Что больше атом или электрон. Атомы

Атом – Химия

Что больше атом или электрон. Атомы
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.

Источник: //www.sites.google.com/site/helpchemistry78/osnovnye-ponatia/atom

Атомы: строительные блоки молекул

Что больше атом или электрон. Атомы

Если молекулы – основные структуры, задействованные в химии – это слова, из которых состоят все окружающие нас материалы, тогда атомы – это буквы, строительные блоки молекул. Слова бывают разной длины, и типичная молекула тоже может содержать несколько атомов, или несколько сотен, или даже сто тысяч атомов.

Молекула столовой соли NaCl состоит из двух атомов, натрия Na и хлора Cl. Молекула воды H2O содержит два атома водорода и один кислорода. Молекула столового сахара C12H22O11 содержит 12 атомов углерода, 11 кислорода и 22 водорода, организованных определённым образом.

Откуда нам известно о существовании атомов? Иногда их можно «видеть», так же, как мы видим молекулы, которые они могут формировать. Не глазами, но более продвинутыми устройствами. Один из методов использует сканирующий туннельный микроскоп, способный показывать атомы в кристалле или даже передвигать их по одному.

Другой метод использует нашу возможность захвата ионов (немного изменённых атомов – подробности ниже).

На фото – три иона, пойманных одновременно. На них падает свет, они поглощают его и снова испускают. Повторно испущенный свет можно обнаружить, благодаря чему мы можем увидеть, где находятся ионы – примерно так отражение света от небольшого, но яркого бриллианта может помочь нам найти его.

Сколько же типов атомов существует? Типы называются «химическими элементами» и точное их количество зависит от того, как их считать. Но допустим, что атомный алфавит состоит из примерно сотни химических элементов, а к тонкостям подсчёта вернёмся позже.

Так же, как мы могли назначить буквам алфавита от А до Я номера от 1 до 33, каждому элементу назначается не только имя, но и атомный номер (обозначается «Z»). Самые простые атомы – у водорода, их атомный номер = 1.

Самые сложные в изобилии встречаются в природе, это уран с атомным номером 92. Другие – кислород (8), азот (7), кальций (20), криптон (36), лантан (57), платина (78). Полный список ищите в периодической системе элементов Менделеева.

У каждого элемента своя химия – то, как он ведёт себя внутри молекул – примерно так, как у каждой буквы есть свои правила, по которым она может встречаться в словах.

Вопросы, которые можно задать об атомах: 1. Из чего состоят атомы? 2. В чём смысл атомного номера? 3. Каков главный источник различий в химическом поведении атомов разных элементов? 4. До какой степени разные атомы одного элемента схожи между собой? 5. Как части атома удерживаются вместе? 6. Почему атомы удерживаются вместе и образуют молекулы? Оказывается, на все эти вопросы лучше всего отвечать, начав с первого: из чего состоят атомы? Атомы состоят из того, что обычно называют «субатомными частицами» (к сожалению, этот термин некорректен, поскольку у этих «частиц» есть некоторые свойства, частицам не присущие). Конкретнее, атомы состоят из набора небольших и очень лёгких электронов, окружающих крохотное, но тяжёлое атомное ядро, в котором содержится большая часть массы атома. Ядро состоит из других «частиц», в свою очередь также состоящих из других «частиц», и мы до них ещё доберёмся.

Рисованный атом

Частенько мы видим изображения атомов, нарисованные на книгах по химии, на рекламках и предупреждающих знаках. Пример – рис. 1. Он передаёт очень грубую идею того, как устроен атом: снаружи у него есть определённое количество электронов (синие), и они вращаются вокруг центрального атомного ядра.

Ядро – это скопление протонов (красные) и нейтронов (белые).
Рис. 1 Теперь мы можем ответить на 2-й вопрос: что означает атомное число Z? Это просто количество протонов в ядре. У кислорода атомный номер 8, и у него в ядре 8 протонов.

В простейших условиях атомное число также равняется количеству электронов атома. С количеством нейтронов всё сложнее, мы вернёмся к этому позже. У электронов отрицательный электрический заряд (-е), а у протонов – положительный (+е). Нейтроны нейтральны, электрического заряда у них нет.

Когда количество электронов и протонов совпадает, их заряды взаимно уничтожаются, и у атома электрического заряда не наблюдается – такой атом нейтрален.

Но нет ничего необычного – к примеру, в процессе формирования молекул – если атом приобретёт или потеряет один или несколько внешних, валентных электронов.

В этом случае электрические заряды электронов и протонов не уничтожаются, и получившийся заряженный атом называют ионом.

Более реалистичный атом

Хотя рис. 1 примерно описывает архитектуру атома – электроны действительно находятся снаружи, а ядро, состоящее из протонов и нейтронов, в середине – он совершенно не передаёт реальную форму и суть атома, поскольку он выполнен не в масштабе, а мы живём в квантовом мире, в котором объекты ведут себя так, что их сложно нарисовать или представить.

