1. Основные понятия и строение атома
Химия — это наука о превращениях веществ. Но чтобы понять, почему одни вещества взрываются при контакте с водой, а другие лежат в земле миллионы лет без изменений, нам нужно посмотреть в самый корень. Все свойства окружающего нас мира продиктованы строением мельчайших кирпичиков материи — атомов.
Из чего состоит атом: ядро и пустота
Долгое время считалось, что атом неделим (само слово atomos с древнегреческого переводится как «неделимый»). Однако в начале XX века выяснилось, что атом имеет сложную внутреннюю структуру.
В центре атома находится крошечное, но невероятно плотное атомное ядро. Оно состоит из двух типов частиц, которые вместе называются нуклонами:
Вокруг ядра на огромной скорости движутся электроны () — частицы с отрицательным зарядом. Масса электрона примерно в 1836 раз меньше массы протона, поэтому в химии массой электронов пренебрегают. Вся масса атома сосредоточена в его ядре.
Чтобы осознать масштабы, представим аналогию. Если увеличить атом до размеров огромного футбольного стадиона, то ядро будет размером с горошину, лежащую в центре поля. А электроны будут похожи на мошек, хаотично летающих по самым дальним трибунам. Атом на 99,99% состоит из пустоты!
В нормальном состоянии атом электрически нейтрален. Это значит, что количество положительных протонов в ядре строго равно количеству отрицательных электронов вокруг него.
Порядковый номер и изотопы
Что делает атом золота золотом, а атом кислорода — кислородом? Ответ кроется исключительно в ядре.
Количество протонов в ядре называется зарядовым числом (). Именно оно определяет, к какому химическому элементу относится атом. В Периодической системе Д.И. Менделеева зарядовое число совпадает с порядковым номером элемента. Если в ядре 6 протонов — это всегда углерод. Если 8 — всегда кислород. Добавите один протон к углероду — получите азот.
Сумма протонов и нейтронов называется массовым числом (). Математически это записывается так: , где — количество нейтронов.
Но вот парадокс: если посмотреть в таблицу Менделеева, масса хлора указана как 35,5. Как сумма целых протонов и нейтронов может быть дробной?
Дело в том, что количество нейтронов в атомах одного и того же элемента может различаться. Такие разновидности атомов одного элемента называются изотопами.
> Изотопы — это атомы с одинаковым количеством протонов, но разным количеством нейтронов (и, следовательно, разной массой).
В природе хлор существует в виде двух стабильных изотопов: хлор-35 (17 протонов и 18 нейтронов) и хлор-37 (17 протонов и 20 нейтронов). Примерно 75% всех атомов хлора на Земле — это хлор-35, а оставшиеся 25% — хлор-37. Если мы посчитаем среднее арифметическое с учетом их распространенности, то получим: Средняя масса = 35 × 0,75 + 37 × 0,25 = 35,5. Именно это усредненное значение и заносится в таблицу Менделеева.
Электронное облако и орбитали
В школьных учебниках часто рисуют атом в виде Солнечной системы, где электроны вращаются вокруг ядра по четким орбитам, как планеты. Для глубокого понимания химии эту картину нужно забыть.
Согласно квантовой механике, мы никогда не можем точно знать, где именно находится электрон в данный момент времени. Мы можем лишь рассчитать вероятность его нахождения в той или иной точке пространства. Область пространства вокруг ядра, в которой вероятность найти электрон максимальна (около 90%), называется атомной орбиталью.
Орбитали имеют разную форму и размер:
Электроны располагаются в атоме не хаотично, а слоями, которые называются энергетическими уровнями. Чем дальше уровень от ядра, тем большей энергией обладают находящиеся на нем электроны.
Представьте себе необычный отель, где этажи — это энергетические уровни, а номера — это орбитали:
Важное правило нашего отеля: в один номер (на одну орбиталь) можно заселить максимум двух постояльцев (электронов).
Правила заселения электронов
Как именно электроны распределяются по этим орбиталям? В химии действуют три строгих закона, которые часто проверяются на экзаменах.
1. Принцип наименьшей энергии Электроны ленивы. Они всегда стремятся занять орбитали с самой низкой энергией, то есть те, что ближе к ядру. Сначала полностью заполняется первый уровень, затем второй, и только потом третий.
2. Принцип Паули На одной орбитали могут находиться не более двух электронов, причем они должны иметь противоположные спины. Спин — это квантовое свойство электрона, которое упрощенно можно представить как направление вращения вокруг своей оси (по часовой стрелке или против). Если в «номере» живут два электрона, один должен «спать головой к окну», а другой — «головой к двери».
3. Правило Хунда В пределах одного подуровня (например, в трех -орбиталях) электроны сначала расселяются по одному в каждую пустую орбиталь, и только когда пустых не остается, начинают подселяться парами. Это похоже на пассажиров в автобусе: люди предпочитают садиться на двойные сиденья по одному, и лишь когда свободных мест не остается, садятся рядом с незнакомцами.
!Интерактивное заполнение орбиталей
Давайте рассмотрим пример — атом азота (порядковый номер 7). У него 7 электронов.
Валентные электроны: руки атома
Зачем нам так подробно изучать, где «живут» электроны? Потому что вся химия — это взаимодействие внешних оболочек атомов. Внутренние электроны надежно спрятаны и притянуты к ядру, они не участвуют в реакциях.
Электроны, находящиеся на самом внешнем энергетическом уровне (а иногда и на предвнешнем), называются валентными электронами. Именно они образуют химические связи. Их можно сравнить с руками атома: с их помощью атомы держатся друг за друга, отдают их или забирают у соседей.
Например, у натрия (Na) на внешнем уровне всего 1 электрон. Ему энергетически выгодно отдать этот электрон, чтобы обнажить полностью заполненный предыдущий уровень. А у хлора (Cl) на внешнем уровне 7 электронов, и ему отчаянно не хватает всего одного электрона для полного счастья (завершенной оболочки из 8 электронов). Когда они встречаются, натрий отдает свой валентный электрон хлору. В результате образуется прочная связь и новое вещество — поваренная соль (NaCl).
Понимание того, сколько у атома валентных электронов и на каких орбиталях они находятся, позволяет предсказывать, как этот атом будет вести себя в химических реакциях, какие связи он сможет образовать и какие свойства будет иметь получившееся вещество.