Часть 5 Современные концепции химии
5.1. Как устроен атом?
АТОМ – мельчайшая электронейтральная частица химического элемента, сохраняющая его свойства. Согласно современным представлениям, в центре атома находится компактное (10–15…10–14 м) ЯДРО, состоящее из НУКЛОНОВ (от греч. nucleos – «ядро») – положительно заряженных ПРОТОНОВ (р+) и электронейтральных НЕЙТРОНОВ (n0). В ядре сосредоточена почти вся масса атома (~99,9%). Вокруг ядра движутся отрицательно заряженные ЭЛЕКТРОНЫ, образующие электронные оболочки, размеры которых определяют размеры атомов.
ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ АТОМА:
1. Заряд ядра Z (равен числу протонов, каждый из которых несёт один элементарный положительный заряд – см. Приложение 3). Поскольку атом электронейтрален, число протонов равно числу электронов. При отдаче или присоединении атомом электронов образуются частицы с целочисленным зарядом – ИОНЫ (например, Na+, Ca2+, Cl–, S2–).
2. Массовое число М, равное суммарному количеству протонов и нейтронов: М=Z+N. Физически масса атома складывается из масс протонов и нейтронов (имеющих почти равные массы покоя – см. Приложение 3) и электронов, но на них приходится очень малая, порядка 0,1%, доля массы); Масса атома водорода почти соответствует АТОМНОЙ ЕДИНИЦЕ МАССЫ – а.е.м.
3. Число электронных (энергетических) уровней, совпадающее с номером периода, в котором данный химический элемент располагается в Периодической системе Д.И. Менделеева.
Вплоть до середины XIX века атомы считались неделимыми. Не рассматривая эволюцию представлений о строении атома, перейдём к современным положениям, основанным на орбитальной модели Н. Бора (Рис. 6) и квантовой модели Э. Шрёдингера.
В 20-е годы прошлого века на смену модели Н. Бора (в которой электроны «закреплены» на постоянных траекториях) пришла волновая модель электронной оболочки атома, которую предложил австрийский физик Э. Шредингер. К этому времени уже было установлено, что электрон имеет свойства не только частицы, но и волны. Шредингер применил к электрону-волне математические уравнения, описывающие движение волны в трехмерном пространстве. Однако с помощью этих уравнений он предложил рассчитывать не траекторию движения электронов внутри атома, а ВЕРОЯТНОСТЬ найти электрон-волну в некоторой точке вокруг ядра.
Рис. 6. Представления о строении атома (на примере атома водорода) [91]
Общее у волновой модели Шредингера и квантовой модели Бора в том, что электроны в атоме существуют на определенных уровнях, подуровнях и орбиталях. Но в волновой модели орбиталь – это пространство около ядра, в котором можно обнаружить заселивший ее электрон с вероятностью 95%.
Электроны способны под действием внешних воздействий переходить на более высокие уровни. Обратный переход, наоборот, протекает с выделением энергии (в виде электромагнитного излучения). В зависимости от частоты излучение может находиться в ультрафиолетовом или видимом диапазоне.
5.2. Что такое изотопы?
ИЗОТОП – набор атомов с постоянным зарядом ядра (т.е., принадлежащих к одному химическому элементу), но различающихся массовым числом. Разница масс изотопов объясняется неравным числом нейтронов в ядре.
Массы изотопов выражаются целыми числами, при этом единица массы соответствует массе одного протона. Большинство элементов Периодической системы Д.И. Менделеева имеют дробные значения атомных масс. Это объясняется тем, что в природе элементы представлены одновременно несколькими изотопами с разными массовыми числами.
Верхний индекс перед символом химического элемента обозначает массовое число, а нижний – заряд ядра. Например: 11Н, 21Н, 31Н – изотопы водорода с массовыми числами 1, 2 и 3 соответственно.
Важным свойством ядер атомов является ВОЗМОЖНОСТЬ ПЕРЕХОДА ЯДЕР ОДНИХ ЭЛЕМЕНТОВ В ЯДРА ДРУГИХ в ходе ядерных реакций. Такие процессы происходят в одном из двух случаев:
в процессе самопроизвольного деления ядер нестабильного (радиоактивного) изотопа;
при бомбардировке ядер стабильных изотопов частицами высоких энергий.
В ПРИРОДЕ ВСТРЕЧАЮТСЯ КАК СТАБИЛЬНЫЕ (неограниченно устойчивые во времени), ТАК И РАДИОАКТИВНЫЕ изотопы. Основной характеристикой нестабильного изотопа является период полураспада Т1/2 – время, за которое распадается 50% ядер. Данная величина может изменяться в очень широких пределах – от долей секунды до тысяч лет.