Будова атомного ядра. Субатомні частинки. Елементи. Ізотопи

Атом складається з ядра і навколишнього його електронного ” хмари “. Знаходяться в електронному хмарі електрони несуть негативний електричний заряд. Протони, що входять до складу ядра, несуть позитивний заряд.

У будь-якому атомі кількість протонів в ядрі в точності дорівнює числу електронів в електронному хмарі, тому атом в цілому – нейтральна частинка, що не несе заряду.

Атом може втратити один або кілька електронів або навпаки – захопити чужі електрони. У цьому випадку атом здобуває позитивний або негативний заряд і називається іоном.

Практично вся маса атома зосереджена в його ядрі, так як маса електрона складає всього лише 1/ 1836 частина маси протона. Щільність речовини в ядрі фантастично велика – порядку 1013 – 1014 г/см3. Сірникову коробку, наповнений речовиною такої щільності, важив би 2,5 мільярда тонн!

Зовнішні розміри атома – це розміри набагато менш щільного електронного хмари, яка приблизно в 100 000 разів більше діаметру ядра.

Крім протонів, до складу ядра більшості атомів входять нейтрони, що не несуть ніякого заряду. Маса нейтрона практично не відрізняється від маси протона. Разом протони і нейтрони називаються нуклонами (від латинського nucleus – ядро).

Електрони, протони і нейтрони є головними ” будівельними деталями ” атомів і називаються субатомними частинками. Показник ступеня (наприклад, десять у мінус двадцять сьомого ступеня) показує, скільки нулів після коми потрібно записати, щоб вийшла десяткова дріб, що виражає масу субатомній частинки в кілограмах. Це незначна частина кілограма, тому масу субатомних частинок зручніше виражати в атомних одиницях маси (скорочено – а.е.м.). За атомну одиницю маси прийнята рівно 1 /12 частина маси атома вуглецю, в ядрі якого міститься 6 протонів і 6 нейтронів. Схематичне зображення такого ” еталонного ” атома вуглецю наведено на рис. 2-5 (б). Атомну одиницю маси можна виразити і в грамах: 1 а.е.м. = 1,660540 • 10-24 м.

Атоми складаються з позитивно зарядженого ядра і електронної хмари. а) До складу ядра атома водню входить тільки 1 протон, а електронне хмара заповнюється одним електроном. б) У ядрі атома вуглецю 6 протонів і 6 нейтронів, а в електронному хмарі – 6 електронів. в) Існує також ізотопний вуглець, ядрі якого на 1 нейтрон більше. Вміст цього ізотопу в природному вуглеці складає трохи більше 1 % (про ізотопи див. нижче). Лінійні розміри атомів дуже малі: їх радіуси складають від 0,3 до 2,6 ангстрема (1 ангстрем = 10-8 см). Радіус ядра близько 10-5 ангстрема, тобто 10-13 см. Це в 100000 разів менше розмірів електронної оболонки. Тому правильно показати відносні пропорції ядер і електронних оболонок на малюнку неможливо. Якби атом збільшився до розмірів Землі, те ядро мало б всього близько 60 м в діаметрі і могло б поміститися на футбольному полі.

Маса атома, виражена в кілограмах або грамах, називається абсолютною атомною масою. Найчастіше користуються відносною атомною масою, яка виражається в атомних одиницях маси (а.е.м.). Відносна атомна маса являє собою відношення маси якогось атома до маси 1/ 12 частини атома вуглецю. Іноді кажуть більш коротко: атомний вагу. Останній термін зовсім не застарілий, як іноді пишуть у підручниках – він широко використовуються в сучасній науковій літературі, тому ми теж будемо його застосовувати. Відносна атомна маса і атомний вагу, фактично, безрозмірні величини (маса якого-небудь атома ділиться на масу частини атома вуглецю), тому позначення ” а.е.м. ” після чисельного значення зазвичай опускають (але можна і написати, в цьому не буде помилки). Терміни ” відносна атомна маса “, ” атомна маса “, ” атомний вагу” в науковому хімічному мові зазвичай використовуються рівноправно і між ними просто не роблять різниці. У Міжнародному союзі хіміків (IUPAC) існує Комісія з відносною поширеності ізотопів і атомним вагам (Commission on Isotopic Abundances and Atomic Weights або скорочено – CIAAW), але не ” Комісія з відносним атомним масам “. Проте всі хіміки чудово розуміють, що йдеться про одне й те ж.

У російських підручниках і завданнях ЄДІ користуються терміном відносна атомна маса, яку позначають символом Ar. Тут ” r ” – від англійського ” relative ” – відносний. Наприклад, Ar = 12,0000 – відносна атомна маса вуглецю 126C дорівнює 12,0000. У сучасній науковій літературі відносна атомна маса і атомний вага – синоніми.

** З курсу фізики ви пам’ятаєте, що вага фізичного тіла є змінною величиною. Наприклад, на Землі і на Місяці одне і те ж фізичне тіло має різну вагу, але маса тіла – величина постійна. Тому термін ” відносна атомна маса ” вважається більш суворим. Для багатьох обчислень зручно маси протона і нейтрона в шкалі а.е.м. вважати округлено рівними одиниці.

