Обратный сублимации процесс – десублимация.
Атомно-молекулярное учение
В прошлой главе мы опирались на термин "частица". Давайте введем более точные определения. Существуют атомы и молекулы.
Идея, что всё состоит из мельчайших неделимых частиц (атомов) возникла еще в Античности. Так называемый Атомизм возник в Древней Греции философами Левкиппом и Демокритом.
Левкипп искал ответ на вопрос "Можно ли мельчайшую частицу материи разделить на еще более мелкие и в итоге прийти к такой частице, разделить которую будет невозможно?". Его ученик Демокрит назвал такие неделимые частички "Атомы". Это слово происходит от греческого слова "Атомос", что переводится как "Неделимый". Демкорит считал, что существует четыре вида атомов: атомы земли, воды, воздуха и огня.
Античные философы дали начало Атомно-молекулярному учению. Основу этого учения заложил М.В. Ломоносов. Он разработал теории строения вещества. Развитие этой теории происходит до сих пор.
Молекулярная теория
Все вещества состоят из молекул. Молекула – мельчайшая частица вещества, определяющая его свойства.
Вещества состоят из молекул. Молекулы состоят из атомов. Стакан воды, содержащий триллионы молекул воды, и одна молекула воды будут обладать одинаковыми свойствами. Если раздробить молекулу, то образованные частицы (атомы) потеряют свойства исходного вещества.
Молекулы некоторых веществ и их строение.
Атомная теория
Атомы – наименьшие химически неделимые частицы вещества. Фразу «Химически неделимые» разберем позже.
Большинство атомов неспособны к самостоятельному существованию, поэтому объединяются в группы атомов – молекулы.
Атомы бывают разные. Они отличаются строением, размерами, массой и другими свойствами. В рамках Атомно-молекулярного учения считается, что эти характеристики определяют свойства атома. Позже стало известно, что главная характеристика атома – заряд ядра. Совокупность атомов с одинаковым зарядом ядра называют химическим элементом.
Движение частиц
Молекулы и атомы находятся в непрерывном беспорядочном движении. Они движутся хаотично. Интенсивность и скорость движения зависит от агрегатного состояния вещества, которое зависит от температуры и давления.
Степень нагретости тела (температура) – результат интенсивности движения этих частиц. Каждая частица обладает энергией и благодаря ей движется. Если запас этой энергии растет, растет и скорость движения частиц. Если запас энергии уменьшается, уменьшается и их скорость. Чем частицы движутся быстрее, тем температура тела выше.
Энергия существует в разных формах: тепловой, световой, звуковой, электрической и т.д. Энергия постоянно перемещается от одного тела к другому. Одни формы энергии переходят в другие. Солнечная энергия переходит в тепловую, когда солнечные лучи нагревают асфальт. В двигателе внутреннего сгорания тепловая энергия переходит в энергию движения (механическую). Механическая энергия переходит в тепловую, когда ладони нагреваются, если их потереть друг об друга. Ядерная энергия переходит в электрическую на атомных электростанциях.
Явления, происходящие с веществами
С веществами происходят физические и химические явления.
При физических явлениях молекулы вещества сохраняются. Обычно при таких явлениях изменяется агрегатное состояние вещества и/или его форма. Лёд тает, вода испаряется, камень рассыпается, проволока гнётся, запах духов распространяется – всё это физические явления.
При химических явлениях разрушаются одни молекулы и образуются другие. Такие явления называются химическими реакциями.
При химической реакции несколько молекул сталкиваются между собой и рассыпаются на атомы. Эти атомы собираются в другие молекулы. Так, одни вещества превращаются в другие.
Реакция образования молекулы воды
Разберем пример. С большой скоростью 2 молекулы водорода Н2 врезаются в 1 молекулу кислорода О2. Все 3 молекулы рассыпаются на 4 атома водорода Н и 2 атома кислорода О, после чего объединяются в 2 молекулы воды Н2О.
Важно! Ни при физических, ни при химических явлениях сами атомы не разрушаются. Раздробить атомы можно только в ходе ядерных и термоядерных реакций.
Вещества молекулярного и немолекулярного строения
Читая книгу, вы узнаете о строении различных веществ. Пока что запомните, что одни вещества состоят из молекул (многоатомных или одноатомных), другие из атомов или частиц, называемых ионами. Ионами называют заряженные частицы, которые образуются из атомов или групп атомов. Подробнее о них поговорим, когда будем разбирать строение атома.
Если вещество состоит из молекул, его строение называют молекулярным.
К веществам молекулярного строения относят воду, сахар, кислород, спирт, ацетон. Они состоят из многоатомных молекул, т.е. молекул, образованных двумя и более атомами.
