Ядро электроны протоны нейтроны электронные оболочки

Ядро электроны протоны нейтроны электронные оболочки

Атом — это наименьшая частица химического элемента, сохраняющая все его химические свойства. Атом состоит из ядра, имеющего положительный электрический заряд, и отрицательно заряженных электронов. Заряд ядра любого химического элемента равен произведению Z на e, где Z — порядковый номер данного элемента в периодической системе химических элементов, е — величина элементарного электрического заряда.

Электрон — это мельчайшая частица вещества с отрицательным электрическим зарядом е=1,6·10 -19 кулона, принятым за элементарный электрический заряд. Электроны, вращаясь вокруг ядра, располагаются на электронных оболочках К, L, М и т. д. К — оболочка, ближайшая к ядру. Размер атома определяется размером его электронной оболочки. Атом может терять электроны и становиться положительным ионом или присоединять электроны и становиться отрицательным ионом. Заряд иона определяет число потерянных или присоединенных электронов. Процесс превращения нейтрального атома в заряженный ион называется ионизацией.

Атомное ядро (центральная часть атома) состоит из элементарных ядерных частиц — протонов и нейтронов. Радиус ядра примерно в сто тысяч раз меньше радиуса атома. Плотность атомного ядра чрезвычайно велика. Протоны — это стабильные элементарные частицы, имеющие единичный положительный электрический заряд и массу, в 1836 раз большую, чем масса электрона. Протон представляет собой ядро атома самого легкого элемента — водорода. Число протонов в ядре равно Z. Нейтрон — это нейтральная (не имеющая электрического заряда) элементарная частица с массой, очень близкой к массе протона. Поскольку масса ядра складывается из массы протонов и нейтронов, то число нейтронов в ядре атома равно А — Z, где А — массовое число данного изотопа (см. Периодическая система химических элементов). Протон и нейтрон, входящие в состав ядра, называются нуклонами. В ядре нуклоны связаны особыми ядерными силами.

В атомном ядре имеется огромный запас энергии, которая высвобождается при ядерных реакциях. Ядерные реакции возникают при взаимодействии атомных ядер с элементарными частицами или с ядрами других элементов. В результате ядерных реакций образуются новые ядра. Например, нейтрон может переходить в протон. В этом случае из ядра выбрасывается бета-частица, т. е. электрон.

Переход в ядре протона в нейтрон может осуществляться двумя путями: либо из ядра испускается частица с массой, равной массе электрона, но с положительным зарядом, называемая позитроном (позитронный распад), либо ядро захватывает один из электронов с ближайшей к нему К-оболочки (К-захват).

Иногда образовавшееся ядро обладает избытком энергии (находится в возбужденном состоянии) и, переходя в нормальное состояние, выделяет лишнюю энергию в виде электромагнитного излучения с очень малой длиной волны — гамма-излучение. Энергия, выделяющаяся при ядерных реакциях, практически используется в различных отраслях промышленности.

Атом (греч. atomos — неделимый) наименьшая частица химического элемента, обладающая его химическими свойствами. Каждый элемент состоит из атомов определенного вида. В состав атома входят ядро, несущее положительный электрический заряд, и отрицательно заряженные электроны (см.), образующие его электронные оболочки. Величина электрического заряда ядра равна Z-e, где е — элементарный электрический заряд, равный по величине заряду электрона (4,8·10 —10 эл.-ст. ед.), и Z — атомный номер данного элемента в периодической системе химических элементов (см.). Так как неионизированный атом нейтрален, то число электронов, входящих в него, также равно Z. В состав ядра (см. Ядро атомное) входят нуклоны, элементарные частицы с массой, примерно в 1840 раз большей массы электрона (равной 9,1·10 -28 г), протоны (см.), заряженные положительно, и не имеющие заряда нейтроны (см.). Число нуклонов в ядре называется массовым числом и обозначается буквой А. Количество протонов в ядре, равное Z, определяет число входящих в атом электронов, строение электронных оболочек и химические свойства атома. Количество нейтронов в ядре равно А—Z. Изотопами называются разновидности одного и того же элемента, атомы которых отличаются друг от друга массовым числом А, но имеют одинаковые Z. Таким образом, в ядрах атомов различных изотопов одного элемента имеется разное число нейтронов при одинаковом числе протонов. При обозначении изотопов массовое число А записывается сверху от символа элемента, а атомный номер внизу; например, изотопы кислорода обозначаются:

Размеры атома определяются размерами электронных оболочек и составляют для всех Z величину порядка 10 —8 см. Поскольку масса всех электронов атома в несколько тысяч раз меньше массы ядра, масса атома пропорциональна массовому числу. Относительная масса атома данного изотопа определяется по отношению к массе атома изотопа углерода С 12 , принятой за 12 единиц, и называется изотопной массой. Она оказывается близкой к массовому числу соответствующего изотопа. Относительный вес атома химического элемента представляет собой среднее (с учетом относительной распространенности изотопов данного элемента) значение изотопного веса и называется атомным весом (массой).

