Химическая частица в какой частице содержится

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!

Химия – наука о веществах, их свойствах, превращениях и явлениях, сопровождающих эти превращения.

Вещества – это то, из чего состоят предметы (физические тела) окружающего мира. Вещества, существующие в природе, постоянно претерпевают различные изменения.

Явления – различные изменения, которые происходят с веществами.

Физические явления – явления, не сопровождающиеся превращениями одних веществ, в другие (обычно изменяется агрегатное состояние веществ или их форма).

Химические явления – явления, в результате которых из данных веществ образуются другие.

Иначе химические явления называют химическими реакциями.

Каждое вещество обладает строго определёнными свойствами.

Свойства веществ – признаки, позволяющие отличить одни вещества от других, или установить сходство между ними.

Физические свойства:

m – масса, V – объём, ρ – плотность.

Масса может быть выражена в граммах, объем в миллилитрах (если это жидкость) или литрах (если это газ).

1 мл = 1 см3, 1 л = 1 дм3, 1000 л = 1 м3

Поэтому плотность измеряют в г/мл, г/см3 (если это жидкость), или в г/л, г/дм3 (если это газ).

Если принять V = 1, то плотность – это масса единичного объёма вещества.

Химические свойства – это те химические реакции, в которые вступает данное вещество.

Так же можно сказать, что химические свойства – это те химические реакции, которые характеризуют группу веществ (класс веществ). Например, мы будем в дальнейшем изучать свойства воды, свойства класса оксидов, свойства класса алканов и т.д.

ООсновы атомно – молекулярного учения

Идея о том, что вещества состоят из мельчайших частиц возникла в Древней Греции в философских учениях Левкиппа и его ученика Демокрита. Эти частицы они назвали атомами (неделимые).

Существование атомов было доказано эмпирическим путём в конце 16 – начале 17 века Джоном Дальтоном и М. В. Ломоносовым. Ими же были заложены основы атомно – молекулярного учения.

В настоящее время, в связи с открытием делимости атома и появлением теории химической связи, основные положения атомно – молекулярного учения существенно изменились. Его суть можно свести к ряду важных положений, которые необходимо запомнить.

Все вещества, существующие в природе, представляют собой совокупность очень большого числа частиц (атомов, молекул или ионов). В зависимости от типа частиц все вещества условно подразделяют на две группы: вещества молекулярного строения и вещества немолекулярного строения (атомного или ионного).

Вещества молекулярного строения – вещества, основной структурной единицей которых является молекула.

Вещества немолекулярного строения – вещества, основными структурными единицами которых являются атомы или ионы.

Частицы, из которых состоит данное вещество, взаимодействуют между собой посредством электромагнитных (кулоновских) сил и находятся в постоянном движении. Движение частиц ограничено силами взаимодействия между ними.Каждое вещество, в зависимости от условий (температуры, давления) может находиться в определённом агрегатном состоянии.

В твёрдом агрегатном состоянии вещества, составляющие его частицы находятся относительно упорядоченно (кристаллическое состояние), их кинетическая энергия (энергия движения) существенно меньше чем потенциальная (энергия покоя). В газообразном состоянии, частицы свободно движутся в предоставленном им объёме и их кинетическая энергия существенно выше чем потенциальная.

В жидкости же потенциальная энергия частиц примерно равна их кинетической энергии. Это связано с тем, что часть частиц жидкости находится относительно упорядоченно в составе так называемых кластеров(англ. cluster— скопление). Другие же частицы свободно перемещаются по объёму жидкости. Чем ниже температура жидкости, тем больше в ней кластеров и наоборот.

Рис. Кластеры воды, где число молекул 20-220

Следует отметить, что существуют еще два дополнительные “состояния”. Это жидкокристаллическое состояние и состояние плазмы.

Цитоплазматическая мембрана клетки – типичный пример жидкого кристалла. Молекулы фосфолипидов в биологической мембране относительно упорядоченно распределяются в двух слоях, но при этом могут в пределах слоя свободно перемещаться, а также “перескакивать” из одного слоя в другой.

Жидкие кристаллы имеют широкое применение в технике (напр., ЖК-мониторы компьютеров).

Плазма (от греч. πλάσμα «вылепленное», «оформленное») — ионизованный газ.

Плазма в своём составе содержит свободные электроны, катионы (положительно заряженные ионы) и анионы (отрицательно заряженные ионы).

Так как плазма содержит заряженные частицы, то она проводит электрический ток и на неё можно воздействовать внешним магнитным полем. Различают низкотемпературную и высокотемпературную плазму.

Изучает свойства плазмы наука физика.

Вещество из одного агрегатного состояния может переходить в другие агрегатные состояния при изменении внешних условий – температуры (T) и давления (P). Такие переходы принято называть фазовыми переходами.

Так, при повышении температуры, твердое вещество превращается в жидкость, а жидкость при ещё большей температуре превращается в газ. Дальнейшее повышение температуры переводит газ в плазму. При таких переходах вещество в другие вещества не превращается. Напомним, что такие явления мы называем физическими. Поэтому фазовые переходы – это физические явления.

При понижении температуры происходят обратные фазовые переходы – газ превращается в жидкость, а жидкость переходит в твердое состояние.

Фазовые переходы имеют названия.

Твердое —> Жидкое (плавление, обратный переход – кристаллизация)

Жидкое —> Газообразное (испарение, обратный переход – конденсация)

Газообразное —> Плазма (ионизация, обратный переход – деионизация)

Твердое —> Газообразное (сублимация или возгонка, обратный переход – десублимация)

Вещество – совокупность большого числа частиц, находящаяся в определённом агрегатном состоянии в зависимости от условий (температуры и давления).

Поэтому, например, такая фраза как: “Вода – жидкое вещество”, является некорректной. Если мы говорим об агрегатном состоянии вещества, то следует обязательно уточнить условия в которых находится вещество – температуру и давление. Такая фраза как: “При нормальном атмосферном давлении и комнатной температуре, вода – жидкое по агрегатному состоянию вещество”, является правильной.

С точки зрения физики, что более точно, вещество – это форма материи, состоящая из частиц, обладающих массой покоя. Существуют частицы, не обладающие массой покоя, например, фотоны. Материя, состоящая из частиц, не обладающих массой покоя называется поле.

Протоны, нейтроны, электроны – это частицы, обладающие массой покоя, следовательно это частицы вещества. Но химия не изучает вещество, состоящее, к примеру, из электронов (электронный газ), или вещество, состоящее из нейтронов (нейтронный газ). Это удел физики.

Химия изучает вещества, состоящие из атомов, молекул или ионов.

Ввиду этого вещество условно можно подразделить на физическое (электронный газ в проводнике, нейтронный газ и т.д.) и химическое (состоящее из атомов, молекул, ионов, свободных радикалов).