Атоми найкраще вважати найменшими неподільними шматочками звичайної речовини. Насправді їхня назва походить від грецької, оскільки «не можна вирізати». Атоми складаються з протонів, нейтронів та електронів, хоча найменший і найпростіший вид, атом водню, не містить нейтронів.
Елемент - це речовина, що складається з одного виду атома. Коли ви дивитесь на періодичну таблицю елементів, кожна коробка, яку ви бачите, зайнята речовиною з унікальним розташуванням протонів та нейтронів. У приватному випадку, коли присутній лише один атом елемента, визначення понять "атом" та "елемент" ідентичні. Як варіант, у вас може бути 10 або 100 або 1000000 тонн речовини, що складається лише з одного елемента, якщо кожен атом у цій гігантській масі ідентичний. Якщо сказати трохи по-іншому, коли нам подають атом і елемент і кажуть, що лише один є мікроскопічним, ви знаєте, що є прикладом елемент (хоча, звичайно, не всі сукупності одного елемента є достатньо великими, щоб їх можна було побачити неозброєним оком або навіть звичайним мікроскоп).
Які приклади атомів?
Приклади атомів, про які ви майже впевнені, що чули - якщо, тобто ви просто не приземлилися тут з іншої планети, або можливо, в паралельному Всесвіті, в якому самі атоми нечувані - включають водень, кисень і вуглець, як мінімум. Водень та кисень - це два атоми у воді, хімічна формула води - Н2О тому, що один молекула води містить два атоми водню і один атом кисню. Зверніть увагу, що вода, хоча вона не може втратити жодного зі складових атомів і все ще є водою, не є елементом, оскільки не всі її атоми ідентичні. Натомість це a з'єднання. (Докладніше про цю номенклатуру найближчим часом.)
Кожен атом може включати три різні компоненти: протони, нейтрони та електрони. Насправді кожен атом, крім атома водню, містить принаймні один з кожного; водень складається з одного протона та одного електрона, але не має нейтронів. Протони та нейтрони мають майже однакову масу, причому маса протона дорівнює 1,6726231 x 10-27 кг, а електрона - 1,6749286 x 10-27 кг. Електрони все-таки дрібніші, настільки, що їх спільною масою можна нехтувати з практичних цілей при обчисленні маси даного атома. Один електрон має масу 9,1093897 x 10-31 кг.
Атоми в їх елементарній формі містять однакову кількість протонів та електронів. Протон несе невеликий позитивний електричний заряд, позначений +1, тоді як електрон несе заряд -1. Нейтрони не несуть заряду, тому звичайний атом не має чистого заряду, оскільки позитивний заряд протона та негативний заряд електрона виключають один одного. Однак деякі атоми мають неоднакову кількість протонів та електронів, і, отже, несуть чистий заряд (наприклад, -2 або +3); ці атоми називаються іони.
Фізично атоми розташовані приблизно як Сонячна система, з меншими шматочками речовини, що обертаються навколо набагато масивнішого центру. Однак в астрономії гравітаційна сила - це те, що змушує планети обертатися навколо Сонця; в атомах це електростатична сила. Протони та нейтрони атома злипаються, утворюючи центр, званий ядром. Оскільки ядро включає лише позитивні та не зарядні компоненти, воно заряджене позитивно. Тим часом електрони існують у хмарі навколо ядра, залученого до нього своїм позитивним зарядом. Положення електрона в будь-який момент не може бути точно відоме, але його ймовірність опинитися в даному місці в просторі можна розрахувати з високою точністю. Ця невизначеність складає основу квантової фізики - зростаючої галузі, яка перейшла від теоретичної до ряду важливих застосувань в техніці та обчислювальних технологіях.
Які назви атомів?
Періодична система елементів є універсальним засобом для вчених і початківців студентів ознайомитись з іменами всіх різних атомів, разом із коротким описом їх критичних властивості. Вони є в кожному підручнику з хімії та в безмежних місцях в Інтернеті. У вас повинен бути один підручний матеріал для довідки при перегляді цього розділу.
