Раздел 2. Строение атома. Периодический закон и периодическая система химических элементов д.И. Менделеева

2.1. Атом. Строение атома

Атом. Наименьшая частица химического элемента, являю-щаяся носителем его химических свойств и способная к самосто-ятельному существованию. Представляет собой устойчивую элект-ронейтральную систему, состоящую из положительно заряжен-ного ядра и отрицательно заряженных электронов. Составная часть простых и сложных веществ. Атом характеризуется атомным номе-ром, атомной массой, массовым числом. Атомы одного химическо-

_{^-"rB=~ 1.10}^-1_{l*. —» ■}

Атомное ядро (ядро). Центральная положительно заряжен-ная составная часть атома, в которой сосредоточена практичес-ки вся его масса. Состоит из нуклонов (протонов и нейтронов). Положительный заряд атомного ядра равен числу входящих в него протонов. Величина заряда атомного ядра - основа перио-дического закона, определяет атомный (порядковый) номер эле-

Атомный номер. Порядковый номер элемента (N ) в пе-риодической системе. Указывает заряд ядра его атомов (Z), чис-ло протонов в ядре ( N 1 p), число электронов в атоме данного

элемента ( Ne ).

N_nop=Z = N(₁¹p) = Ne

Заряд ядра атома (Z). Положительный электрический за-ряд ядра (центральной части атома), численно равный количе-ству протонов в атоме и порядковому номеру элемента в перио­дической системе Д.И. Менделеева Z= N(₁¹p) = N_nop. Заряд ядра

атома определяет принадлежность атома к определенному элементу. Электрические заряды. Положительные или отрицательные заряды, которыми обладают частицы вещества (электроны, прото-ны, ядра атомов). Взаимодействие указанных частиц определяется наличием у них электрических зарядов, лежит в основе стабильно-сти атомов элементов, определяет природу химической связи.

Элементарные частицы. Групповое название мельчайших объектов материи; составные части атомов вещества. Например, фотон, электрон. Во всех процессах элементарные частицы ведут себя как точечные частицы, размерами которых можно пренеб-речь. В этом их отличие от фундаментальных частиц.

Электрон. Устойчивая элементарная частица, входящая в состав атома. Характеризуется массой, равной 1/1837 массы про-тона, отрицательным зарядом -1 (1,6 • 10¹⁹ Кл), спином 1/2, маг-нитным моментом. Различают внешние, внутренние, валентные, спаренные, неспаренные электроны.

Нуклоны. Общее название для протонов и нейтронов, ос-новных частиц, составляющих ядра атомов химических элементов.

Протон ( 1 p ) Стабильная фундаментальная (элементарная) частица с единичным положительным электрическим зарядом, массой покоя 1,67 • 10²⁷ кг. Одна из двух составных частиц ядра атома. (Исключение— ядро изотопа атома водорода (протия), состоящее из одного протона).

Число протонов в ядре атома определяет заряд ядра и атомный (порядковый) номер элемента в периодической систе-ме. Масса протона примерно в 1837 раз больше массы электрона. Стабильность протона составляет 10³⁰— 10³² лет.

Нейтрон 0 n .) Фундаментальная электрически нейтральная частица со спи(м1/2 и массой покоя 1,67 • 10-²⁷ кг. Часто нейт-рон относят к элементарным частицам. Число нейтронов в ядре атома N ( 0 p ) можно найти по разности:

N(¹₀n) = A-N(₁¹p) = A-Z

Частица	Символ	Заряд		Масса
		Кл	относительная единица	кг	а.е.м.
Протон	1p	1,6-10-19	+1	1,67-10-27	1
Нейтрон	10 n	0	0	1,67-10-27	1
Электрон	e	1,6-10-19	-1	9,1-10-31	1/1837

34

35

Массовое число. Сумма числа протонов ( n ₁¹ p )h нейтронов ( N₀n ) (нуклонов) в ядре атома конкретного элемента:

A = N(₁¹p) + N(1n)

Обозначается цифрой вверху слева у символа химичес-кого элемента. Например, 1Ю, ³²S. Используется для характерис­тики изотопов и радиоактивных элементов. Имеет целочислен-ные значения. Практически совпадает с атомной массой (А » Ar).

		АТС (электронейтрш		М 1ьная частица)
ядро (заряд -положительный)				электронная оболочка (заряд -отрицательный)
1 нуклоны				1 электроны (e)
протоны — 11p нейтроны — 01n
N (11p) + N (10n) = A,				N(e) = Z
ГДеN(1 p ) - число протонов,
— число нейтронов А — )ссовое число атома

N (₁¹p)=Z, N (¹₀n) = A-N (₁¹p),

A » Ar

Фундаментальные частицы. Групповое название легких и тя-желых частиц; составные части атомов; объекты материи, преобра-зующиеся в атомы элементов в процессе взаимодействия друг с другом, например, протон, нейтрон, мезон. В отличие от элемен-

отдельную группу частиц, размерами которых при различного рода взаимодействиях нельзя пренебречь. В учебной литературе часто фундаментальные частицы включают в элементарные частицы.

