Атоми будівельні блоки молекул, Нанотехнології Nanonewsnet
Якщо молекули - основні структури, задіяні в хімії - це слова, з яких складаються всі навколишні матеріали, тоді атоми - це букви, будівельні блоки молекул. Слова бувають різної довжини, і типова молекула також може містити кілька атомів, або кілька сотень, і навіть сто тисяч атомів. Молекула столової солі NaCl і двох атомів, натрію Na і хлору Cl. Молекула води H2O містить два атоми водню та один кисню. Молекула столового цукру C12H22O11 містить 12 атомів вуглецю, 11 кисню та 22 водню, організованих певним чином.
Звідки нам відомо про існування атомів? Іноді їх можна «бачити», як і бачимо молекули, які можуть формувати. Чи не очима, але більш просунутими пристроями. Один з методів використовує тунельний мікроскоп, що сканує, здатний показувати атоми в кристалі або навіть пересувати їх по одному. Інший метод використовує нашу можливість захоплення іонів (трохи змінених атомів – подробиці нижче).
На фото – три іони, спіймані одночасно. На них падає світло, вони поглинають його і знову випромінюють. Повторно випущене світло можна виявити, завдяки чому ми можемо побачити, де знаходяться іони – приблизно так відображення світла від невеликого, але яскравого діаманта може допомогти нам знайти його.
Скільки типів атомів існує? Типи називаються «хімічними елементами» і точна їх кількість залежить від того, як їх рахувати. Але припустимо, що атомний алфавіт складається з приблизно сотні хімічних елементів, а до тонкощів підрахунку повернемося пізніше. Так само, як ми могли призначити літерам алфавіту від А до Я номера від 1 до 33, кожному елементу призначається як ім'я, а й атомний номер (позначається «Z»). Найпростішіатоми – у водню, їх атомний номер = 1. Найскладніші удосталь зустрічаються у природі, це уран з атомним номером 92. Інші – кисень (8), азот (7), кальцій (20), криптон (36), лантан ( 57), платина (78). Повний список шукайте у періодичній системі елементів Менделєєва. Кожен елемент має свою хімію – те, як він поводиться всередині молекул – приблизно так, як кожна літера має свої правила, за якими вона може зустрічатися в словах.
Запитання, які можна поставити про атоми:
- Із чого складаються атоми?
- У чому сенс атомного номера?
- Яке головне джерело відмінностей у хімічній поведінці атомів різних елементів?
- Наскільки різні атоми одного елемента схожі між собою?
- Як частини атома утримуються разом?
- Чому атоми утримуються разом та утворюють молекули?
Виявляється, на всі ці питання найкраще відповідати, розпочавши з першого: із чого складаються атоми? Атоми складаються з того, що зазвичай називають субатомними частинками (на жаль, цей термін некоректний, оскільки у цих частинок є деякі властивості, часткам не властиві). Конкретніше, атоми складаються з набору невеликих і легких електронів, що оточують крихітне, але важке атомне ядро, у якому міститься більшість маси атома. Ядро складається з інших «часток», які також складаються з інших «часток», і ми до них ще дістанемося.
Мальований атом
Тепер ми можемо відповісти на 2 питання: що означає атомне число Z? Це просто кількість протонів у ядрі. У кисню атомний номер 8, і в ядрі 8 протонів.
У найпростіших умовах атомне число дорівнює кількості електронів атома. З кількістю нейтронів все складніше, ми повернемося до цього пізніше. У електронів негативнийелектричний заряд (-е), а протонів – позитивний (+е). Нейтрони нейтральні, електричного заряду вони не мають. Коли кількість електронів і протонів збігається, їх заряди взаємно знищуються, і атома електричного заряду немає – такий атом нейтральний.
Але немає нічого незвичайного – наприклад, у процесі формування молекул – якщо атом придбає чи втратить один чи кілька зовнішніх, валентних електронів. У цьому випадку електричні заряди електронів і протонів не знищуються, і заряджений атом, що вийшов, називають іоном.
Реалістичніший атом
Хоча рис. 1 приблизно описує архітектуру атома - електрони дійсно знаходяться зовні, а ядро, що складається з протонів і нейтронів, у середині - він зовсім не передає реальну форму і суть атома, оскільки він виконаний не в масштабі, а ми живемо в квантовому світі, в якому об'єкти поводяться так, що їх складно намалювати чи уявити.
З проблемою масштабу можна розібратися, намалювавши точніше (хоча все ще недосконале) зображення, рис. 2.
Ось що я спробував передати цим зображенням. По-перше, електрони дуже, дуже малі, настільки малі, що ми так і не змогли виміряти їх розмір - може статися, що вони точкові і не мають розміру, але вони точно не більше ніж 1/100 000 000 від діаметра атома. По-друге, ядра (і протони з нейтронами, їх складові) також дуже малі, хоча вони й більше, ніж електрони. Їх розмір виміряний, і він приблизно в 10 000 – 100 000 разів менший за діаметр атома. Атом трохи схожийсело. Протони і нейтрони в ядрі – великі будинки, що у центрі села, а електрони – далеко розкидані фермерські будиночки. На більшій частині сільської місцевості ростуть зернові культури та немає будинків. І хоча територія, що вважається частиною села, може бути великою, реально займана будинками площа дуже мала.