Атом является микроскопической системой, и его строение и свойства могут быть объяснены лишь при помощи квантовой теории, созданной в основном в 20-е годы 20 века и предназначенной для описания явлений атомного масштаба. Опыты показали, что микрочастицы — электроны, протоны, атомы и т. д.,— кроме корпускулярных, обладают волновыми свойствами, проявляющимися в дифракции и интерференции. В квантовой теории для описания состояния микрообъектов используется некоторое волновое поле, характеризуемое волновой функцией (Ψ-функция). Эта функция определяет вероятности возможных состояний микрообъекта, т. е. характеризует потенциальные возможности проявления тех или иных его свойств. Закон изменения функции Ψ в пространстве и времени (уравнение Шредингера), позволяющий найти эту функцию, играет в квантовой теории ту же роль, что в классической механике законы движения Ньютона. Решение уравнения Шредингера во многих случаях приводит к дискретным возможным состояниям системы. Так, например, в случае атома получается ряд волновых функций для электронов, соответствующих различным (квантованным) значениям энергии. Система энергетических уровней атома, рассчитанная методами квантовой теории, получила блестящее подтверждение в спектроскопии. Переход атома из основного состояния, соответствующего низшему энергетическому уровню Е, в какое-либо из возбужденных состояний Ei происходит при поглощении определенной порции энергии Еi — Е. Возбужденный атом переходит в менее возбужденное или основное состояние обычно с испусканием фотона. При этом энергия фотона hv равна разности энергий атома в двух состояниях: hv= Ei— Еk где h — постоянная Планка (6,62·10 —27 эрг·сек), v — частота света.

Кроме атомных спектров, квантовая теория позволила объяснить и другие свойства атомов. В частности, были объяснены валентность, природа химической связи и строение молекул, создана теория периодической системы элементов.

Атом, его составные части (ядро, протоны, нейтроны, электроны), их заряд, масса. Химический элемент. Изотопы.

А́том— частица вещества микроскопических размеров и массы, наименьшая часть химического элемента, являющаяся носителем его свойств. Состоит из атомного ядра и электронов. 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. Атомное ядро́— центральная часть атома, в которой сосредоточена основная его масса (более 99,9 %). Ядро заряжено положительно, заряд ядра определяет химический элемент, к которому относят атом. Состоит из нуклонов – протонов(+) и нейтронов (0). Ядра с одинаковым числом протонов и разным числом нейтронов называются изотопами (наоборот – изотонами).Прото́н — элементарная частица, электрический заряд равен +1.Масса протона

1 а.е.м. Ядро атома водорода состоит из одного протона.Нейтро́н —элементарная частица, не имеющая электрического заряда. Масса = 1 а.е.м.Электро́н— отрицательно заряженная элементарная частица. Из электронов состоят электронные оболочки атомов, где их число и положение определяет почти все химические свойствавеществ. Движение свободных электронов обусловливает такие явления, какэлектрический ток в проводниках и вакууме.Заряд равен −1,602176565(35)·10 −19 Кл. Масса электрона равна 9,10938291(40)·10 −28 г.Химическийэлемент— совокупность атомов с одинаковым зарядом ядра и числомпротонов, совпадающим с порядковым (атомным) номером в таблице Менделеева. Каждый химический элемент имеет свои название и символ, которые приводятся в Периодической системе Менделеева. Формой существования химических элементов в свободном виде являются простые вещества. Порядковый номер элемента в ней равен заряду ядра, который, в свою очередь, численно равен числу содержащихся в ядре протонов. Суммарное число протонов и нейтронов в ядре равномассовому числу А. Количество протонов равно количеству электронов.Изото́пы— разновидности атомов какого-либо химического элемента, которые имеют одинаковый атомный номер, но при этом разные массовые числа. Пример изотопов: 16 8O (заряд ядра = 8, атомная масса = 16), 17 8O, 18 8O — три стабильных изотопа кислорода.

