Презентация была опубликована 6 лет назад пользователемЕкатерина Гнедич
Похожие презентации
Презентация на тему: » «Мечта атома». Все дело в стабильности! Все атомы стремятся к стабильности – завершить внешний энергетический уровень. Стабильное состояние – конфигурация.» — Транскрипт:
2 Все дело в стабильности! Все атомы стремятся к стабильности – завершить внешний энергетический уровень. Стабильное состояние – конфигурация ближайшего благородного газа. «Заветная мечта» каждого атома – 8 электронов на внешнем уровне (кроме водорода и гелия – у них 2).
3 Химическое «поведение» атомов Атомы активных элементов на внешнем энергетическом уровне имеют от 1 до 7 электронов (соответственно номеру группы Периодической системы). Для достижения «заветной» мечты атомы отдают или приобретают электроны, соединяясь друг с другом. Обмен электронами – движущая сила химических реакций и свойств!
4 Количество – в качество! Li) ) Be) ) B) ) C) ) N) ) O) ) F) ) Атомы элементов одного периода имеют одно число энергетических уровней, но отличаются числом электронов на внешнем уровне. Чем меньше электронов – тем легче их отдать. Такие элементы будут проявлять металлические свойства Чем больше электронов – тем легче забрать их до завершения уровня. Так проявляются неметаллические свойства.
5 Количество – в качество! Атомы элементов одной подгруппы Периодической системы имеют одно число электронов на внешнем уровне, но разное число уровней. Чем больше уровней, тем больше F )) радиус атома, тем легче Cl))) отдавать электроны. Br)))) В группе поэтому сверху I ))))) вниз увеличиваются At)))))) металлические свойства элементов.
6 Количество – в качество! Конечный результат перехода количества в качество – образование миллионов веществ со всем их разнообразием физических и химических свойств!
Атомы: строительные блоки молекул
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).
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?
Правило октета
Атомы стремятся отдавать или принимать электроны до тех пор, пока в их внешнем слое не станет 8 электронов.
Расположение химических элементов в периодической системе Менделеева объясняется тем, как электроны заполняют доступные энергетические уровни, или слои, в атоме. Например, благородные газы, такие как неон, ксенон и аргон, имеют во внешнем слое по 8 электронов (то есть слой заполнен) — и поэтому они неохотно вступают в химические реакции. Самое низкое энергетическое состояние (и, следовательно, самое устойчивое) в большинстве случаев имеют атомы с заполненным внешним электронным слоем. На этом и построено правила октета.
Правило октета объясняет, как атомы образуют ионы. Рассмотрим в качестве примера натрий. В его атоме 11 электронов: два во внутреннем слое, восемь в следующем и один во внешнем слое. Этот внешний электрон очень подвижен, поэтому, если атому натрия передается энергия (например, в результате столкновения с другим атомом), он легко образует ион натрия с единичным положительным зарядом. Чтобы удалить электрон с внутреннего слоя, энергии потребуется в десять раз больше, поэтому ион натрия с двойным положительным зарядом — большая редкость. Точно так же кальций, имеющий 2 электрона во внешнем слое и 8 в следующем, более низком слое, образует ион, теряя 2 электрона. То есть, когда атомы превращаются в ионы, они по строению становятся похожи на атомы благородных газов.
Правило октета помогает нам понять, как устроены химические связи. Но оно работает далеко не для всех элементов. Например, олово имеет во внешнем незаполненном слое 14 электронов, но может отдавать только 2 или 4 электрона: отрыв большего количества электронов потребовал бы непомерных затрат энергии. Поэтому олово образует ионы с положительным зарядом 2 или 4.
Правило октета — одно из тех правил, которые отражают на первый взгляд случайные закономерности, выведенные химиками из опыта и наблюдений. Однако эти закономерности легко могут быть объяснены в терминах атомной теории строения вещества.
Атомы и молекулы: что о них известно
Атомы и молекулы: Freepick
С изучения атомов и молекул начинается знакомство с химией. Современной науке известны миллионы молекул. Разобраться с их строением и свойствами помогут особенности мельчайшей частицы — атома.
Что такое атомы
С древних времен люди стремились изучить природу вещей, которые их окружали. Постепенно пришли к мысли о том, что все вокруг состоит из мельчайших частиц.
По мере развития науки появилось понятие об атомах и молекулах. Эти частички чрезвычайно малы, и невооруженным глазом их не разглядеть. Любое крошечное количество вещества, например, пылинка, содержит невероятно большое количество атомов и молекул.
Что же такое атом? Так называют мельчайшую химически неделимую частицу вещества, а также наименьшую часть химического элемента, которая отражает его свойства. Атомы очень маленькие: их размеры находятся в диапазоне от 1 до 5 ангстрем (обозначается — Å.). Один ангстрем — это 10⁻¹⁰ м.
Когда атомы только открыли, их считали самыми маленькими из возможных частиц. Но сегодня нам известна их внутренняя структура:
Например, в атоме гелия есть ядро с двумя протонами и двумя нейтронами, а вокруг него двигаются по своим орбитам два электрона.
Мир атомов: Freepick
Элементарные или субатомные частицы во всех атомах одинаковы, отличается только их количество:
Ядра атомов заряжены положительно, так как в них находятся положительно заряженные протоны и нейтральные нейтроны. По величине заряд соответствует количеству протонов в ядре и равен порядковому номеру элемента в периодической системе.
Заряды протонов и электронов одинаковые по величине, но имеют противоположные знаки. В любом атоме число протонов и электронов равно. Поэтому заряд ядра и суммарный заряд всех электронов также равны, но имеют противоположные знаки. Следовательно, атом — электронейтральная частица.
