МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ЧЕРЕПОВЕЦКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Институт металлургии и химии

Кафедра химии

Практические занятия по теме

«Строение атома и периодическая система

элементов Д.И. Менделеева»

По дисциплине «Химия»

Учебно-методическое пособие

ЧЕРЕПОВЕЦ

2004

Практические занятия по теме «Строение атома и периодическая система элементов Д.И. Менделеева» по дисциплине «Химия». Учебно-методическое пособие к практическим занятиям по дисциплине «Химия». Череповец: ЧГУ, 2004. с. 34.

Рассмотрено на заседании кафедры химии, протокол № 10 от 07.05.2004 г.

Одобрено редакционно-издательской комиссией Института металлургии и химии ЧГУ, протокол № 5 от 12.05.2004 г.

Составители: О.А. Калько – канд. техн. наук, доцент

Ю.С. Кузнецова – ст. преподаватель

Рецензенты: Т.А. Окунева, доцент (ЧГУ);

Г.В. Козлова, канд. хим. наук, доцент (ЧГУ)

Научный редактор: О.А. Калько – канд. техн. наук, доцент

© Череповецкий государственный

университет, 2004

ВВЕДЕНИЕ

Пособие включает в себя краткие теоретические сведения, примеры решения задач и варианты контрольных заданий по теме «Строение атома и периодическая система элементов Д.И. Менделеева» курса общей химии. Содержание учебно-методического пособия соответствует государственному стандарту дисциплины «Химия» для инженерно-технических специальностей.

СТРОЕНИЕ АТОМЫХ ЯДЕР. ВОЛНОВЫЕ И

КОРПУСКУЛЯРНЫЕ СВОЙСТВА МИКРООБЪЕКТОВ

Атом – электронейтральная микрочастица, состоящая из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов. Ядро атома состоит из двух типов частиц (нуклонов) – протонов и нейтронов. Основные характеристики данных элементарных частиц приведены в табл. 1. Линейные размеры атома составляют ~ 10^-8 м, а ядер ~ 10^-13  10^-12 м.

Таблица 1

Основные характеристики некоторых элементарных частиц

Частица	Символ	Масса покоя		Заряд
		абсолют-ная, кг	относи-тельная, а.е.м.	электричес-кий, Кл	относитель-ный
протон	р	1,67310-27	1,007276	1,60210-19	+1
нейтрон	n	1,67510-27	1,008665	0	0
электрон	e	9,10910-31	0,000549	1,60210-19	-1

Основная масса атома сосредоточена в ядре и характеризуется массовым числом а, которое определяют по формуле

А = Z + N (1)

где Z – число протонов, которое равно заряду ядра; N – число нейтронов.

Заряд ядра – главная характеристика атома, которая определяет число электронов, находящихся в атоме и совпадает с порядковым номером элемента в периодической системе Д.И. Менделеева. Атомы с одинаковыми значениями Z, но различными значениями А и N называются изотопами. Например, известны следующие изотопы кислорода: , , . Атомы, обладающие одинаковыми N, но различными Z и А, являются изотонами (например: , , ). Если же атомы имеют одинаковые значения А, но различаются числами Z и N, то их называют изобарами (например: , , ).

Относительная атомная масса элемента является средней величиной массовых чисел его природных изотопов с учетом их распространенности в природе.

Современная теория строения атома основана на законах квантовой механики, согласно которым движущимся микрообъектам присуща двойственная природа: они являются частицами, но имеют волновой характер движения. Математически корпускулярно-волновой дуализм микрообъектов выражается уравнением де Бройля

, (2)

где  - длина волны, м; h – постоянная Планка (h = 6,6310^-34 Джс); m – масса микрочастицы, кг; v – скорость движения микрочастицы, м/с.

Из волновых свойств микрообъектов следует принцип неопределенности Гейзенберга:

микрочастица, так же как и волна, не имеет одновременно точных значений координат положения в пространстве и импульса ее движения.

Математически принцип Гейзенберга отражается системой уравнений

(3)

где - погрешности определения координаты частицы по соответствующей оси; - погрешности определения проекций импульса на соответствующие оси.

Из принципа Гейзенберга вытекает, что чем точнее определяется координата микрочастицы, тем неопределеннее становится информация о скорости ее движения, и наоборот.

Пример 1. По символу изотопа элемента указать название элемента, число протонов и нейтронов в его ядре и число электронов, содержащихся в электронной оболочке.

Р е ш е н и е

Заряд ядра атома искомого элемента 92, значит порядковый номер элемента в периодической системе тоже 92. Таким образом, искомым элементом является уран . Число протонов Z = 92, массовое число А = 238, тогда число нейтронов определяем по формуле (1)

N = 238 – 92 = 146.

Число электронов в атоме равно заряду ядра, то есть в данном элементе количество электронов равно 92.

Пример 2. Хлор в природе находится в основном в виде двух изотопов - (75,43 % атом.) и (24,57 % атом.). Вычислите среднюю относительную атомную массу природного хлора.

Р е ш е н и е

A_r = а.е.м.

Пример 3. Определите длину волны объекта массой 100 кг, перемещающегося со скоростью 6 м/с. Характерны ли для этого объекта волновые свойства?

Р е ш е н и е

По уравнению де Бройля (формула (2)) определяем длину волны

м.

Современная техника позволяет измерять длины волн в диапазоне от 100 м до 10^-15 м. Полученный в данном расчете результат несоизмеримо меньше, то есть его нельзя подтвердить экспериментально. Следовательно, для такого тела не характерны волновые свойства, он является не микрообъектом, а макрочастицей.