Читайте также:  Кисть для покраски труб

Периодический закон Д.И.Менделеева. Структура периодической системы: периоды, группы, подгруппы. Особенности электронного строения атомов главных и побочных подгрупп.

В настоящее время Периодический закон Д. И. Менделеева имеет следующую формулировку: «свойства химических элементов, а также формы и свойства образуемых ими простых веществ и соединений находятся в периодической зависимости от величины зарядов ядер их атомов».Период — строка периодической системы химических элементов, последовательность атомов по возрастанию заряда ядра и заполнению электронами внешней электронной оболочки. Каждый период (за исключением первого) начинается типичным металлом (Li, Nа, К, Rb, Cs, Fr) и заканчивается благородным газом (Не, Ne, Ar, Kr, Хе, Rn), которому предшествует типичный неметалл.Группа — последовательность атомов по возрастанию заряда ядра, обладающих однотипным электронным строением.Номер группы определяется количеством электронов на внешней оболочке атома (валентных электронов) и, как правило, соответствует высшей валентности атома. В короткопериодном варианте периодической системы группы подразделяются на подгруппы— главные (или подгруппы A), начинающиеся с элементов первого и второго периодов, и побочные (подгруппы В), содержащие d-элементы. Элементы одной подгруппы обладают сходными химическими свойствами.У атомов элементов главных подгрупп заполняются электронами последние уровни, а у побочных — предпоследние. Число электронов на последнем уровне у элементов главных подгрупп совпадает с номером их группы, у элементов побочных подгрупп – нет.

Изменение свойств элементов в периодической системе

О связи элементов ПС элементов со строением атома смотри начало 4 билета

Ионные реакции.

Ионные реакции — реакции между ионами в растворе. Например, реакциюAgNO3 + NaCl = NaNO3 + AgClможно представить в ионном виде (реакция расписывается на ионы, не расписываются осадки, газы, вода, слабые кислоты и основания, а также малорастворимые и нерастворимые соединения) например AgCl нерастворим в воде и на ионы не расписывается:Ag + + NO3 − + Na + + Cl − = AgCl + Na + + NO3 − Одинаковые ионы сокращаются и получается сокращенное ионное уравнение. Так как взаимодействие произошло между ионами Ag + и ионами Cl − , то выражение Ag + + Cl − = AgClи есть ионное уравнение рассматриваемой реакции. Оно проще молекулярного и в то же время отражает сущность происходящей реакции.

Условия необратимости ионной реакции: 1. Если в результате реакции выделяется малодиссоциирующее вещество – вода.Молекулярное уравнение реакции щелочи с кислотой: Неизменность степеней окисления элементов во всех веществах до и после реакции говорит о том, что реакции обмена не являются окислительно-восстановительными.Полное ионное уравнение реакции:K + + OH – + H + + Cl – = K + + Cl – + H2O.Cокращенное ионное уравнение реакции: H + + OH – = H2O.Молекулярное уравнение реакции основного оксида с кислотой:CaO + 2HNO3 = Ca(NO3)2 + H2O.Полное ионное уравнение реакции:

Cокращенное ионное уравнение реакции: CaO + 2H+ = Ca 2+ + H2O.Молекулярное уравнение реакции нерастворимого основания с кислотой:3Mg(OH)2 + 2H3PO4 = Mg3(PO4)2 + 6H2O. Полное ионное уравнение реакции: В данном случае полное ионное уравнение совпадает с сокращенным ионным уравнением.Молекулярное уравнение реакции амфотерного оксида с кислотой:Al2O3 + 6HCl = 2AlCl3 + 3H2O.Полное ионное уравнение реакции:Al2O3 + 6H + + 6Cl – = 2Al 3+ + 6Cl – + 3H2O. Cокращенное ионное уравнение реакции:Al2O3 + 6H + = 2Al 3+ + 3H2O.

2. Если в результате реакции выделяется нерастворимое в воде вещество.Молекулярное уравнение реакции растворимой соли со щелочью:CuCl2 + 2KOH = 2KCl + Cu(OH)2 .Полное ионное уравнение реакции: Cu 2+ + 2Cl – + 2K + + 2OH – = 2K + + 2Cl – + Cu(OH)2 .

Cокращенное ионное уравнение реакции: Cu 2+ + 2OH – = Cu(OH)2 . Молекулярное уравнение реакции двух растворимых солей:Al2(SO4)3 + 3BaCl2 = 3BaSO4 + 2AlCl3.Полное ионное уравнение реакции: Cокращенное ионное уравнение реакции:

Молекулярное уравнение реакции нерастворимого основания с кислотой:Fe(OH)3 + H3PO4 = FePO4 + 3H2O. Полное ионное уравнение реакции: В данном случае полное ионное уравнение реакции совпадает с сокращенным. Эта реакция протекает до конца, о чем свидетельствуют сразу два факта: образование вещества, нерастворимого в воде, и выделение воды.

