, используйте вопросы из листа учителя в качестве основы для обзора материала и пробудите у них интерес.

    Наконец, в зависимости от оставшегося времени, предложите студентам пройти первые три раздела «Приключения частиц»: «Что является фундаментальным?», «Из чего состоит мир?» И «Что его объединяет? Это даст учащимся простой, красочный, интерактивный и фундаментальный обзор того, что они узнали на этом уроке и других уроках из серии «История атома».Если времени мало или совсем не остается, предложите студентам прочитать этот и другие разделы как часть своих расширений.


    Оценка

    Задайте эссе, в котором учащиеся своими словами объясняют, как наше современное понимание атома эволюционировало с годами благодаря вкладу многих людей. Вы можете попросить их начать с древних греков или с Дж. Дж. Первое успешное путешествие Томсона внутрь атома. Обращаясь к ключевым событиям в этот период, студенты должны коснуться текущих целей, лежащих в основе этого научного поиска, а также вопросов и проблем, которые остаются перед нынешними и будущими учеными в области современной теории атома.


    Расширения

    Урок Science NetLinks, связанный с этим, – «Расщепление атома».


    Студенты могли изучить другие разделы веб-сайта «Приключения частиц», в том числе: ускорители и детекторы частиц и фейерверк, обнаруженный бозоном Хиггса 4 -го числа -го июля.


    Наука о материи, пространстве и времени пытается ответить на вопрос «Из чего сделан мир?» предлагая четкое, практическое объяснение строительных блоков, сил, антивещества и теории Стандартной модели.Другие разделы включают текущие разработки и потенциал будущих открытий.


    «Видение электронами» – это расширенная выставка, которая дает студентам более широкое представление о различных типах инструментов и применений в жизни, вдохновленных электронами.


    Отправьте нам отзыв об этом уроке>

    Развитие атомной теории

    Современное Атомная теория: Модели

    Модель Бора

    В 1913 году Нилс Бор, студент Резерфорда, разработал новую модель атома.Он предположил, что электроны организовано в концентрические круговые орбиты вокруг ядра. Модель с рисунком на Солнечной системы и известна как планетарная модель. Модель Бора может быть резюмируется следующими четырьмя принципами:

    1. Электронов занимают только определенные орбиты вокруг ядро. Эти орбиты стабильны и называются «стационарными» орбитами.
    2. Каждый орбита с ним связана энергия.Орбита ближайшее к ядру имеет энергию E1, следующую орбиту E2 и т. д.
    3. Энергия является поглощается, когда электрон прыгает из нижнего орбите на более высокую, и энергия испускается, когда электрон падает с а с более высокой орбиты на более низкую.
    4. г. энергия и частота излучаемого или поглощенного света можно рассчитать, используя разницу между двумя орбитальными энергии.

    Квантово-механическая модель

    В 1926 году Эрвин Шредингер, Австрийский физик, взявший атом Бора модель на шаг впереди. Шредингер использовал математические уравнения для описания вероятность нахождения электрона в определенном положении. Этот атомный модель известная как квантово-механическая модель атома. В отличие от Бора модель, квантово-механическая модель не определяет точный путь электрона, но скорее, предсказывает вероятность местоположения электрона.Эта модель может быть изображается как ядро, окруженное электронным облаком. Где облако самый плотный, вероятность найти электрон наибольшая, и наоборот, электрон с меньшей вероятностью окажется в менее плотной области облака. Таким образом, это Модель ввела понятие субэнергетических уровней.

    До 1932 г. в атом был как полагают, состоит из положительно заряженного ядра, окруженного отрицательно заряженные электроны.В 1932 году Джеймс Чедвик бомбардировал атомы бериллия с альфа-частицами. Произведено неизвестное излучение. Чедвик интерпретированный это излучение состоит из частиц с нейтральным электрическим плата и приблизительная масса протона. Эта частица стала известна как нейтрон. С открытием нейтрон адекватная модель атома стала доступна химикам.

    С 1932 г. через продолжение экспериментов, многие дополнительные частицы были обнаружены в атом.Кроме того, новые элементы были созданы путем бомбардировки существующих ядер различный субатомные частицы. Атомная теория получила дальнейшее развитие благодаря концепция что протоны и нейтроны состоят из еще более мелких единиц, называемых кварками. Сами кварки находятся в поворот сделан из вибрирующих струн энергии. Теория композиции принадлежащий Atom продолжает быть продолжающимся и захватывающим приключением.

    Атомная структура


    Идея о том, что все состоит из атомов, была впервые высказана Джоном Далтоном (1766-1844) в книге, опубликованной им в 1808 году.Его иногда называют «отцом» теории атома, но, судя по фотографии справа, термин «дедушка» может быть более подходящим.

    В течение почти 100 лет после этого большинство ученых считали атомы твердыми структурами, пока в 1897 году Дж. Дж. Томпсон не обнаружил, что атомы содержат еще более мелкие частицы, названные электронами . Таким образом, модифицированная атомная структура теперь имела электроны, встроенные в атом, как M&M в мороженом.

    Поэтому в 1906 году это был шок, когда Резерфорд и Гигер объявили, что, когда они стреляли альфа-частицами в тонкий лист золотой фольги, большая часть альфа-частиц прошла прямо через него, но некоторые отскочили обратно.Как сказал Резерфорд: «Это было почти так, как если бы вы выпустили артиллерийский снаряд по куску папиросной бумаги, а он вернулся и поразил вас!» Альфа-частицы были обнаружены вспышками света на экране.

