Основные понятия химии. Строение атома. Изотопы

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

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

В этой статье мы рассмотрим:

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

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

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

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

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

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

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

Электронная оболочка — совокупность электронов в атоме.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Атомы химических элементов взаимодействуют друг с другом и образуют молекулы.

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

Состав молекулы можно выразить химической формулой.

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

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

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

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

Na⁰ — 1ē = Na⁺.

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

Cl⁰ + 1ē = Cl⁻.

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

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

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

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

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

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

Молярная масса — масса одного моль вещества.

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

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

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

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

Вещества бывают простые и сложные.

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

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

Простые вещества подразделяют на металлы и неметаллы.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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