Але ця аналогія не повна, оскільки електрони, на відміну від фермерських будиночків, дуже швидко рухаються сірим регіоном на картинці і навколо ядра зі швидкостями близько 1% швидкості світла. Територія, що покривається ними, зазвичай не сферична, а більш складної форми, крім того не всі електрони переміщаються по одній і тій же території.
Але, як я вас попереджав, рис. 2 теж не точний. По-перше, треба було б намалювати ядро в тисячі разів менше, а електрони – у мільйони разів менше, тільки тоді їх не було б видно. Якби атом був розміром з вашу спальню, то його ядро було б розміром з порошинку. Порівняно зі своїми компонентами, атоми величезні! В якомусь сенсі більшу частину атома становить пустка!
По-друге, зображення не передає каламутну природу квантової механіки. Рівняння квантової механіки описують і пророкують поведінку молекул, атомів і субатомних частинок, і ці рівняння говорять нам, що ці частинки можуть бути дуже дивні і неінтуїтивні властивості. Хоча електрони в якомусь сенсі точкові (припустимо, якщо ви захочете зіштовхнути два електрони один з одним, то виявите, що можете зрушити їх разом на скільки завгодно мала відстань, і вони нічим не видадуть своєї внутрішньої структури, якщо вона взагалі є), є можливість зробити так, що вони, залишаючись у спокої, будуть поширюватися як хвиля і заповнять весь сірий простір на рис. 2. Якщо це звучить дивно, це не тому, що ви чогось незрозуміли: це дивно і про це важко думати. Я точно не знаю, як намалювати атом, щоб не вводити вас в оману, і експерти все ще сперечаються про те, як найкраще про нього думати. Так що поки що просто прийміть це як дивний факт.
Розмір електрона дуже малий для вимірювання, і його маса настільки мала, що електрон може поширитися по всьому атому. А ось у ядра є цілком виміряний і відомий розмір, а його маса така велика - більше 99,9% маси всього атома - що воно взагалі не розподіляється в просторі. Ядро сидить у середині сірої області.
Атом та його хімія
Кращий приходить мені в голову спосіб описати атом: більша частина маси атома міститься в ядрі, що знаходиться в його центрі, навколо якого розподілилися надзвичайно дрібні електрони набагато меншої маси, причому зробили це зовсім не так, як поводяться частинки, заповнивши всю сіру область рис. 2.
Невеликий розмір ядра по відношенню до повного розміру атома, і те, що воно зазвичай знаходиться в його центрі, пояснює, чому воно відіграє слабку роль в хімії. Хімія відбувається - тобто, формуються і змінюються молекули - коли атоми наближаються один до одного, а це відбувається коли зовнішні, валентні електрони одного атома близько підходять до зовнішніх електронів іншого - коли край сірої області одного атома наближається до краю сірої області іншого. У хімічних процесах атомне ядро залишається в центрах атомів і ніколи не наближається до інших ядрів. Основна роль ядра - забезпечення позитивного заряду, що утримує електрони, і більшу частину маси (визначає, як складно іншим об'єктам пересувати цей атом).
Це відповідає на третє питання: хімію атома в основному визначають подробиці, пов'язані з його зовнішніми електронами. Ці деталі можна дізнатися(Складним способом, через рівняння квантової механіки), виходячи з атомного номера Z.
Замість того, щоб зайнятися хімією – темою, якої вистачить на цілий курс – ми перейдемо на рівень нижче, до субатомних частинок, відповідаючи на інші питання. Перелічимо питання, з якими ми розібралися, та питання, які ще належить вивчити.
- Із чого складаються атоми? Зовні – електрони, у центрі – атомне ядро (з протонів та нейтронів).
- У чому сенс атомного номера? Це кількість протонів в ядрі атома, яке, у звичайних умовах дорівнює кількості електронів, що його оточують.
- Яке головне джерело відмінностей у хімічній поведінці атомів різних елементів? Властивості зовнішніх електронів, що визначаються загальною кількістю електронів у кожного елемента, наприклад, атомним номером.
- Наскільки різні атоми одного елемента схожі між собою? Обговоримо це у статті про ізотопи.
- Як частини атома утримуються разом? Обговоримо це у статті про роль електричних сил та квантової механіки.
- Чому атоми утримуються разом та утворюють молекули? Обговоримо це у статті про роль електронів та електричних сил у побудові молекул з атомів.
А ось вам ще питання, яке могло виникнути при вивченні рис. 2:
Якщо атом здебільшого порожній, чому об'єкти здаються твердими? Чому не можна простягнути руку через екран комп'ютера, якщо екран складається з атомів здебільшого порожніх?