хімія 10
7. Складемо молекулярну формулу речовини. Оскільки молярна маса даної речовини в 2 рази більше молярної маси CH 2 O, індекси в цій формулі потрібно збільшити в 2 рази:
(CH 2 O) · 2 = C 2 H 4 O 2.
Відповідь: молекулярна формула речовини - C 2 H 4 O 2.
Запитання і завдання
1. Дано порції речовин: а) міді масою 0,64 г; б) води масою 3,6 г; в) Al 2 O 3 масою 51 г; г) глюкози C 6 H 12 O 6 масою 45 г. Розрахуйте хімічне кількість кожного з цих речовин і число містяться в них атомів.
2. Алюміній масою 0,54 г повністю прореагував з сіркою, маса якої становила 0,96 м Встановіть формулу продукту реакції і назвіть його.
3. У з'єднанні азоту з воднем масова частка водню становить 12,5%. Встановіть молекулярну формулу цієї сполуки, якщо його відносна щільність по повітрю дорівнює 1,1.
4. При прожаренні кристалічної соди Na 2 CO 3 · х H 2 O масою 5,72 г утворилося безводне тверда речовина масою 2,12 г. Визначте формулу вихідного кристаллогидрата.
5. Газова суміш складається з кисню об'ємом (н. У.) 4,48 дм 3 і оксиду сірки (IV) об'ємом (н. У.) 6,72 дм 3. Розрахуйте масу цієї суміші та її відносну щільність за воднем. Який обсяг (н. У.) Оксиду сірки (VI) можна отримати при взаємодії зазначених речовин?
6. При термічному розкладанні деякого речовини масою 2,45 г утворився хлорид калію масою 1,49 г і виділився кисень об'ємом (н. У.) 672 см 3. Визначте формулу цієї речовини.
7. При повному спалюванні органічної речовини масою 13,8 г утворилися оксид вуглецю (IV) масою 26,4 г і вода масою 16,2 г. Знайдіть молекулярну формулу
речовини, якщо відносна щільність його парів за воднем дорівнює 23.
БУДОВА АТОМА І ПЕРІОДИЧНИЙ ЗАКОН
§ 11. Будова атома
Атом - найменша складова частина простих і складних речовин. Говорячи про атомах, ми підкреслювали, що це хімічно неподільні частки, що не зникають і не виникають при хімічних реакціях.
Протягом багатьох століть атом вважався елементарної, т. Е. Далі неподільною часткою. І тільки відкриття, зроблені фізиками в XIX столітті, дали вагомі докази складності будови атома. До цих відкриттів відносяться перш за все: а) вивчення електролізу. т. е. процесу розкладання речовин електричним струмом; б) відкриття катодних променів - потоку негативно заряджених частинок, які згодом отримали назву електрони; і, нарешті, в) виявлення явища радіоактивності. яке являє собою мимовільний розпад атомів одних елементів з утворенням атомів інших елементів.
Ядерна модель будови атома
На початку XX століття на основі досліджень багатьох вчених і перш за все англійського фізика Е. Резерфорда була встановлена принципова модель будови атома, яка отримала назву ядерна (планетарна). Відповідно до цієї моделі атом складається з позитивно зарядженого ядра і рухаються навколо нього негативно заряджених електронів. Майже вся маса атома (більш 99,96%) зосереджена в його ядрі. Діаметр ядра приблизно в 100 000 разів менше діаметра всього атома (близько 10 -8 см).
Діаметр найбільшого атома (атома франція Fr) більше діаметру самого маленького (атома гелію He) більш ніж в 7 разів, а маса найважчого (атома елемента з атомним номером 118) більша за масу найлегшого (атома водню) майже в 300 разів.
Склад атомних ядер
Відповідно до сучасних уявлень ядра атомів складаються з двох видів частинок: протонів і нейтронів. що мають загальну назву нуклони (від лат. nucleus - ядро).
Протони і нейтрони мають практично однакову масу, рівну приблизно 1u, т. Е. Однієї атомної одиниці маси (див. § 4). Протон (його символ p) має заряд 1+, а нейтрон (символ n) електронейтрален.
