ХИМИЯ 10

4. Вычислим молярную массу неизвестного соединения по его относительной плотности:

M(CxHyOz) = 29·Dвозд = 29·2,07 ≈ 60 г/моль.

5. Найдём молярную массу СН2О:

M(CH2O) = 1·12 + 2·1 + 1·16 = 30 г/моль.

6. Определим соотношение между величинами молярной массы неизвестного вещества и молярной массы СН2О:

7. Составим молекулярную формулу вещества. Поскольку молярная масса данного вещества в 2 раза больше молярной массы CH2O, индексы в этой формуле нужно увеличить в 2 раза:

(CH2O)·2 = C2H4O2.

Ответ: молекулярная формула вещества — C2H4O2.

Вопросы и задания

1.Даны порции веществ: а) меди массой 0,64 г; б) воды массой 3,6 г; в) Al2O3 массой 51 г; г) глюкозы C6H12O6 массой 45 г. Рассчитайте химическое количество каждого из этих веществ и число содержащихся в них атомов.

2.Алюминий массой 0,54 г полностью прореагировал с серой, масса которой составляла 0,96 г. Установите формулу продукта реакции и назовите его.

3.В соединении азота с водородом массовая доля водорода составляет 12,5 %. Установите молекулярную формулу этого соединения, если его относительная плотность по воздуху равна 1,1.

4.При прокаливании кристаллической соды Na2CO3 · хH2O массой 5,72 г образовалось безводное твёрдое вещество массой 2,12 г. Определите формулу исходного кристаллогидрата.

5.Газовая смесь состоит из кислорода объёмом (н. у.) 4,48 дм3 и оксида серы(IV) объёмом (н. у.) 6,72 дм3. Рассчитайте массу этой смеси и её относительную плотность по водороду. Какой объём (н. у.) оксида серы(VI) можно получить при взаимодействии указанных веществ?

6.При термическом разложении некоторого вещества массой 2,45 г образовался хлорид калия массой 1,49 г и выделился кислород объёмом (н. у.) 672 см3. Определите формулу этого вещества.

7.При полном сжигании органического вещества массой 13,8 г образовались оксид углерода(IV) массой 26,4 г и вода массой 16,2 г. Найдите молекулярную формулу

вещества, если относительная плотность его паров по водороду равна 23.

Состав атомных ядер

Согласно современным представлениям ядра атомов состоят из двух видов частиц: протонов и нейтронов, имеющих общее название нуклоны (от лат. nucleus — ядро).

Протоны и нейтроны имеют практически одинаковую массу, равную примерно 1u, т. е. одной атомной единице массы (см. § 4). Протон (его символ p) имеет заряд 1+, а нейтрон (символ n) электронейтрален.

Заряд электрона (символическое обозначение e–) равен 1–, а масса в 1836 раз меньше массы протона. Отсюда понятно, что практически вся масса атома сосредоточена в его ядре.

В таблице 4 приведены основные характеристики элементарных частиц, входящих в состав атома.

Таблица 4. Основные характеристики элементарных частиц, входящих в состав атома

Протоны и нейтроны удерживаются в ядре особыми силами, которые так и называются ядерные силы. Ядерные силы действуют только на очень малых расстояниях (порядка 10–13 см), но их величина в сотни и тысячи раз превышает силу отталкивания одноимённо заряженных протонов. Энергия связи нуклонов в ядрах атомов в миллион раз превышает энергию химической связи.

Поэтому при химических реакциях ядра атомов не разрушаются, а происходит лишь перегруппировка атомов.

Число протонов (Z) в ядре атома носит название протонное число. Оно равно атомному номеру элемента и определяет его место в периодической системе. В этом заключается физический смысл атомного номера. Атомный номер определяет место элемента в периодической системе и поэтому его часто называют порядковым номером.

Заряд ядра определяется числом протонов, и поскольку атом в целом электро-

нейтрален, то очевидно, что число протонов в его ядре равно числу электронов.

Общее число протонов (Z) и нейтронов (N) называется массовым (или

нуклонным) числом (А):

A = Z + N.

Массовое число практически определяет массу атома в атомных единицах, так как масса электронов составляет ничтожную часть общей массы атома.

Заряд ядра атома (протонное число) и его массовое число указывают чис-

ловыми индексами слева от символа химического элемента AZX, например: 147N,

5224Cr, 23592U.

Вид атомов с определёнными значениями атомного номера и массового числа называется нуклидом.

Для обозначения нуклидов используют названия элементов или их символы, указывая массовые (нуклонные) числа: углерод-12, или 12C, кислород-17, или

17O, хлор-35, или 35Cl.

Изотопы

Большинство элементов существуют в виде нескольких нуклидов, которые отличаются друг от друга своими массовыми числами. Это объясняется тем, что в их ядрах при одном и том же числе протонов может находиться разное число нейтронов. Так, природный кислород (Z = 18), кроме атомов, в ядрах которых

находится 8 нейтронов 16O, имеет нуклиды с числом нейтронов 9 и 10 — 17O и

18O. Такие нуклиды являются изотопами (от греч. изос — равный, топос — место), т. е. «занимающими одно место» в таблице периодической системы.

Изотопы — нуклиды, имеющие одинаковый атомный номер, но различные массовые числа.

Другими словами, изотопы — это нуклиды одного и того же элемента. Поэтому термин «изотопы» следует употреблять только во множественном числе. Изотопы любого элемента действительно занимают одно место в периодической системе,

так как принадлежат одному и тому же элементу. Следовательно, и химические свойства изотопов данного элемента также будут практически одинаковы.

Теперь мы можем дать более точное определение химического элемента.

Химический элемент — это совокупность всех нуклидов, имеющих одинаковый атомный номер (т. е. одинаковый заряд ядра).

относительная атомная масса данного элемента является средней величиной массовых чисел нуклидов с учётом доли каждого из них в природной смеси. Это объясняет тот факт, что относительные атомные массы большинства эле-

ментов не являются целочисленными величинами.

Например, углерод существует в природе в виде двух нуклидов — 12С (его доля в природной смеси равна 0,9889) и 13С (доля которого равна 0,0111). Относительная атомная масса этого элемента составляет:

Ar(С) = 12·0,9889 + 13·0,0111 = 12,011.

Явление радиоактивности

Все нуклиды делятся на два типа: стабильные и радиоактивные (радио-

нуклиды). Стабильные нуклиды могут существовать без изменения состава ядер неограниченно долго. Поэтому большинство природных нуклидов, входящих в состав окружающих нас веществ, стабильны.

Устойчивому состоянию ядер атомов соответствуют определённые соотношения чисел протонов и нейтронов: для лёгких элементов (с атомными номерами от 1 до 20) — Z/N ≈ 1, для тяжёлых — около 0,6. При нарушении протонно-нейтронного соотношения ядро (а вместе с ним и атом) становится

радиоактивным.

Радиоактивностью называется самопроизвольное превращение неустойчивых атомных ядер в другие ядра, сопровождающееся испусканием различных частиц.

Рис. 7. Основные типы радиоактивных излучений:

1 — источник радиоактивного излучения; 2 — пластины заряженного конденсатора; 3 — лист бумаги; 4 — лист алюминия; 5 — свинцовый блок

Основными типами радиоактивных превращений являются (рис. 7): 1) -распад:

21084Po → 20682Pb + 42He ( -частица);

В данном случае -частица является фактически электроном, образующимся в ядре атома в результате превращения нейтрона в протон:

10n → 11p + e–.

Радиоактивный распад часто сопровождается испусканием -лучей — потока квантов жёсткого электромагнитного излучения, не имеющих заряда (см. рис. 7).

Устойчивость радионуклида характеризуется периодом полураспада T1/2 — временем, за которое число ядер уменьшается в результате распада вдвое.

Для разных радионуклидов оно колеблется от долей секунды до миллиардов лет. Так, для 28Al период полураспада равен 2,2 минуты, для 131I — 8 суток, для 137Cs — 30,17 года, а для 238U — почти 4,5 млрд лет.

После открытия явления радиоактивности стало возможным искусственное превращение одних химических элементов в другие, синтез ядер элементов, которые не существуют на Земле. Так были получены элементы, находящиеся в периодической системе после урана U. Конечно, такие процессы, хотя и называются ядерными реакциями, не являются химическими реакциями, при которых атомы не исчезают и не возникают вновь.

Изучение радиоактивности привело к созданию ядерной энергетики и, к сожалению, ядерного оружия. Явление радиоактивности широко применяется в науке, медицине, промышленности и сельском хозяйстве. Вместе с тем перед человечеством возникли проблемы, связанные с вредным воздействием радиации на живые организмы. Поэтому использование ядерных процессов и радиоактивных веществ должно осуществляться в строго контролируемых условиях, с соблюдением строжайших мер безопасности.

Атом является электронейтральной микросистемой, состоящей из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов.

Атомный номер химического элемента равен относительному заряду ядра его атома, числу протонов в ядре и числу электронов в атоме.

Вид атомов с определёнными значениями атомного номера и массового числа называется нуклидом.

Радиоактивность — самопроизвольное превращение неустойчивых атомных ядер в другие ядра, сопровождающееся испусканием различных частиц.

