Глава II. Строение вещества.

Глава II. Строение вещества.

§ 4. Химический элемент.

 

Атомы. О веществах, их строении размышляли еще древнегреческие философы. Они утверждали, что вещества состоят из атомов – мельчайших невидимых и неделимых частиц, а в результате их соединения образовался и существует окружающий мир. В переводе с греческого слово «атом» означает «неделимый».

Атом– это мельчайшая химически неделимая частица вещества.

Доказать существование атомов удалось лишь в XIX в. с помощью сложных физических экспериментов.

 

 

Размер и масса атомов. Известно, что атомы имеют очень малые размеры. они настолько малы, что их невозможно рассмотреть даже в электронный микроскоп, дающий увеличение в 40 тысяч раз. Радиусы атомов составляют 0,06 – 0,25 нм. Нанометр (нм) – одна миллиардная часть метра (10^-9 м). Например, радиус атома углерода равен 1,5 · 10^-10 м. осознать значение этого числа очень трудно. Если начертить простым карандашом (его грифель состоит из графита – вещества, образованного атомами углерода) отрезок длиной 3 см, то полученная линия содержит примерно 100 млн атомов углерода в длину и около 1 млн – в ширину.

Взвесить атомы на весах невозможно, поскольку массы атомов тоже очень малы, также их очень трудно выразить в привычных единицах – граммах или килограммах. Оказалось, что истинные массы атомов имеют значения от 1,67 · 10^-27 до 4,27 · 10^-25 кг. Например:

m _а(водорода) = 1,67 · 10^-24 г = 0,000 000 000 000 000 000 000 001 67 г.

Очевидно, что пользоваться такими числами в повседневной практике неудобно. Гораздо удобнее сравнивать массу данного атома с какой-то другой очень малой массой, принятой за единицу измерения. В качестве такой единицы измерения ученые договорились использовать 1/12 часть массы атома углерода. Эту единицу называют атомной единицей массы (а. е. м.).

Атомная единица массы (а. е. м.)– это 1/12 массы атома углерода.

 

1 а. е. м. = = = 1,66 · 10^-24 г = 1,66 · 10^-27 кг

Нужно помнить, что 1 а. е. м. – необычайно малая величина, она меньше килограмма примерно во столько раз, во сколько масса человека меньше массы земного шара.

Масса атома, выраженная через эту величину, получила название относительной атомной массой. Ее обозначают A _r (индекс r – начальная буква английского слова relative, что означает «относительный»).

Относительная атомная масса– отношение массы атома химического элемента к 1/12 массы атома углерода A r =

Относительная атомная масса показывает, во сколько раз масса данного атома больше 1/12 массы атома углерода. Например, A _r(Не) = 4, т. е. масса одного атома гелия в 4 раза

больше 1/12 массы атома углерода.

Относительная атомная масса – величина безразмерная, подобно всем другим относительным величинам.

Атомы разных химических элементов различаются по массе не более чем в 300 раз, поэтому относительные атомные массы представляют собой сравнительно небольшие числа.

Атомные массы некоторых химических элементов впервые определил Д. Дальтон в начале XIX в. Он, конечно, не взвешивал отдельные атомы, но сумел определить, во сколько раз одни атомы тяжелее или легче других. Известно, например, что медь реагирует с серой с образованием сульфида меди, в котором на один атом меди приходится один атом серы. Опытным путем было установлено, что масса меди в этом соединении в 2 раза больше, чем масса серы. Следовательно, каждый атом меди в 2 раза тяжелее атома серы. Аналогично было найдено, что атом меди в 4 раза тяжелее атома кислорода. Оказалось, что самый легкий – атом водорода.

Рис. Сравнение масс атомов. Если бы атомы можно было взвесить на весах, то заметили бы, что атомы меди тяжелее атомов серы: а – семь атомов меди тяжелее, чем семь атомов серы; б – семь атомов меди (A r = 64) имеют такую же массу, как четырнадцать атомов серы (A r = 32)

 

На основании изложенного материала можно сделать такие выводы:

· относительные атомные массы пропорциональны массам атомов;

· соотношения масс атомов такие же, как и относительных атомных масс.

 

Химический элемент. В настоящее время достоверно известно 110 видов атомов, отличающихся друг от друга размерами, массами, а так же строением. Из них более 20 видов атомов получены искусственно – они неустойчивы и распадаются на другие атомы. Синтез новых видов атомов продолжается и в настоящее время.

Атомы определенного вида называют химическим элементом.

 

Каждый химический элемент имеет название и знак (символ) – условное обозначение в виде одной или двух букв, взятых из его латинского названия. Например, водород (Hydrogenium) обозначается Н, произносится «аш»; ртуть (Hydrargirum) – Hg – «гидраргиум» и т. д. Часто русское название химического элемента не совпадает с его латинским названием.

Название х. эл.	Химический знак	Произношение	Название х. эл.	Химический знак	Произношение
Азот	N	эн	Магний	Mg	магний
Алюминий	Al	алюминий	Марганец	Mn	марганец
Барий	Ba	барий	Медь	Cu	купрум
Бор	B	бор	Натрий	Na	натрий
Водород	Н	аш	Ртуть	Hg	гидраргиум
Железо	Fe	феррум	Сера	S	эс
Золото	Au	аурум	Серебро	Ag	аргентум
Иод	I	иод	Углерод	С	цэ
Калий	K	калий	Фосфор	Р	пэ
Кальций	Ca	кальций	Фтор	F	фтор
Кислород	О	о	Хлор	Cl	хлор
Кремний	Si	силициум	Цинк	Zn	цинк

 

Выводы:

 

1. Атомы имеют чрезвычайно малые размеры и массу.

2. Для удобства вычислений используют относительные массы атомов.

3. Относительная атомная масса элемента является отношением массы атома элемента к 1/12 массы атома углерода.

4. Совокупность всех атомов определенного вида называются химическим элементом. Каждый элемент имеет название и знак (символ)

Интернетресурсы:

 

1. Интернетурок Химические элементы, Символы (знаки) химических элементов

 

 

§ 5. Структура Периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева.

 

Все химические элементы объединены в единую систему, которая создана в 1869 г русским химиком Д. И. Менделеевым на основе открытого им периодического закона и названа в честь ученого Периодической системой химических элементов Д. И. Менделеева.

По горизонтали Периодическая система делится на семь периодов:

1-й период включает в себя два элемента: водород Н и гелий Не;

2-й период начинается литием Li и оканчивается неоном Ne (8 элементов);

3-й период начинается натрием Na и оканчивается аргоном Ar (8 элементов).

Три первых периода, состоящие каждый из одного ряда, называют малыми периодами.

Периоды 4, 5 и 6-й включают по два ряда элементов, их называют большими периодами; 4-й и 5-й периоды содержат по 18 элементов, 6-й – 32 элемента. 7-й период – незаконченный, состоит пока только из одного ряда.

По вертикали химические элементы, располагаются друг под другом в вертикальных столбцах – группах, которых в таблице Д. И. Менделеева восемь.

Каждая группа состоит из двух подгрупп – главной и побочной. Подгруппу, в которую входят элементы и малых, и больших периодов, называют главной подгруппой. Подгруппу, в которую входят элементы только больших периодов, называют побочной подгруппой. Так, в главную подгруппу I группы входят литий, натрий, калий, рубидий и франций – это подгруппа лития Li; побочная подгруппа этой группы образована медью, серебром и золотом – это подгруппа меди Cu.

 

номер группы

знак химического элемента

порядковый номер химического элемента

относительная атомная масса

название химического элемента

номер периода

Алгоритм описания положения химического элемента в Периодической системе:

1. Знак химического элемента, его название – Mg, магний

2. Порядковый номер химического элемента – 12

3. Номер периода, большой/малый – 3 (малый) период

4. Номер группы, подгруппа – II группа, главная подгруппа (IIA группа)

5. Относительная атомная масса – A _r = 24

 

§ 5. Состав атома.

 

До конца XIX столетия атом считали элементарной (т. е. неделимой) частицей. В XIX в. была известна лишь одна количественная характеристика атомов – масса. Но было непонятно, почему атомы с близкой массой сильно отличаются по свойствам, в то время как с различными массами могут обладать сходными свойствами. таким образом, для характеристики атомов знания их массы недостаточно. Все это наводило ученых на мысль о том, что атом имеет сложное строение.