Заряд електрона (символічне позначення e -) дорівнює 1, а маса в 1836 разів менша за масу протона. Звідси зрозуміло, що практично вся маса атома зосереджена в його ядрі.
У таблиці 4 наведені основні характеристики елементарних частинок, що входять до складу атома.
Таблиця 4. Основні характеристики елементарних частинок, що входять до складу атома
Протони і нейтрони утримуються в ядрі особливими силами, які так і називаються ядерні сили. Ядерні сили діють тільки на дуже малих відстанях (порядку 10 -13 см), але їх величина в сотні і тисячі разів перевищує силу відштовхування однойменно заряджених протонів. Енергія зв'язку нуклонів в ядрах атомів в мільйон разів перевищує енергію хімічного зв'язку.
Тому при хімічних реакціях ядра атомів не руйнуються, а відбувається лише перегрупування атомів.
Число протонів (Z) в ядрі атома зветься протонне число. Воно дорівнює атомному номеру елемента і визначає його місце в періодичній системі. У цьому полягає фізичний зміст атомного номера. Атомний номер визначає місце елемента в періодичній системі і тому його часто називають порядковим номером.
Будова атома і періодичний закон
Заряд ядра визначається числом протонів, і оскільки атом в цілому електро-
нейтральний, то очевидно, що число протонів в його ядрі дорівнює числу електронів.
Загальна кількість протонів (Z) і нейтронів (N) називається масовим (або
нуклонів) числом (А):
Масове число практично визначає масу атома в атомних одиницях, так як маса електронів становить мізерну частину загальної маси атома.
Заряд ядра атома (протонне число) і його масове число вказують чис
ловимі індексами зліва від символу хімічного елемента A Z X. наприклад 14 7 N,
52 24 Cr. 235 92 U.
Вид атомів з певними значеннями атомного номера і масового числа називається нуклідом.
Для позначення нуклідів використовують назви елементів або їх символи, вказуючи масові (нуклонні) числа: вуглець-12, або 12 C, кисень-17, або
17 O, хлор-35, або 35 Cl.
Більшість елементів існують у вигляді декількох нуклідів, які відрізняються один від одного своїми масовими числами. Це пояснюється тим, що в їх ядрах при одному і тому ж числі протонів може перебувати різне число нейтронів. Так, природний кисень (Z = 18), крім атомів, в ядрах яких
знаходиться 8 нейтронів 16 O, має нукліди з числом нейтронів 9 і 10 - 17 O і
18 O. Такі нукліди є ізотопами (від грец. Изос - рівний, топос - місце), т. Е. «Займають одне місце» в таблиці періодичної системи.
Ізотопи - нукліди, що мають однаковий атомний номер, але різні масові числа.
Іншими словами, ізотопи - це нукліди одного і того ж елемента. Тому термін «ізотопи» слід вживати тільки у множині. Ізотопи будь-якого елементу дійсно займають одне місце в періодичній системі,
відносна атомна маса даного елемента є середньою величиною масових чисел нуклідів з урахуванням частки кожного з них у природній суміші. Це пояснює той факт, що відносні атомні маси більшості еле
ментів не є цілочисельними величинами.
Наприклад, вуглець існує в природі у вигляді двох нуклідів - 12 С (його частка в природній суміші дорівнює 0,9889) і 13 С (частка якого дорівнює 0,0111). Відносна атомна маса цього елемента становить:
A r (С) = 12 · 0,9889 + 13 · 0,0111 = 12,011.
Все нукліди діляться на два типи: стабільні і радіоактивні (радіо-
нукліди). Стабільні нукліди можуть існувати без зміни складу ядер необмежено довго. Тому більшість природних нуклідів, що входять до складу оточуючих нас речовин, стабільні.
Стійкого стану ядер атомів відповідають певні співвідношення чисел протонів і нейтронів: для легких елементів (з атомними номерами від 1 до 20) - Z / N ≈ 1, для важких - близько 0,6. При порушенні протонно-нейтронного співвідношення ядро (а разом з ним і атом) стає
Радіоактивністю називається мимовільне перетворення нестійких атомних ядер в інші ядра, що супроводжується випусканням різних частинок.
