Вещество
Из вещества состоят все предметы вокруг нас – столы, мороженное, вода, воздух. Всё что мы можем видеть и ощущать. Вещества бывают разными: жидкими, твёрдыми или газообразными. Вещества имеют разный цвет, вкус и запах и другие различные свойства.
Есть ли в них что-то общее? Как сильно можно измельчать вещество? Например, мука мельче песка. А можно ли измельчить частичку муки?
Смотрели ли вы в микроскоп когда-нибудь? У микроскопов бывают разные увеличения, но даже в самый сильный микроскоп нельзя увидеть – из чего состоит вода, какая самая маленькая частица воды. В обычных микроскопах можно увидеть бактерии, но бактерии состоят из атомов, как дома состоят из кирпичей и разница в размерах примерно такая же.
Есть ли предел измельчению?
Ещё в Древней Греции и Индии несколько тысяч лет назад появилась идея, что вещество состоит из очень маленьких неделимых частиц. По-гречески такую частицу назвали «атом». По-гречески «а-» отрицательная приставка, корень «том» – означает «резать, делить», то есть слово атом переводится как «неделимый».
Но обнаружить самими атомы и узнать их строение учёные смогли всего около 100 лет назад.
Таблица Менделеева. Атом. Химический элемент
Дмитрий Иванович Менделеев открыл периодический закон, не зная устройства атомов. В дальнейшем физики открыли формулы, по которым строятся атомы, которые полностью подтвердили периодическую систему элементов. Возможно даже, что учёные-физики пользовались таблицей Менделеева как подсказкой для исследований.
Кстати, слово «элемент» имеет несколько различных значений, которые лучше выяснить в хорошем толковом словаре. В химии «элементами» называют виды атомов.
В современном виде таблица Менделеева включает много данных об устройстве элементов и их электронных оболочек, свойствах атомов и данных о их часто применяемых соединений – оксидах и гидридах. Не говоря уже об атомной массе элементов! Поэтому очень полезно понять – как и что можно найти в этой таблице и как можно её использовать в жизни и на уроках химии.
Обычно в правом верхнем углу таблицы напечатана отдельная клетка таблицы (чаще всего это клеточка с водородом, на этом рисунке – с рубидием). Вокруг этой клетки написаны краткие расшифровки разных чисел и надписей со стрелками, показывающими на отдельные части клетки. Я расскажу об этом подробнее:
1) Порядковый номер элемента. Он стоит в левом или правом верхнем углу. Начинается таблица с самого лёгкого элемента – водорода под номером 1. Дальше номера увеличиваются на единицу без пропусков и дробных номеров между ними. Когда Менделеев обнародовал первый вариант таблицы, он оставил в ней пустые места – несколько элементов ещё не были обнаружены. Учёный предсказал свойства неоткрытых элементов, и когда их открыли, предсказания подвердились!
Позднее выяснилось, что порядковый номер равен числу протонов в ядре соответствующего элемента. Про протоны и ядра будет рассказано чуть позже.
2) Символ элемента – сокращённое до одной или до двух латинских букв название элемента. Символы элементов и их названия в формулах едины во всём мире, что позволяет всем химикам легко понимать друг друга. (Но не касается обычных названий элементов в жизни! Они могут сильно отличаться: например, название «ртуть» – русское, по-английски mercury, а в формулах произносится всеми химиками «гидраргирум» – это латинское название из средневековых книг. Кстати, переводится как «жидкое серебро». )
Поэтому для успешного изучения химии надо выучить символы основных (самых часто используемых) элементов и то, как они читаются в формулах. Это пригодится и в жизни, так как в школьном учебнике химии в основном изучаются самые часто применяемые в жизни элементы – около 25 из более чем 100 в таблице Менделеева.
3) Русское название элемента.
4) Относительная атомная масса – число, которое показывает, во сколько раз атом элемента тяжелее атома водорода. Надо понимать, что эта масса не в граммах или килограммах, а можно сказать – в атомах водорода.
5) В этой таблице также указано распределение электронов в атоме по слоям. Про слои электронов будет рассказано позже. Эти числа могут помочь при решении некоторых задач, но они печатаются не во всех таблицах химических элементов.
6) Ещё один вид данных даётся в цвете, которым напечатана клетка элемента. Здесь разными цветами показано, какой вид электрона (4 возможных вида электронов обозначаются маленькими латинскими буквами s, p, d, f) последним добавлялся в атом. Об этом тоже будет подробнее рассказано позже.
Вообще, таблица Менделеева – очень важный и полезный справочник, в котором есть и другие данные, кроме указанных. Вы можете видеть также обозначения групп и периодов, и две строчки внизу таблицы «Высшие оксиды» и «Летучие водородные соединения» – эти данные тоже помогают при решении некоторых задач.
Строение атома. Три «кита», на которых строится атом – протон, нейтрон и электрон
Протон по-гречески означает «первый» и это основная частица химического элемента. Заряд протона равен +1 и его масса равна 1 (можно сказать, что масса протона принята за единицу). Если в атоме изменяется число протонов (что происходит чрезвычайно редко – только в ядерных реакциях, которые изучает ядерная физика, а химия ими не занимается), то автоматически меняется порядковый номер элемента и мы получаем уже другой элемент с другим названием и другими химическими свойствами. Но в огромном большинстве атомов такого не происходит и они остаются неизменными практически бесконечное время. Так что зная, что у кислорода порядковый номер 8, можно уверенно сказать, что в атоме кислорода 8 протонов, у которых суммарный заряд +8 и масса 8 единиц.
Раз я упомянул протон, то надо рассказать и ещё о двух частицах, из которых состоят все атомы, а значит и всё вещество вокруг нас! Это электрон и нейтрон. Нейтрон означает по-гречески «ни тот, ни другой», потому что нейтрон не имеет заряда. Его заряд равен 0. Масса нейтрона равна 1, то есть массе протона (на самом деле их массы отличаются, но совсем немного, и для химии их считают равными 1, а малюсенькое различие используют физики в своих вычислениях).
Протоны и нейтроны вместе образуют ядро атома, которое имеет размеры примерно в 10000 раз меньше, чем величина самого атома. Это примерно такая же разница, как между размером стадиона типа Лужников и футбольным мячом. То есть почти вся масса атома находится в «футбольном мяче», а легкие электроны создают объём «стадиона».
Ядро имеет положительный заряд, равный сумме зарядов протонов (или что тоже самое – числу протонов в ядре), и массу, равную числу протонов и нейтронов, так как масса каждого считается равной 1.
Электрон по-гречески означает «янтарь». Это потому, что ещё пару тысяч лет назад древние греки обнаружили, что если янтарь потереть шерстяной тканью, то он начинает притягивать разные мелкие предметы – волосинки, пылинки, кусочки бумаги. В конце концов физики полностью изучили это явление, которое получило от янтаря название «электричество», а одному и носителей электричества дали название «электрон». Заряд у электрона противоположен заряду протона и равен -1. В природе не существует заряда меньше, чем у протона и электрона. (Опять-таки, у физиков есть теория, что такие частицы существуют, и физики уже многие годы пытаются такие частицы обнаружить, но пока безуспешно. И даже если такие частицы найдут, они будут только в отдельных лабораториях и даже скорее всего только в виде снимков.)
У электрона есть масса, но она примерно в 2000 раз меньше массы протона и поэтому не учитывается в химии.
У меня есть видео на Яндекс-Дзен о строении атома. Ссылка на него и другие наглядные и полезные видео есть в конце книги в главе «ДЛЯ ТЕХ, КОМУ ИНТЕРЕСНО БОЛЕЕ ДЕТАЛЬНОЕ ИЗУЧЕНИЕ ХИМИИ».
Опыт для определения заряда окружающих нас предметов
Как известно из курса физики, электрические заряды разных знаков притягиваются, а одинаковых знаков отталкиваются.
Для начала сделаем опыт с пластмассовой расчёской: возьмите листок бумаги и оторвите от него несколько мелких кусочков шириной 2—3 мм. Затем возьмите расчёску (не металлическую!) и поднесите её к бумажным обрывкам.
Обратите внимание, что бумажки не притягиваются к расчёске.
Теперь несколько раз проведите расчёской по своим волосам. Снова поднесите расчёску к бумажкам – они притянутся к расчёске и прилипнут к ней. Через некоторое время они упадут вниз.
Можно снова провести расчёской по волосам и она опять будет притягивать бумажки…
Что произошло? Разные вещества с разной силой притягивают электроны. Когда вы прикасались расчёской к волосам, часть электронов перешла от волос на расчёску и зарядила её отрицательно. Волосы при этом зарядились положительно.
Заряженная расчёска вызывает изменение распределения зарядов в бумажках и они притягиваются из-за взаимодействия электрических зарядов. Через некоторое время избыточный заряд расчёски переходит на молекулы воздуха, сила притяжения уменьшается и бумажки опять падают.
Этот опыт очень простой, безопасный и наглядный. Можно самому убедиться, что притяжение, вызванное электрическими силами больше, чем гравитационное притяжение Земли.
Вы также могли видеть, как легкие ткани могут притягиваться друг к другу – это тоже электрическое притяжение.
Теперь вторая часть опыта: внимательно посмотрите вокруг и поищите – что ещё так же сильно притягивается друг к другу, как бумажки к наэлектризованной расчёске? Или отталкивается, как одинаковые электрические заряды?
Скорее всего вы увидите, что все предметы спокойно стоят и никакого сильного и заметного притяжения не наблюдается.
Какой же вывод можно сделать из этого наблюдения? Каков заряд окружающих нас предметов?
Вывод такой: так как они не притягиваются и не отталкиваются друг от друга, то их заряд равен НУЛЮ!
Это очень важный вывод для физики и химии —
в обычном состоянии окружающие нас предметы, которые состоят из молекул и атомов, имеют нулевой суммарный заряд, хотя они и состоят из огромного количества протонов и электронов.
Размеры атомов. зависимость размера атома от его места в таблице Менделеева
Размеры атомов на первый взгляд ведут себя странно: в одном периоде слева направо с увеличением массы и заряда атома их размер уменьшается. Самый большой по диаметру атом находится в первой группе, а самый маленький – в последней (восьмой).
При этом при движении сверху вниз по группам логика просматривается – чем ниже, тем больше и заряд, и масса, и диаметр атома.
Почему такое происходит?
Дело в том, что электроны в атомах не летают в беспорядке вокруг ядра. Они организованы и занимают строго определённые положения.
Как выяснили физики уже после появления таблицы Менделеева, электроны создают вокруг ядра слои из электронов. И каждый следующий слой имеет больший радиус и больший объём, соответственно в нем может разместиться больше электронов.
Каждый слой соответствует периоду в таблице химических элементов.
Самый первый – имеет самый маленький радиус и объём и может вмещать только 2 электрона. Поэтому первый период самый маленький и включает всего два элемента – водород и гелий.