Какие частицы определяют химические свойства атома элемента
А́том (от др.-греч. ἄτομος — неделимый) — частица вещества микроскопических размеров и массы, наименьшая часть химического элемента, являющаяся носителем его свойств.
Атом 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.В некоторых случаях под атомами понимают только электронейтральные системы, в которых заряд ядра равен суммарному заряду электронов, тем самым противопоставляя их электрически заряженным ионам.
Ядро, несущее почти всю (более чем 99,9 %) массу атома, состоит из положительно заряженных протонов и незаряженных нейтронов, связанных между собой при помощи сильного взаимодействия. Атомы классифицируются по количеству протонов и нейтронов в ядре: число протонов Z соответствует порядковому номеру атома в периодической системе и определяет его принадлежность к некоторому химическому элементу, а число нейтронов N — определённому изотопу этого элемента. Число Z также определяет суммарный положительный электрический заряд (Ze) атомного ядра и число электронов в нейтральном атоме, задающее его размер.
Атомы различного вида в разных количествах, связанные межатомными связями, образуют молекулы.
Свойства атома
По определению, любые два атома с одним и тем же числом протонов в их ядрах относятся к одному химическому элементу. Атомы с одним и тем же количеством протонов, но разным количеством нейтронов называют изотопами данного элемента. Например, атомы водорода всегда содержат один протон, но существуют изотопы без нейтронов (водород-1, иногда также называемый протием — наиболее распространённая форма), с одним нейтроном (дейтерий) и двумя нейтронами (тритий). Известные элементы составляют непрерывный натуральный ряд по числу протонов в ядре, начиная с атома водорода с одним протоном и заканчивая атомом унуноктия, в ядре которого 118 протонов. Все изотопы элементов периодической системы, начиная с номера 83 (висмут), радиоактивны.
Масса
Поскольку наибольший вклад в массу атома вносят протоны и нейтроны, суммарное число этих частиц называют массовым числом. Массу покоя атома часто выражают в атомных единицах массы (а. е. м.), которая также называется дальтоном (Да). Эта единица определяется как 1⁄12 часть массы покоя нейтрального атома углерода-12, которая приблизительно равна 1,66·10−24 г. Водород-1 — наилегчайший изотоп водорода и атом с наименьшей массой, имеет атомный вес около 1,007825 а. е. м. Масса атома приблизительно равна произведению массового числа на атомную единицу массы Самый тяжёлый стабильный изотоп — свинец-208 с массой 207,9766521 а. е. м.
Так как массы даже самых тяжёлых атомов в обычных единицах (например, в граммах) очень малы, то в химии для измерения этих масс используют моли. В одном моле любого вещества по определению содержится одно и то же число атомов (примерно 6,022·1023). Это число (число Авогадро) выбрано таким образом, что если масса элемента равна 1 а. е. м., то моль атомов этого элемента будет иметь массу 1 г. Например, углерод имеет массу 12 а. е. м., поэтому 1 моль углерода весит 12 г.
Размер
Атомы не имеют отчётливо выраженной внешней границы, поэтому их размеры определяются по расстоянию между ядрами соседних атомов, которые образовали химическую связь (Ковалентный радиус) или по расстоянию до самой дальней из стабильных орбит электронов в электронной оболочке этого атома (Радиус атома). Радиус зависит от положения атома в периодической системе, вида химической связи, числа ближайших атомов (координационного числа) и квантово-механического свойства, известного как спин. В периодической системе элементов размер атома увеличивается при движении сверху вниз по столбцу и уменьшается при движении по строке слева направо. Соответственно, самый маленький атом — это атом гелия, имеющий радиус 32 пм, а самый большой — атом цезия (225 пм). Эти размеры в тысячи раз меньше длины волны видимого света (400—700 нм), поэтому атомы нельзя увидеть в оптический микроскоп. Однако отдельные атомы можно наблюдать с помощью сканирующего туннельного микроскопа.
Малость атомов демонстрируют следующие примеры. Человеческий волос по толщине в миллион раз больше атома углерода. Одна капля воды содержит 2 секстиллиона (2·1021) атомов кислорода, и в два раза больше атомов водорода. Один карат алмаза с массой 0,2 г состоит из 10 секстиллионов атомов углерода. Если бы яблоко можно было увеличить до размеров Земли, то атомы достигли бы исходных размеров яблока.
Учёные из Харьковского физико-технического института представили первые в истории науки снимки атома. Для получения снимков учёные использовали электронный микроскоп, фиксирующий излучения и поля (field-emission electron microscope, FEEM). Физики последовательно разместили десятки атомов углерода в вакуумной камере и пропустили через них электрический разряд в 425 вольт. Излучение последнего атома в цепочке на фосфорный экран позволило получить изображение облака электронов вокруг ядра.
Состав атома.
Атом состоит из атомного ядра и электронной оболочки.
Ядро атома состоит из протонов (p+) и нейтронов (n0). У большинства атомов водорода ядро состоит из одного протона.
Число протонов N(p+) равно заряду ядра (Z) и порядковому номеру элемента в естественном ряду элементов (и в периодической системе элементов).
N(p+) = Z
Сумма числа нейтронов N(n0), обозначаемого просто буквой N, и числа протонов Z называется массовым числом и обозначается буквой А.
A = Z + N
Электронная оболочка атома состоит из движущихся вокруг ядра электронов (е-).
Число электронов N(e-) в электронной оболочке нейтрального атома равно числу протонов Z в его ядре.
Масса протона примерно равна массе нейтрона и в 1840 раз больше массы электрона, поэтому масса атома практически равна массе ядра.
Форма атома — сферическая. Радиус ядра примерно в 100000 раз меньше радиуса атома.
Химический элемент — вид атомов (совокупность атомов) с одинаковым зарядом ядра (с одинаковым числом протонов в ядре).
Изотоп — совокупность атомов одного элемента с одинаковым числом нейтронов в ядре (или вид атомов с одинаковым числом протонов и одинаковым числом нейтронов в ядре).
Разные изотопы отличаются друг от друга числом нейтронов в ядрах их атомов.
Обозначение отдельного атома или изотопа: (Э — символ элемента), например: .
Строение электронной оболочки атома
Атомная орбиталь — состояние электрона в атоме. Условное обозначение орбитали — . Каждой орбитали соответствует электронное облако.
Орбитали реальных атомов в основном (невозбужденном) состоянии бывают четырех типов: s, p, d и f.
Электронное облако — часть пространства, в которой электрон можно обнаружить с вероятностью 90 (или более) процентов.
Примечание: иногда понятия «атомная орбиталь» и «электронное облако» не различают, называя и то, и другое «атомной орбиталью».
Электронная оболочка атома слоистая. Электронный слой образован электронными облаками одинакового размера. Орбитали одного слоя образуют электронный («энергетический») уровень, их энергии одинаковы у атома водорода, но различаются у других атомов.
Однотипные орбитали одного уровня группируются в электронные (энергетические) подуровни:
s-подуровень (состоит из одной s-орбитали), условное обозначение — .
p-подуровень (состоит из трех p-орбиталей), условное обозначение — .
d-подуровень (состоит из пяти d-орбиталей), условное обозначение — .
f-подуровень (состоит из семи f-орбиталей), условное обозначение — .
Энергии орбиталей одного подуровня одинаковы.
При обозначении подуровней к символу подуровня добавляется номер слоя (электронного уровня), например: 2s, 3p, 5d означает s-подуровень второго уровня, p-подуровень третьего уровня, d-подуровень пятого уровня.
Общее число подуровней на одном уровне равно номеру уровня n. Общее число орбиталей на одном уровне равно n2. Соответственно этому, общее число облаков в одном слое равно также n2.
