Лекция Вещество. Атомное строение вещества

Вид материала

Лекция

Содержание Простые и сложные вещества. Химические элементы Названия и символы химических элементов Физические и химические свойства веществ Атомное ядро Нуклиды и изотопы Масса атома — относительная и абсолютная Электронные оболочки атомов Вопросы и задания

Подобный материал:

• Строение и кристаллизация металлов и сплавов лекция 3 Строение металлов и сплавов, 66.78kb.
• Темы рефератов по дисциплине Строение вещества для группы ах-07-1 Твердые системы, 11.09kb.
• Содержание понятия «строение вещества», «структура вещества», «строение молекул». Упорядоченные, 115.53kb.
• Лекция № (последняя), 235.91kb.
• Строение вещества, 360.6kb.
• Тематическое планирование. 11 класс. Тема: «Строение вещества», 67.77kb.
• Програма курса "химия" для студентов специальностей "экология", "природопользование", 157.55kb.
• «Атомное и термоядерное оружие», 372.54kb.
• Тест по теме: «Строение и классификация органических соединений» Задания уровня, 1355.16kb.
• Лекция 4 Фазовые равновесия. Фазовые диаграммы, 71.1kb.

Лекция 1.

Вещество. Атомное строение вещества

Химия изучает вещества и их превращения. А какое определение наиболее полно отражает содержание термина «вещество»? Строго говоря, вещество — это вид материи, имеющий массу покоя. Весь окружающий нас материальный мир состоит, во-первых, из веществ и, во-вторых, из различных полей (например, существуют поля тяготения, электромагнитные поля и др.). У любых полей массы покоя нет. Так, если мысленно представить себе «остановленный» луч света — световую волну, то масса у него будет равна нулю. Напротив, у любого вещества, из чего бы оно ни состояло из протонов или нейтронов, из атомов или молекул, из песчинок или капель жидкости, масса покоя (масса вещества в состоянии, когда оно не движется) имеется. Уж на что мал, например, электрон, тем не менее, масса покоя у него есть — она равна 9,109 389 7 • 10^-31 кг. Поэтому даже один электрон — это вещество.

Вещества могут быть газообразными, жидкими или твердыми, чистыми и содержащими примеси, растворимыми в воде и практически нерастворимыми, ядовитыми и неядовитыми, устойчивыми при хранении и быстро разлагающимися уже при комнатном температуре и т. д. Можно отметить, что из некоторых книг может сложиться неверное мнение о том, что вещество — это обязательно что-то чистое, не содержащее примесей. А между тем с точки зрения современной науки абсолютно чистых веществ нет — в любом веществе, даже подвергнутом самой тщательной очистке, всегда можно обнаружить примеси.

Ученые установили, что подавляющее большинство веществ состоит из атомов. В настоящее время с помощью атомного силового микроскопа, туннельного микроскопа и других приборов удалось визуализировать вид разных атомов.

Атомы очень малы. Если принять, что диаметр самой маленькой песчинки, которую можно увидеть невооруженным глазом, составляет около 0,1 мм (1 • 10~⁴ м), то оказывается, что даже такая песчинка содержит примерно 10¹⁶—10¹⁷ атомов. Представление о малости атомов может дать такой пример. Если на 1 копейку по современным ценам купить золота, а потом раздать его, например, всем москвичам (их, примерно 10 млн.), то расчет показывает, что каждый получит несколько миллионов атомов благородного металла.

Простые и сложные вещества. Химические элементы

Простые вещества состоят из атомов одного элемента, сложные - из атомов разных элементов, связанных между собой химически. Уточнение, что в сложном веществе имеются химические связи между атомами разных элементов, позволяет провести границу между сложными веществами (например, водой) и смесями простых веществ (например, смесью газов кислорода и водорода).

Простым веществам соответствуют химические элементы (на первых этапах развития химии эти понятия не разграничивались), причем каждому элементу соответствует свой вид атомов. У всех веществ есть физические и химические свойства. А вот говорить и писать о физических и химических свойствах отдельных элементов ошибочно. Химический элемент - это условное понятие, и правильно считать, что у химических элементов есть определенные характеристики (например, атомная масса и др.), но физических и химических свойств нет. Отметим, что проведение четких различий между элементами и простыми веществами характерно для отечественной учебной и методической литературы по химии.


