Современные представления о строении атома

И.В.ТРИГУБЧАК

Пособие-репетитор по химии

ЗАНЯТИЕ 3
10-й класс (первый год обучения)

Продолжение. Начало см. в № 22,/2005; 1/2006

Современные представления о строении атома

До конца XIX в. атом считали неделимой частицей, но последовавшие позже открытия (радиоактивность, фотоэффект) поколебали это убеждение. Сейчас известно, что атом состоит из элементарных частиц, основные из которых – протон, нейтрон, электрон.

Частица	Обозначение	Заряд	Относительная атомная масса
Протон	p	+
Нейтрон	n
Электрон	e	–	1/1840

После открытия основных элементарных частиц, входящих в состав атома, встал вопрос об их местонахождении, т.е. о строении атома. В 1911 г. Томсон предложил свою модель строения атома, которая получила условное название «пудинг с изюмом». Согласно этой модели атом представляет собой некую субстанцию, в которой равномерно распределены протоны, нейтроны и электроны. Число протонов равно числу электронов, поэтому атом в целом электронейтрален.

В 1913 г. Резерфорд ставит опыт, результаты которого модель Томсона объяснить не может (рис.).Это заставляет Резерфорда предложить свою модель строения атома, получившую название планетарной. Согласно этой модели атом состоит из ядра, в котором сконцентрирована основная масса атома, поскольку ядро содержит протоны и нейтроны; вокруг ядра на огромной скорости вращаются электроны. Поскольку модель Резерфорда содержала ряд противоречий, Н.Бором были введены постулаты, устраняющие эти противоречия.

Рис. Схема установки в опыте Резерфорда: 1 – источник -излучения; 2 – золотая фольга; 3 – экран с покрытием из сульфида цинка

1-й постулат. Электроны вращаются вокруг ядра не по произвольным, а по строго определенным, стационарным орбитам.

2-й постулат. При движении по стационарной орбите электрон не излучает и не поглощает энергию. Изменение энергии происходит при переходе электрона с одной стационарной орбиты на другую.

Но теория Резерфорда–Бора дает удовлетворительные результаты только для атома водорода. Современные представления о строении атома подчиняются квантовой модели строения атома, которая учитывает волновые свойства элементарных частиц. Приведем ее основные положения.

Э.Резерфорд (1871–1937)

• Электрон имеет двойственную (корпускулярно-волновую) природу, т.е. ведет себя и как частица, и как волна. Как частица, электрон обладает массой и зарядом; как волна, он обладает способностью к дифракции.

Н.Бор (1885–1962)

• Для электрона невозможно одновременно точно измерить координату и скорость.

• Электрон в атоме не движется по определенным траекториям, а может находиться в любой части околоядерного пространства, однако вероятность его нахождения в разных частях этого пространства неодинакова. Область пространства, где вероятнее всего находится электрон, называется орбиталью *.

• Ядра атомов состоят из протонов и нейтронов, имеющих общее название – нуклоны.

Параметры для характеристики атомов

Массовое число А – сумма чисел протонов и нейтронов атома.

Заряд ядра Z – число протонов, определяется по порядковому номеру элемента в таблице Д.И.Менделеева. В 1913 г. английским физиком Г.Мозли было установлено, что положительный заряд ядра атома (в условных единицах) равен порядковому номеру элемента в периодической системе Д.И.Менделеева.

Число нейтронов N определяется как разность между массовым числом и зарядом ядра (учитывая, что массой электрона можно пренебречь).

Изотопы – атомы одного элемента, имеющие одинаковый заряд ядра (следовательно, и количество электронов), но различное число нейтронов (следовательно, различные массовые числа). Например, элемент водород имеет три изотопа: протий, дейтерий и тритий. Первые два существуют в природе, тритий получен искусственным путем. Подавляющее большинство химических элементов имеет разное число природных изотопов с разным процентным содержанием каждого из них. Относительная атомная масса элемента, которая приводится в периодической системе, – это средняя величина массовых чисел природных изотопов данного элемента с учетом процентного содержания каждого из этих изотопов. Химические свойства всех изотопов одного химического элемента одинаковы. Следовательно, химические свойства элемента зависят не от атомной массы, а от заряда ядра.

Помимо изотопов существуют изобары – атомы разных химических элементов, которые имеют одинаковые массовые числа, и изотоны – атомы разных химических элементов, которые имеют одинаковое число нейтронов.

Радиоактивность. Ядерные реакции

Радиоактивностью называют самопроизвольное превращение неустойчивого изотопа одного химического элемента в изотоп другого элемента, сопровождающееся испусканием элементарных частиц или ядер.

Периодом полураспада (Т _1/2) называется время, за которое распадается половина исходного количества радиоактивного изотопа.

где m ₀ – начальная масса вещества, m _ост – масса остатка, t – время процесса, Т _1/2 – период полураспада.

К основным видам радиоактивного распада относятся:

- распад ( -частица – ядро атома ⁴₂He). При испускании -частицы ядро теряет два протона и два нейтрона, например:

^–- распад ( ^–-частица – электрон). При испускании электрона заряд ядра увеличивается на 1, а массовое число не изменяется, например:

Позитронный ( ⁺) распад ( ⁺-частица – позитрон, обладает массой электрона и положительным зарядом). Число протонов в ядре при позитронном распаде уменьшается на 1, а массовое число не изменяется, например:

Электронный захват. При захвате ядром электрона заряд ядра уменьшается на 1, а массовое число остается прежним, например:

Уравнения ядерных реакций должны удовлетворять правилу равенства сумм индексов:

а) сумма массовых чисел частиц, вступающих в реакцию, равна сумме массовых чисел частиц – продуктов реакции;

б) сумма зарядов частиц, вступающих в реакцию, и сумма зарядов образовавшихся частиц – продуктов реакции – равны между собой.

Тест по теме
«Современные представления о строении атома»

1. Число протонов в атоме элемента, который находится в четвертом периоде и в главной подгруппе
V группы периодической системы Д.И.Мендлеева, равно:

а) 75; б) 42; в) 33; г) 23.

2. Изотопы – это частицы, имеющие одинаковое число:

а) протонов; б) нейтронов;

в) нуклонов; г) электронов.

3. Что одинаковое в атомах ¹²₆С и ¹⁴₆С?

а) Массовое число; б) число протонов;

в) число электронов; г) радиоактивные свойства.

4. Чему равен заряд ядра атома натрия?

а) 0; б) +1; в) +11; г) +23.

5. Чему равен заряд ядра атома азота?

а) 0; б) +7; в) +14; г) –1.

6. Выберите атомы, в которых число протонов равно числу нейтронов:

а) ²H; б) ¹¹B; в) ¹⁶O; г) ³⁸K.

7. Cколько протонов и электронов содержит нитрит-ион?

а) 46 р, 46 е; б) 23 р, 24 е; в) 23 р, 23 е; г) 46 р, 47 е.

8. В результате серии последовательных радиоактивных распадов изотоп ²²⁸₈₈Ra превращается в устойчивый изотоп ²⁰⁸₈₂Pb. Сколько - и -распадов включает эта серия ядерных превращений?

а) 10 , 6 ; б) 10 , 5 ; в) 5 , 4 ; г) 5 , 6 .

9. В природе существуют два стабильных изотопа водорода и три изотопа кислорода. Сколько разных стабильных молекул воды существует в природе?

а) 5; б) 6; в) 8; г) 9.

10. Число элементов, образующих следующие вещества: легкая вода, тяжелая вода, сверхтяжелая вода, пероксид водорода, кислород, озон, – равно:

а) 6; б) 5; в) 3; г) 2.

Ключ к тексту

в	б	б, в	в	а	а, в, г	б	в	г	г

 

Задачи на определение
элементного состава вещества
и вывод формулы сложного вещества
по известному элементному составу

Уровень А

1. Вычислить, в каком из оксидов железа больше массовая доля металла.

Ответ. (Fe) в FeO – 77,8%.

2. Сколько граммов кальция содержится в 250 г известняка?

Ответ. 100 г.

3. Рассчитать массу сернистого газа, в которой содержится 8 г серы.

Ответ. 16 г.

4. Рассчитать массу питьевой соды, содержащую 30 г углерода.

Ответ. 210 г.

5. Технический хлорид алюминия содержит 98% чистого вещества, остальное составляют примеси, не содержащие хлора. Вычислить процентное содержание хлора в этом химическом продукте.

Ответ. 78,5%.

6. Железные руды относятся к богатым, если содержание железа в них более 50% по массе. Определить, относится ли к богатым рудам карбонат железа(II).

Решение

Для FeCO₃ массовая доля железа:

Ответ. FeCO₃ не относится к богатым рудам.

7. Образец соединения фосфора и брома массой 81,3 г содержит 9,3 г фосфора. Определить формулу этого соединения.

Ответ. PBr₃.

8. Органическое вещество содержит 82,76% углерода и 17,24% водорода; 2,74 г этого вещества при температуре 37 °С и давлении 0,5 атм занимают объем 2,4 л. Определить молекулярную формулу вещества.

Ответ. C₄H₁₀.

9. Органическое вещество содержит 40% углерода, 53,3% кислорода, 6,7% водорода; 15 г этого вещества при температуре 18 °С и давлении 610 мм рт. ст. занимают объем 14,9 л. Определить молекулярную формулу вещества.

Ответ. CH₂O.

10. Найти отношения масс элементов в гидроксиде магния и в пропане.

Ответ. m (Mg): m (O): m (H) = 12: 16: 1,

m (C): m (Н) = 9: 2.

11. Вычислить массу нитрата серебра, содержащего столько же серебра, сколько его содержится в 696 г оксида серебра.

Ответ. 1020 г.

12. Определить простейшую формулу вещества, содержащего (мол. %) 7,69% серебра, 23,08% азота, 46,15% водорода, 23,08% кислорода.

Ответ. AgN₃H₆O₃.

13. В молекулах двух веществ соотношение чисел атомов С: Н: О = 1: 2: 1. Масса 100 мл паров первого из них при н.у. составляет 0,402 г. Молекулярная масса у второго вещества в два раза больше, чем у первого. Определить вещества.

Ответ. С₃Н₆О₃, С₆Н₁₂О₆.

14. Вывести молекулярную формулу вещества, имеющего состав (массовая доля в процентах):

а) натрия – 36,51, серы – 25,39, кислорода – 38,1;

б) натрия – 29,11, серы – 40,51, кислорода – 30,38;

в) калия – 26,53, хрома – 35,37, кислорода – 38,1;

г) водорода – 4,17, кремния – 29,17, кислорода – 66,67;

д) калия – 28,16, хлора – 25,63, кислорода – 46,21.

Решение (14б)

Представим искомую формулу в виде Na _x S _y O _z. Запишем массовые доли элементов (Э) и их относительные атомные массы A_r (Э) в виде таблицы.

Элемент		Ar
Na	29,11%
S	40,51%
O	30,38%

Разделим все три числа соотношения на наименьшее (1,266), получим простое соотношение: 1: 1: 1,5. Умножим все три числа на 2, получим: 2: 2: 3. Отсюда формула вещества – Na₂S₂O₃.

Ответ. а – Na₂SO₃, б – Na₂S₂O₃, в – K₂Cr₂O₇, г – H₄SiO₄, д – KClO₄.

Уровень Б

1. Определить формулу вещества, состоящего из кислорода, азота, фосфора и водорода, если известно, что оно содержит 48,5% кислорода; количество атомов азота в нем в 2 раза больше количества атомов фосфора, а количество атомов водорода – в 2,25 раза больше количества атомов кислорода. Молярная масса вещества меньше 200 г/моль.

Ответ. Гидрофосфат аммония (NH₄)₂HPO₄.

2. Неизвестная соль содержит элемент X, а также водород, азот и кислород в следующем массовом соотношении: 12: 5: 14: 48 (в порядке перечисления). Определить формулу соли.

Ответ. Гидрокарбонат аммония NH₄HCO₃.

3. Написать формулу углеводорода, в котором масса углерода равна массе водорода.

Ответ. CT₄, где T – ³₁H, тритий.

4. В порции кристаллогидрата ацетата калия содержится 3,612•10²³ атомов углерода и 1,084•10²⁴ атомов водорода. Установить формулу кристаллогидрата.

Ответ. 2СН₃СООК•3Н₂О.

* При более строгом определении орбиталь – это функция, описывающая плотность электронного облака в каждой точке пространства.