В даному випадку -частинка є фактично електроном, що утворюється в ядрі атома в результаті перетворення нейтрона в протон:
1 0 n → 1 1 p + e -.
Радіоактивний розпад часто супроводжується випусканням променів - потоку квантів жорсткого електромагнітного випромінювання, що не мають заряду (див. Рис. 7).
Стійкість радіонукліда характеризується періодом напіврозпаду T 1/2 - часом, за яке число ядер зменшується в результаті розпаду вдвічі.
Для різних радіонуклідів воно коливається від часток секунди до мільярдів років. Так, для 28 Al період напіврозпаду дорівнює 2,2 хвилини, для 131 I - 8 діб, для 137 Cs - 30,17 року, а для 238 U - майже 4,5 млрд років.
Після відкриття явища радіоактивності стало можливим штучне перетворення одних хімічних елементів в інші, синтез ядер елементів, які не існують на Землі. Так були отримані елементи, що знаходяться в періодичній системі після урану U. Звичайно, такі процеси, хоча і називаються ядерними реакціями, не є хімічними реакціями, при яких атоми не зникають і не виникають знову.
Стан електрона в атомі
Вивчення радіоактивності привело до створення ядерної енергетики і, на жаль, ядерної зброї. Явище радіоактивності широко застосовується в науці, медицині, промисловості та сільському господарстві. Разом з тим перед людством виникли проблеми, пов'язані зі шкідливим впливом радіації на живі організми. Тому використання ядерних процесів і радіоактивних речовин повинно здійснюватися в строго контрольованих умовах, з дотриманням суворих заходів безпеки.
Атом є електронейтральної микросистемой, що складається з позитивно зарядженого ядра і негативно заряджених електронів.
Атомний номер хімічного елемента дорівнює відносному заряду ядра його атома, числу протонів в ядрі і числа електронів в атомі.
Вид атомів з певними значеннями атомного номера і масового числа називається нуклідом.
Радіоактивність - мимовільне перетворення нестійких атомних ядер в інші ядра, що супроводжується випусканням різних частинок.
Запитання і завдання
1. Які фізичні явища з'явилися доказом складності будови атома? Дайте пояснення кожного з них.
2. Дайте визначення поняттям «протонне число», «масове число».
3. Природна мідь являє собою суміш нуклідів 63 Cu і 65 Cu. частка першого
в природній суміші дорівнює 73%, другого - 27%. Обчисліть відносну атомну масу міді.
4. Чому дорівнює заряд ядра, число нейтронів і число електронів в атомі кожного
з нуклідів: 35 Cl, 40 K, 56 Fe, 208 Pb?
5. Поясніть причину і суть радіоактивності. Чим відрізняється радіонуклід від стабільного нукліда того ж елемента?
6. Визначте число атомів вуглецю в C 5 H 12 хімічним кількістю 0,2 моль.
§ 12. Стан електрона в атомі
Хімічні властивості атомів виявляються тільки при хімічних реакціях. Так як склад ядер атомів при цьому не змінюється, то очевидно, що всі зміни, що відбуваються з даними атомом в процесі хімічного перетворення, є результатом зміни його електронного стану.
Мал. 8. Схема електронного хмари атома водню
Будова атома і періодичний закон
Більшість властивостей атома визначається його електронною будовою. Як воно впливає на конкретні властивості атома, на властивості речовин, у складі яких атом знаходиться, можна зрозуміти, тільки правильно представляючи состоя-
ня електрона в атомі.
Основою сучасної теорії будови атома є закони і положення квантової хвильової механіки - розділу фізики, що вивчає рух мікрооб'єктів (електронів, протонів, нейтронів та інших частинок).
Згідно квантово-механічним уявленням рухається електрону властива подвійна природа. Він є часткою (має певну масу, заряд), але його рух поблизу ядра має хвильовий характер (відсутня певна траєкторія руху, точне місце розташування в просторі та ін.). Отже, мікрооб'єкти, в тому числі і електрон, мають одночасно корпускулярними і хвильовими властивостями.
