1.2: Елементи та атоми

Last updated
Save as PDF

Page ID: 5708

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Елементи

Елементи складаються тільки з одного виду атома і не можуть бути розкладені на більш прості речовини. Наша планета складається з якихось 90 елементів. (Крихітні кількості - іноді лише кілька атомів - додаткових елементів були зроблені в лабораторіях ядерної фізики, але вони не грають ніякої ролі в нашій історії). З них 90 тільки 25 або близько того використовуються для побудови живих істот. У таблиці наведено 11 найбільш поширених елементів в літосфері (земній корі) і в організмі людини.

Жива матерія

використовує лише частину доступних йому елементів
але, як видно з таблиці, відносні пропорції тих, які він набуває з оточення, досить сильно відрізняються від пропорцій в навколишньому середовищі

Отже,

склад живих істот - це не просто відображення наявних їм елементів
- Наприклад, водень, вуглець та азот разом становлять менше 1% атомів, виявлених у земній корі, але близько 74% атомів у живій речовині.
одна з властивостей життя полягає в тому, щоб зайняти певні елементи, яких мало в неживому світі, і концентрувати їх всередині живих клітин.
Деякі морські тварини накопичують такі елементи, як ванадій та йод у своїх клітинях, до концентрації в тисячу або більше разів більше, ніж у навколишній морській воді. Було навіть запропоновано, щоб уран «видобувався» з моря шляхом вилучення його з певних водоростей, які можуть забирати уран з морської води і концентрувати його всередині своїх клітин.

Ще існує певна невизначеність щодо точної кількості елементів, необхідних живим істотам. Деякі елементи, наприклад, алюміній, містяться в крихітних кількостях у живій тканині, але чи відіграють вони важливу роль або просто випадкове придбання (алюміній, ймовірно, є), іноді важко визначити.

Атоми

Кожен елемент складається з одного виду атома. Ми можемо визначити атом як найменшу частину елемента, який може вступати в комбінацію з іншими елементами.

будова атома

Кожен атом складається з невеликого, щільного, позитивно зарядженого ядра, оточеного набагато більш легкими, негативно зарядженими електронами. Ядро найпростішого атома, атома водню (Н), складається з одного позитивно зарядженого протона. Через свого єдиного протона атому водню присвоюється атомний номер 1 і єдиний електрон. Заряд електрона такої ж величини, як і у протона, тому атом в цілому електрично нейтральний. На його протон припадає практично вся вага атома.

Ядро атома елемента гелій (Він) має два протони (звідси гелій має атомний номер 2) і два нейтрона. Нейтрони мають таку ж вагу, як протони, але не мають електричного заряду. Атом гелію має два електрони, так що, знову ж таки, атом в цілому нейтральний.

Будова кожного з інших видів атомів слідує одному і тому ж плану. З літію (АТ. № = 3) до урану (АТ. No. = 92), атоми кожного елемента можуть бути перераховані в порядку збільшення атомного номера. У списку немає прогалин. Кожен елемент має унікальний атомний номер, а його атоми мають на один протон і ще один електрон, ніж атоми елемента, який передує йому в списку.

Електрони

Атомний номер	Елемент	Рівні енергії або «оболонки»
Атомний номер	Елемент	К	Л	М	N	О
1	Водень (Н)	1
2	Гелій (He)	2
3	Літій (Li)	2	1
4	Берилій (Be)	2	2
5	Бор (Б)	2	3
6	Вуглець (C)	2	4
7	Азот (N)	2	5
8	Кисень (O)	2	6
9	Фтор (F)	2	7
10	Неон (Ne)	2	8
11	Натрій (Na)	2	8	1
12	Магній (Mg)	2	8	2
13	Алюміній (Al)	2	8	3
14	Кремній (Si)	2	8	4
15	Фосфор (P)	2	8	5
16	Сірка (S)	2	8	6
17	Хлор (Cl)	2	8	7
18	Аргон (Ar)	2	8	8
19	Калій (K)	2	8	8	1
20	Кальцій (Ca)	2	8	8	2
21	Скандій (Sc)	2	8	9	2
22	Титан (Ti)	2	8	10	2
23	Ванадій (V)	2	8	11	2
24	Хром (Cr)	2	8	13	1
25	Марганець (Mn)	2	8	13	2
26	Залізо (Fe)	2	8	14	2
27	Кобальт (Co)	2	8	15	2
28	Нікель (Ni)	2	8	16	2
29	Мідь (Cu)	2	8	18	1
30	Цинк (Zn)	2	8	18	2
31	Галій (Ga)	2	8	18	3
32	Германій (Ge)	2	8	18	4
33	Миш'як (As)	2	8	18	5
34	Селен (Se)	2	8	18	6
35	Бром (Br)	2	8	18	7
36	Криптон (Kr)	2	8	18	8
42	Молібден (Mo)	2	8	18	13	1
48	Кадмій (Cd)	2	8	18	18	2
50	Олово (Sn)	2	8	18	18	4
53	Йод (I)	2	8	18	18	7

Електрони обмежені відносно дискретними областями навколо ядра. Наприклад, два електрони гелію обмежені сферичною зоною, що оточує ядро, яка називається оболонкою K або рівнем енергії K.

Літій (ат. No. = 3) має три електрони, два в оболонці К і один розташований далі від ядра в оболонці L. Перебуваючи далі від протилежних (+) зарядів ядра, цей третій електрон утримується менш щільно.

Кожен з наступних елементів, в порядку збільшення атомного номера, додає ще один електрон до оболонки L, поки ми не досягнемо неону (Ат. No. = 10), який має вісім електронів в оболонці L.

Натрій розміщує свій одинадцятий електрон у ще більш високий рівень енергії, оболонку М.

Від натрію до аргону ця оболонка поступово заповнюється електронами до тих пір, поки знову не буде досягнуто максимум восьми.

Зверніть увагу, що після K оболонки з її максимум двома електронами максимальна кількість електронів в будь-якій іншій зовнішній оболонці дорівнює восьми.

Як ми побачимо, на хімічні властивості кожного елемента сильно впливає кількість електронів в його крайньому енергетичному рівні (оболонці).

У цій таблиці показано електронну будову атомів елементів 1 — 36 з тими, які були продемонстровані для використання живими істотами, показаними червоним кольором. Також включені чотири елементи ще вищих атомних номерів, які, як було показано, використовуються живими істотами.

Електронна структура атома відіграє головну роль в його хімії.

Візерунок електронів в атомі - особливо тих, що знаходяться у зовнішній оболонці - визначає

валентність атома; тобто співвідношення, з якими він взаємодіє з іншими атомами, і в значній мірі
електронегативність атома; тобто сила, з якою він притягує інші електрони.

Елементи з однаковою кількістю електронів у своїй зовнішній оболонці проявляють схожі хімічні властивості.

Приклад 1: Фтор, хлор, бром та йод мають по 7 електронів у своїй зовнішній оболонці. Ці так звані галогени також досить схожі за своєю хімічною поведінкою. При розчиненні у воді, наприклад, всі вони виробляють бактерицидні розчини.

Приклад 2: Ці елементи з 1, 2 або 3 електронами у зовнішній оболонці є металами.

Приклад 3: Ці елементи з 4, 5, 6 або 7 у зовнішній оболонці є неметалами.

Приклад 4: Гелій (з його 2), неон, аргон та криптон (кожен з 8) «заповнили» свої зовнішні оболонки. Вони являють собою так звані інертні або «благородні» гази. У них взагалі немає хімії. У нормальних умовах вони не взаємодіють з іншими атомами. Отже, саме кількість і розташування електронів в атомах елемента встановлюють хімічну поведінку цього елемента.

Ось як це працює:

Атоми елемента взаємодіють з іншими атомами такими способами і співвідношеннями, що вони можуть «заповнити» свою зовнішню оболонку 8 електронами (2 для водню). Вони можуть зробити це шляхом

придбання більшої кількості електронів з іншого атома
втрата електронів іншому атому
обмін електронами з іншим атомом

Кількість електронів, які атом повинен придбати, або втратити, або поділитися, щоб досягти стабільної конфігурації 8 (2 для водню), називається його валентністю.

Атоми водню, літію, натрію та калію мають один електрон у зовнішній оболонці. Атоми фтору, хлору, брому та йоду мають 7. Будь-який атом першої групи буде взаємодіяти з одним атомом будь-якої другої групи, що утворює, HCl, NaCl, KI тощо Результатом всіх цих взаємодій є пара атомів, кожен з яких має зовнішню оболонку, подібну до одного з інертних газів: 2 для водню, 8 для інших.

Елементи з 2 електронами у зовнішній оболонці взаємодіють з хлором та іншими галогенами, утворюючи, наприклад, BeCl ₂, MgCl ₂, CaCl ₂. Знову ж таки, результатом є пара атомів, кожен зі стабільним октетом електронів у своїй зовнішній оболонці.

Елементи з 3 електронами у зовнішній оболонці будуть взаємодіяти з хлором у співвідношенні 1:3, утворюючи BCl ₃, AlCl ₃.

Атоми вуглецю з їх 4 електронами в оболонці L взаємодіють з хлором з утворенням CCl ₄.

Азот з його 5 крайніми електронами взаємодіє з атомами водню в співвідношенні 1:3, утворюючи аміак (NH ₃).

Кисень і сірка, з їх 6 крайніми електронами реагують з воднем з утворенням води (H ₂ O) і сірководню (H ₂ S).

Що визначає, чи пара атомів міняється або ділиться електронами?

Відповіддю є їх відносна електронегативність. Якщо два атома сильно відрізняються своєю спорідненістю до електронів; тобто по їх електронегативності, то сильно електронегативний атом відведе електрон від слабоелектронегативного.

Приклад: Na (слабо електронегативний) віддає свій єдиний електрон атому хлору (сильно електронегативний) для утворення NaCl. Атом натрію зараз має лише 10 електронів, але все ще 11 протонів, тому на атомі є чистий позитивний заряд одного. Аналогічно, хлор тепер має на один електрон більше, ніж протон, тому його тепер має чистий негативний заряд 1. Електрично заряджені атоми називаються іонами. Взаємне тяжіння протилежних електричних зарядів утримує іони разом іонними зв'язками.

Приклад: вуглець і водень є лише слабо електронегативними, тому жоден з них не може видалити електрони з іншого. Натомість вони досягають стабільної конфігурації, ділячись своїми зовнішніми електронами, утворюючи ковалентні зв'язки CH ₄.

Ізотопи

Кількість протонів в ядрі його атомів, яке є його атомним номером, визначає кожен елемент. Однак ядра даного елемента можуть мати різну кількість нейтронів. Оскільки нейтрони мають вагу (приблизно такий же, як і у протонів), такі атоми відрізняються атомною вагою.

Атоми одного і того ж елемента, що відрізняються своєю атомною вагою, називаються ізотопами.

Атомні ваги виражаються через стандартний атом: ізотоп вуглецю, який має в ядрі 6 протонів і 6 нейтронів. Цей атом позначається вуглецем-12 або ¹² С. Їй довільно присвоюється атомна вага в 12 дальтонів (названий на честь Джона Далтона, першовідкривача у вивченні атомних ваг). Таким чином, дальтон становить 1/12 вага атома ¹² С. Обидва протони і нейтрони мають ваги, дуже близькі до 1 дальтона кожен. Вуглець-12 - найпоширеніший ізотоп вуглецю. ^{Вуглець-13 (13} С) з 6 протонами і 7 нейтронами, а вуглець-14 (¹⁴ С) з 6 протонами і 8 нейтронами зустрічаються в значно менших кількостях.

Ізотопи як «трасери»

Можна приготувати, наприклад, вуглецеву сполуку, яка використовується живими істотами, у якій багато нормальних атомів ¹² С замінені атомами ¹⁴ С. Вуглець-14 буває радіоактивним. Відстежуючи долю радіоактивності в організмі, можна дізнатися нормальний шлях цієї вуглецевої сполуки в цьому організмі. Таким чином, ¹⁴ С служить ізотопним «міткою» або «трассером».

Основою цієї методики є те, що вага ядра атома мало або зовсім не впливає на хімічні властивості цього атома. Хімія елемента і атомів, з яких він виготовлений - незалежно від їх атомної ваги - є функцією атомного номера цього елемента. Поки атом мав 6 протонів, це атом вуглецю незалежно від кількості нейтронів. Таким чином, поки 6 протонів і 8 нейтронів виробляють ізотоп вуглецю, ¹⁴ С, 7 протонів і 7 нейтронів виробляють абсолютно інший елемент, азот-14.

Автори та атрибуція

Template:ContribKimball