Skip to main content
LibreTexts - Ukrayinska

4.1: Хімія дорогоцінних каменів

  1. Last updated
  2. Save as PDF
  • Page ID
    37218

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

    Елемент - це речовина, яке звичайними засобами неможливо розділити на більш просту форму матерії. Елементом може бути тверда речовина, рідина або газ.
    Деякі загальні елементи - вуглець, золото, мідь, залізо, кисень, кремній тощо.

    Атом - це найменша частина елемента. Це найдрібніша, неподільна частка хімічного елемента. Кожен атом складається з негативно заряджених електронів і позитивно заряджених протонів. Існує подібна кількість електронів і протонів для отримання електрично нейтрального атома.

    Атом не можна розділити жодним хімічним процесом.

    Базовий

    Атоми

    Атом - це найменша частина елемента. Це найменша, неподільна частинка хімічного елемента, яка все ще має всі властивості цього елемента. Кожен атом складається з негативно заряджених електронів і позитивно заряджених протонів, а також незаряджених нейтронів (за винятком водню). Існує подібна кількість електронів і протонів для отримання електрично нейтрального атома.
    Протони та нейтрони знаходяться в ядрі, тоді як електрони обертаються навколо ядра на орбітах (не орбітах).

    Малюнок \(\PageIndex{1}\): Борська модель водню (без нейтронів)

    Датський фізик Нільс Бор першим зробив діаграму для візуалізації компонентів атома. На зображенні зліва така діаграма, намальована для представлення атома водню. Водень - єдиний атом, який не має в своєму ядрі нейтрона (це насправді справедливо тільки для ізотопу водню протію). У його ядрі є один позитивний заряджений протон і один негативний заряджений електрон, що обертається навколо ядра.
    Оскільки в атомі стільки позитивних, скільки негативних зарядів, загальний заряд нейтральний.

    Орбіталі навколо ядра пронумеровані від 1 до 7 і служать енергетичними рівнями. Раніше вони називалися K, L, M, N і O оболонки. Ще можна використовувати алфавіти, але числові значення є кращими.


    Кожна орбітальна (або енергетичний рівень або оболонка) може містити певну кількість електронів. Для n = 1, тобто 2 електронів і для n = 2, тобто 8 електронів. Можна легко обчислити максимальну кількість електронів, які може утримувати конкретна оболонка, використовуючи формулу: 2n 2.
    При n=1 ви отримаєте 2 х (1) 2, або 2 х 1 = 2 електрона.
    З n = 2, що робить 2 x (2) 2, або 2 x 4 = 8 електронів і т.д.

    Примітка

    Для загальних геммологічних цілей нас мало хвилюють протони і нейтрони, просто електрони (але слід знати про них).

    Електрони заповнюються з нуля вгору, а це означає, що найнижчі оболонки заповнюються першими до того, як наступна оболонка зможе отримати електрон. Електрони, як правило, подорожують парами, і коли це відбувається, їх називають парними електронами.
    У галереї нижче атом гелію має 2 електрона, що обертаються навколо ядра з 2 протонів (і 2 нейтронів), вони заповнюють першу оболонку повністю. Літій має 3 електрона і оскільки три електрона помістяться в першій оболонці, третій займає наступний рівень, який дорівнює n = 2. Берилій має 4 електрони, таким чином 2 електрона в n1 (максимум) і 2 електрона в n2. Нарешті, 5-й елемент бору має 5 електронів, тому 3 електрони подорожують у n2.

    Файл: Гелій. PNG

    Малюнок \(\PageIndex{2}\): Гелій
    2 протони, 2 нейтрони і 2 електрона

    Файл: літій.png

    Малюнок\(\PageIndex{3}\): Літій
    3 протони, 4 нейтрони і 3 електрони

    Файл: берилій. png

    Малюнок\(\PageIndex{4}\): Берилій
    4 протони, 5 нейтронів і 4 електрони

    Файл: бор.png

    Малюнок\(\PageIndex{5}\):
    Бор 5 протонів, 6 нейтронів і 5 електронів

    Молекули

    Атоми елементів можуть об'єднуватися разом, утворюючи крихітні фракції нових речовин, відомих як сполуки. Молекула визначається як найменша фракція речовини, що складається з двох або більше елементів хімічно з'єднаних і визначають склад речовини і хімічні властивості.

    Розширений

    Атоми і квантова теорія

    Малюнок\(\PageIndex{6}\): Спрощена модель Бора з підоболонками

    Хоча основна модель Бора з її єдиними енергетичними оболонками працює добре більшу частину часу, її не можна використовувати для розуміння більш складних електронних конфігурацій та/або магнетизму.
    Відповідно до принципу виключення Паулі, жодні дві однакові частинки не можуть перебувати в одному стані атомної енергії. Це підводить нас до ядра квантової теорії (коли описується електронна структура атомів), яка спирається на 4 квантові числа:

    • Головне квантове число (n)
    • Квантове число моменту моменту (л)
    • Магнітне квантове число (m l)
    • Спінове квантове число (m s)

    На зображенні праворуч намальовано грубий приклад, який показує 4 підоболонки в основній оболонці (n=1). Хоча він нагадує атом водню, це лише для ілюстрації; не реальна ситуація, оскільки водень має лише одну підоболонку (и).

    Основне квантове число вказує на енергетичний рівень атома з нижчими рівнями, що мають меншу енергію і виражається в n (також відомий як K, L, M, N, O і т.д.). Існує максимум 7 оболонок, і кожна оболонка описується як n=1 через n=7.

    Квантове число кутового моменту (або азимутальне квантове число) може мати ціле число від 0 до 3 (хоча в теорії воно може доходити до 6). Вони відомі як підоболонки енергетичних рівнів.
    Кожне основне квантове число (або рівень енергії) може мати певну кількість підоболонок, ідентифікованих за допомогою: 0 - (n-1). Для водню (з n = 1) це буде від 0 до 1-1 = тільки 0. Для атома з n = 2 як найвищий енергетичний рівень це буде 0 - 2-1, тому 0 і 1. В електронних конфігураціях вони називаються s, p, d і f відповідно до спектральних показань.

    Ці алфавіти відповідають числам підоболонок:

    • 0 = с
    • 1 = р
    • 2 = д
    • 3 = ф

    Магнітне квантове число має відношення до орієнтації орбіти в магнітному полі і приймає ціле значення -l до+l, тому якщо l=2 (те саме, що і l = d) магнітне квантове число (m l) може бути -2, -1,0,1 і 2.
    Ці «орбіталі» мають однакову енергію і електрони заповнюють їх не парами, якщо це можливо. Тільки коли всі заповнені 1 електроном, заповнення продовжується до тих пір, поки у них не з'являться парні електрони. Ці орбіталі можуть утримувати максимум 2 електрони кожен (принцип виключення Паулі).

    Спін квантове число описує, як електрони обертаються в енергетичних рівнях. Це може бути або 1/2 + або 1/2- (також називається upspin і downspin), і можна візуалізувати це як планета Земля обертається навколо своєї осі (за годинниковою стрілкою або проти годинникової стрілки).
    Коли два електрони знаходяться в одному енергетичному рівні, один матиме upspin, а один матиме downspin, врівноважуючи його до нуля.

    Ці спини - це те, що викликає магнетизм, як у залізі, наприклад. Коли енергетичні рівні заповнені, вони заповнюються одним електроном за раз, всі мають однаковий спін. Коли багато (непарних) електронів мають однаковий спін, вони будуть діяти разом як більш потужний магніт, ніж коли був би лише один непарний електрон (який був би крихітним магнітом).

    Валентність

    Валентність елемента визначається кількістю його атомів, які будуть поєднуватися або замінювати один атом водню. Можна помітити, що деякі елементи будуть мати різну валентність в різних сполуках. Наприклад, з'єднання FeO (оксид заліза) двовалентне, а Fe2O3 (оксид заліза) тривалентне.

    Електронна конфігурація атомів

    Властивості елемента, хімічних сполук і утворення кристалів багато в чому залежать від розташування електронів і їх взаємодії. Електрони обводять ядро у всіх напрямках, як хмара. Радіус середнього їх рухів визначається як оболонка або енергетичний рівень. Ці оболонки залишаться на передбачуваному рівні, який визначається квантовою механікою. Кожна оболонка містить лише задану кількість електронів. Існує максимум 2 у внутрішній оболонці (відома як K оболонка або n = 1), і 8 кожна у другій оболонці (відома як L оболонка або n = 2). У третій оболонці є 18 (відома як оболонка N або n = 3) тощо, слідуючи правилу 2n 2.

    Періодична таблиця для електрона config.png

    Малюнок\(\PageIndex{7}\): Періодична таблиця для електронних конфігурацій

    Атомний номер

    Кожен з хімічних елементів складається з подібних атомів, також відомих як атомний номер. Всі вони мають однакову кількість протонів. Водень (атомний № 1), має один протон і один планетарний електрон. Найважчий природний атом, уран, має 92 протона і 92 електрона.
    Елемент 112 був виявлений 9 лютого 1996 року в Дармштадті, Німеччина. Ідентифікований ізотоп в даний час є найважчим атомом, коли-небудь виробленим людиною, і має атомну масу 277, тобто в 277 разів важче водню.
    За винятком водню, всі інші ядра атомів містять нейтрони, що варіюються від 2 у випадку гелію до 146 в атомі урану. Атомна вага елемента - це вага протонів і нейтронів, які утворюють ядро атома. Якщо атом отримує або втрачає один електрон, він перестає бути електрично нейтральним і стає тим, що відомо як іон. Отримання електронів виробляє негативно заряджений іон, відомий як аніон. Втрата електронів призводить до позитивно зарядженого іона, який називають катіоном.

    Періодична таблиця elements.png

    Малюнок\(\PageIndex{8}\): Менделєва періодична таблиця елементів