Химия как раздел естествознания Основные задачи современной химии (стр. 5 из 68)

Свойства простых тел, а также формы и свойства соединений элементов, находятся в периодической зависимости от величины атомных весов элементов.

Если распределить элементы в порядке возрастания их атомных масс по строкам (периодам) таким образом, чтобы в первой строке было 2 элемента, во второй и третьей – по 8, в четвѐртой и пятой – по 18, а в шестой и седьмой – по 32, то свойства элементов будут периодически повторяться. Каждый период начинается с очень активного металла, затем металлические свойства ослабевают, а неметаллические усиливаются, а заканчивается каждый период инертным газом. Это значит, что свойства элементов, расположенных в системе Менделеева определенным образом повторяются. Понятие о валентности как о свойстве атомов соединяться в определѐнных соотношениях, объясняло, например, строение молекулы воды Н₂О тем, что одновалентный водород соединяется с двухвалентным кислородом в соотношении 2 атома водорода к 1 атому кислорода.

Свойства элементов, расположенных в системе Менделеева определенным образом, повторяются, причѐм периодичность этих повторений не простая, а сложная и выражается числами 2, 8, 18 и 32. Менделеев не мог объяснить, откуда берутся эти «магические» числа.

Ответ на этот вопрос дала квантовая химия.

1.3. Субатомный уровень

Современная химия отвечает на вопрос о строении вещества в рамках корпускулярной концепции. Однако пределом деления вещества считаются не атомы, а дискретные (от английского слова discrete – разбивать) элементарные частицы. То, что у атома есть составные части, удалось обнаружить, изучая электрические явления. В 1897 году английский физик Джозеф Джон Томсон, изучая природу катодных лучей, или электрического тока, открыл отрицательно первую элементарную частицу – электрон, и, тем самым, доказал, что атом имеет структуру, то есть является делимым. Ученик Томсона, Эрнест Резерфорд (1871 -1937) в 1910 году открыл атомное ядро и предложил другую модель атома: планетарную (см. Рис.1.2). В таком атоме, размеры которого составляют 10^-10м, вокруг небольшого по размеру (10¹⁵-10^-14 м), но очень массивного положительно заряженного ядра движутся отрицательно заряженные электроны.

Рис.1.2 Планетарная модель атома

Ядро, как выяснилось впоследствии, состоит из тяжѐлых элементарных частиц, протонов и нейтронов. На сегодня физикам известно более 400 элементарных частиц, которые делятся на фермионы и бозоны. Фермионы считаются частицами, образующими вещество, тогда как бозоны являются частицами полей

(электромагнитного, сильного и слабого ядерного и гравитационного) и переносчиками соответствующих фундаментальных взаимодействий. Все элементарные частицы можно классифицировать по массе, заряду, времени жизни и спину. Для химии наиболее важными являются четыре элементарные частицы: это протон, нейтрон и электрон (фермионы), а также фотон (бозон), который является переносчиком электромагнитного взаимодействия, так как все химические превращения имеют электромагнитную природу. Масса электрона m_eоставляет 9,109410^-28 г, масса протона равна 1,610^-24г, или 1836 m_e) а масса нейтрона - 1840 m_e. В атомных единицах масса протона и нейтрона равна 1, а масса электрона не принимается в расчѐт. Фотон не имеет массы покоя, так как нет такой системы отсчѐта, относительно которой можно было бы представить его покоящимся, однако в движении его масса отлична от нуля. Заряд протона равен +1, электрона -1, нейтрона - 0, для фотона понятия заряда не существует. Электроны, протоны и фотоны являются стабильными частицами, время жизни которых превышает 10²⁷ лет. Свободный нейтрон является квазистабильной частицей, время его жизни составляет 1000 секунд. Все элементарные частицы с их невероятно малыми массами и размерами - это объекты микромира, и их свойства не имеют аналогов в привычном для нас макромире. Одним из таких свойств является спин (от английского слова spin – веретено или волчок). Фермионы обладают полуцелым спином, так, например, спин электрона принимается равным ±1/2. У фотона, поскольку он является бозоном, спин целый и равен 1. Спин определяет собственный момент количества движения

элементарной частицы, не связанный с ее перемещениями как целого.

Иногда для объяснения понятия спина используют такую аналогию – электрон представляют как летящий волчок, или круговой ток, создающий собственное магнитное поле. Такая аналогия позволяет объяснить наличие спина

1/2 у электрона и протона, но не у нейтрона – частицы с нулевым зарядом. При всех способах его регистрации спин всегда направлен вдоль той оси, которую наблюдатель выбрал за исходную. Значение спина 1/2 означает, что электрон (протон, нейтрон) становится идентичным сам себе при обороте на 720⁰, а не 360⁰, как в нашем трехмерном мире. В результате «двойного поворота» создаваемое электроном магнитное поле вдвое больше того, которое мог бы дать вращающийся заряженный шарик. Спин принято считать одним из фундаментальных свойств материи, то есть он не является следствием других свойств природного объекта, также как, например, гравитация и электричество.

В рамках корпускулярной концепции на субатомном уровне (приставка «суб» означает, что речь идѐт об уровне, лежащем в глубинах атома) ответ на вопрос о строении материи при системном подходе с иерархическим усложнением можно представить следующим образом:

Элементарные частицы → ядра атомов + электроны, вращающиеся вокруг ядра = атомы → молекулы → вещество

В соответствии с ядерно-планетарной моделью атома Резерфорда, атом состоит из положительно заряженного ядра и электронов, количество которых равно заряду ядра, так что атом в целом является электронейтральным. Атомное ядро – это система, состоящая из массивных частиц нуклонов (от латинского слова «нуклеус» – «ядро»), положительно заряженных протонов (открыты в 1919 г. Э. Резерфордом) и не имеющих заряда нейтронов (открыты в 1932 Дж. Чедвиком). Оказалось, что заряд ядра численно равен порядковому номеру атома в периодической системе по закону Мозли, или закону атомного номера. В 1913 г. английский ученый Генри Мозли установил: корень квадратный из частоты рентгеновского спектра элемента является линейной функцией порядкового номера элемента в периодической системе:

c

, (1.1)

где ν – частота рентгеновского излучения атома; λ – длина волны этого

излучения; с – скорость света (3∙10⁸ м/сек); Z - порядковый номер элемента, К и α – константы серий линий спектра.

Это означает, что, зная порядковый номер элемента в системе Менделеева (например, элемента №5), можно установить, как устроен атом данного элемента. Заряд ядра этого атома, в соответствии с законом Мозли, равен +5, следовательно, в ядре атома элемента №5 находится пять протонов, а вокруг ядра вращается пять электронов. Число нейтронов в ядре может меняться (для лѐгких элементов оно чаще всего равно числу протонов). Это открытие устраняло кажущееся противоречие в системе Менделеева, где некоторые элементы с большей массой стояли впереди элементов с меньшей массой (теллур и йод, аргон и калий, кобальт и никель). Оказалось, что противоречия здесь нет, так как заряды ядер этих элементов точно соответствуют их положению в периодической системе. Заряд атомного ядра оказался той основной величиной, от которой зависят свойства химического элемента. Поэтому периодический закон Менделеева в современной формулировке звучит так:

Свойства элементов и образуемых ими простых и сложных веществ находятся в периодической зависимости от заряда ядра атомов элементов.

Химическим элементом по современным представлениям считается совокупность атомов с одинаковым числом протонов в ядре, или с одинаковым зарядом ядра.

Прибавляя к ядру протоны или выбивая их из ядра (например, в ускорителях элементарных частиц), можно из одного элемента получить другой, то есть осуществить ту трансмутацию, о которой мечтали алхимики. Именно поэтому создатель науки об атомном ядре Э. Резерфорд назвал свою последнюю книгу «Современной алхимией». Однако для такой трансмутации нужна колоссальная энергия, которую нельзя получить в какой бы то ни было химической реакции, поэтому такие ядерные реакции осуществляются в ускорителях элементарных частиц. При этом теоретически можно получить сколь угодно много элементов, однако для химии такие элементы, во всяком случае, на данном этапе, никакого практического значения не имеют, так как их атомы получают в ускорителях элементарных частиц буквально поштучно, а время жизни таких атомов ничтожно мало. Ядерные реакции в данном учебном пособии не рассматриваются.