Каждый известный атом обозначен специальным символом — латинской буквой. Все они представлены в периодической системе Д. И. Менделеева.
На современном этапе развития науки ученые стремятся разрушить атом, чтобы получить еще более мелкие частички. Однако они очень неустойчивы, и добиться их долговременного существования пока не получается.
Что известно о молекулах
Атомы различным образом соединяются друг с другом. Как из букв алфавита составляются тысячи слов, так одни и те же атомы образуют молекулы большого количества разных веществ, которые видим в окружающем мире.
Молекулой называют наименьшую частицу вещества, которая определяет его свойства и способна к самостоятельному существованию. Каждая молекула строится из атомов, которые составляют ее массу:
Таким образом, вещества не вечны, так как их молекулы не могут быть вечными. Однако их атомы практически вечны. В тех веществах и предметах, которые окружают нас сегодня, находятся атомы, которые существовали еще во времена динозавров, походов Александра Македонского и открытия Колумбом Америки.
Что такое молекулы: Freepick
Хоть молекулы и очень малы, их устройство определяют с помощью различных физических и химических методов. Чистые вещества состоят из молекул одного вида.
Если в физическом теле есть молекулы разных видов, то речь идет о смеси веществ. Когда в быту говорим о чистом воздухе, то называем так сложную смесь различных газообразных веществ. Химику придется серьезно поработать, чтобы выделить из нее отдельные чистые вещества.
Все вещества делят на простые и сложные:
Часто физические тела состоят из молекул нескольких веществ. Их называют смесями. Важно не путать сложные вещества и смеси. Если в сложном веществе содержатся молекулы одного вида, то это не смесь.
Благодаря свойству атомов объединяться в разных вариациях количество веществ, как и видов молекул, бесконечно. Никто не сможет точно назвать число веществ, которые сегодня известны людям. Ориентировочно их количество исчисляется миллионами, а химики каждый день создают новые молекулы.
Таким образом все вещества, которые мы видим вокруг нас, состоят из молекул, а те, в свою очередь, построены из атомов. Ученым удалось исследовать мельчайшие частички — атомы — и подробно описать их структуру. Эти знания стали ключом к пониманию природы молекул и даже дали возможность создавать новые молекулы.
Узнавайте обо всем первыми
Подпишитесь и узнавайте о свежих новостях Казахстана, фото, видео и других эксклюзивах.
К чему стремятся все атомы
Теперь, основываясь на этих законах, можем (наконец-то) перейти и к типам химической связи. Если связь образована двумя элементами-металлами, то связь между ними будет металлическая, также будет называться и кристаллическая решётка металлов и их сплавов. Поскольку металлы склонны отдавать электроны, делают они это и в своих кристаллах, получается, что атомы металлов отдают свои валентные электроны во внешнее пространство, а сами ионизируются – превращаются в положительно заряженные частицы – катионы. Катионы находятся в узлах такой решётки, а их электроны свободно движутся по всему кристаллу, образуя электронное облако. Оно «не улетает» из-за электростатического взаимодействия с катионами, поэтому металлическая связь и не разваливается. Благодаря такой связи и металлической решётке металлы и их сплавы блестящие, твёрдые, ковкие материалы.
Иначе образуется связь между двумя атомами-неметаллами. Обоим нужны электроны для завершения валентного уровня, поэтому эти элементы, чтобы не остаться в проигрыше, образуют общие на двоих электронные пары. Такая связь называется ковалентной. Также атомы-неметаллы характеризуются ещё и тем, насколько сильно они притягивают к себе электроны. Эта способность называется электроотрицательностью – она растёт снизу вверх по группе (от иода к фтору), и слева направо по периоду (от лития к фтору). Если связь образована двумя одинаковыми неметаллами – в простом веществе – то их э.о. одинакова, электронная пара не смещена, и она будет называться ковалентной неполярной. Если же образуется соединение из разных атомов-неметаллов, то их э.о. будет разной и общая электронная пара будет смещена в направлении более э.о. элемента. Из-за того, что в одной части молекулы электронов – носителей отрицательного заряда – больше, чем в другой, молекула приобретает положительно и отрицательно заряженный полюс – становится диполем. Такая связь называется ковалентной полярной. Кристаллическая решётка соединений, образованных молекулами неметаллов, называется молекулярной. Она менее прочна, чем металлическая, у неё появляется такое свойство как летучесть.
Проще всего образуется связь между металлом и неметаллом: металл отдаёт свои «лишние» электроны атому-неметаллу, который с радостью достраивает ими свою валентную оболочку до восьмиэлектронной. При этом металл становится катионом – положительно заряженной частицей, а неметалл – анионом, отрицательно заряженной частицей. Причём, если в диполе более э.о. элемент просто стягивает на себя электронную плотность, они всё равно принадлежат всей молекуле, то здесь неметалл забирает эти электроны себе «насовсем». Ионы связаны между собой электростатически, а такая кристаллическая решётка называется ионной. Ионная связь присуща в первую очередь солям, которые образованы ионом металла и кислотным остатком.
Таким образом, мы можем выделить четыре типа связи, образующихся между атомами элементов: металлическую, ковалентную полярную и неполярную, ионную. Каждому из них соответствует свой тип кристаллической решётки, который обуславливает свойства соответствующих им веществ. Но не только атомы взаимодействуют между собой: химическая связь может образовываться и между целыми молекулами и их фрагментами. Именно межмолекулярным связям и будет посвящена следующая статья.