Химические частицы (частицы). Суммарное название ато­мов, молекул, ионов, радикалов, ион-радикалов. Химические частицы могут иметь заряд, неспаренный электрон (электроны), либо то и другое одновременно. Различают атомные и молекуляр-ные химические частицы.

Атомные химические частицы (атомные частицы). Части-цы, состоящие из одного атома. Каждая атомная химическая ча-стица представляет собой систему взаимодействующих элемен-тарных и фундаментальных частиц, состоящую из ядра и элект-ронов. Среди атомных химических частиц различают: изолирован-ные атомы, атомные ионы, атомные радикалы, атомные ион-ра-дикалы. Атомные химические частицы— исходный уровень хими-ческой организации материи.

Атомные частицы

Атомные ион-радикалы

JL

Атомные радикалы

Атомные ионы

Изолированный

атом

Fe3+, V2+, He+

Не, Ne Cl, H Na+, K+

нет заряда, н-т некомпенси рованных электронов

Молекулярные химические частицы (молекулярные части-цы). Частицы, состоящие из двух и более атомов. Каждая молеку-лярная химическая частица представляет собой наименьшую со-вокупность химически связанных атомных частиц, способную к самостоятельному существованию и обладающую устойчивой структурой. Среди молекулярных химических частиц различают: молекулы, молекулярные ионы, молекулярные радикалы, моле-кулярные ион-радикалы.

f

Молекулярные частицы

Молекулы

Молек^ные

ионы SO₄2-, NO₃ ,

NH₄⁺

Молекулярные радикалы

Молекулярные ион-радикалы

Н₂, CI₂

O₂

O₂ , CI₂+, CI₂

36

37

где Z - заряд ядра, m— масса электрона, е - заряд электрона, v- скорость электрона, r- радиус орбиты.

Изотопы. Разновидность атомов одного химического элемен­та с одинаковым зарядом ядра, но разными массовыми числами. Ядра изотопов содержат одинаковое число протонов, но разное число нейтронов. Изотопы занимают одно и то же место в перио­дической системе элементов. Обозначаются с указанием соответ-ствующего массового числа после названия химического элемен-та или слева вверху символа элемента. Например: углерод— 12 или ¹²С. Изотопы водорода имеют еще и индивидуальные названия: 1Н— протий, ²Н— дейтерий, ³Н— тритий. Атомные массы хими-ческих элементов, приводимые в периодической системе, явля-ются средними арифметическими массовых чисел природных изо-топов с учетом их массовой доли в природе. Различают стабиль-ные и нестабильные (радиоактивные) изотопы. В природе встре­чаются стабильные и нестабильные изотопы. Они также могут быть получены искусственным путем с помощью ядерных реакций.

Стабильные изотопы. Изотопы, существующие в неизмен-ном виде неопределенно долго. Например: протий, дейтерий. Из смеси стабильных изотопов состоят встречающиеся в природе элементы периодической системы. В настоящее время известно более 300 стабильных изотопов.

Нестабильные изотопы, радиоактивные изотопы. Самопроиз-вольно распадающиеся со временем изотопы. Например, периоды полураспада (т) изотопов: х(³Н) = 12,26 года; т(¹⁴С) = 5680 лет.

Изобары. Атомы разных химических элементов, имеющие суммарно одинаковое количество нейтронов и протонов, но раз-личный заряд ядра и различные химические свойства. Напри-мер, ⁴⁰Ar, ⁴⁰K, ⁴⁰Ca.

Планетарная модель строения атома Резерфорда. Теория, согласно которой атом состоит из тяжелого положительно заря-женного ядра и движущихся вокруг него электронов. Электрон удерживается на орбите за счет равенства электростатических и центробежных сил. Из рис.3 видно, что стационарное состояние

достигается при равенстве центробежной силы f1—1и силы

электростатического притяжения F₃ [Ze²^\ :

I r J I r² J , 38

Рис.3. Модель строения атома (по Резерфорду)

Модель строения атома по Бору. Модель, предложенная датским физиком Н. Бором, основана на двух постулатах.

Первый постулат утверждает, что электрон вращается вокруг ядра только по определенным стационарным орбитам. Ког-да электрон находится на стационарной орбите, атом пребывает в устойчивом состоянии— не поглощает и не излучает энергию.

Согласно второму постулату атом излучает или поглоща-ет энергию только при переходе электрона с одной стационар­ной орбиты на другую.