2. Основні поняття хімії. Будова атома, енергетичні рівні, періодичний закон Менделєєва.
В роздiлi „Хімія” розглядаються основи хiмiчних знань: будова атомiв та молекул речовини, хiмiчний склад, структура та властивовтi речовин, хiмiчнi зв’язки, електричнi властивостi молекул, залежнiсть властивостей речовини вiд структури молекул, перiодична система елементiв i т. ін.
Поняття про будову атома.
Будь-яка речовина складається з атомів і молекул. Згідно з планетарною моделлю атом складається з масивного ядра з позитивних зарядів і електронів, які обертаються навколо нього. Негативний заряд електронів дорівнює позитивному заряду ядра, тобто атом в цілому нейтральний.
В ядрі атома зосереджена майже уся його маса. Розмір атома приблизно дорівнює 10-18 см, ядра – 10-13 см. Тобто ядро приблизно в 105 разів менше атома.
Розглянемо найпростіший атом – атом гідрогену Н. Він має один електрон, який обертається по колу навколо позитивно зарядженого ядра. Позитивно заряджене ядро атома гідрогену Н з масою 1,67×10-24 г називається протоном (рис.1).
Рис. 1 Модель атома
Протони входять до ядер атомів різних елементів. Крім того в ядрі більшості елементів знаходяться нейтрони, які мають масу протона, але не мають заряду. На електрон при його русі діє сила тяжіння до ядра F1 та відцентрова сила F2, які визначаються за формулами
де q – заряд електрона (1,6×10-19 кл);
r – радіус орбіти електрона;
m – маса електрона;
V – окружна швидкість електрона.
Умова рівноважного нейтрального стану атома відповідає рівнянню
F1 = F2
Тоді:
Гідроген Н відноситься до хімічних елементів.
Хімічний елемент – це вид атомів з однаковим позитивним зарядом ядра. Відомо 109 хімічних елементів, які умовно розподіляються на метали та неметали.
Атом – це найменша частка хімічного елемента, яка входить до складу молекул простих і складних речовин. Хімічні властивості атома визначаються його складом.
Енергетичні рівні електронів атомів хімічних елементів
Властивості хімічних елементів багато в чому пояснюються розміщенням електронів в атомах. В будь-якому атомі можливо існування декількох електронних орбіт (електронних шарів) із різними відстанями від ядра. Ці електронні шари інакше звуться енергетичними рівнями. Вони характеризують запас енергії електронів. Найменшу енергію мають електрони, які знаходяться поблизу ядра (перший енергетичний рівень). Електрони подальших рівнів будуть мати більші запаси енергії Звичайно, електрони зовнішнього рівня матимуть найбільший запас енергії i тому вони менше пов’язані з ядром (рис. 2).
При прикладанні до атома енергії електрони різних шарів (рівнів) можуть переходити на більш віддаленні від ядра енергетичні рівні. Електрони верхнього рівня одних атомів можуть переходити до верхніх рівнів інших атомів. В цих випадках атом iонiзується. При відриві електрона атом стає позитивним іоном, після приєднання — негативним іоном.
Енергія електрона W складається із суми потенційної U та кінетичної Т енергії
W
= U
+ T
де U = — ,
(за
умови урівноваженості заряду).
(1.1.)
В атомі можливо існування електронних орбіт із довжиною кола, на якій укладається ціла кількість електронних хвиль.
Це відповідає співвідношенню:
де n — ціле число (номер рівняння) 1, 2, 3,...;
h — стала Планка, яка дорівнює 6,624×10-27 ерг/с.
Рис.2. Енергетичні рівні атома
Тоді
,
(1.2)
де знак “ — “ показує, що електрони віддаляються від ядра.
Переведення електрона на більш віддалену орбіту пов’язано з витратою енергії.
При переході електрона з орбіти n2 на орбіту n1 його енергія зміниться на величину
Використовуючи рівняння (1.1.) та (1.2.), знайдемо радіус орбіти r та окружну швидкість V електрона при n = 1 (в атомі гідрогену).
Рис. 3. розподілення електронів по енергетичним рівням атома.
Як приклад розміщення елементів у таблиці розглянемо будову атомів елементів 3 періоду (рис. 4).
Рис. 4. Будова атома Na з 3 – го періоду таблиці Менделєєва
Перший елемент цього періоду – натрій Na, його номер за порядком – 11, тобто позитивний заряд ядра дорівнює +11, кількість електронів дорівнює також 11. Натрій Na знаходиться у 3 періоді, тому його електрони розміщуються на 3-х рівнях. На зовнішньому рівні обертається 1 електрон, тому елемент знаходиться в першій групі і є одновалентним.
Будову атому натрію Na можна зобразити схемою – (+11), 2, 8, 1, тобто: (+11) - заряд ядра, 3 енергетичні рівні (1-й два електрони, 2-й – вісім, 3-й – один).
В атомах наступних елементів 3 періоду (від Na до Ar ) іде поступове заповнення електронами зовнішнього рівня до 8 і відповідно зростає валентність.
Будову останнього елемента 3-го періоду аргону Ar можна записати так: (+18) 2, 8, 8.
Більше ніж 8-м електронів на зовнішньому енергетичному рівні розміститись не могуть. Тому починаючи з елемента калію К додається ще один рівень. Тоді будову калію можна записати так: (+19) 2, 8, 8, 1.
При поверненні електрона на колишню орбіту атом віддає енергію у виді фотона, яка знаходиться з рівняння
h = W1 – W2
де — частота коливань фотона,
W1, W2 - значення енергії електрона на орбіті n=1 та орбіті n=2 відповідно.
Згідно квантової механіки електрону з V=2×108 м/см та m=9.11×10-28 г відповідає
довжина хвилі λ =3,5×10-8 см. Тобто з хвилевої точки зору електрони можна уявити як хмару, яка складається з цілої кількості хвиль.