Названия и символы химических элементов

Каждый химический элемент принято называть по-латыни и на своем национальном языке. В национальных языках, в том числе и в русском, многие названия элементов по произношению или совпадают с латинскими, или близки к ним. По предложению И.Я.Берцелиуса символы химических элементов образуют от их латинских названий. В настоящее время самый тяжелый элемент, у которого имеются утвержденные ИЮПАК и ИЮПАП название и символ, — элемент № 111 рентгений (символ Rg).

А вот единых правил произношения символов нет. Принятые в нашей стране правила их произношения связаны с историей становления в России химического языка в XIX в. Они не соответствуют правилам произношения символов элементов в большинстве других стран. Там символы элементов обычно произносят или по произношению латинских букв, или, если сам алфавит данной страны основан на латинице, по произношению соответствующих букв национального алфавита. Так, в Польше символ меди Си произносят не «купрум», как у нас, а «це-у», а в Англии и США — «си-ю» и т. д. В некоторых странах символы произносят так, как на национальном языке называют элемент. В России произношение символов наиболее распространенных элементов входило в речь химиков тогда, когда латынь все учили в гимназиях. Вероятно, этим объясняется укоренившееся произношение по-латыни в нашей стране символов таких элементов, как железо, медь, олово, серебро, золото, ртуть, свинец и некоторых других. Для других символов используют или произношения латинских букв («пэ», «эс» и др.), или названия элементов (натрий, калий, уран и др.). Никаких правил здесь нет. Кстати, символ водорода Н у нас традиционно произносится не по-латыни («ха»), а так, как буква «Н» произносится по-французски («аш»).

Вероятно, со временем мы тоже перейдем на принятую в мире практику произношения символов химических элементов по произношению латинских букв. Но пока приходится считаться с тем, что в архаичных правилах произношения символов химических элементов (точнее говоря, в отсутствии здесь каких-либо правил) проявляется наша национальная индивидуальность,

Химический элемент — абстрактное понятие, и у элемента физических и химических свойств нет, а есть характеристики: атомный номер, распространенность в земной коре, совокупность возможных степеней окисления, значение электроотрицательности. В случае элементов, атомы которых встречаются в земной коре, наблюдается определенный нуклидный (изотопный) состав, и, как следствие этого, им присущи определенные значения атомной (молярной) массы.

Физические и химические свойства веществ

Каждое вещество обладает физическими и химическими свойствами. Различают физические свойства, которые можно охарактеризовать с помощью органов чувств и которые не имеют числовых характеристик, и свойства, которые можно охарактеризовать численно по результатам тех или иных физических измерений. Первая группа физических свойств сравнительно малочисленна, к ней относят вкус, запах, ядовитость вещества. Вторая группа включает большое число самых разных свойств: температуры плавления и кипения, плотность, удельное сопротивление, растворимость в воде, вязкость, упругость и т. д.

Химические свойства каждого вещества — это способность данного вещества реагировать с другими веществами при определенных условиях (температура, давление, катализатор). Химические свойства твердого вещества обычно зависят от степени его измельчения (дисперсности). Как правило, чем выше дисперсность вещества, тем ниже температура, при которой начинается взаимодействие данного вещества, например, с кислородом или хлором. Так, железный гвоздь с сухим кислородом практически не взаимодействует, а тонко измельченный (высокодисперсный) порошок железа — пирофорен — самовозгорается в атмосферном воздухе.

Некоторые свойства вещества трудно однозначно отнести к физическим или химическим. Так, органические вещества иногда характеризуют не через температуру плавления, а через температуру начала разложения. Разложение обычно проводят на воздухе (вещество взаимодействует с газами воздуха). Поэтому температура начала разложения многих веществ — это и химическая, и физическая характеристика.


Атомное ядро

Любой атом представляет собой ядро, окруженное электронной оболочкой. Диаметр ядра примерно в 100 тысяч раз меньше диаметра атома (диаметр атома около 10^-10 м, а диаметр ядер около 10 ^-15 м). Объем ядра составляет ничтожную часть — примерно 10^-15 от объема атома. В ядре сосредоточена практически вся масса атома. Поэтому, если бы удалось получить вещество, состоящее только из соприкасающихся между собой ядер, его плотность была бы огромна (около 10¹⁵—10¹⁶ г/см³). Иногда появляются сообщения о том, что астрономы наблюдали объекты с чудовищно большой плотностью, гипотетически состоящие из сверхплотного «ядерного» вещества (вещества, в котором ядра соприкасаются между собой), но эти сообщения пока нельзя рассматривать как твердо установленные факты.

Для того чтобы продемонстрировать соотношение размеров ядра и атома, часто приводят такой пример. Если представить атом водорода, увеличенным до размеров главного здания МГУ им. М.В.Ломоносова, то находящееся в центре такого атома ядро будет размером с абрикос или сливу.

