3.1: Елементи, атоми та атомна теорія

Last updated
Save as PDF

Page ID: 18592

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

Хімія - це наука про матерію. Основними будівельними блоками речовини є атоми різних елементів, які складаються з субатомних частинок, позитивно зарядженого протона (+), негативно зарядженого електрона (-) та електрично нейтрального нейтрона (n). Саме властивості цих атомів визначають хімічну поведінку речовини. Більш конкретно, саме розташування та енергетичні рівні електронів в атомах керують тим, як вони взаємодіють один з одним, тим самим диктуючи всю хімічну поведінку. Одним з найбільш фундаментальних аспектів хімії є те, що стихійна поведінка періодично змінюється зі збільшенням атомного номера. Це дозволило розмістити елементи в упорядкованому порядку зі збільшенням атомного номера, відомого як періодична таблиця. Періодична поведінка хімічних властивостей елементів обумовлено тим, що при збільшенні атомного номера електрони додаються поступово до атомів і займають так звані оболонки, кожна з яких заповнена певною кількістю електронів. Після заповнення кожної оболонки запускається нова оболонка, таким чином починається новий період (рядок) таблиці Менделєєва. Це звучить складно, і справді може бути так, займаючи повний робочий день обчислювальної діяльності банків комп'ютерів, щоб пояснити поведінку електронів у речовині. Однак таку поведінку можна розглядати в спрощених моделям і найлегше зрозуміти для перших 20 елементів, використовуючи точки для представлення електронів, що дозволяє побудувати скорочену 20-елементну таблицю Менделєєва. Хоча і проста, ця таблиця допомагає зрозуміти і пояснити більшість хімічних явищ, розглянутих в цій книзі.

У розділі також підкреслюються деякі зелені аспекти перших 20 елементів та те, як вони стосуються стійкості. Серед цих елементів входять азот, кисень, вуглець (що міститься у вуглекислому газу) та водень та кисень (у водяній парі), які складають більшу частину повітря в «зеленій» атмосфері; водень і кисень у воді, можливо, найзеленіша сполука з усіх; натрій і хлор у звичайній кухонній солі; кремній, кальцій та кисень, які складають більшість мінеральних речовин, включаючи грунт, на якому виростають рослини, що постачають їжу більшості організмів; і водень, кисень, вуглець, азот, фосфор та сірка, які є переважаючими елементами у всьому живому матеріалі.

Задовго до того, як були відомі субатомні частинки, існувала атомна теорія Дальтона

Атомна теорія описує атоми стосовно хімічної поведінки. Завдяки складним інструментам, які зараз доступні хімікам, природа атомів, значною мірою заснована на субатомних частинок, з яких вони складаються, особливо негативно заряджених електронів, добре відома. Але задовго до того, як про ці складні інструменти навіть мріяли, більше двох століть тому в 1808 році вчитель англійської мови на ім'я Джон Далтон придумав атомну теорію, яка носить його ім'я. Значною мірою ця теорія є концептуальною основою сучасної хімії. Ключовими аспектами атомної теорії Дальтона є наступні:

Матерія в кожному елементі складається з надзвичайно дрібних частинок, званих атомами. (Дальтон розглядав атоми як неподільні, незмінні тіла. Тепер ми знаємо, що вони обмінюються і діляться електронами, що є основою хімічного зв'язку.)
Атоми різних елементів мають різні хімічні властивості. (Ці відмінності можуть варіюватися від дуже незначних, наприклад, між благородними газами неоном та аргоном, до значно різних, наприклад, між високометалевим натрієм та сильно неметалевим хлором.)
Атоми не можуть бути створені, знищені або змінені на атоми інших елементів. (У сучасний час додається положення, що ці речі не відбуваються в звичайних хімічних процесах, оскільки атоми можуть бути змінені на атоми інших елементів ядерними реакціями, такими як ті, що відбуваються в ядерних реакторах.)
Хімічні сполуки утворюються поєднанням атомів різних елементів в певних, постійних співвідношеннях, які зазвичай можуть бути виражені цілими числами або простими дробами.
Хімічні реакції мають на увазі поділ і поєднання атомів. (Це явище передбачалося ще до того, як було відомо що-небудь про природу хімічних зв'язків, які розриваються і утворюються в рамках процесу хімічних реакцій.)

Три важливі закони

Атомна теорія Далтона пояснює три важливі закони, перераховані нижче. Докази цих законів були знайдені до публікації атомної теорії Далтона, і атомна теорія значною мірою базується на них.

Закон збереження маси: У звичайній хімічній реакції немає помітних змін маси. (Цей закон, який вперше був заявлений в 1798 році «батьком хімії», французом Антуаном Лавуазьє, випливає з того, що в звичайних хімічних реакціях жодні атоми не втрачаються, не отримані або змінюються; в хімічних реакціях маса зберігається.)
Закон постійного складу: Специфічна хімічна сполука завжди містить однакові елементи в однакових пропорціях по масі.
Закон множинних пропорцій: Коли два елементи об'єднуються, утворюючи два або більше сполук, маси одного об'єднання з фіксованою масою іншого знаходяться в співвідношеннях малих цілих чисел. Загальну ілюстрацію цього закону дають прості вуглеводневі сполуки вуглецю і водню, до яких відносяться\(\ce{CH4}\)\(\ce{C2H2}\),,\(\ce{C2H4}\), і\(\ce{C2H6}\). У цих сполуках відносні маси\(\ce{C}\) і\(\ce{H}\) знаходяться в співвідношеннях малих цілих чисел.

Природа атомів

На цьому етапі корисно відзначити кілька характеристик атомів, які були введені в Розділі 2.11. Атоми надзвичайно малі і надзвичайно легкі. Їх окремі маси виражаються мізерною одиницею атомної маси, u Розміри атомів зазвичай виражаються в пікометрах, де пікометр дорівнює 0.000 000 001 міліметрів (міліметр - це найменший поділ на метричній стороні лінійки). Атоми можна розглядати як сфери діаметром від 100 до 300 пікомметрів.

Як зазначалося на початку цієї глави, атоми складаються з трьох основних субатомних частинок, позитивно зарядженого протона, електрично нейтрального нейтрона та набагато легшого негативно зарядженого електрона. Кожен протон і нейтрон має масу по суті 1 атомну одиницю маси, тоді як маса електрона становить всього близько 1/2000 стільки ж. Протони і нейтрони розташовані в ядрі в центрі атома і електрони складають «нечітку хмару» негативного заряду навколо ядра. По суті вся маса атома знаходиться в ядрі і практично весь обсяг знаходиться в хмарі електронів. Кожен атом конкретного елемента має однакову кількість протонів в своєму ядрі. Це атомний номер елемента. Кожен елемент має назву і представлений хімічним символом, що складається з однієї або двох букв. Атоми одного і того ж елемента, які мають різну кількість нейтронів і, отже, різні маси, називаються ізотопами. Ізотопи можуть бути представлені такими символами, як,\(\ce{^{12}_6C}\) де індекс - атомний номер, а верхній індекс - масове число, яке є сумою чисел протонів і нейтронів в атомі.

Середня маса всіх атомів елемента - це атомна маса. Атомні маси виражаються щодо вуглецю\(\ce{^{12}_6C}\) ізотопу, який містить в своєму ядрі 6 протонів і 6 нейтронів. Маса цього ізотопу приймається рівно за 12 у. атомні маси зазвичай не є цілими числами, частково тому, що атоми більшості елементів складаються з двох і більше ізотопів з різною масою.

Електрони в атомах

Поведінка електронів у хмарі негативного заряду, що складають більшу частину обсягу атомів, зокрема їх енергетичні рівні та орієнтації в просторі, є тим, що визначає хімічну поведінку. Композиції електронів описуються електронною конфігурацією. Детальний опис електронної конфігурації є високоматематичним та складним, але представлений дуже спрощеним способом у цій главі. Через своїх протилежних зарядів електрони сильно притягуються до позитивно зарядженим ядрам, але спочивати на них не приходять.

Розміщення електронів в атомах визначає конфігурацію періодичної таблиці, повний варіант якої надрукований в кінці цієї глави. Елементи наведені в цій таблиці в таких періодах, що елементи, розташовані в одних і тих же вертикальних групах, мають в цілому схожу хімічну поведінку. Виведення повної таблиці Менделєєва, що показує більше 100 елементів, занадто складний для цієї книги. Отже, в решті цієї глави будуть розглянуті перші 20 елементів по порядку і розміщення електронів в атомах цих елементів проілюструє, як ці елементи можна помістити в таблицю Менделєєва. З цієї інформації буде побудована коротка 20-елементна таблиця Менделєєва, яка повинна бути дуже корисною для пояснення хімічної поведінки.