С проблемой масштаба можно разобраться, нарисовав более точное (хотя всё ещё несовершенное) изображение, рис. 2.
Рис 2. Атом – по большей части пуст (серая область). По нему быстро движутся электроны (голубые точки, нарисованы не в масштабе, а гораздо больше). В центре находится тяжёлое ядро (красные и белые точки, нарисованы больше, чем в масштабе).

Вот, что я попытался передать этим изображением. Во-первых, электроны очень, очень малы, настолько малы, что мы так и не смогли измерить их размер – может статься, что они точечные и не имеют размера, но они точно не больше, чем 1/100 000 000 от диаметра атома. Во-вторых, ядра (и протоны с нейтронами, их составляющие) также крайне малы, хотя они и больше, чем электроны.

Их размер измерен, и он примерно в 10 000 – 100 000 раз меньше диаметра атома. Атом немного похож на деревню. Протоны и нейтроны в ядре – большие дома, находящиеся в центре деревни, а электроны – далеко разбросанные фермерские домики. На большей части сельской местности растут зерновые культуры и нет домов.

И хотя территория, считающаяся частью деревни, может быть большой, реально занимаемая домами площадь очень мала. Но эта аналогия не полная, поскольку электроны, в отличие от фермерских домиков, очень быстро двигаются по серому региону на картинке и вокруг ядра со скоростями порядка 1% от скорости света.

Покрываемая ими территория обычно не сферическая, а более сложной формы, кроме того не все электроны перемещаются по одной и той же территории. Но, как я вас предупреждал, рис. 2 тоже не точный. Во-первых, нужно было бы нарисовать ядро в тысячи раз меньше, а электроны – в миллионы раз меньше, только тогда их не было бы видно.

Если бы атом был размером с вашу спальню, то его ядро было бы размером с пылинку. По сравнению со своими компонентами, атомы огромны! В каком-то смысле большую часть атома составляет пустота! Во-вторых, изображение не передаёт мутную природу квантовой механики.

Уравнения квантовой механики описывают и предсказывают поведение молекул, атомов и субатомных частиц, и эти уравнения говорят нам, что у этих частиц могут быть очень странные и неинтуитивные свойства.

Хотя электроны в каком-то смысле точечные (допустим, если вы захотите столкнуть два электрона друг с другом, то обнаружите, что можете сдвинуть их вместе на сколь угодно малое расстояние, и они ничем не выдадут своей внутренней структуры, если она вообще есть), есть возможность сделать так, что они, будучи оставленными в покое, будут распространяться как волна и заполнят всё серое пространство на рис. 2. Если это звучит странно, это не оттого, что вы чего-то не поняли: это странно и об этом тяжело думать. Я-то уж точно не знаю, как нарисовать атом, чтобы не вводить вас в заблуждение, и эксперты всё ещё спорят о том, как лучше всего о нём думать. Так что пока просто примите это как странный факт. Размер электрона слишком мал для измерения, и его масса настолько мала, что электрон может распространиться по всему атому. А вот у ядра есть вполне измеренный и известный размер, а его масса так велика – больше 99,9% массы всего атома – что оно вообще не распределяется в пространстве. Ядро сидит в середине серой области.

Атом и его химия

Лучший приходящий мне в голову способ описать атом: большая часть массы атома содержится в ядре, находящемся в его центре, вокруг которого распределились чрезвычайно мелкие электроны гораздо меньшей массы, причём сделали это совершенно не так, как ведут себя частицы, заполнив всю серую область рис. 2.

Небольшой размер ядра по отношению к полному размеру атома, и то, что оно обычно находится в его центре, объясняет, почему оно играет относительно слабую роль в химии.

Химия происходит – то есть, формируются и меняются молекулы – когда атомы приближаются друг к другу, а это происходит, когда внешние, валентные электроны одного атома близко подходят к внешним электронам другого – когда край серой области одного атома приближается к краю серой области другого.

В химических процессах атомное ядро остаётся в центрах атомов, и никогда не приближается к другим ядрам. Основная роль ядра – обеспечение положительного заряда, удерживающего электроны, и большей части массы (определяющей, как сложно другим объектам передвигать этот атом).

Это отвечает на 3-й вопрос: химию атома в основном определяют подробности, связанные с его внешними электронами. Эти детали можно узнать (сложным способом, через уравнения квантовой механики), исходя из атомного номера Z.

Вместо того, чтобы заняться химией – темой, которой хватит на целый курс – мы перейдём на уровень ниже, к субатомным частицам, по пути отвечая на другие вопросы. Перечислим вопросы, с которыми мы разобрались, и вопросы, которые ещё предстоит изучить. 1. Из чего состоят атомы? Снаружи – электроны, в центре – атомное ядро (из протонов и нейтронов). 2.