Ядра состоят из элементарных частиц двух типов — положительно заряженных протонов и не имеющих заряда нейтронов. (Термин «элементарные частицы» означает, что речь идет о микрообъектах, внутреннее строение которых пока неизвестно и которые нельзя разложить на более простые частицы.) Общее число протонов и нейтронов в ядре называют массовым числом, массовые числа ядер всегда целочисленны.

Договорились приписывать заряду протона знак «плюс», а противоположному по знаку заряду электрона — знак «минус». По абсолютной величине (1,602 189 2 ± 0,000 004 6) * 10^-19 Кл заряд протона равен заряду электрона. В природе пока не найдено зарядов меньших, чем заряд протона или электрона, поэтому их заряд условно принимают за единичный (соответственно +1 и —1).

Нуклиды и изотопы

Вначале XX в. было установлено, что атомы одного элемента могут различаться по числу содержащихся в них нейтронов. Несмотря на разное число нейтронов, такие атомы занимают в таблице Д.И.Менделеева одну клетку, и поэтому их было предложено называть изотопами. По своей сущности термин «изотопы» относится к разновидностям атомов одного элемента — атомам с разным числом нейтронов — и может использоваться только во множественном числе. Однако в 1940—1950 гг. его стали широко использовать и в единственном числе (писали и говорили, например, «изотоп кислород-18», «радиоактивный изотоп иод-131»), хотя это противоречит смыслу термина «изотопы». Поэтому в середине XX в. вид атомов с определенным числом в его ядре протонов и нейтронов было предложено называть нуклидом. Этот термин давно рекомендован

ИЮПАП и ИЮПАК для использования в физике и химии. При этом если атомы нуклида радиоактивны, то такой нуклид называют «радионуклидом».

Таким образом, в настоящее время следует использовать термины «нуклид кислород-18», «радионуклид иод-131» и т. д. Термин «нуклид» можно использовать и в единственном, и во множественном числе. Нуклиды одного элемента — это изотопы. Можно сказать, что бром в природе представлен двумя нуклидами — ⁷⁹Вг и ⁸¹Вг, а можно и так: у брома имеются два природных изотопа — бром-79 и бром-81.

Для обозначения нуклидов рекомендована следующая форма записи:

¹⁶О

8

в которой стоящее вверху слева число 16 — массовое число (в ядре атома кислорода 8 протонов и 8 нейтронов), внизу слева число 8 — заряд ядра (число протонов в ядре), Поскольку каждому элементу отвечает определенный заряд ядра, то при символе элемента заряд ядра обычно не указывают.

Масса атома — относительная и абсолютная

Масса покоя протона равна:

(1,672 648 5 ± 0,000 008 6) * 10^-24 г,

а нейтрона — немного больше:

(1,6749543 ± 0,000008 6)*10^-24г.

Точно так же в граммах известны массы атомов отдельных нуклидов и химических элементов. Записи этих масс легко сделать компактными. Однако по традиции массы атомов элементов, протона, нейтрона и других элементарных частиц выражают в относительных (углеродных) единицах. При этом относительная масса протона оказывается равной

1,007 276 470 ±0,000 000011,

а нейтрона - 1,008 665 012 ± 0,000 000 037.

Физики установили, что при образовании атомных ядер из протонов и нейтронов масса образующегося ядра всегда меньше суммы масс исходных протонов и нейтронов. Вызвано это уменьшение массы (так называемый «дефект массы») тем, что при образовании ядер выделяется огромная энергия, а выделение энергии сопровождается уменьшением массы.

Чем больше выделяется энергии при образовании ядра, тем прочнее в нем связаны протоны и нейтроны. Очень прочно они связанны в ядрах наиболее распространенного на Земле нуклида — кислорода-16. Из-за сравнительно большого дефекта массы относительная масса атома ¹⁶О оказывается меньше 16 (А_r(¹⁶О) = 15,994 9). Наличие в смеси природных нуклидов кислорода примеси более тяжелых нуклидов — ¹⁷О и ¹⁸О — приводит к тому, что относительная атомная масса А_r элемента кислорода оказывается только чуть-чуть меньше 16 (А_r = 15,999 4). Ученые определили точные значения масс и ядер, и атомов различных нуклидов. Существуют таблицы, в которых приведены значения масс атомов практически всех известных нуклидов.

