АТОМ (от греч. atomos - неделимый), наименьшая частица хим. элемента, его св-в. Каждому хим. элементу соответствует совокупность определенных атомов. Связываясь друг с другом, атомы одного или разных элементов образуют более сложные частицы, напр. . Все многообразие хим. в-в (твердых, жидких и газообразных) обусловлено разл. сочетаниями атомов между собой. Атомы могут существовать и в своб. состоянии (в , ). Св-ва атома, в т. ч. важнейшая для способность атома образовывать хим. соед., определяются особенностями его строения.
Общая характеристика строения атома. Атом состоит из положительно заряженного ядра, окруженного облаком отрицательно заряженных . Размеры атома в целом определяются размерами его электронного облака и велики по сравнению с размерами _ядра атома (линейные размеры атома ~ 10~ 8 см, его ядра ~ 10" -10" 13 см). Электронное облако атома не имеет строго определенных границ, поэтому размеры атома в значит. степени условны и зависят от способов их определения (см. ). Ядро атома состоит из Z и N , удерживаемых ядерными силами (см. ). Положит. заряд и отрицат. заряд одинаковы по абс. величине и равны е= 1,60*10 -19 Кл; не обладает элек-трич. зарядом. Заряд ядра +Ze - осн. характеристика атома, обусловливающая его принадлежность к определенному хим. элементу. элемента в периодич. системе Менделеева () равен числу в ядре.
В электрически нейтральном атоме число в облаке равно числу в ядре. Однако при определенных условиях он может терять или присоединять , превращаясь соотв. в положит. или отрицат. , напр. Li + , Li 2+ или О - , О 2- . Говоря об атомах определенного элемента, подразумевают как нейтральные атомы, так и этого элемента.
Масса атома определяется массой его ядра; масса (9,109*10 -28 г) примерно в 1840 раз меньше массы или ( 1,67*10 -24 г), поэтому вклад в массу атома незначителен. Общее число и А = Z + N наз. . и заряд ядра указываются соотв. верхним и нижним индексами слева от символа элемента, напр. 23 11 Na. Вид атомов одного элемента с определенным значением N наз. . Атомы одного и того же элемента с одинаковыми Z и разными N наз. этого элемента. Различие масс мало сказывается на их хим. и физ. св-вах. Наиболее значит, отличия ()наблюдаются у вследствие большой относит. разницы в массах обычного атома (), D и Т. Точные значения масс атомов определяют методами .
Стационарное состояние одноэлектронного атома однозначно характеризуется
четырьмя квантовыми числами: п, l, m l и m s . Энергия
атома зависит только от п, и уровню с заданным п соответствует
ряд состояний, отличающихся значениями l, m l , m s .
Состояния с заданными п и l принято обозначать как 1s, 2s, 2p,
3s и т.д., где цифры указывают значения л, а буквы s, p, d, f и
дальше по латинскому соответствуют значениям д = 0, 1, 2,
3, ... Число разл. состояний с заданными п и д равно 2(2l+ 1) числу
комбинаций значений m l и m s . Общее число разл. состояний
с заданным п равно
, т. е. уровням со значениями п = 1, 2, 3, ... соответствуют 2,
8, 18, ..., 2n 2 разл. . Уровень, к-рому соответствует
лишь одно (одна волновая ф-ция), наз. невырожденным.
Если уровню соответствует два или более , он наз. вырожденным
(см. ). В атоме уровни энергии
вырождены по значениям l и m l ; вырождение по m s имеет
место лишь приближенно, если не учитывать взаимод. спинового магн. момента
с магн. полем, обусловленным орбитальным движением
в электрич. поле ядра (см. ). Это
- релятивистский эффект, малый в сравнении с кулоновским взаимод., однако
он принципиально существен, т.к. приводит к дополнит. расщеплению уровней
энергии, что проявляется в в виде т. наз. тонкой структуры.
При заданных n, l и m l квадрат модуля волновой ф-ции
определяет для электронного облака в атоме среднее распределение . Разл. атома существенно отличаются
друг от друга распределением (рис. 2). Так, при l
= 0 (s-состояния) отлична от нуля в центре атома и не
зависит от направления (т.е. сферически симметрична), для остальных состояний
она равна нулю в центре атома и зависит от направления.
Рис. 2. Форма электронных облаков для различных состояний атома .
В многоэлектронных атомах вследствие взаимного электростатич. отталкивания
существенно уменьшается их связи с ядром. Напр., энергия
отрыва от Не + равна 54,4 эВ, в нейтральном атоме
Не она значительно меньше - 24,6 эВ. Для более тяжелых атомов связь внеш.
с ядром еще слабее. Важную роль в многоэлектронных атомах играет специфич.
, связанное с неразличимостью ,
и тот факт, что подчиняются , согласно к-рому
в каждом , характеризуемом четырьмя квантовыми числами,
не может находиться более одного . Для многоэлектронного атома имеет
смысл говорить только о всего атома в целом. Однако приближенно,
в т. наз. одноэлектронном приближении, можно рассматривать
отдельных и характеризовать каждое одноэлектронное состояние
(определенную орбиталъ, описываемую соответствующей ф-цией) совокупностью
четырех квантовых чисел n, l, m l и m s . Совокупность
2(2l+ 1) в состоянии с данными п и l образует электронную
оболочку (наз. также подуровнем, подоболочкой); если все эти состояния
заняты , оболочка наз. заполненной (замкнутой). Совокупность
2п 2 состояний с одним и тем же n, но разными l образует
электронный слой (наз. также уровнем, оболочкой). Для п= 1, 2, 3,
4, ... слои обозначают символами К, L, M, N, ... Число
в оболочках и слоях при полном заполнении приведены в таблице:
Между стационарными состояниями в атоме возможны . При переходе с более высокого уровня энергии Е i на более низкий E k атом отдает энергию (E i - E k), при обратном переходе получает ее. При излучательных переходах атом испускает или поглощает квант электромагн. излучения (фотон). Возможны и , когда атом отдает или получает энергию при взаимод. с др. частицами, с к-рыми он сталкивается (напр., в ) или длительно связан (в. Хим. св-ва определяются строением внеш. электронных оболочек атомов, в к-рых связаны сравнительно слабо (энергии связи от неск. эВ до неск. десятков эВ). Строение внеш. оболочек атомов хим. элементов одной группы (или подгруппы) периодич. системы аналогично, что и обусловливает сходство хим. св-в этих элементов. При увеличении числа в заполняющейся оболочке их энергия связи, как правило, увеличивается; наиб. энергией связи обладают в замкнутой оболочке. Поэтому атомы с одним или неск. в частично заполненной внеш. оболочке отдают их в хим. р-циях. Атомы, к-рым не хватает одного или неск. для образования замкнутой внеш. оболочки, обычно принимают их. Атомы , обладающие замкнутыми внеш. оболочками, при обычных условиях не вступают в хим. р-ции.
Строение внутр. оболочек атомов, к-рых связаны гораздо прочнее (энергия связи 10 2 -10 4 эВ), проявляется лишь при взаимод. атомов с быстрыми частицами и фотонами высоких энергий. Такие взаимод. определяют характер рентгеновских спектров и рассеяние частиц ( , ) на атомах (см. ). Масса атома определяет такие его физ. св-ва, как импульс, кинетич. энергия. От механических и связанных с ними магн. и электрич. моментов ядра атома зависят нек-рые тонкие физ. эффекты ( зависит от частоты излучения, что обусловливает зависимость от нее показателя преломления в-ва, связанного с атома. Тесная связь оптич. св-в атома с его электрич. св-вами особенно ярко проявляется в оптич. спектрах.
===
Исп. литература для статьи «АТОМ»
: Карапетьянц М. X., Дракин С.И., Строение , 3 изд.,
М., 1978; Шло лье кий Э. В., Атомная физика, 7 изд., т. 1-2, М., 1984.
М. А. Ельяшевич.
Страница «АТОМ» подготовлена по материалам .
Рассмотрим зависимость некоторых свойств атомов от строения их электронных оболочек. Остановимся, прежде всего, на закономерностях изменения атомных и ионных радиусов.
Электронные облака не имеют резко очерченных границ. Поэтому понятие о размере атома не является строгим. Но если представить себе атомы в кристаллах простого вещества в виде соприкасающихся друг с другом шаров, то расстояние между центрами соседних шаров (т. е. между ядрами соседних атомов) можно принять равным удвоенному радиусу атома. Так, наименьшее межъядерное расстояние в кристаллах меди равно ; это позволяет считать, что радиус атома меди равен половине этой величины, т. е. .
Зависимость атомных радиусов от заряда ядра атома Z имеет периодический характер. В пределах одного периода с увеличением Z проявляется тенденция к уменьшению размеров атома, что особенно четко наблюдается в коротких периодах (радиусы атомов приведены в нм):
Это объясняется увеличивающимся притяжением электронов внешнего слоя к ядру по мере возрастания его заряда.
С началом застройки нового электронного слоя, более удаленного от ядра, т. е. при переходе к следующему периоду, атомные радиусы возрастают (сравните, например, радиусы атомов фтора и натрия). В результате в пределах подгруппы с возрастанием заряда ядра размеры атомов увеличиваются. Приведем в качестве примера значения атомных радиусов (в нм) элементов некоторых главных подгрупп:
Электроны наружного слоя, наименее прочно связанные с ядром, могут отрываться от атома и присоединяться к другим атомам, входя в состав наружного слоя последних.
Атомы, лишившиеся одного или нескольких электронов, становятся заряженными положительно, так как заряд ядра атома превышает сумму зарядов оставшихся электронов. Наоборот, атомы, присоединившие к себе лишние электроны, заряжаются отрицательно. Образующиеся заряженные частицы называются ионами.
Ионы обозначают теми же символами, что и атомы, указывая справа вверху их заряд: например, положительный трехзарядный ион алюминия обозначают , отрицательный однозарядный ион хлора - .
Потеря атомов электронов приводит к уменьшению его эффективных размеров, а присоединение избыточных электронов - к увеличению. Поэтому радиус положительно заряженного иона (катиона) всегда меньше, а радиус отрицательно заряженного нона (аниона) всегда больше радиуса соответствующего электронейтрального атома. Так, радиус атома калия составляет , а радиус иона радиусы атома хлора и иона соответственно равны 0,099 и . При этом радиус иона тем сильней отличается от радиуса атома, чем больше заряд иона. Например, радиусы атома хрома и ионов и составляют соответственно 0,127, 0,083 и .
В пределах одной подгруппы радиусы ионов одинакового заряда возрастают с увеличением заряда ядра. Это иллюстрируется следующими примерами (радиусы ионов даны в нм):
Такая закономерность объясняется увеличением числа электронных слоев и растущим удалением внешних электронов от ядра.
Мы уже знаем, что атомы химических элементов могут отличаться друг от друга по составу и, очевидно, что это должно влиять на их массу, поскольку чем больше в ядре атома суммарное количество протонов и нейтронов, тем он тяжелее. Электроны практически не влияют на массу атома, поскольку обладают крайне малой по сравнению с нейтронами и протонами массой (m p /m e ~2000).
Так как количество протонов в каждом атоме всегда равно количеству электронов, а электроны, если рассматривать строение атома упрощенно, движутся вокруг ядра на значительном от него удалении, то радиус атома равен радиусу орбиты наиболее удаленного от ядра электрона. Следовательно, должна быть некоторая зависимость радиуса атома от количества таких орбит, которая в какой-то степени связана с количеством электронов.
Среди химических элементов наименьшие размеры имеют атомы водорода, радиус которых в обычном состоянии составляет всего лишь около 0,0000000000529 м (5,2910 -11 м) или 0,529 Å, где Å – обозначение единицы длины, называемой ангстрем и равной 10 -10 м. Кроме того, в качестве единиц измерения таких малых значений расстояний часто используют нанометры (нм). 1 нанометр равен 10 -9 м.
Легко догадаться, что малы не только размеры всех атомов, но и их массы. Так, например, масса атома водорода приблизительно равна 1,674∙10 -27 кг. Масса атома, выражаемая в килограммах (г, мг и т.д.), называется абсолютной атомной массой и обозначается как m a . Проводить расчеты с такими малыми величинами крайне неудобно, поэтому ученые нашли следующий выход – измерять все массы атомов других химических элементов в «атомах водорода». Таким образом, получалось, что, например, атом кислорода весит приблизительно 16 «атомов водорода», атом углерода — «12 атомов водорода» и т.д. И все бы хорошо, но все испортили изотопы – разновидности атомов одного и того же химического элемента, отличающиеся между собой массой из-за разного количества нейтронов в ядрах. Выходом могло бы стать использование некой средней массы атома водорода, но дело осложняется тем, что разные изотопы водорода в природе распространены неравномерно. Поэтому, в конечном итоге, было решено использовать в качестве относительной единицы массы не массу атома водорода, а одну двенадцатую массы атома углерода, поскольку данный элемент представлен практически полностью только изотопами углерода с 6 нейтронами и 6 протонами в ядрах (~99 %). Одну двенадцатую массы атома данного изотопа углерода было принято обозначать 1 а.е.м., что расшифровывается как «атомная единица массы». Одна атомная единица массы равно примерно 1,66·10 −27 кг.
Графическое представление смысла одной атомной единицы массы представлено на рисунке 2.
Рисунок 2. Графическая иллюстрация физического смысла одной атомной единицы массыТаким образом, мы подошли к определению нового термина – относительной атомной массы:
Определение : относительная атомная масса химического элемента равна отношению его абсолютной массы к одной двенадцатой абсолютной массы атома углерода или к массе одной атомной единицы массы.
Относительную атомную массу обозначают символом A r (индекс r означает сокращение от английского слова relative, что переводится как «относительный»). Таким образом, обозначив в общем виде химический элемент символом Х, мы получаем следующую формульную запись представленного выше определения:
Относительная атомная масса — величина безразмерная, так как в числителе и знаменателе находятся значения, измеряемые в одинаковых единицах массы (кг, г или др.). Согласно представленной выше формуле, например, относительная атомная масса водорода равна:
а относительная атомная масса кислорода:
В большинстве расчетных задач, с которыми приходится иметь дело химикам, используются значения относительных атомных масс, округленные до целочисленных значений, т.е. применительно к водороду и кислороду:
Следует отметить, что атомную массу хлора округляют до 35,5. Это связано с тем, что у данного элемента изотопы с относительными массами 35 и 36 практически одинаково распространены в природе.
«Неужели это возможно в домашних условиях?» - спросите вы. Вполне возможно, только для того, чтобы рассчитать диаметр атома, надо кое-что знать. Например, что атомы многих металлов можно представить в виде маленьких, плотно упакованных шариков. В таком случае атомы-шарики занимают 74 % всего пространства, а остальные 26 % приходятся на пустот ы между ними. Еше надо знать, как связан объем шара (У) с его диаметром UD - эту формулу можно найти в учебнике или в справочнике по математике: V- тГ/Ь. где к = 3,14. Наконец, надо знать очень важную для химии величину, которая называе тся постоянной Авогадро (Л/л) в честь итальянского ученого XIX века Амедео Авогадро (1776-1856). Эта константа показывает, сколько частиц - атомов, ионов или молекул содержится водном моле вещества. Моль - очень удобная для химиков единица измерения, так как в одном моле любого вещест ва содержится одинаковое число частиц. Например. 1 моль воды (18 г), или I моль сахара (343 г), или 1 моль кислорода (32 г) содержит одинаковое число молекул, равное Л"д = 6.02 ¦ !0". Ровно столько же атомов содержит 1 моль алюминия (27 г), или I моль меди (64 г), или I мольсеребра (108 г). А I моль поваренной соли (58,5 г) содержит по 6.02 10" положительно заряженных ионов (катионов) натрия и отрицательно заряженных ионов (анионов) хлора. Понятие «моль» (раньше его называли «грамм-молекулой»,аеще раньше, во времена Менделеева, - «химическим паем») удобно тем, что им можно пользоваться и не зная численного значения постоянной Авогадро. так как ве-щества реагируют друг с другом в соответствии с числом молей в них.
О том, как ученые определили это оіромное число, мы еще поговорим, а пока вернемся к нашей ложке. Итак, пусть в предыдущем опыте нам повезло, и ложка оказалась из серебра высокой пробы с плотностью 10,5 г/см1. Теперь у нас есть все данные, чтобы определить размер «сереб-ряного атома». В I см"серебра содержится 10,5 г: 108 г/моль = 0,097 моль, или 0,097 ¦ 6,02 ¦ I0J1 = 5,84 10" атомов серебра. Если не считать пустоты между атомами, то на долю самих атомов-шари ков придется не 1 см3, а немного меньше - 0,74 см3. Значит, объем одного атома равен 0,74с.м3/5.84- Ю"= 1.27-10 "см3. Осталось только по приведенной выше формуле рассчитать диаметр атома серебра. Он получится очень маленьким: d = 3 10 4 см. пли 0,3 нм (нанометр - одна миллнардная часть метра - самая подходящая единица для измерения таких малых величин).
Все атомы имеют очень малые размеры. Цепочка из миллиона атомов серебра, плотно уложенных друг к другу, протянется всего на 0,3 мм. Для сравнения: если уложить в цепочку миллион маковых зер- нышек диаметром 1 мм, то такая цепочка протянется на 1 км! Из-за малою размера атомов их невозможно увидеть даже и самый сильный оптический микроскоп. Зато ученые придумали другие приборы, позволяющие получать изображения отдельных атомов.
Примерно такие же размеры, как атом серебра, имеют небольшие молекулы - кислорода, азота, метана, волы; все они содержат несколько небольших а томов. Бывают молекулы, которые значительно больше: они содержат много атомов или агомы больших размеров (например, атомы иода). В следующем разделе мы познакомимся с одним из методов измерения размера молекул. А сейчас - некоторые ин тересные и полезные сведения об Авогадро и постоянной, названной его именем.
Итальянский химик Авогадро прожил очень дол гую по меркам того времени жизнь. Он родился в 1776 году в Турине, в Северной Италии. Получил юридическое образование и в возрасте 20 лет был назначен секретарем префектуры. Это были годы, когда в Италии гремела слава молодого французского полководца Наполеона. Однако Авогадро не привлекала ни военная, ни юридическая карьера. Со временем он стал все больше интересоваться естественными науками - физикой и химией, которые изучил самостоятельно. В 1809 году он начал преподавать физику в городе Верчслли, недалеко от Турина, а в 1820 году был назначен профессором математической физики в Туринском университете. В университете Авогадро проработал до преклонного возраста и покинул его лишь в 1850 году. Умер Авогадро в Турине в 1856 году. О его личной жизни сохранилось очень мало сведений. Прославили же Авогадро две статьи, опубликованные в 1811 и 1814 годах. Вначале они не вызвали интереса и были почти забыты. Сегодня же имя Авогадро знают школьники всех стран, если они изучают физику и химию. Закон Авогадро звучит очень просто: «Равные объемы газообразных веществ при одинаковом давлении и температуре содержат одно и то же число молекул, так что плотность различных газов служит мерой массы их молекул». Из этого закона следовало, что, измеряя плотность разных газов, можно определять относительные массы, а также состав молекул газообразных соединений. Благодарные потомки на-звали число частиц в одном моле вещества постоянной Авогадро, которую обозначили как JVa. Кстати, само слово «моль» - итальянского, вернее, латинского происхождения. В переводе с латыни moles означает «тяжесть, глыба, громада». На современной двухцентовой итальянской монете изображен купол со шпилем «Антонеллиевой громады» {mole A/ilonelliana), самой высокой конструкции в Италии (167,5 м); интересно, что это сооружение считается символом Турина, родного города Авогадро. Соответственно, molecula (с уменьшительным суффиксом -си/о) - «маленькая масса», как корпускула - «маленькое тело» (так во времена Ломоносова называли молекулы). Помимо указанного значения слово motes на латыни означает «дамба, насыпь, укрепленная большими камнями» (вспомним слово «мол» - сооружение в гаванях для защиты судов от морских волн)- Тот же корень в латинском слове mola - «жернов» («громадный камень») и в глаголе то/о - «молоть». Отсюда и молот с молотком, и моляр - зуб, размалывающий твердую пищу, как жернов на мельнице, и даже вредная моль - насекомое, измельчающее, стирающее вещи в муку
Постоянная Авогадро - огромное число, с трудом поддающееся воображению; оно, к примеру, в 4 миллиарда раз больше, чем расстояние от Земли до Солнца, выраженное в миллиметрах! Это означает, что атомы и молекулы очень маленькие - раз их так много помещается в сравнительно небольшом количестве вещества. Еще в XIX веке ученым было очевидно, что. постольку атомы и молекулы очень маленькие и никто их еше не видел, постоянная Авогадро должна быть очень велика. Постепенно физики научились определять размеры молекул и значение постоянной Авогадро - сначала очень грубо, приблизительно, затем все точнее. Прежде всего им было понятно, что обе вели-чины связаны между собой: чем меньше окажутся атомы и молекулы, тем больше получится постоянная Авогадро.
Преподаватели и популяризаторы химии придумали множество эффектных способов, чтобы наглядно показать грандиозность этого числа. Вот некоторые из них.
В пустыне Сахара содержится менее трех молей самых мелких песчинок.
Если объем футбольного мяча увеличить в Л^ раз, то в таком мяче поместится Земной шар. Если же в NA раз увеличить диаметр мяча, то в нем поместится самая большая галактика, содержащая сотни миллиардов звезд. Кстати, число звезд во Вселенной примерно равно постоянной Авогадро.
Если взять 100 г красителя, пометить каким-либо способом все его молекулы, вылить этот краситель в море и подождать, пока он равномерно распределится по всем морям и океанам до самого дна, то, зачерпнув в любом месте Земного шара стакан воды, мы обязательно обнаружим в нем не один десяток «меченых» молекул.
При каждом вдохе человека в его легкие попадает хотя бы несколько молекул кислорода и азога, которые содержались в последнем выдохе Юлия Цезаря (44 год до н. э.).
Если взять моль долларовых бумажек, они покроют все материки двухкилометровым плотным слоем,
В древности на Востоке придумали такую легенду. В сказочном царстве находится огромная гранитная скала. Представим себе, что она имеет форму куба с ребром, равным 1 км. Раз в столетие на скалу садится ворон и чистит об нее клюв. Если предположить, что при этом скала стирается на 0,0001 г. то число лет, за которое от скалы не останется ни одной песчинки, меньше, чем постоянная Авогадро.