В чём смысл атомного номера? Это количество протонов в ядре атома, которое, в обычных условиях равно количеству электронов, его окружающих. 3. Каков главный источник различий в химическом поведении атомов разных элементов? Свойства внешних электронов, определяемые общим количеством электронов у каждого элемента, к примеру, атомным номером. 4.

До какой степени разные атомы одного элемента схожи между собой? Обсудим это в статье про изотопы. 5. Как части атома удерживаются вместе? Обсудим это в статье о роли электрических сил и квантовой механики. 6. Почему атомы удерживаются вместе и образуют молекулы? Обсудим это в статье о роли электронов и электрических сил в построении молекул из атомов. А вот вам ещё вопрос, который мог возникнуть при изучении рис. 2:

Если атом – по большей части пуст, почему объекты кажутся твёрдыми? Почему нельзя протянуть руку через экран компьютера, если экран состоит из атомов, по большей части пустых?

  • атомы
  • молекулы
  • электроны
  • протоны
  • нейтроны
  • Matt Strassler

Источник: //habr.com/post/373435/

Как устроен атом простыми словами?

Что больше атом или электрон. Атомы

Атомы – мельчайшие частицы, из которых состоит все вокруг: все, что нас окружает, состоит из молекул, состоящих из атомов. Их невозможно увидеть с использованием каких бы то ни было увеличительных приборов в силу их невероятно маленьких размеров. Но ведь атомы тоже должны из чего-то состоять.

Значит, должны существовать еще более маленькие частицы. Сразу говорю, это довольна непростая для понимания тема, поэтому текста много, да и читать нужно вдумчиво. Тем не менее, это крайне увлекательно – знать о настолько малых частицах, которые невозможно даже увидеть.

Что ж, давайте разбираться!

Немного о самом атоме

Вообще, термин “атом” был изобретен очень давно: за 400 лет до н. э. греческий философ Демокрит выдвинул идею, что вещество можно делить до тех пор, пока не будут получены его наименьшие возможные частицы, названные атомами.

Конечно, в гипотезе Демокрита атомы являются совсем не тем, чем их считают сейчас, но, тем не менее, идея атомизма очень древняя. В 1808 г. химик Джон Дальтон сформулировал атомистическую теорию: все вещества состоят из атомов, мельчайших неделимых частиц, которые нельзя ни создать, ни уничтожить.

Также, Дальтон утверждал, что атомы одного и того же элемента абсолютно одинаковы. Так зародилась атомистическая теория, и было заложено начало к изучению самих атомов.

Теперь немного о характеристиках атома. Не для кого не секрет, что атом чрезвычайно мал. Но даже его можно измерить – а именно указать его массу и диаметр. Диаметры атомов в среднем – 0,2 нм (0,0000000002 м).

Массы рознятся сильнее: от 10 в минус 27 степени (ноль с двадцатью шестью нолями и единицей после запятой) кг до 10 в минус 25 степени ( ноль с двадцатью четырьмя нолями и единицей после запятой) кг.

Для избежания участия столь малых цифр в расчетах, массы атомов обычно выражают в атомных единицах массы (а. е. м.). 1 а. е. м. = 1,661 на 10 в минус 27 степени.

Какие частицы входят в состав атома?

Мы уже представляли себе атом таким, каким его рисуют в sci-fi фильмах: ядро, состоящее из протонов и нейтронов в центре, и электроны, вращающиеся вокруг ядра. Но что представляют из себя протоны, нейтроны и электроны?

Строение атома из фильмов, отражающее частицы, входящие в него

Нейтрон – это элементарная незаряженная частица. Электрический заряд равен 0 е, масса равна 1 а. е. м. Нейтрон был открыт в 1932 г. Чедвиком в ходе ядерной реакции между атомами бериллия и гелия. Нейтрон входит в состав атомного ядра

Протон – это элементарная положительная частица. Электрический заряд равен +1 е, масса равна 1 а. е. м. Открыт в 1919 г. Резерфордом. Входит в состав атомного ядра вместе с нейтроном, представляет собой ядро атома водорода.

Электрон – это элементарная отрицательная частица. Электрический заряд равен -1 е (равен по модулю заряду протона), масса равна 0,00054 а. е. м.

, поэтому для простоты расчетов считается, что электрон не имеет массы. Открыт в 1897 г. Томсоном при изучении поведения катодных лучей (электронов) в магнитном и электрическом поле.

Электроны не входят в состав ядра, а находятся снаружи, двигаясь по специальным траекториям, но об этом позднее.

Как частицы располагаются в атоме?

Ученые Гейгер и Марсден в 1909 г. проводили бомбардировку золотой фольги альфа-частицами (ядрами гелия). Частицы проходили через фольгу, как и ожидалось, однако, малая их часть отражалась обратно. Примерно 1 из 8000 частиц отскакивали.