Обозначения: — свободная орбиталь (без электронов), — орбиталь с неспаренным электроном, — орбиталь с электронной парой (с двумя электронами).
Порядок заполнения электронами орбиталей атома определяется тремя законами природы (формулировки даны упрощенно):
1. Принцип наименьшей энергии — электроны заполняют орбитали в порядке возрастания энергии орбиталей.
2. Принцип Паули — на одной орбитали не может быть больше двух электронов.
3. Правило Хунда — в пределах подуровня электроны сначала заполняют свободные орбитали (по одному), и лишь после этого образуют электронные пары.
Общее число электронов на электронном уровне (или в электронном слое) равно 2n2.
Распределение подуровней по энергиям выражается рядом (в прядке увеличения энергии):
1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p, 5s, 4d, 5p, 6s, 4f, 5d, 6p, 7s, 5f, 6d, 7p …
Наглядно эта последовательность выражается энергетической диаграммой:
Распределение электронов атома по уровням, подуровням и орбиталям (электронная конфигурация атома) может быть изображена в виде электронной формулы, энергетической диаграммы или, упрощенно, в виде схемы электронных слоев («электронная схема»).
Примеры электронного строения атомов:
Валентные электроны — электроны атома, которые могут принимать участие в образовании химических связей. У любого атома это все внешние электроны плюс те предвнешние электроны, энергия которых больше, чем у внешних. Например: у атома Ca внешние электроны — 4s2, они же и валентные; у атома Fe внешние электроны — 4s2, но у него есть 3d6, следовательно у атома железа 8 валентных электронов. Валентная электронная формула атома кальция — 4s2, а атома железа — 4s23d6.
Периодическая система химических элементов Д. И. Менделеева
(естественная система химических элементов)
Периодический закон химических элементов (современная формулировка): свойства химических элементов, а также простых и сложных веществ, ими образуемых, находятся в периодической зависимости от значения заряда из атомных ядер.
Периодическая система — графическое выражение периодического закона.
Естественный ряд химических элементов — ряд химических элементов, выстроенных по возрастанию числа протонов в ядрах их атомов, или, что то же самое, по возрастанию зарядов ядер этих атомов. Порядковый номер элемента в этом ряду равен числу протонов в ядре любого атома этого элемента.
Таблица химических элементов строится путем «разрезания» естественного ряда химических элементов на периоды (горизонтальные строки таблицы) и объединения в группы (вертикальные столбцы таблицы) элементов, со сходным электронным строением атомов.
В зависимости от способа объединения элементов в группы таблица может быть длиннопериодной (в группы собраны элементы с одинаковым числом и типом валентных электронов) и короткопериодной (в группы собраны элементы с одинаковым числом валентных электронов).
Группы короткопериодной таблицы делятся на подгруппы (главные и побочные), совпадающие с группами длиннопериодной таблицы.
У всех атомов элементов одного периода одинаковое число электронных слоев, равное номеру периода.
Число элементов в периодах: 2, 8, 8, 18, 18, 32, 32. Большинство элементов восьмого периода получены искусственно, последние элементы этого периода еще не синтезированы. Все периоды, кроме первого начинаются с элемента, образующего щелочной металл (Li, Na, K и т. д.), а заканчиваются элементом, образующим благородный газ (He, Ne, Ar, Kr и т. д.).
В короткопериодной таблице — восемь групп, каждая из которых делится на две подгруппы (главную и побочную), в длиннопериодной таблице — шестнадцать групп, которые нумеруются римскими цифрами с буквами А или В, например: IA, IIIB, VIA, VIIB. Группа IA длиннопериодной таблицы соответствует главной подгруппе первой группы короткопериодной таблицы; группа VIIB — побочной подгруппе седьмой группы: остальные — аналогично.
Характеристики химических элементов закономерно изменяются в группах и периодах.
В периодах (с увеличением порядкового номера)
- увеличивается заряд ядра,
- увеличивается число внешних электронов,
- уменьшается радиус атомов,
- увеличивается прочность связи электронов с ядром (энергия ионизации),
- увеличивается электроотрицательность,
- усиливаются окислительные свойства простых веществ («неметалличность»),
- ослабевают восстановительные свойства простых веществ («металличность»),
- ослабевает основный характер гидроксидов и соответствующих оксидов,
- возрастает кислотный характер гидроксидов и соответствующих оксидов.
В группах (с увеличением порядкового номера)
- увеличивается заряд ядра,
- увеличивается радиус атомов (только в А-группах),
- уменьшается прочность связи электронов с ядром (энергия ионизации; только в А-группах),
- уменьшается электроотрицательность (только в А-группах),
- ослабевают окислительные свойства простых веществ («неметалличность»; только в А-группах),
- усиливаются восстановительные свойства простых веществ («металличность»; только в А-группах),
- возрастает основный характер гидроксидов и соответствующих оксидов (только в А-группах),
- ослабевает кислотный характер гидроксидов и соответствующих оксидов (только в А-группах),
- снижается устойчивость водородных соединений (повышается их восстановительная активность; только в А-группах).
Основной структурной единицей веществ атомного строения является атом.
Атом – мельчайшая, электронейтральная, химически неделимая частица вещества, состоящая из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженной электронной оболочки.
Электронная оболочка – совокупность группирующихся вокруг ядра электронов.
Электрон – одна из элементарных частиц материи, обладающая массой покоя и элементарным отрицательным зарядом.
Когда говорят о массе покоя, то подразумевают, что частица может находиться в состоянии покоя и иметь массу. Существуют частицы, которые не могут находиться в состоянии покоя, например частицы света — фотоны. В этом случае говорят, что фотон не имеет массы покоя.
Заряд электрона называется элементарным, так как это наименьший отрицательный заряд в природе. По этой причине заряд электрона условно принимают равным -1.
Атомное ядро – центральная, положительно заряженная, сложно организованная часть атома, состоящая из нуклонов, связанных между собой ядерными силами.
Нуклоны – общее название двух типов частиц, протонов и нейтронов.
С точки зрения атомной физики протон и нейтрон являются двумя состояниями одной и той же частицы – нуклона.
Нуклон – структурная единица ядра атома, которая может находиться в двух состояниях, протона и нейтрона.
Нуклоны (протоны и нейтроны) состоят из кварков.
Табл. Основные характеристики некоторых субатомных частиц
Заряд ядра атома соответствует атомному номеру (порядковому номеру) элемента в периодической системе (Z).
Заряд ядра определяется числом протонов, следовательно:
Так как атом — электронейтральная частица, то:
Массовое число (нуклонное число) – сумма числа протонов и нейтронов в ядре данного атома.
Если в условии задания не указано массовое число, то его можно взять из таблицы Д.И. Менделеева, округлив до целой величины относительную атомную массу.
О том, что такое относительная атомная масса мы поговорим чуть позже. Пока не заостряйте на этом внимание. Где её найти в таблице Д.И. Менделеева показано на рисунке ниже.
Для расчета числа нейтронов в ядре используется формула:
Для характеристик частицы (протона, нейтрона, атома) применяют следующую запись:
X — символ частицы. A — массовое (нуклонное число). Z — заряд
Определим состав атома хлора. Порядковый номер хлора в таблице Д. И. Менделеева равен 17, следовательно заряд ядра атома хлора равен +17. Если заряд ядра равен +17, то в ядре атома хлора 17 протонов, а в электронной оболочке 17 электронов.
Чтобы определить число нейтронов в ядре атома хлора, округлим до целой величины относительную атомную массу хлора, это значение равно 36. То есть, в ядре атома хлора 36 нуклонов, 17 из них являются протонами, тогда число нейтронов равно 36-17 = 19.
Кратко это можно записать следующим образом:
Атомы отличаются друг от друга радиусом, массой, зарядом ядра, количеством электронов и другими параметрами. Заряд ядра атома – это наиболее важная его характеристика. Поэтому все атомы можно условно разделить на группы (классифицировать) по заряду их ядер. Такие абстрактные группы принято называть химическими элементами.
Химический элемент – вид атомов, с определённым зарядом ядра.
Химический элемент — одно из центральных понятий науки химии.
По предложению шведского химика Й. Берцелиуса химические элементы обозначают начальной или начальной и одной из последующих букв латинского названия элемента (1813 г).
Водород на лат. Hydrogenium (H). Ртуть на лат. Hydrargyrum (Hg) Эти буквенные обозначения называются химическими знаками или химическими символами.
Символ отдельного атома совпадает с символом соответствующего ему химического элемента. К примеру, символ S обозначает химический элемент серу или же один атом этого элемента.
Если требуется обозначить не один, а несколько атомов, то перед символом элемента ставят соответствующую цифру – коэффициент. 5S – пять атомов элемента серы.
Символы и русские названия химических элементов можно найти в таблице Д. И. Менделеева.
Несмотря на то что у ядер атомов одного и того же химического элемента одинаковый заряд, они могут отличаться друг от друга массовым (нуклонным) числом по причине разного количества нейтронов. Такие разновидности ядер атомов одного химического элемента называют изотопами.
Изотопы – ядра с одинаковым зарядом, но разным массовым числом, т.е разным числом нейтронов.
Отметим, что термин изотопы следует употреблять только во множественном числе. В единственном числе следует говорить — нуклид. Что такое нуклиды Вы узнаете чуть позже.
К примеру, химический элемент водород (H) представляет из себя смесь атомов с массовыми числами равными 1 и 2, это изотопы водорода — протий (H) и дейтерий (D). Нуклид водорода с массовым числом 3 в природе не встречается, так как его ядро чрезвычайно нестабильно и очень быстро подвергается ядерному распаду, это так называемый тритий (T).
Запишем состав изотопов водорода, пользуясь описанными выше правилами.
Мы убедились, что изотопы отличаются массовыми числами, а также количеством нейтронов в ядре. Заряд ядер изотопов одинаковый, так как они принадлежат одному химическому элементу.
Содержание изотопов в земной коре разное ввиду их разной стабильности. Чем устойчивее изотоп, тем выше его содержание.
Содержание изотопов элемента Х может быть оценено в массовых или мольных долях.
Доля – отношение части к целому.
Массовая доля (w или w%) – отношение массы части системы к массе всей системы.
О мольной доле мы поговорим позднее в соответствующей теме.
Массовая доля — величина безразмерная, её выражают в долях единицы или процентах. Для вычисления массовой доли применяются формулы:
Изотопный состав элемента водорода может быть представлен следующей схемой:
Задания по теме «Основные сведения о строении атома»
- Ядро атома некоторого элемента содержит 16 нейтронов, а электронная оболочка этого атома — 15 электронов. Назвать элемент, изотопом которого является данный атом. Привести запись его символа с указанием заряда ядра и массового числа.
- Массовое число атома некоторого элемента равно 181, в электронной оболочке атома содержится 73 электрона. Указать число протонов и нейтронов в ядре атома и название элемента.
- Укажите число протонов, нейтронов и электронов в атоме циркония.
- Укажите число протонов, нейтронов и электронов в атоме иттрия.
- Укажите число протонов, нейтронов и электронов в атоме индия.
- Укажите число протонов, нейтронов и электронов в атоме кадмия.
- Сколько нейтронов содержит ядро атома 37Cl?
- Сколько нейтронов содержит ядро атома 18O?
- Сколько нейтронов содержит ядро атома 30Si?
- Сколько нейтронов содержит ядро атома 19F?