Оскільки у рухомого електрона в атомі відсутня траєкторія, то для опису такого руху використовується імовірнісний підхід. Математично визначається не точне положення електрона в атомі, а ймовірність його знаходження в тій чи іншій області околоядерного простору.
Стан (в квантовій механіці синонім слова рух) електрона в атомі описується за допомогою квантово-механічної моде-
Чи - електронної хмари (рис. 8). Електрон рухається біля ядра з величезною швидкістю, при якій його негативний заряд як би «розмазується» в просторі. Виходить, що ядро оточене тривимірним електронним хмарою. Щільність такого електронного хмари виявляється різної в різних місцях. У тих місцях, де найчастіше знаходиться електрон, образует-
ся зона більшою електронної щільності.
Оскільки існує ймовірність знаходження електрона навіть на відносно великій відстані від ядра, електронне хмара не має певних меж. Тому зазвичай його обмежують умовною поверхнею, яка охоплює приблизно 90% електронного хмари. Таку область околоядерного простору називають атомної електронної орбиталью або просто орбиталью.
Мал. 9. Схема s-електрон орбіталі
Мал. 10. Схема p-електронів орбіталі
Стан електрона в атомі
Орбиталь - область околоядерного простору, в якій найбільш ймовірно знаходження даного електрона.
Орбіталі, в залежності від енергії електронів, мають різні форми і розміри. Так, орбиталь єдиного електрона атома водню має сферичну (кулясту) форму. такі
орбіталі, мають кулясту форму, позначаються літерою s. а електрони, які займають ці орбіталі, називаються s- електронами
Чим вище енергія електрона в атомі, то менше він притягується до ядра, тим більше за розміром його орбиталь (електронне хмара). Електронна щільність зі збільшенням розміру орбіталі
Орбіталі в багатоелектронних атомах можуть мати і інші форми, наприклад форму гантелі ( «об'ємної вісімки») (рис. 10). Такі орбіталі позначають буквою p. а електрони, яким вони відповідають, називають p- електронами.
Три р орбіталі розташовуються (орієнтуються) в околоядерном просторі взаємно перпендикулярно уздовж кожної з трьох осей системи координат (рис. 11).
Більш складну форму мають орбіталі d-типу і f-типу.
Мал. 11. Взаємне розташування р -орбіталей в багатоелектронних атомі
Будова атома і періодичний закон
Графічно орбиталь зображують у вигляді клітки (квантової осередки), а електрон - у вигляді стрілки. Так, орбиталь атома водню з його єдиним електроном можна зобразити таким чином:
Крім руху навколо ядра, кожен електрон характеризується власним моментом руху, який називається спіном. Спрощено спин (від англ. Spin - обертання) можна уявити як обертання електрона навколо власної осі. Спіновий обертання електрона можливо тільки за годинниковою або проти годинникової стрілки. На одній орбіталі може знаходитися не більше
двох електронів, що мають протилежні (антипаралельні) спини.
У цьому випадку два електрона називаються спареними:
Таке їх стан в атомі енергетично вигідно. на відміну від стану з однаковими спинами:
Якщо на орбіталі знаходиться один електрон, то він є неспареним.
Електрони в атомі розрізняються своєю енергією. Чим вище енергія електрона в атомі, тим далі він знаходиться від ядра, отже, тим більше розмір електронного хмари (орбіталі). І навпаки, електрони, що володіють відносно невеликою енергією, перебувають більшу частину часу поблизу ядра, затуляючи (екрануючи) його від інших електронів, які притягуються до ядра слабше і знаходяться на більшій відстані від нього. Так утворюються як би оболонки з електронів з близькими значеннями енергії. Можна сказати, що електрони з близькими значеннями енергії складають в атомі єдиний електро-
тронний шар. або енергетичний рівень.
Енергетичний рівень (електронний шар, електронна оболонка) - це сукупність електронів з близькими значеннями енергій.
Число енергетичних рівнів в атомі, на яких знаходяться електрони, дорівнює номеру періоду, в якому розташовується хімічний еле
мент в періодичній системі. Кожен енергетичний рівень позначається своїм номером: n = 1, 2, 3, 4. ∞. Чим більше номер рівня, тим вище