Все вещества вокруг нас — вода, воздух, металлы, живые организмы — состоят из мельчайших частиц. Ещё в Древней Греции учёные предположили, что существует предел деления вещества, и назвали такую частицу атомом (от греческого atomos — «неделимый»).
Долгое время считалось, что атом — это неделимая частица, не имеющая внутреннего строения. Но открытия конца XIX — начала XX века показали, что атом имеет сложное строение. В его состав входят положительно заряженное ядро и электроны. Изучение строения атома позволило объяснить, почему элементы отличаются по свойствам, как они расположены в периодической системе и почему вступают в химические реакции.
Как менялись представления об атоме
Модель Дальтона
В 1803 году английский химик Джон Дальтон предложил первую научную теорию строения вещества. По его представлениям, атом — это мельчайшая неделимая частица.
Дальтон считал, что атомы одного химического элемента одинаковы, а атомы разных элементов отличаются друг от друга массой и свойствами.
Эта модель хорошо объясняла известные в то время законы химии, но ничего не говорила о внутреннем строении атома.
Позднее учёные обнаружили, что атом состоит из более мелких частиц, поэтому представление об атоме как о неделимой частице оказалось неверным.
Открытие электрона и модель Томсона
В 1897 году английский физик Джозеф Джон Томсон, изучая электрические разряды в газах, открыл электрон — частицу с отрицательным электрическим зарядом.
Это открытие показало, что атом не является неделимым: в его состав входят отрицательно заряженные частицы.
Но если в атоме есть электроны, а сам атом в обычном состоянии электрически нейтрален, значит, в нём должна присутствовать и положительно заряженная часть.
В 1904 году Томсон предложил модель, согласно которой атом представляет собой положительно заряженную сферу, внутри которой находятся электроны. Эту модель часто сравнивают с изюмом в тесте.
Модель Томсона объясняла электронейтральность атома, но не могла объяснить результаты последующих экспериментов.
Опыты Резерфорда и ядерная модель атома
В 1909 году Ганс Гейгер и Эрнест Марсден под руководством Эрнеста Резерфорда провели знаменитый эксперимент с рассеянием α-частиц. Они направляли поток положительно заряженных α-частиц на очень тонкую золотую фольгу и наблюдали, как частицы отклоняются. В 1911 году Резерфорд предложил ядерную модель атома, объяснявшую результаты эксперимента.
Результаты оказались неожиданными:
большинство α-частиц проходило сквозь фольгу, почти не отклоняясь;
некоторые частицы отклонялись на небольшие углы;
очень небольшая часть частиц отклонялась на большие углы или отскакивала назад.
Резерфорд сделал вывод, что почти весь объём атома занимает пространство, в котором вероятность встретить частицы очень мала, а в центре находится крошечное плотное ядро, имеющее положительный заряд и содержащее почти всю массу атома.
Так появилась ядерная модель атома: в центре находится положительно заряженное ядро, а вокруг него находится электронная оболочка.
Модель Резерфорда стала важным этапом в изучении атома. Позднее она была дополнена новыми представлениями о поведении электронов и строении электронной оболочки.
Состав атомного ядра
Протоны и нейтроны
Атомное ядро состоит из двух видов частиц: протонов и нейтронов. Их общее название — нуклоны.
Частица | Обозначение | Заряд | Относительная масса |
|---|---|---|---|
Протон | p⁺ | +1 | ≈ 1 |
Нейтрон | n⁰ | 0 | ≈ 1 |
Электрон | e⁻ | −1 | ≈ 1/1840 |
Протон имеет положительный заряд, равный по модулю заряду электрона. Нейтрон электрического заряда не имеет.
Относительные массы протона и нейтрона примерно равны 1, а масса электрона значительно меньше. Поэтому почти вся масса атома сосредоточена в его ядре.
Порядковый номер элемента
Порядковый номер элемента, который также называют атомным номером и обозначают буквой Z, равен числу протонов в ядре атома.
Именно число протонов определяет, какой перед нами химический элемент:
у водорода Z = 1 — один протон;
у углерода Z = 6 — шесть протонов;
у кислорода Z = 8 — восемь протонов;
у железа Z = 26 — двадцать шесть протонов.
В нейтральном атоме число протонов равно числу электронов. Поэтому для нейтрального атома порядковый номер показывает не только число протонов, но и число электронов.
Если атом теряет или приобретает электроны, он превращается в ион, и число электронов уже не совпадает с числом протонов.