На рис. 2-5 показані атоми двох різних видів. Може виникнути питання: чому двох, а не трьох видів – адже на малюнку зображено три атома ? Справа в тому, що атоми (б) і (в) відносяться до одного і того ж хімічного елементу вуглецю, в той час як атом (а) – зовсім інший елемент (водень). Що ж таке хімічні елементи і чим вони відрізняються один від одного?

Водень і вуглець відрізняються числом протонів в ядрі і, отже, числом електронів в електронній оболонці. Число протонів в ядрі атома називають зарядом ядра атома і позначають буквою Z. Це дуже важлива величина. Коли ми перейдемо до вивчення Періодичного закону, то побачимо, що число протонів в ядрі збігається з порядковим номером атома в Періодичної таблиці Д. І. Менделєєва.

Як ми вже говорили, заряд ядра (число протонів) збігається з числом електронів в атомі. Коли атоми зближуються, то в першу чергу вони взаємодіють один з одним не ядрами, а електронами. Число електронів визначає здатність атома утворювати зв’язки з іншими атомами, тобто його хімічні властивості. Тому атоми з однаковим зарядом ядра (і однаковим числом електронів) ведуть себе в хімічному відношенні практично однаково і розглядаються як атоми одного хімічного елемента.

ЕЛЕМЕНТОМ називається речовина, що складається з атомів з однаковим заряд ядра.

На рис. 2-5 водень (один протон в ядрі) і вуглець (шість протонів в ядрі) – це різні хімічні елементи. А ось атоми (б) і (в), у яких по 6 протонів в ядрі (хоча і різну кількість нейтронів !), Належать одному і тому ж хімічному елементу (вуглецю).

** Слово «елемент» існувало в ужитку хіміків задовго до того, як стало щось відомо про будову атома. Середньовічні алхіміки і вчені- хіміки до початку XIХ століття нічого не знали про атомному ядрі і, тим більше, про протонах і електронах. Але про існування елементів натуралісти здогадувалися давно і витратили чимало сил для того, щоб з’ясувати – що ж вважати елементом ?

Дуже гарне (і цілком сучасне !) Визначення елемента дав ще давньогрецький філософ Арістотель (384-322 до н.е.):

” Все навколишнє представляє собою елементи або складається з елементів… Елемент являє собою те, на що можна розкласти інші тіла, але не може бути розкладено саме ні на що більш просте або відмінне від самого себе “.

Ця здогадка спиралася на здоровий глузд і у більшості хіміків не викликала сумнівів, але при відповіді на питання – що ж вважати елементом – виникало чисто практичне утруднення. Якщо яка-небудь речовина не розкладається на більш прості речовини, то не ясно – чи є воно елементом, або ми просто не вміємо його розкласти ? У 1857 році німецький хімік Юстус Лібіх написав: ” Елементи розглядаються як прості речовини не тому, що ми знаємо це, а лише тому, що не знаємо про них протилежного”.

Наприклад, довгий час воду вважали елементом, і тільки в 1784 році англієць Генрі Кавендіш показав, що вода складається з простіших речовин – водню і кисню. Водень, до речі, був відкритий Г.Кавендиш, але замість свого нинішнього назви мав набагато більш довге: ” займистий, горючий повітря з металів ” (справа в тому, що водень отримували, діючи кислотами на цинк, залізо і деякі інші метали). Назва ВОДО – РІД (тобто – народжує воду) просто ще не могло існувати, оскільки ніхто не здогадувався, що цей легкий газ і вода мають один до одного близьке відношення.

Одного разу інший англійський дослідник – Джозеф Прістлі – у присутності Кавендіша провів простий, хоча і небезпечний досвід – підірвав суміш водню з киснем. Прістлі (він є першовідкривачем кисню) згодом згадував про це, як про “випадковий експерименті для розваги декількох філософствують друзів “. Наглядова Кавендіш повторив цей досвід, але вже не підриваючи, а спалюючи водень у кисні. Йому вдалося досить точно виміряти обсяг взаємодіючих газів (об’єм водню в цьому досвіді ставився до обсягу кисню як 2: 1) і показати, що вода є продуктом реакції між цими двома газами. Звідси випливало, що вода – не елемент, а хімічна сполука водню і кисню.

Більш практичне визначення елементу дав англійський фізик і хімік Роберт Бойль:

Елемент – це речовина, яка при хімічному перетворенні завжди збільшує свою вагу.

Наприклад, при корозії шматка заліза його вага завжди збільшується. Іржавіння – це хімічна реакція заліза з водою і киснем повітря, тому в масу іржавого заліза включається і маса прореагували з ним речовин. Хімікам були відомі й інші реакції, в яких залізо збільшувало вагу, але не існувало жодної реакції, в якій залізо розкладалось б на більш легкі продукти. З цього полягала, що залізо, ймовірно, є елементом.

Посилання на основну публікацію