Вопросы и задания

1.Какие физические явления явились доказательством сложности строения атома? Дайте объяснение каждого из них.

2.Дайте определение понятиям «протонное число», «массовое число».

3.Природная медь представляет собой смесь нуклидов 63Cu и 65Cu. Доля первого

вприродной смеси равна 73 %, второго — 27 %. Вычислите относительную атомную массу меди.

4.Чему равен заряд ядра, число нейтронов и число электронов в атоме каждого

из нуклидов: 35Cl, 40K, 56Fe, 208Pb?

5.Объясните причину и суть радиоактивности. Чем отличается радионуклид от стабильного нуклида того же элемента?

6.Определите число атомов углерода в C5H12 химическим количеством 0,2 моль.

§ 12. Состояние электрона в атоме

Химические свойства атомов проявляются только при химических реакциях. Так как состав ядер атомов при этом не меняется, то очевидно, что все изменения, происходящие с данным атомом в процессе химического превращения, являются результатом изменения его электронного состояния.

Большинство свойств атома определяется его электронным строением. Как оно влияет на конкретные свойства атома, на свойства веществ, в составе которых атом находится, можно понять, только правильно представляя состоя-

ние электрона в атоме.

Электронное облако

Основой современной теории строения атома являются законы и положения квантовой волновой механики — раздела физики, изучающего движение микрообъектов (электронов, протонов, нейтронов и других частиц).

Согласно квантово-механическим представлениям движущемуся электрону присуща двойственная природа. Он является частицей (имеет определённую массу, заряд), но его движение вблизи ядра имеет волновой характер (отсутствует определённая траектория движения, точное местоположение в пространстве и др.). Следовательно, микрообъекты, в том числе и электрон, обладают одновременно корпускулярными и волновыми свойствами.

Поскольку у движущегося электрона в атоме отсутствует траектория, то для описания такого движения используется вероятностный подход. Математически определяется не точное положение электрона в атоме, а вероятность его нахождения в той или иной области околоядерного пространства.

Состояние (в квантовой механике синоним слова движение) электрона в атоме описывается с помощью квантово-механической моде-

ли — электронного облака (рис. 8). Электрон движется возле ядра с огромной скоростью, при которой его отрицательный заряд как бы «размазывается» в пространстве. Получается, что ядро окружено трёхмерным электронным облаком. Плотность такого электронного облака оказывается различной в разных местах. В тех местах, где чаще находится электрон, образует-

ся зона большей электронной плотности.

Атомная орбиталь

Поскольку существует вероятность нахождения электрона даже на относительно большом расстоянии от ядра, электронное облако не имеет определённых границ. Поэтому обычно его ограничивают условной поверхностью, которая охватывает примерно 90 % электронного облака. Такую область околоядерного пространства называют атомной электронной орбиталью или просто орбиталью.

Графически орбиталь изображают в виде клеточки (квантовой ячейки), а электрон — в виде стрелки. Так, орбиталь атома водорода с его единственным электроном можно изобразить следующим образом:

↑

Кроме движения вокруг ядра, каждый электрон характеризуется собственным моментом движения, который называется спином. Упрощённо спин (от англ. spin — вращение) можно представить как вращение электрона вокруг собственной оси. Спиновое вращение электрона возможно только по часовой или против часовой стрелки. На одной орбитали может находиться не более

двух электронов, имеющих противоположные (антипараллельные) спины.

В этом случае два электрона называются спаренными:

↑↓

Такое их состояние в атоме энергетически выгодно, в отличие от состояния с одинаковыми спинами:

↑↑

Если на орбитали находится один электрон, то он является неспаренным.

Энергетические уровни

Электроны в атоме различаются своей энергией. Чем выше энергия электрона в атоме, тем дальше он находится от ядра, следовательно, тем больше размер электронного облака (орбитали). И наоборот, электроны, обладающие относительно небольшой энергией, находятся большую часть времени вблизи ядра, заслоняя (экранируя) его от других электронов, которые притягиваются к ядру слабее и находятся на большем удалении от него. Так образуются как бы оболочки из электронов с близкими значениями энергии. Можно сказать, что электроны с близкими значениями энергии составляют в атоме единый элек-

тронный слой, или энергетический уровень.

Энергетический уровень (электронный слой, электронная оболочка) — это совокупность электронов с близкими значениями энергий.

Число энергетических уровней в атоме, на которых находятся электроны, равно номеру периода, в котором располагается химический эле-

мент в периодической системе. Каждый энергетический уровень обозначается своим номером: n = 1, 2, 3, 4, ... , ∞. Чем больше номер уровня, тем выше