Был сделан вывод, что частицы сталкиваются с положительными и тяжелыми центрами, которые должны располагаться в ничтожно малой части атома, раз так мало частиц отражается обратно. Так появилось представление об атомном ядре: отражались только те частицы, которые сталкивались с ядрами.

Таким образом, атомное ядро имеет намного меньший размер, чем сам атом; остальное пространство в атоме занимают электроны. И если с ядром все понятно – лишь малая часть атома, состоящая из протонов и нейтронов, то с электронами все сложнее.

В 1925 г. Шредингер сформулировал свое уравнение, названное в его честь. Оно позволяло проследить поведение электрона в атоме.

Однако, в силу принципа неопределенности Гейзенберга (электрон обладает частично-волновым дуализмом) нельзя определить точное положение электрона и его скорость. Можно лишь говорить об области пространства, где электрон находится чаще.

Так появился термин атомная орбиталь – это место, где вероятность нахождения электрона составляет больше 90%. Вот и получаем первое различие с изображениями из фильмов: там электроны вращаются вокруг ядра, оставляя следы в виде полосок.

На деле электроны как бы расплываются вокруг ядра. Физик Бор сформулировал постулат о том, что электроны могут обладать определенным количеством энергии, а не произвольным. Так были введены квантовые числа:

  • главное квантовое число (n, положительное целое число – 1, 2, 3…) характеризует энергетический уровень электрона и указывает число подуровней на уровне;
  • орбитальное квантовое число (l, неотрицательное целое число – 0, 1, 2…) характеризует форму атомной орбитали, на которой находится электрон;
  • магнитное квантовое число (ml, целое число от -l до +l) характеризует количество атомных орбиталей на энергетическом подуровне;
  • спиновое квантовое число (ms, значения – либо -1/2, либо +1/2) характеризует вращение электрона относительно собственной оси.

У каждого электрона в атоме свой набор квантовых чисел, на основании которых можно оценить его энергию, по которой можно судить о его местоположении в атоме.

В заполнении электронами атомных орбиталей участвуют некоторые закономерности. Одна из них – это запрет Паули.

Он гласит о том, что в атоме не может быть двух электронов с одинаковыми наборами всех квантовых чисел, т. е. обладающих одинаковыми энергиями.

Немного об атомных орбиталях

Другое отличие реального атома от киношного изображения – это изображение атомных орбиталей. На картинках электроны движутся по окружностям.

В реальности электроны не только расплываются, но и делают это по определенной области – орбитали. На каждой атомной орбитали может находится только 2 электрона.

Всего различают 5 видов орбиталей в зависимости от значения орбитального квантового числа l:

  • l = 0 – s-орбиталь;
  • l = 1 – p-орбиталь;
  • l = 2 – d-орбиталь;
  • l = 3 – f-орбиталь;
  • l = 4 – g-орбиталь.

s-орбиталь представляет собой симметричную относительно ядра сферу. Вероятность нахождения электрона на каждом участке орбитали одинакова. Всего на s-орбитали может располагаться два электрона.

s-орбиталь

p-орбиталь представляет собой форму гантели. Она направлена в трех разных направлениях – по координатным осям x, y и z и в совокупности они образуют энергетический подуровень.

p-орбитали, направленные по разным осям

d-, f- и g-орбитали имеют еще намного более сложные формы, чем p-орбиталь, поэтому их описание не представляется целесообразным.

Формы d-орбиталей, по-разному расположенных в пространстве

Каждое значение орбитального числа l является энергетическим подуровнем атома. Для каждого следующего энергетического уровня количество энергетических подуровней увеличивается и содержит в себе подуровни прошлых уровней. Звучит сложновато, да.

Говоря проще, чем больше значение n, тем больше ему соответствует значений l. Попробуем на примере. Значение главного числа n задает основной энергетический уровень. Например: n=1, тогда l=0. Это значит, что на первом энергетическом уровне есть только один подуровень с одной s-орбиталью. Теперь пусть n=2. Это второй энергетический уровень.

Для него l=0 и l=1. Это значит, что на нем два подуровня: на одном s-орбиталь, а на другом p-орбиталь. Для n=3 уже 3 подуровня и т. д. Такое заполнение электронами орбиталей является еще одной закономерностью, называемой правилом Клечковского.

Правило Клечковского гласит о том, что электроны заполняют атомные орбитали так, чтобы их суммарная энергия была минимальна, т. е. начиная с меньших энергетических уровней.

Пример сопоставления энергетическим уровням (n) энергетических подуровней (l) и орбиталей

Теперь давайте поговорим о заполнении непосредственно орбиталей. Представим себе s-орбиталь: сфера вокруг ядра, на которой есть 2 электрона: спиновое число одного – 1/2, другого – -1/2. Теперь представим себе p-орбиталь в форме гантели.

