Тема 1. А что такое, эта ваша химия? • Урок 1. Из чего состоит атом?
от 15 минут чтения • от 10 минут практики
от 15 минут чтения • от 10 минут практики
Всё-всё-всё состоит из атомов!
Когда ты смотришь вокруг, что видишь? Стол, книги, одежду на себе? Угадай, что у них общего? Всё это построено из атомов! Атомы находятся буквально во всём, даже в воздухе, которым ты дышишь! Воздух — это, кстати, смесь различных газов, преобладает там азот (N₂) и кислород (O₂), каждый из которых состоит из атомов. Атомы — как маленькие строительные кирпичики, из которых складываются вещества, окружающие нас.
Атомы настолько малы, что их нельзя увидеть невооружённым глазом, но именно они определяют свойства вещей вокруг нас. Например, та же молекула воды (H₂O) состоит из атомов водорода и кислорода, которые связываются вместе, чтобы образовать жидкость, необходимую для жизни.
Атомы настолько малы, что их нельзя увидеть невооружённым глазом, но именно они определяют свойства вещей вокруг нас. Например, та же молекула воды (H₂O) состоит из атомов водорода и кислорода, которые связываются вместе, чтобы образовать жидкость, необходимую для жизни.
“
Атом — электронейтральная (то есть не имеющая заряда) частица, состоящая из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов.
“
Атом — электронейтральная (то есть не имеющая заряда) частица, состоящая из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов.
Пудинг или планета — на что похож атом?
Когда-то учёные думали, что атом — это мельчайшая неделимая частичка вещества. Но оказалось, что всё сложнее. На самом деле, атом сам состоит из более мелких частиц, которые называются субатомными частицами. И, как это часто бывает, когда мы узнаём что-то новое, первые попытки разобраться в устройстве атома были… ну, не совсем точными.
видео на английском, включи автоперевод субтитров на youtube, чтобы было проще
1
Пудинговая модель Томсона
В 1903 году английский физик Дж. Томсон предложил довольно аппетитную модель атома. Представь, что атом — это пудинг (звучит вкусно, правда?), а внутри «пудинга» плавают отрицательно заряженные частицы — как кусочки изюма. Вся остальная масса атома представляла собой положительный заряд. Эта модель звучала сладенько, но как и с многими десертами — всё оказалось сложнее.
2
Революция Резерфорда: планетарная модель
В 1911 году Эрнест Резерфорд доказал, что предыдущая модель была далека от истины. Он провёл знаменитый эксперимент с золотой фольгой: если бы атом был «пудингом», заряженные частицы должны были проходить через него легко, но вместо этого некоторые сильно отклонялись или даже отскакивали обратно! Это стало поворотным моментом в науке.
Резерфорд понял, что в центре атома есть крошечное, но очень тяжёлое ядро. Cобрав свои идеи воедино, он сформулировал так называемую «планетарную модель»:
- В центре атома есть плотное и маленькое ядро, где сосредоточен положительный заряд и почти вся масса.
- Вокруг ядра, как планеты вокруг Солнца, вращаются электроны, образуя электронное облако.
- Ядро невероятно маленькое по сравнению с размером всего атома, но при этом хранит в себе почти всю его массу.
3
Современное понимание атома
С тех пор учёные дополняли модель Резерфорда, оспаривали ее, но основа осталась той же. Современная теория строения атома может немного устрашать своими формулировками, но не бойся! Для того, чтобы разобраться, как все устроено, не обязательно вгрызаться в нее со старта. В химии, да и не только в ней, часто пользуются упрощенными моделями для того, чтобы сформировать фундаментальное понимание. Так вот, сейчас нам точно для этого хватит нашей планетарной модели, так что скажем спасибо Резерфорду и полетели разбираться дальше!
А что внутри атома?
Итак, разобрались, что атом похож на крошечную вселенную, где центральное место занимает ядро, а вокруг него электроны. И хотя атом кажется маленьким и простым, внутри он состоит из разных субатомных частиц. Разберёмся по порядку!
Та-дам! Давай вспомним, как выглядит авокадо: плотная и тяжёлая косточка внутри, рыхлая и мягкая плоть вокруг. Обидно, часто за эту тяжеленную косточку то пол стоимости и платишь!
Та-дам! Давай вспомним, как выглядит авокадо: плотная и тяжёлая косточка внутри, рыхлая и мягкая плоть вокруг. Обидно, часто за эту тяжеленную косточку то пол стоимости и платишь!
Вот атом это тоже самое! Тяжелая плотная косточка — его ядро, где сосредоточена практически вся масса. А мягкая часть, которая окружает косточку, — это электронное облако, рыхлое и легкое, там могут быть найдены электроны.
Внутри же ядра расположены протоны и нейтроны, которые вместе называются нуклонами, потому что на латинском nucleus — ядро, поэтому нуклоны — частицы, которые находятся в ядре. Протоны имеют положительный заряд (запомнить просто — «п» в cлове «протон», «положительный» и «плюс» совпадают). Но раз уж они все заряжены одинаково, логично спросить: почему они не разрывают наше ядро на части, ведь одноимённые заряды отталкиваются? (ага, физика забралась и сюда). И вот здесь появляются нейтроны (и тут запомнить легко — «н» в слове нейтральный и слове нейтрон). Это как нейтральные «прослойки», которые помогают удерживаться протонам в ядре. Нейтроны не имеют заряда, но они играют важную роль, помогая ядру не развалиться под действием отталкивающихся протонов.
Так, ну косточку можно выкидывать, в оболочке то что? Вокруг ядра на огромных расстояниях вращаются (на самом деле нет, но это допущение) электроны — отрицательно заряженные частицы. Электроны же в свою очередь удерживаются рядом с ядром благодаря тому, что противоположные заряды притягиваются — отрицательные электроны притягиваются к положительным протонам в ядре. Вот так атом гармонично и существует 🙂
А теперь резюмируя: уже раз 10 повторили тебе, что ядро атома содержит почти всю его массу. Электроны настолько лёгкие, что их масса практически не влияет на общий вес атома. Циферки тоже говорят об этом, смотри:
А теперь небольшое задание:
Давай проверим, насколько мы друг друга поняли. Выполни задание: соотнеси название элемента со схемой.
Давай проверим, насколько мы друг друга поняли. Выполни задание: соотнеси название элемента со схемой.
Что такое ионы?
Помнишь, в первом уроке мы говорили о том, что вещество может состоять не только из атомов, но и, например, из ионов. Настало время с ними разобраться 😎
“
Ион — это атом или группа атомов, который (-ая) имеет (-ют) определенный заряд, из-за потери или приобретия одного или нескольких электронов.
“
Ион — это атом или группа атомов, который (-ая) имеет (-ют) определенный заряд, из-за потери или приобретия одного или нескольких электронов.
Важно сделать 2 шага назад: в начале этого урока мы говорили о том, что атом является электронейтральной частицей, получается, что количество + равно количеству -, то есть протоны = электронам. Теперь снова глянем на определение иона — откуда там заряд тогда, он ведь состоит из атома (-ов)? Все дело в том, что атом, превращаясь в ион, теряет или приобретает электроны. Как? Всё просто! Электроны в атоме «живут» на его внешней оболочке. А теперь представь, приходишь в магазин, большой такой. Стоят огромные ящики с фруктами и вот ты решаешь взять себе 2−3 апельсина. Можешь ли вспомнить кого-нибудь, кто полез бы на самое дно ящика, чтобы достать их? Обычно мы забираем те, что лежат на поверхности — доступные. Доступные для манипуляция у атома и лежащие на поверхности — как раз наши электроны! Так атом и превращается в ион!
Но ионы тоже можно классифицировать. Вот представь, был у тебя атом, количество протонов совпадало с количеством электронов и вдруг ты решаешь забрать у этого атома, скажем, 2 электрона. Получается, плюсов теперь больше, чем минусов, значит, наш ион заряжен положительно.
“
Катионы — это ионы с положительным зарядом. В слово запрятался котик (cat), ну, а котики это же всегда про что-то положительное?)
“
Катионы — это ионы с положительным зарядом. В слово запрятался котик (cat), ну, а котики это же всегда про что-то положительное?)
Что получится, если ты решишь добавить электронов нашему атому? Верно! Минусов будет больше плюсов, заряд станет отрицательным.
Что получится, если ты решишь добавить электронов нашему атому? Верно! Минусов будет больше плюсов, заряд станет отрицательным.
“
Анионы — это ионы с отрицательным зарядом. Запомни, что «анион» звучит как «onion» (лук), от лука мы только и делаем, что плачем, позитивностью тут не пахнет!
“
Анионы — это ионы с отрицательным зарядом. Запомни, что «анион» звучит как «onion» (лук), от лука мы только и делаем, что плачем, позитивностью тут не пахнет!
И снова небольшое задание:
Выьери частицу, которая является катионом:
Выьери частицу, которая является катионом:
Рассчитываем состав атома
А как понять сколько там чего в этом атоме? Лови подробную инструкцию:
Мы уже не раз сказали, что вся масса атома сосредоточена в ядре, а это означает, что масса атома зависит от количества протонов и нейтронов в нём. Отлично, поэтому мы можем взять таблицу Менделеева, найти там относительную атомную массу, и быть уверенными, что за это значение отвечают те самые нуклоны - протоны и нейтроны. А если вернуться к табличке выше и глянуть, что масса протона и нейтрона сопоставимы и приблизительно равны 1 а. е. м, получается, что массовое число - это сумма протонов и нейтронов. Например, давай посмотрим с тобой на атом алюминия (Al) - округленно 27 а. е. м.
Мы уже не раз сказали, что вся масса атома сосредоточена в ядре, а это означает, что масса атома зависит от количества протонов и нейтронов в нём. Отлично, поэтому мы можем взять таблицу Менделеева, найти там относительную атомную массу, и быть уверенными, что за это значение отвечают те самые нуклоны - протоны и нейтроны. А если вернуться к табличке выше и глянуть, что масса протона и нейтрона сопоставимы и приблизительно равны 1 а. е. м, получается, что массовое число - это сумма протонов и нейтронов. Например, давай посмотрим с тобой на атом алюминия (Al) - округленно 27 а. е. м.
👌 Масса атома в таблице = сумма протонов и нейтронов
#важно запомнить
👌 Масса атома в таблице = сумма протонов и нейтронов
#важно запомнить
Отдельно количество протонов можно найти посмотрев на порядкой номер элемента в таблице Менделеева. Кстати, снова буква п — протоны, положительные, плюс, порядковый номер. Получается, что для каждого химического элемента в таблице есть свой уникальный номер, а из этого следует, что протонное число (так кстати называют количество протонов в ядре) является уникальной характеристикой для атома. Кстати, о названиях, про протоны еще любят говорить «заряд ядра». Догадываешься почему? В ядре есть только протоны (положительные) и нейтроны (нейтральные), выходит, что ядро заряжено положительно и виной тому протоны.
👌 Порядковый номер элемента = количество протонов
#важно запомнить
👌 Порядковый номер элемента = количество протонов
#важно запомнить
Вернемся к нейтронам теперь? У алюминия порядковый номер 13, выходит в его составе у нас 13 протонов. Но если масса равна 27, то получается в составе ядра также есть 27−13=14 нейтронов.
“
Масса атома в таблице — порядковый номер = количество нейтронов
“
Масса атома в таблице — порядковый номер = количество нейтронов
Как быть с электронами? Все просто! Атом — нейтральный, значит, минусов столько же сколько и плюсов — 13 штук!
n = N/ NA
n – химическое количество, [моль]
N – количество частиц, [-]
Na – постоянная Авогадро, [моль]
n – химическое количество, [моль]
N – количество частиц, [-]
Na – постоянная Авогадро, [моль]
#важно запомнить
n = N/ NA
n – химическое количество, [моль]
N – количество частиц, [-]
Na – постоянная Авогадро, [моль]
n – химическое количество, [моль]
N – количество частиц, [-]
Na – постоянная Авогадро, [моль]
#важно запомнить
Резюмируем:
- чтобы найти количество протонов — нужно посмотреть на порядковый номер элемента в таблице Менделеева
- чтобы найти количество нейтронов — нужно из массы атома вычесть количество протонов
- электроны для атома будут совпадать по количеству протонов!
А как быть с ионом?
Не зря мы тебе про апельсинки то рассказывали. Тут совсем не страшно, не переживай! Когда атом превращается в ион, количество каких субатомных частиц у него меняется?
Верно! Поэтому все, что нам нужно сделать, учесть измененное количество электронов, но рассждать лучше вот так: делаем вид, что работаем с атомом, находим частицы для него → вспоминаем про заряд и изменяем количество электронов. Вот так:
- Есть у нас катион железа с зарядом 3+, Fe3+, мы сначала делаем вид, что это просто железо: Fe — порядковый номер 26, масса 56. Ага, получается протонов и электронов по 26 штук, нейтронов 56−26=30.
- Вспоминаем про заряд! Как же имея 26 плюсов и 26 минусов наш заряд может быть равен +3? Нужно что-то сделать с доступными частицами, а на поверхности у нас электроны! Чтобы плюсов стало на три больше, нам нужно забрать три минуса: получаем 23 электрона.
- Итоговый состав такой: 23 электрона, 26 протонов, 30 нейтронов.
- Поздравляю, вы восхитительны!
Еще немного терминов
Так, ну правда почти все, но мы очень хотим, чтобы ты мог без проблем понимать замудренные словечки химиков, поэтому давай еще разберемся с тобой с двумя важными понятиями — нуклид и изотоп.
Нуклид — снова что-то от этого nucleous забралось.
Нуклид — снова что-то от этого nucleous забралось.
“
Нуклид — вид атомов с определенным количеством протонов и определенным количеством нейтронов.
“
Нуклид — вид атомов с определенным количеством протонов и определенным количеством нейтронов.
Формально, нуклид — это синоним слову атом, только с точными указанием его субатомных частиц. Каждый нуклид уникален по своему набору протонов и нейтронов. То есть если у атома есть строго определённое число протонов и нейтронов — перед нами конкретный нуклид.
Например, нуклид углерода 12 будет выглядеть вот так. Сверху мы указали массов число, снизу протонное число.
Например, нуклид углерода 12 будет выглядеть вот так. Сверху мы указали массов число, снизу протонное число.
Но глобально здесь может возникнуть вопрос: а зачем нам все это указывать и усложнять себе жизнь, мы же и так не можем менять протонное число, это ведь порядковый номер в таблице, ее до нас придумали! Но про нейтроны то никто ничего не говорил 🤔
Слышал что-нибудь про тяжелую воду, например? Ее так называют неспроста, вместо привычного H2O, где H весит по 1 аем согласно таблице и О весит 16 аем, оказывается, что в ее состав входят более тяжелые атомы Н с массой 2 аем. Как такое возможно? Правда в том, что у обоих атомов Н порядковый номер равен 1, протонов тоже по 1 штучке, но вот массы их отличаются. Из-за чего? Все верно, из-за количества нейтронов! Водород из обычной воды не имеет нейтронов совсем (1−1=0), а вот водород из тяжелой воды имеет в составе ядра 1 нейтронов (2−1=1). Получается, что в одной клеточке таблицы (то есть на этом месте, кстати, место на греческом τόπος), могут лежать атомы с разными количествами нейтронов. Еще немножко греческого — ἴσος «равный; одинаковый», поэтому
Слышал что-нибудь про тяжелую воду, например? Ее так называют неспроста, вместо привычного H2O, где H весит по 1 аем согласно таблице и О весит 16 аем, оказывается, что в ее состав входят более тяжелые атомы Н с массой 2 аем. Как такое возможно? Правда в том, что у обоих атомов Н порядковый номер равен 1, протонов тоже по 1 штучке, но вот массы их отличаются. Из-за чего? Все верно, из-за количества нейтронов! Водород из обычной воды не имеет нейтронов совсем (1−1=0), а вот водород из тяжелой воды имеет в составе ядра 1 нейтронов (2−1=1). Получается, что в одной клеточке таблицы (то есть на этом месте, кстати, место на греческом τόπος), могут лежать атомы с разными количествами нейтронов. Еще немножко греческого — ἴσος «равный; одинаковый», поэтому
“
Изотопы — это атомы, которые имеют одинаковое протонное число, но отличаются числом нейтронов в ядре.
“
Изотопы — это атомы, которые имеют одинаковое протонное число, но отличаются числом нейтронов в ядре.
Тот самый пример про водород выглядит так:
Кстати, у водорода изотопы настолько распространены, что они получили и свои отдельные названия, и даже отдельные символы!
- Протий (обычный водород) — H: 1 протон, 0 нейтронов.
- Дейтерий — D: 1 протон, 1 нейтрон.
- Тритий — T: 1 протон, 2 нейтрона.
✏️ Подведем итог. На этом уроке мы:
Тут нужно сказать, что мы в деталях разобрали косточку нашего авокадо (ядро), узнали, что оно состоит из положительно заряженных протонов и нейтральных нейтронов, поболтали о том, что протоны придают каждому атому уникальные химические свойства, а также разобрались, как для любого атома определить с помощью таблички менделеева количество всех субатомных частиц. В следующем уроке пойдем изучать оболочку — поговорим о жизни электронов!
Тут нужно сказать, что мы в деталях разобрали косточку нашего авокадо (ядро), узнали, что оно состоит из положительно заряженных протонов и нейтральных нейтронов, поболтали о том, что протоны придают каждому атому уникальные химические свойства, а также разобрались, как для любого атома определить с помощью таблички менделеева количество всех субатомных частиц. В следующем уроке пойдем изучать оболочку — поговорим о жизни электронов!
✏️ Подведем итог. На этом уроке мы:
в деталях разобрали косточку нашего авокадо (ядро), узнали, что оно состоит из положительно заряженных протонов и нейтральных нейтронов, поболтали о том, что протоны придают каждому атому уникальные химические свойства, а также разобрались, как для любого атома определить с помощью таблички менделеева количество всех субатомных частиц. В следующем уроке пойдем изучать оболочку — поговорим о жизни электронов!
в деталях разобрали косточку нашего авокадо (ядро), узнали, что оно состоит из положительно заряженных протонов и нейтральных нейтронов, поболтали о том, что протоны придают каждому атому уникальные химические свойства, а также разобрались, как для любого атома определить с помощью таблички менделеева количество всех субатомных частиц. В следующем уроке пойдем изучать оболочку — поговорим о жизни электронов!