Массовое число
Массовое число (обозначается буквой A) — это общее число протонов и нейтронов в ядре:
A = Z + N,
где Z — число протонов, а N — число нейтронов.
Отсюда можно найти число нейтронов:
N = A − Z.
Например, если массовое число атома равно 40, а его порядковый номер — 20, то в ядре находится:
40 − 20 = 20 нейтронов.
Как записывают атом
Для обозначения конкретного атома используют запись:
ZAX
где X — символ химического элемента, A — массовое число, а Z — порядковый номер.
Например, запись 2040Ca означает атом кальция с массовым числом 40 и порядковым номером 20.
Следовательно, в его ядре:
20 протонов;
20 нейтронов, потому что 40 − 20 = 20.
Поскольку этот атом нейтрален, в его электронной оболочке также находится 20 электронов.
Изотопы
Что такое изотопы
Изотопы — это разновидности атомов одного и того же химического элемента, которые имеют одинаковое число протонов, но разное число нейтронов.
Поэтому у изотопов одного элемента одинаковый порядковый номер Z, но разные массовые числа A.
Например, существуют три изотопа водорода:
протий 11H — 1 протон и 0 нейтронов;
дейтерий 12H — 1 протон и 1 нейтрон;
тритий 13H — 1 протон и 2 нейтрона.
Ещё один пример — изотопы хлора:
1735Cl — 17 протонов и 18 нейтронов;
1737Cl — 17 протонов и 20 нейтронов.
У всех этих атомов одинаковый заряд ядра, поэтому они относятся к одному химическому элементу.
Свойства изотопов
Химические свойства атомов прежде всего связаны со строением их электронной оболочки.
У нейтральных атомов одного элемента одинаковое число протонов и электронов, поэтому электронное строение их изотопов практически одинаково. Поэтому изотопы одного элемента обладают очень сходными химическими свойствами.
При этом изотопы отличаются массой, поскольку содержат разное число нейтронов. Поэтому у них могут различаться некоторые физические свойства.
Особенно заметны различия между изотопами водорода: масса дейтерия примерно в два раза, а масса трития примерно в три раза больше массы протия.
Применение изотопов
Изотопы используются в науке, технике, археологии и медицине:
углерод-14 используют для определения возраста археологических находок;
уран-235 используют как ядерное топливо;
кобальт-60 применяют в медицине, в том числе для лучевой терапии;
дейтерий используют в научных исследованиях и рассматривают вместе с тритием как возможное топливо для термоядерных реакций.
Расположение электронов в атоме
Электронные слои
Электроны образуют электронную оболочку атома и распределяются по энергетическим уровням, которые в школьном курсе также называют электронными слоями.
Слои нумеруют, начиная от ядра: 1, 2, 3, 4 и так далее. В старой системе обозначений им соответствуют буквы K, L, M, N.
Чем дальше от ядра находится энергетический уровень, тем в среднем выше энергия электронов, находящихся на нём.
При заполнении электронной оболочки сначала занимают уровни с более низкой энергией, а затем — с более высокой.
Сколько электронов помещается на слое
Каждый энергетический уровень имеет ограниченную вместимость:
Слой | Номер | Максимальное число электронов |
|---|---|---|
K | 1 | 2 |
L | 2 | 8 |
M | 3 | 18 |
N | 4 | 32 |
Для 8 класса особенно важно знать строение электронных оболочек первых 20 элементов. В атомах этих элементов распределение электронов по слоям можно представить следующим образом: первый слой вмещает до 2 электронов, второй — до 8, а на третьем и четвёртом слоях у первых 20 элементов находится соответственно не более 8 и 2 электронов.
Например:
натрий: 2, 8, 1;
хлор: 2, 8, 7;
кальций: 2, 8, 8, 2.
Внешние электроны
Электроны на внешнем энергетическом уровне называют внешними электронами. Для элементов главных подгрупп они во многом определяют химические свойства атомов и их способность вступать в химические реакции.
В химических реакциях атомы могут отдавать или принимать электроны либо образовывать общие электронные пары с другими атомами.
Примеры распределения электронов по слоям
Рассмотрим несколько примеров.
Натрий (Na) — порядковый номер 11. Значит, в нейтральном атоме 11 электронов. Распределение по слоям: 2, 8, 1. На внешнем слое находится 1 электрон. В химических реакциях натрий обычно легко отдаёт этот электрон и образует положительно заряженный ион.