Три p-орбитали (направленные по координатным осям) образуют энергетический подуровень. Поскольку на каждой орбитали может быть по 2 электрона, то на таком подуровне может быть всего 6 электронов. Но как они его заполняют? Допустим, у нас есть 4 электрона.

Заполняют ли они сначала одну орбиталь, затем другую, а третью оставляют нетронутой? Здесь на помощь приходит третья закономерность – правило Гунда. Оно гласит, что электроны при заполнении подуровней занимают максимальное число свободных орбиталей.

Таким образом, сначала по один займет каждую орбиталь, а затем еще один займет полузаполненную орбиталь. Таким образом, две орбитали будут заполнены наполовину, а одна полностью.

Так устроен атом. Подведем итоги. В маленькой части атома, в центре, располагается атомное ядро, состоящее из протонов и нейтронов.

Вокруг располагаются энергетические уровни с подуровнями, на которых находятся орбитали разной формы – места, где скорее всего находятся электроны в данный момент времени.

Электроны заполняют орбитали в соответствии запретом Паули, правилом Клечковского и правилом Гунда.

Если Вам понравилась статья, подписывайтесь на канал и ставьте лайки!

Источник: //zen.yandex.ru/media/id/5d2c4f4043bee300ae19d1f7/5d433dc9ce44a000ad2dc59d

Из чего состоит атом. Его история

Что больше атом или электрон. Атомы

Атомы – основные единицы материи. Термин происходит от древнегреческого “неделимый”, потому что раньше считалось, что атомы являются наименьшими частицами во вселенной и не могут быть разделены. Но сейчас мы знаем, что атомы состоят из трех частиц – протонов, нейтронов и электронов, которые состоят из еще более меньших частиц, таких как кварки.

Атомы были сформированы после Большого Взрыва 13,7 миллиардов лет назад.

Когда горячая и плотная новорожденная вселенная начала охлаждаться, то условия в ней стали подходящими для образования кварков и электронов.

Кварки объединились для образования протонов и нейтронов, и эти частицы объединились в ядро. Согласно данным ЦЕРН, это произошло в течении первых нескольких минут существования Вселенной.

Потребовалось 380 000 лет, чтобы вселенная остыла настолько, чтобы электроны замедлились и ядра смогли захватить их. Так смогли образоваться первые атомы.

Самые ранние атомы были в основном водородом и гелием, которые по-прежнему являются самыми распространенными элементами во вселенной.

Благодаря гравитации облака газа слились и образовались звезды, а более тяжелые атомы как раз и создаются благодаря звездам и “посылаются” во вселенную после взрыва звезды.

Атомные частицы

Протоны и нейтроны тяжелее электронов и находятся в ядре в самом центре атома. Электроны чрезвычайно легкие и существуют в облаке, вращающимся вокруг ядра. Облако электронов имеет радиус в 10 000 раз больше ядра.

Протоны и нейтроны имеют примерно такую же массу. Однако один протон весит больше чем 1800 электронов. Атомы всегда имеют равное количество протонов и электронов, и количество протонов и нейтронов, как правило, то же самое. Добавление протона к атому создает новый элемент, в то время как добавление нейтрона создает изотоп или более тяжелую версию данного атома.

Ядро

Ядро атома было обнаружено в 1911 году Эрнестом Резерфордом, который в 1920 году предложил имя “протон” для положительно заряженных частиц атома. Резерфорд также предположил, что в ядре есть нейтральная частица, что подтвердил в 1932 году Джеймс Чадвик, британский физик и ученик Резерфорда.

Практически вся масса атома находится в ядре. Протоны и нейтроны, составляющие ядро, примерно одинаковой массы (протон немного меньше) и имеют одинаковый угловой момент.

Ядро удерживается благодаря “сильному взаимодействию” – одной из четырех основных сил в природе.

Эта сила между протонами и нейтронами преодолевает отталкивающую электрическую силу, которая исходя из правил электричества, раздвигала бы протоны.

Некоторые атомные ядра неустойчивы, потому что сила связи изменяется для разных атомов в зависимости от размера ядра. Затем атомы с неустойчивыми ядрами распадаютсяна другие элементы, такие как углерод-14, распадающийся на азот-14.

Протоны

Протоны – это положительно заряженные частицы, находящиеся внутри атомных ядер. Резерфорд обнаружил их в экспериментах с электронно-лучевыми трубами, проведенными между 1911 и 1919 годами. Протоны немного меньше по массе, чем нейтроны.

Число протонов в атоме определяет то, каким элементом он является. Например, атом углерода имеет шесть протонов, атом водорода – один, кислорода – восемь. Число протонов в атоме называется атомным номером этого элемента. Число протонов в атоме также определяет химическое поведение элемента. В периодической таблице Менделеева элементы упорядочены в порядке возрастания атомного номера.

Три кварка составляют каждый протон – два кварка с положительным зарядом и один с отрицательным. Они удерживаются вместе другими субатомными частицами, которые называются глюонами и являются безмассовыми.

Электроны

Электроны совсем крошечные – в 1800 раз меньше – по сравнению с протонами и нейтронами. Дж. Дж. Томсон, британский физик, обнаружил электрон в 1897 году. Электроны имеют отрицательный заряд и электрически притягиваются к положительно заряженным протонам.

Электроны окружают атомное ядро, вращаясь по круговым орбиталям. Данная идея была выдвинута в 1920-х годах австрийским физиком Эрвином Шредингером. Сегодня эта модель известна как квантовая модель или модель электронного облака.

Внутренние орбитали, окружающие атом, являются округлыми, но внешние орбитали гораздо сложнее.

Электронная конфигурация типичного атома представляет собой орбитальное описание расположения электронов. Используя электронную конфигурацию атома и принципы физики, химики могут предсказать свойства атома, такие как стабильность, точку кипения и проводимость. Как правило, в химии имеют значение только внешние электронные оболочки.

Нейтроны

Нейтрон используется в качестве сравнения, чтобы найти относительную массу протонов и электронов.

В 1920 году Резерфорд выдвинул теорию о существовании нейтрона. А в 1932 году Джеймс Чедвик уже обнаружил его. Тонкий лист бериллия был подвергнут бомбардировке атомами. Высвобожденные субатомные частицы без заряда оказались нейтронами.

Нейтроны – это незаряженные частицы, обнаруженные во всех атомных ядрах (за исключением водорода-1). Масса нейтрона намного больше массы протона. Подобно протонам, нейтроны также состоят из кварков – одного с положительным зарядом и двух с отрицательным.

Изотопы

Число нейтронов в ядре определяет изотоп этого элемента. Например, водород имеет три изотопа – протий, дейтерий и тритий. Протий, или 1Н, является обычным водородом – он имеет один протон и один электрон и не имеет нейтронов. Дейтерий (D или 2H) имеет один протон, один электрон и один нейтрон. Тритий (3Н или Т) имеет один протон, один электрон и два нейтрона.

История атома

Теория атома исходит от греческого ученого и философа Демокрита и датируется 440 г. до нашей эры. Скорее всего он построил свою теорию атома на работе прошлых философов.

Например, Парменид, учитель Демокрита, известен тем, что предложил принцип идентичности. Этот принцип гласит, что все вместе образует бытие.

Другие философы, включая Демокрита, продолжили его работу, что привело к созданию теории атома.

Демокрит

Объяснения атома Демокритом начинается с камня. Камень, поделенный пополам, дает две половины одного и того же камня. Если бы камень продолжали делить, то в какой-то момент появился бы кусок камня, настолько маленький, чтобы его нельзя было поделить.

По мнению Демокрита, атом должен быть точкой, в которой любая форма материи больше не могла бы быть разделена.

Его теория включала идеи о том, что атомы существуют отдельно друг от друга, что существует бесконечное количество атомов, способных двигаться и объединятся для создания материи, но не в коем случае не сливаться, создавая новый атом.

Также он утверждал, что атом является неделимым. Однако, поскольку большинство философов того времени, особенно влиятельный Аристотель, считали, что вся материя была создана из земли, воздуха, огня и воды, теория атома Демокрита была надолго отложена в сторону.

Британский химик Джон Дальтон в 1803 году построил свою атомную теорию на идеях Демокрита. Теория Дальтона заключала в себя несколько идей Демокрита – то что атом неделимый и неразрушимый, что разные атомы собираются вместе, чтобы создать материю.

Дополнения Дальтона к теории были в идеях, что все атомы определенного элемента идентичны, что атомы одного элемента имеют другой вес и другие свойства, нежели у атомов других элементов.

Атомы не могут быть созданы и уничтожены и материя образуется атомами, объединяющимися в простые целые числа.

Джон Дальтон

В 1897 году британский физик Дж.Дж. Томсон открыл электрон. Тем самым он доказал, что на самом деле атомы могут быть разделены. Он смог определить существование отрицательно заряженных частиц, изучив свойства электрического разряда в электронно-лучевых трубках.

В статье 1897 года Томсон писал, что лучи были отклонены в трубке, что доказывало то, что в вакуумной трубке есть что-то отрицательно заряженное. В 1899 году он опубликовал описание своей версии атома, широко известной как “пудинговая модель атома“.

Модель атома Томсона включала в себя большое количество электронов, подвешенных в облаке положительного заряда, что обеспечивало электронейтральность атома. Электроны в этой модели располагались так, что напоминали изюм в британском десерте.