Первые экспериментальные подтверждения, этого появились в конце XIX в., когда было обнаружено, что некоторые вещества при сильном освещении испускают лучи, представляющие собой поток электронов – отрицательно заряженных элементарных частиц. Это явление назвали фотоэффектом. Позже выяснилось, что существуют вещества, которые самопроизвольно, даже в темноте испускают электроны и некоторые другие частицы. Это явление назвали радиоактивностью. открытие фотоэффекта и радиоактивности однозначно свидетельствовало о том, что внутри атомов есть электроны.

Электрон – самая легкая из известных элементарных частиц. Его масса (9,1 · 10^-31 кг) в 1837 раз меньше массы самого легкого из атомов – атома водорода. Поэтому, масса электрона условно принята за 0. Электрический заряд электрона называют элементарным – он наименьший из всех зарядов. Все известные положительные и отрицательные заряды кратны заряду электрона, поэтому его абсолютную величину принимают за единицу измерения. Именно в этих единицах обычно указывают заряд всех частиц. Заряд самого электрона равен –1.

Атом не имеет электрического заряда, значит, помимо электронов в нем должны содержаться и положительно заряженные частицы. На основании экспериментальных данных в 1911 г Эрнест Резерфорд создал планетарную модель строения атома. Согласно модели Резерфорда, в центре атома находится положительно заряженное ядро и вращающиеся вокруг него электроны. Экспериментально доказано, что положительный заряд ядра атома (Z) равен порядковому номеру химического элемента в Периодической системе химических элементов. Атом – электронейтральная частица. Положительный заряд ядра нейтрализуется суммарным отрицательным зарядом электронов, которые движутся вокруг ядра атома. Поэтому число электронов в атоме равно заряду ядра (Z).

Атом– это электронейтральная частица, состоящая из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов.

 

 

Радиус атомного ядра в сто тысяч раз меньше радиуса атома. Но и это крошечное ядро имеет сложное строение, в состав его входят протоны и нейтроны.

Протоны – это частицы с положительным зарядом +1 (в условных единицах) и массой равной 1 а. е. м. Протон обозначается .

Нейтроны – это электронейтральные (незаряженные) частицы с массой тоже равной

1 а. е. м. Нейтрон обозначается .

Так как нейтроны заряда не имеют, заряд ядра зависит только от числа содержащихся в нем протонов.

Суммарное число протонов и нейтронов называют массовым числом атома и обозначают буквой А. Массовое число атома А приблизительно (округленно) равно относительной атомной массе A_r. Таким образом, чтобы найти количество нейтронов в ядре атома, необходимо из массового числа вычесть количество протонов.

Согласно современной теории ядра, протоны и нейтроны, входящие в состав ядра, связываются между собой чрезвычайно большими ядерными силами. Ядро по своим размерам весьма компактно. Оно в тысячи раз меньше самого атома, но отличается огромной плотностью, она составляет 2,3 · 1014 г/см³ = 230 млн т/см³ (масса почти миллиона тепловозов в одном наперстке).

Долгое время ученые считали, что протоны и нейтроны являются элементарными частицами, т. е. не могут быть разделены на более мелкие части. Теперь доказано, что они тоже имеют сложное строение и состоят из трех кварков. Электрон до сих пор считают элементарной частицей.

Во всех атомах одного и того же химического элемента число протонов всегда одинаково (и равно заряду ядра), а число нейтронов бывает разным, поэтому масса атомов одного и того же элемента может быть различной. Это означает, что не масса, а именно заряд ядра является главной характеристикой, отличающей атомы одного вида от атомов другого вида. Зная строение атома, можно дать более точное определение понятия "химический элемент"

Химический элемент– это вид атомов с определенным зарядом ядра.

 

Для индексации атома используются две характеристики: A (массовое число) – верхний индекс, а Z (заряд ядра) – нижний индекс, они ставятся слева от знака химического элемента.

A,массовое число

Z,заряд ядра атома

 

Иногда нижний индекс опускают, и тогда запись имеет следующий вид: