>> Атомы. Ионы. Химические элементы. Для любознательных. Химические элементы в живой природе

Атомы. Ионы. Химические элементы

Материал параграфа поможет вам:

> выяснить, какое строение имеет атом ;
> понять, в чем различие между атомом и ионом;
> усвоить названия и обозначения химических элементов - определенных видов атомов;
> использовать периодическую систему Д. И. Менделеева как источник сведений о химических элементах.

Атомы.

О веществах, их строении размышляли еще древнегреческие философы. Они утверждали, что вещества состоят из атомов - невидимых и неделимых частиц, а в результате их соединения образовался и существует окружающий мир.

1 Фильтром в домашних условиях может служить вата или бинт, сложенный в несколько раз. Фильтр необходимо поместить в хозяйственную лейку.

В переводе с греческого слово «атом» означает «неделимый».

Доказать существование атомов удалось лишь в XIX в. с помощью сложных физических экспериментов. Одновременно было установлено, что атом не является сплошной, монолитной частицей. Он состоит из ядра и электронов. В 1911 г. была предложена одна из первых моделей атома - планетарная. Согласно этой модели, ядро находится в центре атома и занимает незначительную часть его объема, а электроны движутся вокруг ядра по определенным орбитам, как планеты - вокруг Солнца (рис. 32).

Электрон в тысячи раз меньше атомного ядра. Это отрицательно заряженная частица. Ее заряд - наименьший из существующих в природе. Поэтому величину заряда электрона физики приняли за единицу измерения зарядов мельчайших частиц (кроме электронов, существуют и другие частицы). Таким образом, заряд электрона равен - 1 . Эту частицу обозначают так: .

Ядро атома заряжено положительно. Заряд ядра и суммарный заряд всех электронов атома одинаковы по величине, но противоположны по знаку. Поэтому атом электронейтралъный. Если заряд ядра атома составляет +1, то в таком атоме находится один электрон, если +2 - два электрона и т. д.


Рис. 32. Строение простейшего атома (планетарная модель)

Атом - мельчайшая электронейтральная частица вещества, состоящая из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов, которые движутся вокруг него.

Ионы.

Атом в определенных условиях может потерять либо присоединить один или несколько электронов. При этом он становится положительно или отрицательно заряженной частицей - ионом 1 .

Ион - заряженная частица, образовавшаяся в результате потери атомом или присоединения к нему одного или нескольких электронов.

1 Слово «ион» в переводе с греческого означает «идущий». В отличие от электронейтрального атома ион способен перемещаться в эл ектри ч еском поле.

Если атом теряет один электрон, то образуется ион с зарядом +1, а если присоединяет электрон, то заряд иона будет равен - I (схема 5). В случае потери атомом или присоединения к нему двух
электронов образуются ионы с зарядами соответственно +2 или -2 .


Схема 5. Образование ионов из атомов

Существуют также ионы, образовавшиеся из нескольких атомов.

Химические элементы.

Атомов во Вселенной - бесконечное множество. Их различают по зарядам ядер.

Вид атомов с определенным зарядом ядра называют химическим элементом.

Атомы с зарядом ядра +1 принадлежат одному химическому элементу, с зарядом +2 - другому элементу и т. д.

Сейчас известны 115 химических элементов. Заряды ядер их атомов составляют от +1 до +112, а также +114, +116 и +118.

Почти 90 элементов существуют в природе, а остальные (как правило, с наибольшими зарядами атомных ядер) - искусственные элементы. Их получают ученые на уникальном исследовательском оборудовании. Ядра атомов искусственных элементов неустойчивы и быстро распадаются.

Названия химических элементов, атомов и ионов.

У каждого химического элемента есть название. Современные названия элементов происходят от латинских названий (табл. I). Их всегда пишут с большой буквы.

Таблица I


До недавнего времени 18 элементов имели другие (традиционные) названия, которые можно найти в выпущенных ранее учебниках по химии, а также в таблице I. Например, традиционное название одного из таких элементов - водород, а современное - Гидроген.

Названия элементов используют и для соответствующих частиц: атом Гидрогена (водорода ), ион Гидрогена (водорода).

С названиями ионов, образовавшихся из нескольких атомов, вы ознакомитесь позже.

Названия химических элементов имеют разное происхождение. Одни связаны с названиями или свойствами (цветом, запахом) веществ, другие - с названиями планет, стран и т. п. Есть элементы, названные в честь выдающихся ученых. Происхождение некоторых названий неизвестно, поскольку они возникли очень давно.

Это интересно

Современное название одного из элементов - Меркурий. Оно отличается от латинского названия (Hydrargyrum), но близкое к английскому (Mercury) и французкому (Mercure).

Что вы думаете о происхождении названий таких элементов: Европий, Франций, Нептуний, Прометий, Менделевий?

Это интересно

Символы элементов во всех странах одни и те же.

Символы химических элементов.

Каждый элемент, кроме названия, имеет еще и сокращенное обозначение - символ, или знак. В наше время используют символы элементов, предложенные почти 200 лет назад известным шведским химиком Й. Я. Берцелиусом (1779-1848). Они состоят из одной латинской буквы (первой в латинских названиях элементов) или двух1. В таблице I такие буквы выделены в названиях элементов курсивом.


Рис. 33. Клетка периодической системы

Произношение символов почти всех элементов совпадает с их названиями. Например, символ элемента Иода I читается «йод», а не «и», а элемента Феррума Fe - «фэрум», а не «фэ». Все исключения собраны в таблице I.

В некоторых случаях используют общее обозначение химического элемента - E.

Символы и названия химических элементов содержатся в периодической системе Д. И. Менделеева.

Периодическая система химических элементов Д. И. Менделеева .

В 1869 г. русский химик Дмитрий Иванович Менделеев предложил таблицу, в которой разместил известные к тому времени 63 элемента. Эту таблицу назвали периодической системой химических элементов.
В нашем учебнике приведены два ее варианта: короткий (форзац I) и длинный (форзац II).

В периодической системе есть горизонтальные строки, которые называют периодами, и вертикальные столбцы - группы. Пересекаясь, они образуют клетки, в которых содержится важнейшая информация о химических элементах.

Каждая клетка пронумерована. В ней записан символ элемента, а под ним - название (рис. 33).

1 Символы четырех элементов, открытых в последнее время, состоят из трex букв.

Дмитрий Иванович Менделеев (1834- 1907)


Выдающийся ученый-химик, член и почетный член академий наук многих стран. В 1869 г., в возрасте 35 лет, создал периодическую таблицу (систему) химических элементов и открыл периодический закон - фундаментальный закон химии. Опираясь на периодический закон, изложил химию в своем учебнике «Основы химии», который многократно переиздавался в России и других странах. Провел основательные исследования растворов и разработал теорию их строения (1865- 1887). Вывел общее уравнение газового состояния (1874). Предложил теорию происхождения нефти, разработал технологию производства бездымного пороха, внес существенный вклад в развитие науки об измерениях - метрологии.

Номер клетки называют порядковым номером размещенного в ней элемента. Его общее обозначение - Z. Выражение «порядковый номер элемента Неона - 10» сокращенно записывают так: Z(Ne) = 10. Порядковый номер элемента совпадает с зарядом ядра его атома и количеством электронов в нем.

В периодической системе все элементы размещены в порядке возрастания заряда ядер атомов.

Итак, из периодической системы Д. И. Менделеева можно получить такие сведения о химическом элементе:

Символ;
название;
порядковый номер;
заряд ядра атома;
количество электронов в атоме;
номер периода, в котором элемент находится;
номер группы, в которой он размещен.

Найдите в периодической системе элемент с порядковым номером 5 и выпишите в тетрадь сведения о нем.

Распространенность химических элементов.

Одни элементы встречаются в природе «на каждой шагу», другие - чрезвычайно редко. Распростриненность элемента в воздухе, воде, почве и т. п. оценивают, сравнивая количество его атомов с количеством атомов других элементов.

Владимир Иванович Вернадский (1863- 1945)

Российский и украинский ученый-естествоиспытатель, академик АН СССР и АН УССР, первый президент АН Украины (1919). Один из основоположников геохимии. Выдвинул теорию происхождения минералов. Изучал роль живых организмов в геохимических процессах. Разработал учение о биосфере и ноосфере. Исследовал химический состав литосферы, гидросферы, атмосферы. Организатор нескольких научно-исследовательских центров. Основатель школы ученых-геохимиков.

Распределение элементов в разных частях нашей планеты изучает наука геохимия. Значительный вклад в ее развитие внес выдающийся отечественный ученый В. И. Вернадский.

Атмосфера почти полностью состоит из двух газов - азота и кислорода. Молекул азота в воздухе вчетверо больше, чем молекул кислорода . Поэтому первое место по распространенности в атмосфере занимает элемент Нитроген, а второе - Оксиген.

Гидросфера - это реки, озера, моря, океаны, в которых растворены небольшие количества твердых веществ и газов . Приняв во внимание состав молекулы воды , легко приити к заключению, что в гидросфере больше всего атомов Гидрогена.

Литосфера, или земная кора, - это твердый поверхностный слой Земли. В нем содержится много элементов. Наиболее распространенными являются Оксиген (58 % всех атомов), Силиций (19,6 %) и Алюминий (6,4 %).

Во Вселенной существуют те же элементы, что и на нашей планете. Первое и второе места по распространенности в ней занимают Гидроген (92 % всех атомов) и Гелий (7 %) - элементы, атомы которых имеют простейшее строение.

Выводы

Атом - мельчайшая электронейтральная частица вещества, которая состоит из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов.

Ион - положительно или отрицательно заряженная частица, образовавшаяся вследствие потери атомом или присоединения к нему одного или нескольких электронов.

Вид атомов с определенным зарядом ядра называют химическим элементом. Каждый элемент имеет название и символ.

Важнейшие сведения о химических элементах содержатся в периодической системе, созданной русским ученым Д. И. Менделеевым.

Почти 90 химических элементов существуют в природе; они различаются по распространенности.

?
37. Охарактеризуйте строение атома.
38. Дайте определение иона. Как эта частица образуется из атома?
39. Что такое химический элемент? Почему его нельзя отождествлять с ато­мом или веществом?
40. Превращается ли один элемент в другой, если атом теряет (присоеди­няет) электрон? Ответ объясните.
41. Найдите в периодической системе и прочитайте такие символы химиче­ских элементов: Li, Н, Al, 0, С, Na, S, Cu, Ag, N, Au. Назовите эти элементы.
42. Какой из символов соответствует Ферруму (F, Fr, Fe), Силицию (С, Cl, S, Si, Sc), Карбону (К, С, Co, Ca, Cr, Kr)?
43. Выпишите из периодической системы символы всех элементов, кото­рые начинаются на букву А. Сколько существует таких элементов?
44. Подготовьте краткое сообщение о происхождении названий Гидрогена, Гелия или любого другого элемента.
45. Заполните пропуски: a) Z(...) = 8, Z(...) = 12; б) Z(C) = ..., Z(Na) = ...
46. Заполните таблицу:

47. Воспользовавшись данными, приведенными в тексте параграфа, определите, сколько приблизительно атомов Оксигена приходится в земной коре на I атом Силиция и на I атом Алюминия.

Для любознательных

Химические элементы в живой природе Подсчитано, что в среднем 80 % массы растений приходится на воду. В организмах животных и человека это вещество также преобладает. Следовательно, наиболее распространенным элементом в живой природе, как и в гидросфере, является Гидроген.


Рис. 34. Химические элементы в организме взрослого человека (в процентах от общего количества атомов)

Организму человека необходимы более 20 химических элементов. Их называют биоэлементами (рис. 34). Они содержатся в воздухе, воде, а также многих веществах, попадающих в организм вместе с пищей. Карбон, Оксиген, Гидроген, Нитроген, Сульфур находятся в белках, других веществах, из которых состоит организм. Калий и Натрий содержатся в крови, клеточных жидкостях и т. п. Оксиген, Фосфор и Кальций необходимы для формирования костей. Очень важны для человека Феррум, Флуор, Иод. Недостаток Феррума в организме приводит к малокровию, Флуора - служит причиной кариеса, а Иода - замедляет умственное развитие ребенка.

Атомы состоят из малых частиц трёх видов. В центре атома имеется ядро, образованное протонами и нейтронами. Вокруг ядра есть электроны, образующие электронные оболочки. Количество электронов, как правило, равно количеству протонов в ядре. Количество нейтронов в ядре может быть разным: от нуля до нескольких десятков.

Масса протона приблизительно равна массе нейтрона. По сравнению с их массами масса электрона пренебрежимо мала. Электроны относятся к так называемым отрицательно заряженным частицам, протоны – к положительно заряженным частицам. Нейтроны относятся к незаряженным или электронейтральным частицам (что такое электрический заряд и как определяются его знаки, мы узнаем в § 8-в).

Частицы ядра прочно связаны друг с другом особыми ядерными силами. Притяжение электронов к ядру гораздо слабее взаимного притяжения протонов и нейтронов, поэтому электроны (в отличие от частиц ядра – протонов и нейтронов) могут отделяться от своих атомов и переходить к другим.

В результате переходов электронов образуются ионы – атомы или группы атомов, в которых число электронов не равно числу протонов. Если ион содержит отрицательно заряженных частиц больше, чем положительно заряженных, то такой ион называют отрицательным. В противоположном случае ион называют положительным. В верхней части рисунка показана потеря атомом электрона, то есть образование положительного иона. В нижней части рисунка – образование из атома отрицательного иона.

Ионы очень часто встречаются в веществах, например они есть во всех без исключения металлах. Причина заключается в том, что один или несколько электронов от каждого атома металла отделяются и движутся внутри металла, образуя так называемый электронный газ. Именно из-за потери электронов, то есть отрицательных частиц, атомы металла становятся положительными ионами. Это справедливо для металлов в любом состоянии – твёрдом, жидком или газообразном (например, для паров ртути).

Вы уже знаете, что в твёрдом состоянии все металлы являются кристаллами (см. § 7-е). Ионы всех металлов расположены упорядоченно, образуя кристаллическую решётку. В металлах в жидком или газообразном состоянии упорядоченное расположение ионов отсутствует, но электронный газ по-прежнему присутствует.

Некоторые ионы могут быть образованы несколькими атомами. Например, молекулы серной кислоты H2SO4 в водном растворе распадаются на положительные ионы водорода, в каждом из которых по одному атому, и отрицательные ионы кислотного остатка, в каждом из которых по пять атомов (см. рисунок).

Образование ионов из нейтральных молекул (ионизация) может происходить по разным причинам. Одну из них, растворение, мы только что рассмотрели. Другая причина – повышение температуры. При этом увеличивается размах колебаний как молекул, так и атомов, входящих в их состав. Если температура превысит некоторое значение, то молекула распадётся, и образуются ионы. Ионизация может происходить и под действием трения, электричества, света, радиации.