Дж.Дж. Томсон

Следующим ученым, который внес изменения и развил атомную модель, был Эрнест Резерфорд, который учился под руководством Томсона.

В 1911 он опубликовал свою версию атома, которая включала положительно заряженное ядро, и отрицательно заряженные электроны вокруг него.

Планетарная модель атома появилась после того, как Резерфорд с помощниками выпустил по тонкой фольге из золота альфа-частицы, состоящие из двух протонов и двух нейтронов, удерживаемых той же электростатической силой, которая связывает ядро любого атома.

Эрнест Резерфорд

Ученые заметили, что небольшой процент альфа-частиц был рассеян под очень большим углом к первоначальному направлению движения.

Резерфорд смог ориентировочно вычислить размер ядра атома золота, обнаружив, что оно в 10 000 раз меньше, чем размер всего атома. При этом большая часть атома является пустым пространством.

Модель атома Резерфорда по-прежнему остается базовой моделью, которая используется сегодня, несмотря на ее ограниченные возможности.

Несколько других ученых в последствии продвигали атомную модель. Нильс Бор продвигал теорию, построенную на модели Резерфорда, включив в нее свойства электронов на основе спектра водорода.

Эрвин Шредингер разработал квантовую модель атома. Вернер Гейзенберг указал, что нельзя узнать одновременно положение и скорость электрона.

А Мюррей Гелл-Манн и Джордж Цвейг, независимо друг от друга, разработали теорию о том, что протоны и нейтроны состоят из кварков.

Эрвин Шредингер

Источник: //zen.yandex.ru/media/id/5ae194d5bcf1bc97d58f4283/5b0274c91410c3e49332f489

Строение атома

Что больше атом или электрон. Атомы

Темы кодификатора ЕГЭ: Строение электронных оболочек атомов элементов первых четырех периодов: s-, p- и d-элементы. Электронная конфигурация атомов и ионов. Основное и возбужденное состояние атомов.

Тренировочные тесты в формате ЕГЭ по теме «Строение атома» (задание 1 ЕГЭ по химии) ( с ответами)

Одну из первых моделей строения атома — «пудинговую модель» — разработал Д.Д. Томсон в 1904 году. Томсон открыл существование электронов, за что и получил Нобелевскую премию. Однако наука на тот момент не могла объяснить существование этих самых электронов в пространстве.

Томсон предположил, что атом состоит из отрицательных электронов, помещенных в равномерно заряженный положительно «суп», который компенсирует заряд электронов (еще одна аналогия — изюм в пудинге). Модель, конечно, оригинальная, но неверная.

Зато модель Томсона стала отличным стартом для дальнейших работ в этой области.

И дальнейшая работа оказалась эффективной. Ученик Томсона, Эрнест Резерфорд, на основании опытов по рассеянию альфа-частиц на золотой фольге предложил новую, планетарную модель строения атома.

Согласно модели Резерфорда, атом состоит из массивного, положительно заряженного ядра и частиц с небольшой массой — электронов, которые, как планеты вокруг Солнца, летают вокруг ядра, и на него не падают.

Модель Резерфорда оказалась следующим шагом в изучении строения атома. Однако современная наука использует более совершенную модель, предложенную Нильсом Бором в 1913 году. На ней мы и остановимся подробнее.

Атом — это мельчайшая, электронейтральная, химически неделимая частица вещества, состоящая из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженной электронной оболочки.

При этом электроны двигаются не по определенной орбите, как предполагал Резерфорд, а довольно хаотично. Совокупность электронов, которые двигаются вокруг ядра, называется электронной оболочкой.

Атомное ядро, как доказал Резерфорд — массивное и положительно заряженное, расположено в центральной части атома. Структура ядра довольно сложна, и изучается в ядерной физике. Основные частицы, из которых оно состоит — протоны и нейтроны. Они связаны ядерными силами (сильное взаимодействие).

Рассмотрим основные характеристики протонов, нейтронов и электронов:

ПротонНейтронЭлектрон
Масса1,00728 а.е.м.1,00867 а.е.м.1/1960 а.е.м.
Заряд+ 1 элементарный заряд0— 1 элементарный заряд

1 а.е.м. (атомная единица массы) = 1,66054·10-27 кг

1 элементарный заряд = 1,60219·10-19 Кл

И — самое главное.

Периодическая система химических элементов, структурированная Дмитрием Ивановичем Менделеевым, подчиняется простой и понятной логике: номер атома — это число протонов в ядре этого атома.

Причем ни о каких протонах Дмитрий Иванович в XIX веке не слышал. Тем гениальнее его открытие и способности, и научное чутье, которое позволило перешагнуть на полтора столетия вперёд  в науке.

Следовательно, заряд ядра Z равен числу протонов, т.е. номеру атома в Периодической системе химических элементов. 

Атом — это на заряженная частица, следовательно, число протонов равно числу электронов: Ne = Np = Z.