    Этот эксперимент показал, что большая часть атома представляет собой пустое пространство, но в центре находится очень маленькое плотное ядро ​​ , которое имеет почти всю массу всего атома. Позже Резерфорд обнаружил в ядре атома положительно заряженных протонов . Резерфорд был известен своими интересными фразами, например:

    «Всякая наука либо физика, либо коллекционирование марок!»

    Джеймс Чедвик обнаружил еще одну частицу в ядре, электрически нейтральный , нейтрон , только в 1932 году, хотя на этой фотографии он не выглядит слишком взволнованным своим открытием.Возможно, ему стоит добавить больше клетчатки в свой рацион! Карьера Чедвика началась неустойчиво. Он приехал из Англии в Германию в 1914 году, чтобы работать с Гансом Гейгером (соавтором счетчика Гейгера, который используется для обнаружения радиоактивных атомов). К сожалению, Первая мировая война началась вскоре после этого, поэтому Чедвик провел следующие 4 года в лагере для военнопленных. Находясь там, он обнаружил, что популярная зубная паста, которую использовали в то время в Германии, на самом деле была радиоактивной!

    Итак, наконец, в 1930-х годах появилась современная модель атома: плотное ядро, содержащее протоны и нейтроны, с электронами, вращающимися вокруг атома.Большинство диаграмм, подобных приведенной ниже, дают очень неточное представление об атоме:

    На самом деле электроны находятся намного дальше от ядра, чем можно было бы ожидать. Если бы ядро ​​было представлено мячом для гольфа, весь атом был бы шириной в три мили! Итак, теперь эксперимент Резерфорда имеет смысл: типичная альфа-частица проходит прямо через атом, и лишь очень редко одна отскакивает от крошечного ядра.



    Каждый химический элемент имеет определенное количество протонов в ядре.Например, углерода – единственный элемент с 6 протонами на атом. Число протонов называется атомным номером элемента. В атоме количество электронов такое же, как и количество протонов, поэтому каждый атом углерода имеет 6 протонов и 6 электронов. Однако количество нейтронов может варьироваться от одного атома к другому. Атомы одного и того же элемента с разным числом нейтронов называются изотопами .

    Помните, что большая часть веса атома приходится на его ядро ​​(протоны и нейтроны).Массовое число или атомный вес элемента сообщает вам общее количество протонов + нейтронов в элементе. Например, на этой диаграмме показано ядро ​​атома бериллия. Красная буква «P» указывает количество протонов, а нейтроны показаны фиолетовой буквой «N».

    Обратите внимание, что 4 электрона находятся в двух слоях или энергетических уровнях. Первый энергетический уровень может содержать максимум 2 электрона, второй – максимум 8 электронов.

    Так, например, атом натрия с 11 электронами выглядит так:

    Разработка моделей атомов – Как со временем изменились наши представления об атомах? – OCR 21C – GCSE Chemistry (Single Science) Revision – OCR 21st Century

    Древнегреческие мыслители считали, что вся материя состоит из комбинации земли, воздуха, огня и воды.Эти вещества назывались «элементами», но они не были такими же, как современные элементы. Позже греческие мыслители предположили, что материя может состоять из невидимых частиц. Они назвали эти частицы атомами, но у них не было экспериментального подтверждения своей модели.

    Первая модель атома

    Ученый Джон Далтон провел серию экспериментов. Он пришел к выводу, что вся материя состоит из крошечных частиц, называемых атомами. Он предположил, что атом представляет собой крошечный твердый шар.Он опубликовал свои идеи в 1803 году.

    Модель Дальтона включала следующие идеи:

    • атомов не могут быть разбиты на что-либо более простое
    • атомы данного элемента идентичны друг другу
    • атомы разных элементов отличаются от одного другой
    • атомы разных элементов соединяются, чтобы образовать соединения
    • во время химических реакций атомы перестраиваются, чтобы образовать разные вещества

    Эта атомная модель изменилась с течением времени.Ученые использовали модель, чтобы делать прогнозы. Иногда результаты их экспериментов были неожиданностью и не соответствовали существующей модели. Ученые изменили модель, чтобы она могла объяснить новые доказательства.

    Временная шкала, показывающая, как изменилась модель атома

    Год Ученые Новое свидетельство Изменения в модели атома
    1897 Thomson Открытие электроны. Атомы можно разбить на более мелкие части. Атом состоит из крошечных отрицательно заряженных электронов, разбросанных по положительно заряженной сфере, как сливовый пудинг.
    1909-1911 Резерфорд (а также Гейгера и Марсдена) Некоторые положительно заряженные частицы, выпущенные в золотую фольгу, отскочили назад, когда ожидалось, что они пройдут прямо через нее. Атомы имеют центральное положительное ядро. Большая часть массы атома находится в ядре.
    1913 Бор Углубленная работа над моделью Резерфорда показала, что у нее есть ограничения. Электроны должны просто закручиваться по спирали к положительному ядру. Электроны движутся по фиксированным орбитам, называемым электронными оболочками, вокруг ядра.

    Затем ученые обнаружили, что ядро ​​состоит из двух типов субатомных частиц, называемых протонами и нейтронами.

    В результате этих открытий мы теперь знаем, что:

    • атома могут быть разбиты на три более мелкие частицы (протоны, нейтроны и электроны)
    • атомов элемента имеют одинаковое количество протонов и электронов, но могут иметь разное количество нейтронов

Оставить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *