атомы

1. Что такое атом?
2. Каковы части атома?
3. Что такое периодическая таблица?
4. Как атомы образуют молекулы и соединения?
5. Какие изотопы?
6. Как атомы делают ионы?
7. Краткая история атомов

от Крис Вудфорд , Последнее обновление: 21 апреля 2019 г.

Предположим, вам нужно было построить себе мир, в точности похожий на тот, в котором мы живем. С чего бы вы начали? Вам нужны люди ... машины ... дома ... животные ... деревья ... и миллиарды других вещей. Но если бы у вас было несколько десятков различных типов атомов , вы могли бы построить все эти вещи и многое другое: вы бы просто соединяли атомы по-разному. Атомы - это крошечные строительные блоки, из которых строится все вокруг нас. Удивительно думать, что из атомов можно сделать что угодно, от змеи до океанского лайнера, но это абсолютно верно! Давайте внимательнее посмотрим.

Работа: от волос на голове до футболки на спине, все в мире состоит из атомов. Я сильно преувеличил их размер на этой иллюстрации. На моем экране каждая из красных атомных точек примерно в 10 миллионов раз больше обычного атома. (Ваш экран может быть больше или меньше моего или масштабироваться по-другому, поэтому принимайте это как очень грубое приближение.)

Что такое атом?

Разберите что-нибудь на части, и вы найдете что-то меньшее внутри Есть двигатели в автомобилях, внутри яблоки, в сердцах и легких, а внутри - плюшевых мишек. Но что произойдет, если вы продолжите идти? Если вы продолжите разбирать вещи на части, вы в конечном итоге обнаружите, что вся материя (все «вещи», которые нас окружают) состоит из атомов разных типов. Например, живые существа в основном состоят из атомов углерода, водорода и кислорода. Это только три из более чем 100 химических элементов , которые открыли ученые. Другие элементы включают в себя металлы такие как медь , банка , железо а также золото и газы, такие как водород и гелий. Вы можете создать практически все, что только сможете придумать, объединив атомы разных элементов, например, крошечные блоки LEGO®.

Фото: как выглядит атом? Вы можете увидеть один, если у вас есть правильный вид микроскоп или камера! На этой фотографии изображены атомы стронция, «летающие» в кубе при точной стимуляции лазер свет. Любезно предоставлено Национальный институт стандартов и технологий (NIST) ,

Атом - это наименьшее возможное количество химического элемента, поэтому атом золота - это наименьшее количество золота, которое вы можете иметь. Под малым я действительно имею в виду абсолютно, nanoscopically крошечный: один атом в сотни тысяч раз тоньше человеческого волоса, поэтому у вас нет абсолютно никаких шансов увидеть его, если у вас нет невероятно мощного электронный микроскоп , В древние времена люди думали, что атомы - самые маленькие вещи в мире. На самом деле, слово «атом» происходит от греческого слова, означающего нечто, что нельзя разделить дальше. Сегодня мы знаем, что это не так. Теоретически, если бы у вас был достаточно маленький и острый нож, вы могли бы расколоть атом золота на кусочки и найти внутри себя более мелкие предметы. Но тогда у тебя больше не будет золота: у тебя просто будут биты. Все атомы состоят из одних и тех же битов, которые называются субатомными частицами («суб» означает частицы меньше, чем частицы, и они меньше атомов). Поэтому, если вы нарезаете атом железа и складываете кусочки в кучу, а затем измельчаете атом золота и складываете эти кусочки во вторую кучу, у вас будет две кучки очень похожих кусочков - но там » Не было бы ни железа, ни золота.

Каковы части атома?

У большинства атомов есть три разные субатомные частицы: протоны , нейтроны и электроны . Протоны и нейтроны упакованы вместе в центр атома (который называется ядром ), а электроны, которые намного меньше, извиваются вокруг. Когда люди рисуют изображения атомов, они показывают электроны, как спутники, вращающиеся вокруг Земли на орбитах. На самом деле, электроны движутся так быстро, что мы никогда не знаем точно, где они находятся от одного момента к другому. Представьте их суперскоростными гоночными машинами, движущимися так невероятно быстро, что они превращаются в расплывчатые облака - кажется, что они почти везде одновременно. Вот почему вы увидите, что некоторые книги рисуют электроны внутри нечетких областей, называемых орбитали .

Работа: Атомы содержат протоны и нейтроны, упакованные в центральную область, называемую ядром, в то время как электроны занимают пространство вокруг него. В простых описаниях атома мы часто говорим об электронах, «вращающихся вокруг» ядра, как планеты, вращающиеся вокруг Солнца, или о спутниках, свистящих вокруг Земли, хотя это огромное упрощение , Обратите внимание также, что эта картина не в масштабе! Большая часть атома - это пустое пространство. Если бы атом был примерно таким же большим, как бейсбольный стадион, ядро ​​было бы размером с горошину в самом центре, а электроны были бы где-то на внешнем крае.

Что отличает атом золота от атома железа, так это количество протонов, нейтронов и электронов внутри него. Разрежьте один атом железа, и вы найдете 26 протонов и 30 нейтронов, сгруппированных вместе в ядре и 26 электронов, свистящих вокруг снаружи. Атом золота больше и тяжелее. Раздвиньте его, и вы найдете 79 протонов и 118 нейтронов в ядре и 79 электронов, вращающихся по краю. Протоны, нейтроны и электроны в атомах железа и золота идентичны - их просто различное количество. Теоретически, вы можете превратить железо в золото, взяв атомы железа и добавив к каждому 53 протона, 88 нейтронов и 53 электрона. Но если бы это было так просто, как кажется, вы могли бы поспорить, что все химики мира были бы действительно очень богаты!

Но давайте предположим, что вы могли бы превратить атомы в другие атомы очень просто. Как бы вы сделали первые несколько химических элементов? Вы бы начали с самого простого атома из всех, водорода (символ Н), у которого есть один протон и один электрон, но нет нейтронов. Если вы добавите еще один протон, другой электрон и два нейтрона, вы получите атом гелия (символ Он). Добавьте еще один протон, еще один электрон и еще два нейтрона, и у вас будет атом металлического лития (символ Li). Добавьте один протон, один нейтрон и один электрон, и вы получите атом бериллия (символ Be).

Посмотри, как это работает? Во всех атомах число протонов и число электронов всегда одинаково. Количество нейтронов очень примерно равно количеству протонов, но иногда оно больше. Число протонов в атоме называется атомным номером, и оно говорит вам, какой тип атома у вас есть. Атомный номер 1 означает, что атом является водородом, атомный номер 2 означает гелий, 3 означает литий, 4 - бериллий и так далее. Общее количество протонов и нейтронов, сложенных вместе, называется относительной атомной массой . Водород имеет относительную атомную массу 1, а относительная атомная масса гелия - 4 (потому что внутри два протона и два нейтрона). Другими словами, атом гелия в четыре раза тяжелее атома водорода, а атом бериллия в девять раз тяжелее.

Что такое периодическая таблица?

Работа: Периодическая таблица элементов.

Предположим, вы составляете список химических элементов в порядке их атомного номера (сколько у них протонов), начиная с водорода (H). Вы обнаружите, что элементы со схожими химическими свойствами (как они реагируют с вещами) и физическими свойствами (будь то металлы или неметаллы, как они проводят тепло и электричество и т. Д.) Встречаются через равные промежутки времени - периодически , в другие слова. Если вы упорядочите свой список в таблице так, чтобы похожие атомы попали друг в друга, вы получите такую ​​диаграмму, которая называется Периодической таблицей . Столбцы называются группами, а строки - периодами.

И что? Атомы в определенной группе (столбце), как правило, имеют сходные свойства. Так, например, красный столбец справа содержит благородные газы (гелий, неон, аргон, криптон и т. Д.), Которые относительно неактивны. Розовый столбик слева содержит щелочные металлы (литий, натрий, калий и т. Д.), Которые являются относительно реактивными металлами (вы, вероятно, знаете, что некоторые из них бурно реагируют с водой, например, с образованием взрывоопасного газообразного водорода). Если вы знаете, где находится определенный элемент в таблице, и немного знаете о свойствах элементов выше, ниже и с обеих сторон, вы часто можете выяснить, какими будут свойства этого элемента.

Как атомы образуют молекулы и соединения?

Атомы немного похожи на людей: они обычно предпочитают компанию одиночеству. Многие атомы предпочитают объединяться с другими атомами, потому что они более стабильны. Таким образом, атомы водорода не существуют сами по себе: вместо этого они объединяются, чтобы создать то, что называется молекулой водорода. Молекула - это наименьшее количество соединения : вещество, состоящее из двух или более атомов.

Некоторые люди путают молекулы и соединения. Вот как запомнить разницу. Если вы соединяете два разных химических элемента вместе, вы часто можете сделать совершенно новое вещество. Приклеить два атома водорода к атому кислорода, и вы сделаете одну молекулу воды , Вода - это соединение (потому что это два разных химических элемента, соединенных вместе), но это также и молекула, потому что она создана путем объединения атомов. Способ запомнить это так: соединения - это элементы, соединенные вместе, а молекулы - это атомы, соединенные вместе.

Не все молекулы такие маленькие и простые, как вода. Молекулы пластики Например, они могут состоять из сотен или даже тысяч отдельных атомов, объединенных в невероятно длинные цепи, называемые полимерами . Полиэтилен (также называемый полиэтилен или полиэтилен) является очень простым примером этого. Это полимер, получаемый путем повторения базовой единицы, называемой мономером, снова и снова - точно так же, как угольный поезд, изготовленный путем соединения друг с другом любого количества одинаковых грузовиков, один за другим:

Какие изотопы?

Чтобы усложнить ситуацию немного больше, мы иногда находим атомы химического элемента, которые немного отличаются от того, что мы ожидаем. Возьмите углерод, например. Обычный углерод, который мы находим в окружающем нас мире, иногда называют углеродом-12. Он имеет шесть протонов, шесть электронов и шесть нейтронов, поэтому его атомный номер равен 6, а его относительная атомная масса равна 12. Но есть и другая форма углерода, называемая углерод-14, с шестью протонами, шестью электронами и восемью нейтронами. У него все еще есть атомный номер шесть, но его относительная атомная масса равна 14. Углерод-14 более нестабилен, чем углерод-12, поэтому он радиоактивен : он естественным образом распадается, испуская в процессе субатомные частицы, превращаясь в азот. Углерод-12 и углерод-14 называются изотопами углерода. Изотоп - это просто атом с другим количеством нейтронов, которое мы обычно ожидаем найти.

Как атомы делают ионы?

Атомы - это не просто пакеты материи: они содержат электрические энергия тоже. Каждый протон в ядре атома имеет крошечный положительный заряд ( электричество который остается в одном месте). Мы говорим, что у него есть заряд +1, чтобы сделать все простым (в действительности, заряд протона - это длинное и сложное число: +0,00000000000000000016021892 C, если быть точным!). Нейтроны вообще не заряжены. Это означает, что ядро ​​атома представляет собой большой сгусток положительного заряда. Электрон крошечный по сравнению с протоном, но у него точно такой же заряд. Фактически, у электронов есть заряд, противоположный протонам (заряд -1 или -0,00000000000000000016021892 C, чтобы быть абсолютно точным). Таким образом, протоны и электроны немного похожи на два разных конца аккумулятор : у них есть равные и противоположные электрические заряды. Поскольку атом содержит одинаковое количество протонов и электронов, он не имеет общего заряда: положительные заряды на всех протонах точно уравновешены отрицательными зарядами на всех электронах. Но иногда атом может получить или потерять электрон, чтобы стать так называемым ионом . Если он получает электрон, он имеет слишком много отрицательного заряда, и мы называем его отрицательным ионом; если он теряет электрон, он становится положительным ионом.

Работа: Атом лития (Li) образует положительный ион (Li +), "теряя" электрон. Атом фтора (F) образует отрицательный ион (F -), приобретая электрон.

Что хорошего в ионах? Они очень важны во многих химических реакциях. Например, обычная поваренная соль (которая имеет химическое название хлорид натрия) образуется, когда ионы натрия объединяются с ионами, полученными из хлора (которые называются хлорид-ионами). Ион натрия образуется, когда атом натрия теряет электрон и становится положительно заряженным. Ион хлорида образуется противоположным образом, когда атом хлора приобретает электрон, чтобы стать отрицательно заряженным. Как две противоположные магнит полюсы, положительные и отрицательные заряды притягивают друг друга. Таким образом, каждый положительно заряженный ион натрия привязывается к отрицательно заряженному хлорид-иону, образуя единственную молекулу хлорида натрия. Когда соединения образуются через два или более ионов, соединяющихся вместе, мы называем это ионной связью . Большинство металлов образуют свои соединения таким образом.

Электрический заряд, который имеют ионы, может быть полезен во всех отношениях. Ионы (а также электроны) помогают переносить электричество через батареи когда вы подключаете их в цепь.

Краткая история атомов

Кто открыл атом, как и когда? Давай быстро оторвемся от истории ...

• 450 г. до н.э. Древнегреческие философы Левкипп и Демокрит стали первыми, кто предположил, что материя состоит из атомов.
• 1661: англо-ирландский химик Роберт Бойл (1627–1691) предположил, что химические элементы были простейшими формами вещества.
• 1789: француз Антуан Лавуазье (1743–1794), широко известный как «отец современной химии», представил список химических элементов (которые он определил как вещества, которые не могут быть разрушены в результате химической реакции). Это был важный шаг на пути к полной периодической таблице.
• 1803: английский ученый Джон Далтон (1766–1844) опубликовал атомную теорию материи. Он понял, что каждый химический элемент состоит из атомов.
• 1815: английский врач Уильям Прут (1785–1850) предположил, что веса различных элементов - это простые кратные веса атома водорода - не совсем верно, но это еще один важный ключ к пониманию того, как создаются атомы.
• 1869: опираясь на идеи Лавуазье, Далтона, Прута и других, русский химик по имени Дмитрий Менделеев (1834–1907) нашел логичный способ организации химических элементов с аккуратной структурой, называемой периодической таблицей.
• 1896: французский физик Анри Беккерель (1852–1908) случайно обнаружил радиоактивность.
• 1917: новозеландский английский физик Эрнест Резерфорд (1871–1937) «расколол» атом: он доказал, что атомы состоят из более мелких частиц, в конце концов заключив, что они имеют тяжелое, положительно заряженное ядро ​​и практически пустую область вокруг них.
• 1919: британский физик Фрэнсис Астон (1852–1908) обнаружил большое количество атомных изотопов, используя масс-спектрометрии ,
• 1938: немецкие физики Отто Хан (1879–1978) и Фриц Штрассманн (1902–1980) достигли первого ядерного деления (расщепление тяжелых атомов, чтобы сделать более легкими).
• 1945: Соединенные Штаты сбросили атомные бомбы на японские города Хиросима и Нагасаки.
• 1960–1970-е гг .: физики элементарных частиц выяснили, как несколько фундаментальных сил удерживают вместе небольшие «субатомные» частицы, образуя атомы. Их идеи постепенно стали известны как Стандартная Модель.
• 2013: ученые использовали квантовый микроскоп, чтобы сделать первые снимки внутри атома водорода.

Похожие

Комментарии