3. Если в результате реакции выделяется газообразное вещество.Молекулярное уравнение реакции растворимой соли (сульфида) с кислотой:K2S + 2HCl = 2KCl + H2S .Полное ионное уравнение реакции: 2K + + S 2– + 2H + + 2Cl – = 2K + + 2Cl – + H2S . Cокращенное ионное уравнение реакции: S 2– + 2H + = H2S . Молекулярное уравнение реакции растворимой соли (карбоната) с кислотой:Na2CO3 + 2HNO3 = 2NaNO3 + H2O + CO2 Полное ионное уравнение реакции: Cокращенное ионное уравнение реакции: О протекании данной реакции до конца свидетельствуют два признака: выделение воды и газа – оксида углерода(IV).Молекулярное уравнение реакции нерастворимой соли (карбоната) с кислотой:3СaCO3 + 2H3РO4 = Са3(PO4)2 + 3H2O + 3CO2 Полное ионное уравнение реакции: В данном случае полное ионное уравнение реакции совпадает с сокращенным уравнением. Эта реакция протекает до конца, о чем свидетельствуют сразу три признака: выделение газа, образование осадка и выделение воды.

По природе лиганда

1) Аммиакаты — комплексы, в которых лигандами служат молекулы аммиака, например: [Cu(NH3)4]SO4, [Co(NH3)6]Cl3, [Pt(NH3)6]Cl4 и др.

2) Аквакомплексы — в которых лигандом выступает вода: [Co(H2O)6]Cl2, [Al(H2O)6]Cl3 и др.

3) Карбонилы — комплексные соединения, в которых лигандами являются молекулы оксида углерода(II): [Fe(CO)5], [Ni(CO)4].

4) Ацидокомплексы — комплексы, в которых лигандами являются кислотные остатки. К ним относятся комплексные соли: K2[PtCl4], комплексные кислоты: H2[CoCl4], H2[SiF6].

5) Гидроксокомплексы — комплексные соединения, в которых в качестве лигандов выступают гидроксид-ионы: Na2[Zn(OH)4], Na2[Sn(OH)6] и др.

Элементы VIIА подгруппы.

Галогены — химические элементы 7-й группы периодической таблицы химических элементов Д.И. Менделеева. Реагируют почти со всеми простыми веществами, кроме некоторых неметаллов. Все галогены — энергичные окислители, поэтому встречаются в природе только в виде соединений. С увеличением порядкового номера химическая активность галогенов уменьшается, химическая активность галогенид-ионов F−, Cl−, Br−, I−, At− уменьшается. Все галогены — неметаллы. На внешнем энергетическом уровне 7 электронов, являются сильными окислителями. При взаимодействии с металлами возникает ионная связь, и образуются соли. Галогены, (кроме F) при взаимодействии с более электроотрицательными элементами, могут проявлять и восстановительные свойства вплоть до высшей степени окисления +7.FClBrI———>неметаллические свойства ослабевают, окислительная способность падает. Г2 + 2e —> 2Г — Физические свойства простых веществ — все галогены токсичны, плохо растворимы в H2O1VH2O – 2.3VCl2 (20°C)2F2 + 2H2O —>4HF + O2Cl2; Br2; J2 – подвергаются гидролизу (образуется хлорная, бромная либо йодная вода).Г2 + H2O НГ + НГО

Химические свойства.F2 не реагирует с C; N2; O2Cl2 не реагирует с C; N2Галогеноводороды H2 + Г 2 —> 2НГ (синтез)HF – взрыв HCl – на светуHJ – при нагреванииCaF2 + H2SO4(конц)—>CaSO4 + 2HFNaCl + H2SO4 —>NaHSO4 + HCl(газ) NaCl + NaHSO4 —>Na2SO4 + HCl(газ)(дляJ; Br) РГ3 + H2O 3НГ + H3PO4 НГ – растворяется в воде с образованием кислоты.HFHClHBrHJ ———->(сила кислот увеличивается, устойчивость уменьшается, восстановительные свойства усиливаются)HClO – хлорноватистая (гипохлориты)HClO2 – хлористая (хлориты)HClO3 – хлорноватая (хлораты)HClO4 – хлорная (перхлораты) HClOHClO2HClO3HClO4———————>(окислительные свойства уменьшаются, сила кислот увеличивается)

Оксиды и гидроксиды.

SnO + NaOH + H2O Na[Sn(OH)3]

Атом, его составные части (ядро, протоны, нейтроны, электроны), их заряд, масса. Химический элемент. Изотопы.

А́том— частица вещества микроскопических размеров и массы, наименьшая часть химического элемента, являющаяся носителем его свойств. Состоит из атомного ядра и электронов. 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. Атомное ядро́— центральная часть атома, в которой сосредоточена основная его масса (более 99,9 %). Ядро заряжено положительно, заряд ядра определяет химический элемент, к которому относят атом. Состоит из нуклонов – протонов(+) и нейтронов (0). Ядра с одинаковым числом протонов и разным числом нейтронов называются изотопами (наоборот – изотонами).Прото́н — элементарная частица, электрический заряд равен +1.Масса протона

1 а.е.м. Ядро атома водорода состоит из одного протона.Нейтро́н —элементарная частица, не имеющая электрического заряда. Масса = 1 а.е.м.Электро́н— отрицательно заряженная элементарная частица. Из электронов состоят электронные оболочки атомов, где их число и положение определяет почти все химические свойствавеществ. Движение свободных электронов обусловливает такие явления, какэлектрический ток в проводниках и вакууме.Заряд равен −1,602176565(35)·10 −19 Кл. Масса электрона равна 9,10938291(40)·10 −28 г.Химическийэлемент— совокупность атомов с одинаковым зарядом ядра и числомпротонов, совпадающим с порядковым (атомным) номером в таблице Менделеева. Каждый химический элемент имеет свои название и символ, которые приводятся в Периодической системе Менделеева. Формой существования химических элементов в свободном виде являются простые вещества. Порядковый номер элемента в ней равен заряду ядра, который, в свою очередь, численно равен числу содержащихся в ядре протонов. Суммарное число протонов и нейтронов в ядре равномассовому числу А. Количество протонов равно количеству электронов.Изото́пы— разновидности атомов какого-либо химического элемента, которые имеют одинаковый атомный номер, но при этом разные массовые числа. Пример изотопов: 16 8O (заряд ядра = 8, атомная масса = 16), 17 8O, 18 8O — три стабильных изотопа кислорода.

Читайте также:  Условия и способы добычи нефти

Поперечные профили набережных и береговой полосы: На городских территориях берегоукрепление проектируют с учетом технических и экономических требований, но особое значение придают эстетическим.

Опора деревянной одностоечной и способы укрепление угловых опор: Опоры ВЛ — конструкции, предназначен­ные для поддерживания проводов на необходимой высоте над землей, водой.

Папиллярные узоры пальцев рук — маркер спортивных способностей: дерматоглифические признаки формируются на 3-5 месяце беременности, не изменяются в течение жизни.

Main page / Генетика XXII века / АТОМЫ, АТОМНЫЕ ОБОЛОЧКИ / Атомы. Ядро атома. Протоны, нейтроны, электроны. Сильное взаимодействие. Дальтон, а.е.м. Планетарная модель атома. Стационарные орбиты. Электронные оболочки. Физические модели. Ионы. Стремление к минимуму энергии. Потенциальная энергия

раздел 1

глава 1

глава 2

Содержание

Клетка состоит из молекул, а молекулы – из атомов, и именно поэтому, вопреки традиции, мы начнем с самого начала – с атомов. Мы узнаем – из чего они состоят и как между собой взаимодействуют. Для того, чтобы понимать в общих чертах разные генетические механизмы, слишком детально представлять себе устройство атома, конечно, не обязательно, но если ты хочешь более глубоко разобраться в межмолекулярных взаимодействиях, на которых и строится собственно вся биохимия, то без понимания того, как устроены атомные электронные оболочки, уж точно не обойтись, потому что именно взаимодействие электронных атомных оболочек, именно поведение электронов, расположенных на атомных оболочках — все это и является «химией» — как органической, так и неорганической.

Живая клетка представляет собой настолько поразительный организм, что для нее квантовая физика, физика элементарных частиц являются не чем-то далеким и отвлеченным, а самым что ни на есть актуальным, злободневным, данным ей в непосредственном «ощущении». Например, клеточные мембраны представляют собой настолько филигранно работающие механизмы, что кроме осуществления транспорта довольно крупных ионов они способны управлять даже отдельными протонами. А переконфигурация электронных облаков — совершенно обыденное дело при разнообразных превращениях веществ внутри и вовне клетки. Если ты не знаешь, что такое ионы, протоны и электронные облака, то сейчас мы это исправим.