Молекулы газов гелий, неон, аргон, криптон, ксенон, радон состоят из молекул, состоящих из одного атома – одноатомных молекул.
Если вещество состоит не из молекул, а из атомов или ионов, его строение называют немолекулярным.
Одни вещества состоят из одинаковых атомов, другие – из разных. К веществам, состоящим из одинаковых атомов, можно отнести большинство неметаллов: алмаз, графит, сажа, сера. Некоторые вещества состоят из разных атомов, например, горный хрусталь SiO2.
Строение алмаза
Большинство минералов состоят из ионов: мрамор CaCO3, поваренная соль NaCl.
Строение поваренной соли NaCl
Большую часть Атомно-молекулярного учения развил М.В. Ломоносов, но большой вклад внесли и другие физики и химики: Дж. Дальтон, А. Лавуазье, Ж. Пруст, А. Авогадро, Й. Берцелиус, Д. И. Менделеев, А. М. Бутлеров.
Исторические модели атома
Чтобы понимать, как устроен атом, нужно рассмотреть историю его открытия.
Термин «Атом» был введен Демокритом еще во времена античности. Название этой частицы происходит от греческого слова «Атомос», что означает «Неделимый».
Античные философы считали атом неделимой частицей. Это мнение опровергли в конце IX – начале ХХ века.
В конце IX века открыли явление фотоэффекта – испускания частиц (электронов) веществом под действием света. Оказалось, что атом состоит из других частиц, а значит он делимый.
Кроме фотоэффекта в конце IX века была открыта радиоактивность – самопроизвольное испускание частиц и лучей некоторыми атомами. Вывод тот же: атом делимый.
Открытие электронов
В 1749 году Бенджамин Франклин выдвинул гипотезу, что электрический ток – это поток заряженных частиц. В его работах впервые появляются понятия положительных и отрицательных зарядов, батарей, частиц электричества и т.д.
Научное сообщество скептически относилось к существованию электронов. Чтобы развеять этот миф, нужно было провести опыты, доказывающие существование электронов. Для этого нужно было отделить отрицательно заряженные электроны от атомов. Атомы, которые лишились электрона и приобрели положительный заряд стали называть ионами.
Впервые провести такой эксперимент удалось случайно немецкому физику Юлиусу Плюккеру в 1859 году. Он сконструировал установку. В вакуумной трубке по оба конца впаяны проводники – электроды. если к ним приложить электрическое напряжение произойдет интересное явление. От отрицательно заряженного электрода (катода) к положительно заряженному (аноду) будет протекать электрический ток. При этом анод и часть вакуумной трубки вокруг него начинают светиться.
Вакуумная трубка с катодом и анодом
Немецкие ученные Иоганн Гитторф и Эуген Гольдштейн провели такой же опыт и назвали это излучение катодными лучами. В этом же году на основе этого явления была сконструирована первая электронно-лучевая трубка.
В 1874 году английский химик и физик Уильям Крукс выдвинул идею, что катодные лучи – поток отрицательно заряженных частиц. Термин "электрон" был введен ирланским физиком и математиком Джорджем Стони.
В 1897 году английский физик Джозеф Джон Томсон обнаружил, что катодные лучи откланяются электрическим полем. Он измерил массу и заряд этих частиц – электронов.
Опыт Милликена – Иоффе
Опыт Милликена – важный эксперимент по открытию заряду электрона.
В 1909 году Роберт Милликен построил установку. Установка состоит из камеры, в которой находится две металлические пластины, над которыми пульверизатор распылял машинное масло в нутри камеры. В камере появлялся масляной туман.
Схема опыта Милликена
В верхней пластине было отверстие, через которое некоторые капли проникали в пространство между пластинами. Милликен наблюдал за каплями с помощью микроскопа. Под действием силы тяжести капли опускались на дно камеры.
Камеру облучали радиоактивными лучами и капли масла приобретали электрический заряд.
Если на пластины подавать напряжение, между ними возникает электрическое поле. Заряженные капли масла реагировали на возникшее электрическое поле и снижали свою скорость.
Используя разность этих скоростей Милликен рассчитал заряд этих капель. Для разных капель были получены разные значения. Наименьшее из этих значений минус 1,6 × 10-19 Кл (Кулон). Заряды остальных капель кратны этому наименьшему заряду. Милликен подтвердил делимость (дискретность) электрического заряда и рассчитал элементарный заряд.
Первая модель атома
Уже было известно, что атом содержит отрицательные электроны, но сам атом не имеет заряда. Объяснить это противоречие можно было тем, что сумма отрицательных зарядов уравновешивается положительным зарядом.
На основании этого предположения Джозеф Джон Томсон в 1904 г. предложил первую модель атома "Булка с изюмом".
Согласно этой модели, атом – положительно заряженная часть пространства с включенными в нее отрицательно заряженными электронами. Эта модель внешне напоминает булку с изюмом поэтому и получила соответствующее название.
Эта модель существовала до 1911 г. пока ее беспощадно не опроверг британский физик Эрнест Резерфорд.
Опыты Резерфорда
В 1899 – 1903 гг. Эрнест Резерфорд, изучая радиоактивность α-частиц, провел революционный опыт.
Возьмем радий, как источник радиоактивных лучей (-частиц) и люминесцирующий экран. Если поставить экран напротив радиоактивного источника, то в микроскоп видно, что на нем появляются святящиеся точки. В местах попадания радиоактивного излучения на люминесцирующий экран, он светится.
Если между радиоактивным источником и экраном закрепить золотую фольгу, то произойдет интересное явление. С потоком частиц произйдет следующее:
– часть лучей изменят траекторию движения незначительно;
– часть лучей сильно изменит траекторию своего движения;
– небольшая часть лучей практически не изменит свой путь;
– очень малая часть отразится в обратном направлении.
Опыт Резерфорда
Резерфорд сделал вывод, что внутри атома находится тяжелое положительно заряженное ядро.
α-частицы легкие и тоже заряжены положительно, поэтому сталкиваясь с ядром они от него отталкиваются. По законам электростатики одноименные заряды отталкиваются.
Если α-частица напрямую сталкивается с ядром, она отталкивается и летит в обратную сторону. Если α-частица пролетает очень близко к ядру, она меняет свою траекторию примерно на 90°. Чем дальше α-частица пролетает от ядра, тем меньше угол ее отклонения. Некоторые α-частицы пролетают настолько далеко от ядра, что они практически друг на друга не влияют. Резерфорд сделал вывод, что ядро занимает малу долю объема атома.
Вывод Резерфорда
В 1911 г. Эрнест Резерфорд представил Планетарную модель атома.
Планетарная модель атома
Планетарная модель атома строится на нескольких положениях. Атом состоит из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов. Электроны движутся вокруг ядра по орбитам, как планеты вокруг Солнца. Электроны удерживаются на орбитах благодаря электростатическим силам: отрицательные электроны притягиваются к положительному ядру.
Планетарная модель атома
Более 99% массы атома сосредоточено в его ядре. Масса электронов настолько мала, что ею пренебрегают. Диаметр ядра в 100 000 раз меньше диаметра атома. Если радиус ядра принять 1 см, то радиус атома составит 1 км.
Резерфорд рассчитал диаметр ядра опираясь на общее число -частиц и долю тех, которые отклонились на определенные углы, По расчётам физика, ядро имеет диаметр порядка 10-14 м. Чтобы представить размер атома, представьте 1 мм поделенный на 100 частей и каждую часть, поделите еще на миллион.
Современная модель строения атома
Планетарная модель атома оказала существенный вклад в науку, но с развитием изучения строения атома оказалась, что эта модель не жизнеспособна. На смену ей пришли другие модели атомов, которые опираются на квантовую физику.
Состав атома
Ядро состоит из положительно заряженных протонов и нейтрально заряженных нейтронов. Эти частицы называют нуклонами от латинского nucleus – ядро.
Количество протонов и электронов одинаковое. Поскольку протоны и электроны заряжены противоположно их заряды компенсируют друг друга. Атом не имеет заряда. Нейтроны не влияют на заряд атома, но придают ему дополнительную массу.
Состав атома
Массы атомов
Массы атомов и молекул имеют значения порядка 10-27 кг.
На практике использовать такие маленькие значения не удобно, поэтому используют относительные атомные массы измеряемые в атомных единицах массы, сокращенно а.е.м.
1 а.е.м. – ¹⁄₁₂ массы атома углерода.
1 а.е.м. = 1,66 × 10-24 г = 1,66 × 10-27 кг.
Найти массу того или иного атома можно в Периодической системе химических элементов Д.И. Менделеева. Значения относительных атомных масс (Ar) измеряются в а.е.м.
Чтобы узнать абсолютную массу атома в кг нужно его относительную атомную массу умножить на 1 а.е.м.
ma(элемента) = Ar(элемента) × 1,66 × 10-27
Рассчитаем массу атома железа.
ma (Fe) = 55,845 × 1,66 × 10-27 = 9,27 × 10-26 кг.
Ядра атомов