Пример 4. Какова погрешность в определении координаты электрона x, движущегося в атоме со скоростью v_x = 2,010⁷ м/с, если погрешность в определении его скорости v_x составляет 1 %.

Р е ш е н и е

Из формулы (3) .

Так как , то

.

Следует отметить, что неопределенность в координате электрона по оси x больше размера самого электрона на 4,5 порядков, так как радиус электрона r_e = 2,8210^-15 м.

З а д а ч и

1. По символу изотопа элемента указать название элемента, число протонов и нейтронов в его ядре и число электронов, содержащихся в электронной оболочке.

2. Ядро атома некоторого элемента содержит 16 нейтронов, а электронная оболочка этого атома – 15 электронов. Назовите элемент, изотопом которого является данный атом. Подберите к нему изобары и изотоны.

3. Массовое число атома некоторого элемента равно 181, в электронной оболочке атома содержится 73 электрона. Укажите число протонов и нейтронов в ядре и назовите элемент.

4. Природный магний состоит из изотопов и . Вычислите среднюю атомную массу природного магния, если содержание отдельных изотопов в атомных % соответственно равно 78,6; 10,1 и 11,3.

5. Природный галлий состоит из изотопов и . Определите содержание отдельных изотопов в атомных %, если средняя атомная масса галлия равна 69,72.

6. Определите длину волны α–частицы массой 6,64 ·10^-27 кг, перемещающейся со скоростью 1·10⁴ м/с. Сравните диапазон рентгеновского излучения 5·10^-3 нм с полученным результатом.

7. Какова погрешность в определении координаты протона Δx, движущегося со скоростью 2·10⁴ м/с, если погрешность в определении его скорости Δv_х составляет 2 %.

8. Вычислите длину волны де Бройля, которая соответствует электрону с массой 9,1·10^-28 кг, движущемуся со скоростью 6·10⁶ м/с.

9. Какова длина волны, соответствующая частице с массой 0,1 г, движущейся со скоростью 10 м/с?

10. Какое количество энергии несет один квант света с длиной волны 7,5·10^-7 м?

11. Длина волны электрона 0,242·10^-7 м. Вычислите скорость движения электрона.

12. Масса нейтрона 1,675·10^-27 кг, а скорость движения его 4·10² м/с. Определите длину волны де Бройля.

13. Какую энергию надо сообщить невозбужденному атому водорода, чтобы он мог испускать излучение с длиной волны λ= 1500·10^-10 м?

14. Какую энергию несет один квант света с длиной волны 6,7·10^-7 м?

15. Длина волны микрочастицы равна 2,42 · 10^-9м. Вычислите скорость движения этой частиц, если ее масса равна 2,3410^-6 кг.

16. Определите длину волны, соответствующую частице с массой 0,1 мг, движущейся со скоростью 10⁵ м/с.

17. Масса α-частицы 6,644 · 10^-27кг. С какой скоростью движется эта α-частица, если длина волны де Бройля для нее равна 2 ·10^-12м?

18. Вычислите длину волны протона, двигающегося со скоростью 510⁴ м/с, если масса протона равна 1,6710^-27 кг.

19. Вычислите энергию возбуждения электрона в атоме натрия, если при его возбуждении поглощается фотон с длиной волны 4340·10^-10 м. Массу фотона принять равной массе электрона.

20. Определите энергию перехода электрона атома водорода, которой соответствует красная ( = 656 нм) линия спектра испускания.

21. Определите энергию перехода электрона атома водорода, которой соответствует голубая ( = 486 нм) линия спектра испускания.

22. Экспериментально установлено, что в спектре испускания атомов натрия наибольшую интенсивность имеет линия, соответствующая излучению с длиной волны 589,2 нм. Какова энергия этого излучения?

23. Массовое число атома некоторого элемента равно 207, в электронной оболочке атома содержится 82 электрона. Укажите число протонов и нейтронов в ядре и назовите элемент.

24. Ядро атома некоторого элемента содержит 18 нейтронов, а электронная оболочка этого атома – 17 электронов. Назовите элемент, изотопом которого является данный атом. Подберите к нему изобары.

25. Ядро атома некоторого элемента содержит 35 нейтронов, а электронная оболочка этого атома – 30 электронов. Назовите элемент, изотопом которого является данный атом. Подберите к нему изотоны.

26. Природный бром состоит из двух стабильных изотопов ⁷⁹Вr (50,56 % атом.) и ⁸²Вr (49,44 % атом.). Определите среднюю атомную массу природного брома. Определите число нейтронов и протонов в ядре у изотопа ⁷⁹Вr.

27. Природный азот состоит из смеси двух устойчивых изотопов с массовыми числами 14 и 15. Пользуясь значением средней атомной массы определите атомный % изотопа ¹⁵N в смеси.

28. Природный селен состоит из смеси шести устойчивых изотопов с массовыми числами 74, 76, 77, 78, 80 и 82. Массовая доля этих изотопов в смеси равна: ⁷⁴Se – 0,0087; ⁷⁶Se – 0,0902; ⁷⁷Se – 0,0758; ⁷⁸Se – 0,2352; ⁸⁰Se – 0,4982; ⁸²Se – 0,0919. Определите среднюю атомную массу природного селена.

29. Вычислите энергию возбуждения электрона в атоме лития, если при его возбуждении поглощается фотон с длиной волны 5440·10^-10 м. Массу фотона принять равной массе электрона.

30. По символу изотопа элемента указать название элемента, число протонов и нейтронов в его ядре и число электронов, содержащихся в электронной оболочке.