Я прекрасно понимаю, что у многих есть аллергия на физику. Многие еще в детстве получили такую прививку, после которой уже даже и пробовать не хочется разобраться в устройстве атома. Но при определенной степени упрощения всё тут обстоит довольно просто — попробуй, увидишь.

Представить себе какой-нибудь атом можно довольно просто. Представь себе нечто вроде солнечной системы, ядро которой состоит из одного или нескольких тяжелых комочков материи, а вокруг ядра вращаются более мелкие. Это и есть самая элементарная картина атома.

Тяжелые частицы, находящиеся в ядре атома, бывают двух типов: протоны и нейтроны. На этой картинке мы тоже видим два вида шариков, окрашенных в разные цвета. Каждый протон имеет положительный электрический заряд, равный условной единице (+1), в то время как нейтрон электрически нейтрален, т.е. электрического заряда у него нет. Протоны и нейтроны почти одинаковы по массе и по размеру. Протоны и нейтроны очень плотно упакованы в ядре, тесно прижимаются друг к другу. Плотность материи в ядре такая, что кубический сантиметр такого вещества весил бы пол-миллиарда тонн!! Из такого материала состоят нейтронные звезды. Если такой кубик уронить себе под ноги, то он в силу своей огромной массы и маленького размера пролетел бы сквозь всю Землю, практически не замечая сопротивления — как сквозь газ, и так и продолжал бы летать туда-сюда вокруг центра тяжести Земли, делая дырку за дыркой.

За счет чего же протоны и нейтроны так притягиваются друг к другу? Ведь если протоны заряжен положительно, и если они так близко друг к другу расположены, то они должны отталкиваться друг от друга с огромной силой! Так и есть, они и отталкиваются, и энергия атомного взрыва – это и есть энергия разлетающихся друг от друга положительно заряженных протонов. Но есть другая сила, которая притягивает друг к другу и протоны к протонам, и нейтроны к нейтронам, и протоны к нейтронам. Эта сила называется «сильным взаимодействием», и работает она только на очень маленьких расстояниях. Стоит лишь немного подальше оттащить один протон от другого, как сильное взаимодействие между ними резко ослабнет, сила электрического отталкивания пересилит, и протоны разлетятся в стороны, и атом распадется с выделением большой энергии.

Эта сила никак себя не показывает в нашей обыденной жизни. Мы ходим по Земле, а не улетаем в космос, благодаря гравитации, которую пока что условно будем считать «силой». Кроме этого, мы везде вокруг себя видим проявления электрической и магнитной сил, которые являются на самом деле единой электромагнитной силой. С электричеством мы сталкиваемся не только тогда, когда суем вилку в розетку. Вот еще пример: трение, столь привычное нам, это тоже результат того, что электроны, принадлежащие атомам одной поверхности, вступают во взаимодействие с электронами, принадлежащими атомам другой поверхности, что и создает трение даже в том случае, когда обе поверхности будут идеально ровными на наш взгляд. А вот с сильным взаимодействием мы никаким образом в своем быту непосредственно не пересекаемся, хотя весь мир атомов, из которых мы состоим, обладает такой стабильностью именно потому, что нейтроны и протоны в ядре атомов очень мощно притягиваются ею друг к другу.

Мы видим на этой картинке и вращающиеся вокруг ядра электроны. По сравнению с протоном, электрон очень мал. Масса электрона примерно в 2000 раз меньше массы протона.

Поскольку масса протона исключительно мала, то измерять ее в граммах было бы совершенно бессмысленно — пришлось бы писать слишком много нулей после запятой. Гораздо проще массу атомов и молекул измерять какой-то такой величиной, которая сравнима с ними. Поэтому сделали очень просто: ввели атомную единицу массы (а.е.м.), равную среднему между массами протона и нейтрона. Так как эти массы почти равны, то для простоты будем считать, что одна а.е.м равна массе одного протона. Часто вместо а.е.м. используют термин «дальтон» (Да), и пишут, например, так: «белок кальмодулин имеет молекулярный вес около 16700 Да».

Каждый электрон имеет отрицательный электрический заряд, также равный условной единице со знаком минус (-1). Потому-то электроны и привязаны к атомному ядру — между ними и протонами возникает сильное электрическое притяжение. Есть очень интересные квантовые эффекты, которые обеспечивают стабильность атома, из-за которых электроны не падают на протоны, а остаются на своих «орбитах».

В любом атоме число протонов и число электронов одинаково, поэтому сумма положительных зарядов уравновешивается суммой отрицательных, так что на достаточном расстоянии от атома он является электрически нейтральным.

Электроны, хоть и привязаны к ядру очень прочно, все же могут быть оторваны от него ещё большей силой. Бывает и так, что при некоторых обстоятельствах атом захватывает дополнительные электроны. Если атом отдал один свой электрон (или несколько электронов), то теперь в нем электронов стало меньше, чем протонов, и атом становится положительно заряженным. Такой атом уже называется «ион», и в данном случае — это положительно заряженный ион. Если же атом захватил один или несколько лишних электронов, то он становится отрицательно заряженным ионом.

Количество протонов внутри ядра атома обозначается в физике буквой «Z», и это число имеет ключевое, огромное значение. Именно это и определяет — атом какого химического элемента находится перед нами. Ни количество нейтронов, ни количество электронов на это НЕ влияют. Если в ядре атома есть лишь один протон, то перед нами водород, сколько бы нейтронов и электронов там бы ни было. Если два протона, то перед нами гелий, и так далее. Порядковый номер элемента в периодической таблице элементов и показывает — сколько в его ядре находится протонов.

Читайте также:  Как сделать деревянный пол в курятнике

Все протоны совершенно одинаковы, идентичны, и все нейтроны одинаковы, и все электроны. И если из ядра гелия выбить один протон, то мы получим самый настоящий водород, неотличимый от других атомов водорода. И если из ядра свинца выбить три протона, то мы получим самое настоящее золото. И если из ядра ртути выбить один протон, то снова получим золото. Такие вещи ученые и сейчас уже умеют делать, но начать промышленное производство золота таким путем не выйдет, так как оно получается намного дороже того, которое можно купить на рынке.

Но если электроны, «вращающиеся» вокруг ядра, не оказывают никакого влияния на то, какой перед нами химический элемент, то это не значит, что они совсем не важны. С точки зрения химии, с точки зрения химических взаимодействий они как раз оказываются важнее, чем протоны в ядре, и легко понять – почему так. Ведь когда два атома приближаются друг к другу, то они начинают взаимодействовать между собой именно своими «электронными оболочками», то есть совокупностью «вращающихся» вокруг ядер электронов. Именно поэтому химические свойства элементов в гораздо большей степени зависят от того — как именно эти электроны начнут между собой взаимодействовать, чем от того, сколько там внутри протонов и тем более нейтронов.

Для того, чтобы понять, как именно электронные оболочки соседних атомов взаимодействуют друг с другом, нам надо для начала разобраться в том, как именно электроны в атомах располагаются на своих местах.

Знания о том, как электроны располагаются в атоме, или, иначе говоря, как устроены атомные электронные оболочки, не просто проверены тысячами экспериментов за последние сто лет, но на основании этих знаний еще и построены приборы, ставшие неотъемлемой частью нашей жизни, и эти приборы работают и приносят нам удовольствие:) А значит мы довольно хорошо понимаем устройство атомов, каким бы странным нам порой оно ни казалось. Мир атома слишком сильно отличается от мира привычных нам явлений. Эти отличия огромны, они порой невообразимы, но ученые научились понимать даже то, что они уже не в силах себе вообразить, и для этого им очень пригодились «модели». Нет, не те, что ходят по подиуму, хотя и те тоже вполне замечательны:)

Модель — это схематическое изображение какого-то объекта или процесса. Например, атом мы представили себе как ядро, состоящее из твердых массивных частичек, вокруг которого по орбитам носятся электроны. Это – планетарная модель атома. Вместо звезды тут мы поместили ядро атома, а вместо планет — электроны.

Эта схема понятна, проста, легко вообразима, и во многих случаях ее достаточно для адекватного понимания тех или иных физических процессов, но, пользуясь моделями, мы обязательно должны помнить о том, что это именно модель, а не фотография, и что на самом деле атом устроен так сложно, что непротиворечиво изобразить это одной картинкой мы не в состоянии. Поэтому всякая модель обычно делает для нас зримым, легко представимым лишь какой-то один аспект реальности, намеренно упуская из виду другие. Грамотность ученого заключается в том числе и в том, что он должен уметь пользоваться определенными моделями лишь там, где это уместно, и при необходимости или дополнять модель новыми элементами, или переходить от одной модели к другой.

