Файл: Реферат по дисциплине Концепция современного естествознания Тема 6 Строение простейших атомов и молекул.pdf

Атомы. Представление об атомах
Атомы — это маленькие частицы, из которых состоит вещество. Невозможно даже представить себе, насколько они малы. Если сложить в цепочку сто миллионов атомов, у нас получится ниточка длиной всего лишь в 1 см. В тонком листе бумаги, наверное, не меньше миллиона слоев атомов. Науке известно более ста видов атомов соединяясь друг с другом, они образуют все окружающие нас вещества. Мысль о том, что всё в природе состоит из атомов, возникла давно. Еще лет назад древнегреческие философы полагали, что вещество состоит из таких частиц, которые нельзя разделить. Само слово атом восходит к греческому слову «атомос», что значит неделимый. В Древней Греции (см. статью Загадочные жители Греции) философы обсуждали гипотезу о том, что всё вещество в мире состоит из неделимых частиц. Правда, Аристотель в этом сомневался. Термин атом был впервые использован английским химиком Джоном
Дальтоном (1766- 1844). В 1807 г. Дальтон выдвинул свою атомную теорию. Атомами он назвал составляющие всякое вещество малые частицы, которые не изменяются входе химических реакций. Согласно Дальтону, химическая реакция — это процесс, при котором атомы соединяются вместе или отделяются друг от друга. Атомная теория Дальтона лежит в основе представлений современных ученых. Вначале нашего столетия ученые начали строить модели атомов. Эрнест Резерфорд (1871 — 1937) показал, что отрицательно заряженные электроны обращаются вокруг положительно заряженного ядра. Нильс Бор (1885 —
1962) утверждал, что электроны обращаются по определенным орбитам. В
1932 г. Джеймс Чедвик (1891 — 1974) установил, что ядро атома состоит из частиц, которые он назвал протонами и нейтронами.

Структура атома Атомы состоят из еще меньших, чем они сами, частиц, называемых элементарными. Центром атома является его ядро. Оно состоит из элементарных частиц двух видов — протонов и нейтронов. Есть в атоме также другие элементарные частицы — электроны они вращаются вокруг ядра. Существует множество разных элементарных частиц. Ученые считают, что протоны и нейтроны состоят из кварков. Элементарные частицы, входящие в состав атома, удерживаются вместе благодаря своим электрическим зарядам. Протоны заряжены положительно, а электроны — отрицательно. Нейтроны заряда не имеют, те. являются электрически нейтральными. Частицы, несущие противоположные электрические заряды, притягиваются друг к другу. Притяжение отрицательно заряженных электронов к положительно заряженным протонам, находящимся в атомном ядре, удерживает электроны на орбитах около этого ядра. В состав атома входит одинаковое число положительно заряженных протонов и отрицательно заряженных электронов, и атом электрически нейтрален. Электроны в атоме находятся на разных энергетических уровнях, или оболочках. Каждая оболочка состоит из определенного числа электронов. Когда очередная оболочка заполняется, новые электроны попадают наследующую оболочку. Большую часть объема атома занимает пустое пространство между элементарными частицами. Отрицательно заряженные электроны удерживаются на своих энергетических уровнях силой притяжения к положительно заряженным протонам ядра. Строение атома часто описывают строгой диаграммой, однако сегодня ученые полагают, что электроны существуют на своих орбитах в размытом состоянии. Это представление отражено на рисунке, где электронные орбиты представлены в виде облаков. Так вы бы увидели молекулу под

электронным микроскопом. Равными цветами показаны разные уровни плотности электронов. Бирюзовым цветом отмечена область наибольшей плотности. Атомный номер и атомная масса Атомный номер — это число протонов в атомном ядре. Как правило, в состав атома входит одинаковое число протонов и электронов, поэтому по атомному номеру можно судить и о том, сколько в атоме электронов. В разных атомах содержится разное количество протонов. В ядре атома фосфора 15 протонов и 16 нейтронов, значит, его атомный номер 15. В ядре атома золота 79 протонов и 118 нейтронов следовательно, атомный номер золота 79. Чем больше протонов и нейтронов имеет атом, тем больше его масса величина, показывающая количество вещества в составе атома. Сумму числа протонов и числа нейтронов мы называем атомной массой. Атомная масса фосфора — 31. При исчислении атомной массы электроны в расчет не принимаются, так каких масса ничтожно мала по сравнению с массой атома.
Существует особый прибор — масс-спектрометр. Он позволяет определить для каждого данного атома его массу. Изотопы У большинства элементов существуют изотопы, атомы которых имеют несколько отличное строение. Количество протонов и электронов в атомах изотопов одного элемента всегда неизменно. Атомы изотопов различаются числом нейтронов в ядре. Следовательно, у всех изотопов одного элемента один и тот же атомный номер, но разная атомная масса. На этом рисунке вы видите три изотопа углерода. У изотопа Сесть нейтронов и 6 протонов. С имеет 7 нейтронов. В ядре изотопа С восемь нейтронов и 6 протонов.

Физические свойства изотопов различны, но они обладают одинаковыми химическими свойствами. Обычно большая часть атомов элемента вещества, состоящего из атомов одного вида) принадлежит к одному изотопу, а другие изотопы встречаются в меньших количествах. Молекулы Атомы редко встречаются и свободном состоянии. Как правило, они связываются друг с другом и образуют молекулы либо другие, более массивные структуры. Молекула — это мельчайшая частица вещества, которая может существовать самостоятельно. Она состоит из атомов, удерживающихся вместе при помощи связей. Например, у молекулы воды два атома водорода связанны с атомом кислорода. Атомы удерживаются вместе благодаря электрическим зарядам частиц, из которых они состоят. Описывая строение молекул, ученые прибегают к помощи моделей. Как правило, они пользуются структурными и пространственными моделями. Структурные модели представляют связи, удерживающие атомы вместе, в виде палочек. В пространственных моделях атомы плотно соединены друг с другом. Конечно, модель непохожа на настоящую молекулу. Модели строятся для того, чтобы показать, из каких атомов таили иная молекула состоит. Химические формулы Химическая формула вещества показывает, сколько атомов каких элементов входит в состав одной молекулы. Каждый атом обозначается символом. Как правило, в качестве символа выбирается первая буква английского, латинского или арабского названия элемента. Например, молекула углекислою газа состоит из двух атомов кислорода и одного атома углерода,

поэтому формула углекислого газа СО. Двойка Атомы обозначает число атомов кислорода в молекуле. Этот опыт продемонстрирует вам, что молекулы вещества удерживаются вместе силами притяжения. Наполните стакан водой до краев. Осторожно опустите в стакан несколько монет. Вы увидите, что над краями стакана приподнялся водяной купол. Сила, притягивающая молекулы воды друг к другу, может удержать некоторое количество воды над краями стакана. Эта сила называется силой поверхностного натяжения. Химическая связь
Химическая связь — это сила, удерживающая вместе два или несколько атомов, ионов, молекул или любую их комбинацию.
Под химической связью в химии понимается взаимное сцепление атомов в молекуле и кристаллической решетке, в результате действия силы притяжения, существующей между атомами. Именно благодаря химическим связям происходит образование различных химических соединений, в этом заключается природа химической связи.
Природа химической связи универсальна это электростатическая сила притяжения между отрицательно заряженными электронами и положительно заряженными ядрами, определяемая конфигурацией электронов внешней оболочки атомов. Способность атома образовывать химические связи называется валентностью, или степенью окисления. С валентностью связано понятие о валентных электронах — электронах, образующих химические связи, то есть находящихся на наиболее высокоэнергетических орбиталях. Соответственно, внешнюю оболочку атома, содержащую эти орбитали, называют валентной оболочкой. В настоящее время недостаточно указать наличие химической связи, а необходимо уточнить ее тип ионная, ковалентная, диполь-дипольная, металлическая, водородная.Механизм

образования химической связи сильно зависит от ее типа или вида.
Виды химической связи:
Металлическая связь
Металлическая связь, химическая связь, обусловленная взаимодействием электронного газа (валентные электроны) в металлах с остовом положительно заряженных ионов кристаллической решетки. Идеальная модель металлической связи отвечает образованию частично заполненных валентными электронами металла зон энергетических уровней, называемых зонами проводимости. При сближении атомов, образующих металл, атомные орбитали валентных электронов переходят в орбитали, делокализованные по кристаллической решетке аналогично делокализованным орбиталям сопряженных соединений. Количественно описать металлическую связь можно только в рамках квантовой механики, качественно образование металлической связи можно понять исходя из представлений о ковалентной связи.
При сближении двух атомов металла, например, Li - образуется ковалентная связь, при этом происходит расщепление каждого энергетического уровня валентного электрона на два. Когда N атомов Li образуют кристаллическую решетку, перекрывание электронных облаков соседних атомов приводит к тому, что каждый энергетический уровень валентного электрона расщепляется на N уровней, расстояния между которыми из-за большой величины N настолько малы, что их совокупность может считаться практически непрерывной зоной энергетических уровней, имеющей конечную ширину. Поскольку каждый атом участвует в образовании большего числа связей, чем, например, в двухатомной молекуле притом же числе валентных электронов, то минимум энергии системы (или максимум

энергии связи) достигается при расстояниях больших, чем в случае двуцентровой связи в молекуле. Межатомные расстояния в металлах заметно больше, чем в соединениях с ковалентной связью (металлический радиус атомов всегда больше ковалентного радиуса, а координационное число число ближайших соседей) в кристаллических решетках металлов обычно 8 или больше 8. Для наиболее часто встречающихся кристаллических структур координационные числа равны 8 (объёмно-центрированная кубическая, 12 гранецентрированная кубическая и гексагональная плотноупакованная. Расчеты параметров металлических решеток с использованием ковалентных радиусов дают заниженные результаты. Так, расстояние между атомами Li в молекуле Li2 (ковалентная связь) равно 0,267 нм, в металле Li-0,304 нм. Каждый атом Li в металле имеет 8 ближайших соседей, а на расстоянии, враз больше. Энергия связи в расчете на один атом Li в результате увеличения числа ближайших соседей увеличивается с 0,96.10-19 Дж для Li2 до 2,9.10-
19 Дж для кристаллического Во многих металлах металлическая связь между атомами включает вклады ионной или ковалентной составляющей. Особенности металлической связи у каждого металла могут быть связаны, например, с электростатическим отталкиванием ионов друг от друга с учетом распределения электрических зарядов в них, с вкладом в образование связи электронов внутренних незаполненных оболочек переходных металлов, с корреляцией движения электронов в электронном газе и некоторыми другими причинами.
Ионная связь
В соответствии с электронной теорией валентности Льюиса и Косселя, атомы могут достичь устойчивой электронной конфигурации двумя способами во-первых, теряя электроны, превращаясь в катионы, во-вторых,

приобретая их, превращаясь в анионы. В результате электронного переноса благодаря электростатической силе притяжения между ионами с зарядами противоположного знака образуется химическая связь, названная Косселем электровалентной (теперь ее называют ионной. В этом случае анионы и катионы образуют устойчивую электронную конфигурацию с заполненной внешней электронной оболочкой. Типичные ионные связи образуются из катионов Т и II групп периодической системы и анионов неметаллических элементов VI и VII групп (16 и 17 подгрупп — соответственно, халькогенов и галогенов. Связи у ионных соединений ненасыщенные и ненаправленные, поэтому возможность электростатического взаимодействия с другими ионами у них сохраняется. На рис. 2 и 3 показаны примеры ионных связей, соответствующих модели электронного переноса Косселя.
Рис. 1. Ионная связь
Рис. 2. Ионная связь в молекуле поваренной соли (Здесь уместно напомнить о некоторых свойствах, объясняющих поведение

веществ в природе, в частности, рассмотреть представление о кислотах и основаниях. Водные растворы всех этих веществ являются электролитами. Они по- разному изменяют окраску индикаторов. Механизм действия индикаторов был открыт Ф.В. Оствальдом. Он показал, что индикаторы представляют собой слабые кислоты или основания, окраска которых в недиссоциированном и диссоциированном состояниях различается. Основания способны нейтрализовать кислоты. Не все основания растворимы вводе (например, нерастворимы некоторые органические соединения, не содержащие ОН-групп, в частности, триэтиламин N (С 2 Н 5 ) 3 ); растворимые основания называют щелочами.
Водные растворы кислот вступают в характерные реакции:
а) с оксидами металлов — с образованием соли и воды;
б) с металлами — с образованием соли и водорода;
в) с карбонатами — с образованием соли, Си Н 2 Свойства кислот и оснований описывают несколько теорий. В соответствие с теорией С.А. Аррениуса, кислота представляет собой вещество, диссоциирующее с образованием ионов Н + , тогда как основание образует ионы ОН. Эта теория не учитывает существования органических оснований, не имеющих гидроксильных групп.
В соответствие с протонной теорией Бренстеда и Лоури, кислота представляет собой вещество, содержащее молекулы или ионы, отдающие протоны (доноры протонов, а основание — вещество, состоящее из молекул или ионов, принимающие протоны (акцепторы протонов. Отметим, что вводных растворах ионы водорода существуют в гидратированной форме, то есть в виде ионов гидроксония H 3 O + . Эта теория описывает реакции не только с водой и гидроксидными ионами, но и осуществляющиеся в отсутствие растворителя или с неводным растворителем. Например, в реакции между аммиаком NH 3 (слабым основанием) и

хлороводородом в газовой фазе образуется твердый хлорид аммония, причем в равновесной смеси двух веществ всегда присутствуют 4 частицы, две из которых - кислоты, а две другие - основания:
Эта равновесная смесь состоит из двух сопряженных пар кислот и оснований) NH 4 + и NH 3 2) HCl и Сl
Здесь в каждой сопряженной паре кислота и основание различаются на один протон. Каждая кислота имеет сопряженное с ней основание. Сильной кислоте соответствует слабое сопряженное основание, а слабой кислоте — сильное сопряженное основание.
Теория Бренстеда-Лоури позволяет объяснить уникальность роли воды для жизнедеятельности биосферы. Вода, в зависимости от взаимодействующего с ней вещества, может проявлять свойства или кислоты, или основания. Например, в реакциях сводными растворами уксусной кислоты вода является основанием, ас водными растворами аммиака — кислотой) СН 3 СООН + Н 2 O ↔ Н 3 O + + СН 3 СОО. Здесь молекула уксусной кислоты доминирует протон молекуле воды) NH 3 + НОН. Здесь молекула аммиака акцептирует протон от молекулы воды.
Таким образом, вода может образовывать две сопряженные пары) Н 2 O (кислота) и ОН (сопряженное основание) НО+ (кислота) и Н 2 O (сопряженное основание).
В первом случае вода доминирует протона во втором — акцептирует его. Такое свойство называется амфипротонностью. Вещества, способные вступать в реакции в качестве и кислот, и оснований, называются амфотерными. В живой природе такие вещества встречаются часто.

Например, аминокислоты способны образовывать соли и с кислотами, и с основаниями. Поэтому пептиды легко образуют координационные соединения с присутствующими ионами металлов.
Таким образом, характерное свойство ионной связи — полное перемещение нары связывающих электронов к одному из ядер. Это означает, что между ионами существует область, где электронная плотность почти нулевая.
Диполь-дипольная связь
Кроме перечисленных типов связи, различают еще диполь-дипольные межмолекулярные взаимодействия, называемые также вандерваалъсовыми. Сила этих взаимодействий зависит от природы молекул. Выделяют взаимодействия трех типов постоянный диполь — постоянный диполь (диполь-дипольное притяжение постоянный диполь — индуцированный диполь (индукционное притяжение мгновенный диполь
— индуцированный диполь (дисперсионное притяжение, или лондонские силы