Масса атома (массовое число A) равна суммарной массе крупных частиц, которе входят в состав атома — протонов и нейтронов. Поскольку масса протона и нетрона примерно равна 1 атомной единице массы, можно использовать формулу: M = Np + Nn

Массовое число указано в Периодической системе химических элементов в ячейке каждого элемента.

Обратите внимание!При решении задач ЕГЭ массовое число всех атомов, кроме хлора, округляется до целого по правилам математики. Массовое число атома хлора в ЕГЭ принято считать равным 35,5.

Таким образом, рассчитать число нейтронов в атоме можно, вычтя из массового числа номер атома: Nn = M – Z.

В Периодической системе собраны химические элементы — атомы с одинаковым зарядом ядра. Однако, может ли меняться у этих атомов число остальных частиц? Вполне. Например, атомы с разным числом нейтронов называют изотопами данного химического элемента. У одного и того же элемента может быть несколько изотопов.

Попробуйте ответить на вопросы. Ответы на них — в конце статьи:

  1. У изотопов одного элемента массовое число одинаковое или разное?
  2. У изотопов одно элемента число протонов одинаковое или разное?

Химические свойства атомов определяются строением электронной оболочки и зарядом ядра. Таким образом, химические свойства изотопов одного элемента практически не отличаются.

Поскольку атомы одного элемента могут существовать в форме разных изотопов, в названии часто указывается массовое число, например, хлор-35, и принята такая форма записи атомов:

Еще немного вопросов:

3. Определите количество нейтронов, протонов и электронов в изотопе брома-81.

4. Определите число нейтронов в изотопе хлора-37.

Строение  электронной оболочки

Согласно квантовой модели строение атома Нильса Бора, электроны в атоме могут двигаться только по определенным (стационарным) орбитам, удаленным от ядра на определенное расстояние и характеризующиеся определенной энергией. Другое название стационарны орбит — электронные слои или энергетические уровни.

Электронные уровни можно обозначать цифрами — 1, 2, 3, …, n. Номер слоя увеличивается мере удаления его от ядра. Номер уровня соответствует главному квантовому числу n.

В одном слое электроны могут двигаться по разным траекториям. Траекторию орбиты характеризует электронный подуровень. Тип подуровня характеризует орбитальное квантовое число l = 0,1, 2, 3 …, либо соответствующие буквы — s, p, d, g и др.

В рамках одного подуровня (электронных орбиталей одного типа) возможны варианты расположения орбиталей в пространстве.

Чем сложнее геометрия орбиталей данного подуровня, тем больше вариантов их расположения в пространстве.

Общее число орбиталей подуровня данного типа l можно определить по формуле: 2l+1. На каждой орбитали может находиться не более двух электронов.

Тип орбиталиspdfg
Значение орбитального квантового числа l01234
Число атомных орбиталей данного типа 2l+113579
Максимальное количество электронов на орбиталях данного типа26101418

Получаем сводную таблицу:

Номер уровня, n

Подуро-веньЧисло

АО

Максимальное количество электронов
11s1  2
22s1    2
2p3  6

3

3s1  2
3p3  6
3d5 10

4

4s1   2
4p3    6
4d510
4f7

 14

Заполнение электронами энергетических орбиталей происходит согласно некоторым основным правилам. Давайте остановимся на них подробно.

Принцип Паули (запрет Паули): на одной атомной орбитали могут находиться не более двух электронов с противоположными спинами (спин — это квантовомеханическая характеристика движения электрона).

Правило Хунда. На атомных орбиталях с одинаковой энергией электроны располагаются по одному с параллельными спинами. Т.е.

орбитали одного подуровня заполняются так: сначала на каждую орбиталь распределяется по одному электрону.

Только когда во всех орбиталях данного подуровня распределено по одному электрону, занимаем орбитали вторыми электронами, с противоположными спинами.

Таким образом, сумма спиновых квантовых чисел таких электронов на одном энергетическом подуровне (оболочке) будет максимальной.

Например, заполнение 2р-орбитали тремя электронами будет происходить так: , а не так: 

Принцип минимума энергии. Электроны заполняют сначала орбитали с наименьшей энергией. Энергия атомной орбитали эквивалентна сумме главного и орбитального квантовых чисел: n + l. Если сумма одинаковая, то заполняется первой та орбиталь, у которой меньше главное квантовое число n.

АО1s2s2p3s3p3d4s4p4d4f5s5p5d5f5g
n122333444455555
l001012012301234
n + l123345456756789

Таким образом, энергетический ряд орбиталей выглядит так:

1s< 2s< 2 p< 3s< 3p< 4s< 3d< 4p< 5s< 4d< 5p< 6s< 4f~5d< 6p< 7s

Источник: //chemege.ru/stroenie-atoma/

WikiHelpProstuda.Ru
Добавить комментарий