Атомы очень стабильны, и состоящие из них молекулы тоже зачастую очень устойчивы, и из них состоят многие весьма устойчивые вещества, из которых мы можем строить весьма прочные вещи и пользоваться ими. Но если протоны и электроны с такой силой тянутся друг к другу, то что же им мешает в конце концов притянуться окончательно и слиться? Этим вопросом сто лет назад задавались многие физики, исследующие атом, и ответа так и не нашли. И не удивительно, ведь они пользовались слишком упрощенной планетарной моделью атома. Поняв это, они решили так изменить модель, чтобы она соответствовала экспериментальным данным. Опираясь на эксперимент, физики дополняли и усложняли модель атома, и сейчас мы узнаем — что у них получилось.

Новая модель представляет собою атомное ядро, окруженное несколькими орбитами, и электроны могут находиться только (!) на этих орбитах. Находиться между орбитами они не могут, у них нет такой физической возможности! Непривычно, да? Поэтому эти орбиты называют «стационарными орбитами». Еще их называют «уровнями», и так мы и будем их называть.

На первом, ближайшем к ядру уровне, может находиться максимум два электрона. На нем может не быть электронов вообще, или там может быть один электрон, как в атоме водорода, или два, как в атоме гелия, но больше двух электронов на первом уровне не может быть никак. Никогда. Ни при каких обстоятельствах. Первый уровень мы можем графически изображать как сферу вокруг ядра атома. Электроны могут находиться в любой точке этой сферы. В упрощенных, двумерных моделях, нарисованных на бумаге, первый уровень изображается просто как окружность, в центре которой находится ядро. На втором уровне любого атома может находиться максимум восемь электронов. Позже станет ясно — почему именно восемь.

Пользуясь этой моделью, мы можем теперь указать несколько закономерностей в поведении атомов, которые очень важны. Первая из них — это стремление электронов занимать более близкие к ядру уровни. Это можно легко представить, пользуясь аналогией из нашего макромира. (Очень важно помнить, что аналогия ничего не доказывает – она только демонстрирует, и это верно как в психологии, так и в физике и любой другой науке). Если положить мяч на склон холма, то он будет притягиваться к Земле, и это притяжение заставит его скатиться вниз настолько низко, насколько это возможно — на площадку перед холмом. Электроны ведут себя аналогично: протоны их притягивают, и они спрыгивают на самые нижние уровни, если это только возможно, если уровень еще не заполнен электронами до максимума. Такое поведение материальных систем называют стремлением к минимуму энергии. Это очень важный принцип, который с успехом можно применять и в космологии, и в изучении реакций между молекулами.

Когда я поднимаю с Земли мяч, кладу его на склон холма и отпускаю, он в результате притяжения Земли катится вниз: система «Земля-мяч» тоже стремится к минимуму энергии. Сейчас я объясню это более подробно. Когда я поднимаю мячик и кладу его на склон холма, он, благодаря наличию силового гравитационного поля Земли, притягивающего его, получает в этом поле потенциальную энергию — то есть теперь потенциально он способен двигаться, если мы его отпустим, и когда мяч докатится до земли, он будет иметь минимальную потенциальную энергию, доступную для него на данный момент. Аналогично дела обстоят и в атоме.

Если я захочу поднять ведро с водой на вершину холма, то мне надо будет потратить для этого энергию — взять ведро и, преодолевая влияние гравитационного поля Земли, поднять наверх. Мы говорим, что поднимая воду, я совершаю работу против направления силового поля гравитации, которое притягивает ведро вниз. Совершая работу против направления силового поля, я трачу энергию, но энергия никуда в природе не пропадает — она переходит из одного состояния в другое, поэтому если мы рассматриваем систему «Земля-ведро» в состоянии, когда ведро стоит под холмом, и в состоянии, когда оно поднято на вершину, то мы говорим, что во втором случае система «Земля-ведро» приобрела дополнительную энергию — ту самую, которая была мною потрачена, чтобы поднять его наверх. И теперь, когда ведро стоит на холме, вся составляющая его материя обладает дополнительной потенциальной энергией. Эта энергия при случае может высвободиться снова — например, вода, стекая вниз, может крутить лопасти турбины электростанции, и тогда потенциальная энергия воды превратится в электрическую энергию. Итак, энергия, изначально запасенная в моих мышцах в виде химической энергии белков, жиров и углеводов, была мною потрачена на подъем ведра, при этом она перешла в «потенциальную энергию в гравитационном поле Земли» ведра, стоящего на вершине холма.

Мы обязательно в будущем более подробно разберемся – что такое «энергия», а пока пойдем дальше.

Ссылка на основную публикацию
Adblock detector