Строение атома
Содержание
Введение
С древнейших времён люди старались понять, из чего устроен окружающий нас мир и для упрощения изучения всех аспектов выделили отдельные естественные науки. На данный момент (2024 год) теоретически описано и экспериментально доказано, что всё вокруг нас является или материей или полями. Первое наиболее интересно для химиков, поэтому повторим мысленные эксперименты древнегреческих и древнеиндийских ученых: возьмём какое-то среднестатистическое растение и представим, что можем разделять его на отдельные части в порядке уменьшения их структуры. Тогда мы получим следующую иерархию:
1) Органы (корни, стебель, листья, почки, и т.д.)
2) Ткани (покровные, механические, проводящие и т.д.)
4) Органоиды клеток (вакуоль, хлоропласт, митохондрия)
5) Молекулы (целлюлоза, РНК, вода)
6) Атомы (углерод, водород, кислород)
Атомы
Ещё древние учёные предположили, что есть некоторый предел, после которого невозможно делить материю и такой уровень назвали атомами. В дальнейшем люди подтвердили эти догадки, что используя только химические эксперименты мы действительно не сможем разделить эти самые атомы. Однако с использованием более передовых физических методов возможно установить структуру и даже разделить атомы на более простые частицы (протоны, нейтроны и электроны и далее до кварков и других частиц). Оставаясь в рамках только химии дадим несколько основополагающих определений и сравним эти сущности.
Атом – это мельчайшая электронейтральная химически неделимая частица, из множества которых образуется вся материя.
Химический элемент – это определённый вид атомов, отличающихся зарядом ядра.
На текущий момент (2024 год) человечеству известно 118 химических элементов, из которых 94 были найдены в природе, и ещё 24 элемента были созданы человеком искусственно.
Химический элемент – это как описание какого-то идеального «борща» в меню. Такое описание невозможно потрогать, но оно описывает его свойства. В то время как данная тарелка борща – это физический экземпляр понятия «борщ», который соответствует конкретному атому.
Ещё раз: химический элемент – это общее описание, нематериальное; атом химического элемента – конкретный физический объект, очень даже материальный.
Общее строение атома
Чтобы понять само определение атома и дальнейшие темы по химии на качественном уровне, надо изучить строение атома.
На данный момент для удобства изучения строения атома на школьном уровне используется планетарная модель Резерфорда-Бора с минимальным введением в квантовую механику. Согласно этой модели, атом подобен звездной системе, где в центре находится некоторое ядро, вокруг которого располагаются электроны (точнее электронные облака и термин "летают" – не самый подходящий). Почти вся масса атома заключена в ядре, которое состоит из протонов и нейтронов, связанных сильным взаимодействием.
Электроны – квантовая материя, проявляющая то свойства частиц, то свойства волны (привет от корпускулярно-волнового дуализма), поэтому для них не всегда применимы классические законы физики и была придумала специальная квантовая механика. Для хорошего понимая основ химии придётся слегка её коснуться, но в следующих статьях, поскольку вся дальнейшая химия и почти все химические и физические свойства материалов связаны именно с электронами.
Поскольку все субатомные частицы (протоны, нейтроны и электроны) очень малы и имеют крайне маленькие массы, для них используются специальные атомные единицы массы (а.е.м.), где 1 а.е.м. = 1 Дальтон = 1,660 539 068 92(52)⋅10⁻²⁷ кг. Массы протона и нейтрона примерно равны 1 а.е.м., а масса электрона в тысячу раз меньше их массы, что физиками описывается как «пренебрежимо мало» и округляется до нуля.
К сожалению, на данном этапе развития технологий, всем нам остаётся слепо поверить в истинность данной модели, поскольку даже передовые устройства для изучения структуры молекул или атомов крайне дорогие, сложные и каждое из них даёт только часть общей картины строения атома.
Количество частиц в атоме
Атом является электронейтральной частицей, из чего можно сделать вывод об одинаковом числе электронов и протонов в атоме. Однако в ходе взаимодействия атомов друг с другом количество электронов может меняться, поэтому каждый химический элемент определяется неизменным числом, называемым зарядом ядра (Z) и численно равным количеству протонов (N(p)) в ядре этого атома и порядковому номеру этого химического элемента.
Масса атома (A) складывается из масс протонов и нейтронов, поэтому количество нейтронов равно разности массы ядра и количества протонов:
Внимательные заметят, что количество нейтронов в ядре атома химического элемента никак не зафиксировано. И действительно, в ядрах атомов одного и того же химического элемента может быть различное количество нейтронов. Такие атомы с различным количеством нейтронов и, как следствие, с различной массой, называются изотопами. Из-за этого указанные в периодической таблице Д.И. Менделеева относительные атомные массы элементов являются дробными величинами, потому что учитывают мольную концентрацию (в %) каждого из стабильных изотопов на планете Земля. Более того, для некоторых элементов указанные округлённые до целых массы не соответствуют самому распространённому изотопу (барий, ртуть, свинец), или вообще ни одному стабильному изотопу (например, цинк, медь, бром, серебро, иридий и другие), или же специально используют дробное значение относительной атомной массы (хлор).
Почти у всех химических элементов были обнаружены или получены различные изотопы, но не все из них стабильны. Чаще всего, если количество нейтронов более чем в полтора раза превышает количество протонов, то такое ядро становится нестабильным и такие атомы называют радиоактивными.
Итог
Атомы похожи на звёздные системы, где в центре находится ядро, вокруг которого существуют электроны. Разные виды атомов называют химическими элементами, которые отличаются друг от друга зарядом ядра (Z = N(p) = N(e)), равным количеству протонов в ядре и общему количеству электронов вокруг этого ядра. Эта величина равна порядковому номеру элемента в периодической таблице Д.И. Менделеева. Количество нейтронов для одного и того же химического элемента не является постоянной величиной, что объясняет существование изотопов. Для определения среднестатистического количества нейтронов надо вычесть из массы атома его порядковый номер (N(n) = A - Z). В следующей части подробнее разберём, как выглядят эти самые электронные облака, которые определяют почти все физические и химические свойства материалов.
Что изучают на уроках химии: полный план
Физические и химические явления