Хлор (Cl) — порядковый номер 17. В нейтральном атоме 17 электронов. Распределение: 2, 8, 7. На внешнем слое находится 7 электронов. Во многих реакциях хлор принимает один электрон или образует общую электронную пару с другим атомом.
Кальций (Ca) — порядковый номер 20. В нейтральном атоме 20 электронов. Распределение: 2, 8, 8, 2. На внешнем слое находится 2 электрона. В химических реакциях кальций обычно отдаёт эти электроны и образует положительно заряженный ион.
Кислород (O) — порядковый номер 8. В нейтральном атоме 8 электронов. Распределение: 2, 6. На внешнем слое находится 6 электронов. В химических реакциях кислород может принимать электроны или образовывать общие электронные пары.
Строение атома и периодическая таблица
Связь строения атома с положением элемента в таблице
Положение химического элемента в Периодической системе связано со строением его атома. Для элементов первых трёх периодов эта связь особенно хорошо видна по числу электронных слоёв и электронов на внешнем слое.
Номер периода показывает число занятых электронных слоёв в атоме.
Например:
элементы 1-го периода — водород и гелий — имеют 1 электронный слой;
элементы 2-го периода — литий, углерод, кислород и другие — имеют 2 электронных слоя;
элементы 3-го периода — натрий, хлор и другие — имеют 3 электронных слоя.
Для элементов главных подгрупп число электронов на внешнем уровне связано с номером группы. В традиционной школьной нумерации групп:
натрий находится в I группе — на внешнем уровне 1 электрон;
хлор находится в VII группе — на внешнем уровне 7 электронов;
кальций находится во II группе — на внешнем уровне 2 электрона.
Для гелия есть исключение: он находится в VIII группе, но на его единственном электронном слое всего 2 электрона.
Металлы и неметаллы
Строение внешнего электронного слоя существенно влияет на химические свойства элементов.
Металлы обычно легче отдают внешние электроны и в химических реакциях часто образуют положительно заряженные ионы. Для многих металлов характерно небольшое число электронов на внешнем уровне.
К металлам относятся, например, натрий, кальций, алюминий и железо.
Неметаллы обычно сильнее удерживают свои внешние электроны. Во многих реакциях они могут принимать электроны или образовывать общие электронные пары с другими атомами.
К неметаллам относятся, например, кислород, хлор, сера и азот.
Это общая закономерность, а не абсолютное правило: химические свойства элемента зависят от строения всего атома и условий химической реакции.
Изменение свойств в таблице
В Периодической системе свойства элементов изменяются закономерно:
в периоде слева направо металлические свойства в целом ослабевают, а неметаллические усиливаются;
в главной подгруппе сверху вниз металлические свойства в целом усиливаются, а неметаллические ослабевают.
Эти закономерности связаны с изменением строения атомов: числа электронных слоёв, положения внешних электронов и их взаимодействия с ядром.
Образование химических связей
Атомы могут изменять распределение внешних электронов, чтобы получить более устойчивое электронное строение. Для многих элементов это связано с заполнением внешнего электронного слоя.
В некоторых реакциях:
атомы металлов отдают электроны и превращаются в положительно заряженные ионы;
атомы неметаллов могут принимать электроны и превращаться в отрицательно заряженные ионы;
атомы неметаллов могут образовывать общие электронные пары, в результате чего возникает ковалентная связь.
Таким образом, строение внешней электронной оболочки помогает понять, почему атомы вступают в химические реакции и каким образом образуются химические связи.
Заключение
Атом — сложная частица, состоящая из положительно заряженного ядра и электронной оболочки.
Ядро содержит протоны и нейтроны, а в электронной оболочке находятся электроны.
Главные характеристики атома:
порядковый номер показывает число протонов в ядре, а в нейтральном атоме — и число электронов;
массовое число равно сумме числа протонов и нейтронов в ядре;
число и строение внешних электронов существенно влияют на химические свойства элемента.
Изотопы одного элемента имеют одинаковое число протонов, но различное число нейтронов. Поэтому они имеют одинаковый порядковый номер, но разные массовые числа.
Строение электронной оболочки связано с положением элемента в Периодической системе: номер периода связан с числом занятых электронных слоёв, а для элементов главных подгрупп число электронов на внешнем уровне связано с номером группы.
Знание строения атома помогает понять, почему элементы обладают разными свойствами, как изменяются эти свойства в Периодической системе и почему атомы образуют химические связи.
Комментарии