Число протонов в ядре атомов любого элемента равно атомному номеру элемента в периодической системе элементов (отметим, что ИЮПАК давно рекомендует использовать термин «атомный номер», а не «порядковый номер»). Число нейтронов можно найти, зная массовое число нуклида. В периодической системе приведены, однако, не массовые числа, а усредненные значения атомных (молярных) масс элементов (усредненные по массам всех природных нуклидов с учетом их распространенности в земной коре). Все эти значения дробные. По значениям атомных масс элементов невозможно определить, сколько нейтронов содержат ядра того или иного атома.

Установлено, что четные природные элементы с атомными номерами 83 и меньше представлены в природе двумя или большим числом стабильных нуклидов, а нечетные (если вообще у них существуют стабильные нуклиды) — одним (фтор-19, алюминий-27, фосфор-31, серебро-108, йод-127 и др.) или максимум двумя нуклидами. Природный изотопный состав элементов, имеющих два или большее число природных нуклидов, немного колеблется от образца к образцу. Атомная масса элемента рассчитывается с учетом возможных колебаний изотопного состава в земной коре. Поэтому в периодической системе значения атомных масс элементов, имеющих стабильные изотопы, приведены с меньшей точностью (с меньшим числом значащих цифр), чем мононуклидных элементов. Изотопный состав элементов из образцов, взятых из разных мест Земли, постоянно уточняется, и ИЮПАК регулярно публикует новые данные о точных значениях атомных масс элементов.

Электронные оболочки атомов

Все электроны атома образуют его электронную оболочку. Электронная оболочка электронейтрального атома содержит столько же электронов, сколько протонов имеется в ядре. Следует иметь в виду, что у термина «электронная оболочка» есть два разных смысла. О первом сказано выше. «Электронная оболочка» во втором смысле — это группа электронов, близких между собой по энергии связи с ядром.

Электрон - это микрообъект, у которого, как следует из принципа неопределенности В.Гейзенберга, невозможно одновременно с высокой точностью предсказать координату и энергию (импульс), Чем точнее известна энергия, тем менее точно известна координата, и наоборот, чем точнее известна координата, тем менее точно известна энергия. Физики умеют с высокой точностью определять энергию электронов в атоме. При этом координата электрона оказывается полностью неопределенной. Определить, где именно в атоме находится данный электрон в тот или иной момент, принципиально нельзя. Поэтому некорректно говорить и писать, что одни электроны расположены в атоме ближе к ядру, а другие — дальше.

По результатам физических измерений электроны в атомах можно сгруппировать по значениям энергии их связи с остальным атомом. Условно можно считать, что электроны, относящиеся к группе наиболее прочно связанных с атомом, образуют первый слой (К-слой, К-уровень, К-оболочку); электроны, относящиеся к группе немного слабее связанных, условно относят к электронам второго слоя (L-слой, L-уровень, L-оболочка) и т. д. Электроны, наименее прочно связанные с атомом, образуют так называемый внешний слой (внешнюю оболочку, внешний уровень). Еще раз подчеркнем, что определить, электроны какого именно слоя находятся ближе к ядру, а какие — дальше от него, принципиально невозможно.

Вопросы и задания

1. На столе стоит чашка с блюдцем. Все атомы, составляющие чашку, переместили в буфет. Что осталось на столе?

2. Среди перечисленных понятий укажите те, которые относятся к веществам: древесина, электрон, радиоволны, ядра атомов углерода, лучи Рентгена, солнечный свет, навоз, поваренная соль.

3. Школьник нашел 1 копейку и купил на нее в ювелирном магазине платину (цена платины была 750 руб. за 1 г). Он решил поделить купленную платину между всеми жителями России (нас примерно 150 млн.). По сколько атомов платины достанется каждому россиянину?

4. Нейтральный атом, какого элемента имеет самые большие размеры?

5. Укажите причину, по которой электрический заряд электрона принимают за единичный.

6. Физики установили, что относительная атомная масса нуклида гелия-4 равна 4,002 603 24. Сколько теплоты выделяется при образовании 1 моль ядер этого нуклида из протонов и нейтронов?

7. Укажите, на каком месте рядом с символом нуклида следует указывать массовое число нуклида: а) слева вверху; б) слева внизу; в) справа вверху; г) справа внизу.

8. За 1 секунду можно посчитать не более пяти предметов. Можно ли за всю жизнь человека пересчитать все молекулы воды в 1 капле дождя, если масса капли примерно 30 мг?

Выполненные задания необходимо направить по электронной почте на адрес fainag@yandex.ru. до 14 декабря 2009 года.