Періодична таблиця містить назви та одно- або двобуквені скорочення всіх 103 елементів, або, якщо хочете, типи атомів. 92 з них зустрічаються в природі, тоді як найважчі 11 з 93 - 103 були вироблені лише в лабораторних умовах. Номер кожного елемента в періодичній системі відповідає його атомному номеру, а отже, і кількості протонів, які він містить. Поле в таблиці, що відповідає елементу, зазвичай показує його атомну масу - тобто загальну масу його протонів, нейтронів та електронів - на дні коробки, під назвою атома. Оскільки для практичних цілей це становить масу лише протонів та нейтронів, а оскільки протони та нейтрони мають дуже близьку до тієї ж маси, ви можете визначити, скільки нейтронів має атом, віднявши його атомний номер (кількість протонів) з атомної маси та округливши вимкнено. Наприклад, натрій (Na) займає номер 11 у періодичній системі і має масу 22,99 атомних одиниць маси (аму). Округливши це до 23, ви можете підрахувати, що натрій повинен мати 23 - 11 = 12 нейтронів.
З усього вищесказаного ви можете зрозуміти, що атоми стають важчими при русі зліва направо та зверху на внизу таблиці, як читання сторінки в книзі, на якій кожне нове слово трохи більше попереднього слово.
Елементи можуть існувати у вигляді твердих речовин, рідини або газів у своєму рідному стані. Вуглець (С) є прикладом твердої речовини; ртуть (Hg), що міститься в термометрах "старої школи", є рідиною; і водень (Н) існує у вигляді газу. За допомогою періодичної системи їх можна згрупувати за категоріями на основі їх фізичних властивостей. Одним із зручних способів їх поділу є метали та неметали. Метали включають шість підтипів, тоді як неметали мають лише два. (Бор, миш'як, кремній, германій, сурма, телур та астатин вважаються металоїдами.)
Періодична система включає 18 стовпців, хоча не кожен простір у кожному стовпці зайнятий. Перший повний рядок - тобто перший екземпляр усіх 18 стовпців, що містять елемент, - починається з елемента номер 19 (K, або калій) і закінчується номером 36 (Kr, або криптон). З першого погляду це здається незручним, але це гарантує, що атоми з подібними властивостями з точки зору своїх поведінка скріплення та інші змінні залишаються у легко ідентифікованих рядках, стовпцях або інших групах у межах таблиця.
Які бувають різні типи атомів?
Ізотопи - це різні атоми, що мають однаковий атомний номер і, отже, однакові елементи, але мають різну кількість нейтронів. Тому вони змінюються за своєю атомною масою. Більше інформації про ізотопи наведено у наступному розділі.
Поведінка зв'язку - це один із різноманітних критеріїв, за допомогою якого можна розділити атоми. Наприклад, шість природних елементів у графі 18 (He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn) називаються благородні гази оскільки вони по суті не реагують на інші елементи; це нагадує про те, як за старих часів представники дворянських класів не змішувались із простими людьми.
Метали можна розділити на шість типів (луги, лужноземельні, перехідні, післяперехідні та актиноїди та лантаноїди). Усі вони потрапляють у різні регіони періодичної таблиці. Більшість елементів - це певні метали, але до 17 неметалів належать деякі найбільш відомі атоми, включаючи кисень, азот, сірку та фосфор, які всі необхідні для життя.
Що таке сполуки та молекули?
З'єднання виготовляється з одного або декількох елементів. Наприклад, вода - це сполука. Але ви також можете мати один або кілька елементів або сполук, розчинених в іншій, рідкій сполуці (як правило, у воді), як цукор, розчинений у воді. Це приклад рішення, оскільки молекули розчиненої речовини (розчиненої твердої речовини) не зв’язуються з молекулами розчиненої речовини (наприклад, води, етанолу чи того, що є у вас).
Найменша одиниця сполуки називається молекулою. Відносини атомів до елементів відображають взаємозв'язок між молекулами та сполуками. Якщо у вас є шматок чистого натрію, елемента, і зменшіть його до мінімально можливого розміру, залишиться атом натрію. Якщо у вас є колекція чистого хлориду натрію (кухонна сіль; NaCl) і зменшити його до найменшого, ніж він може зайняти, зберігаючи всі його фізичні та хімічні властивості, у вас залишається молекула хлориду натрію.
Які основні елементи?
10 найпоширеніших елементів на Землі складають близько 99 відсотків маси всіх елементів, знайдених на всій планеті, включаючи атмосферу. На кисень (О) припадає 46,6 відсотка маси Землі. На кремній (Si) припадає 27,7%, а на алюміній (Al) - 8,1%, а на залізо (Fe) - 5,0%. Наступні чотири найбільш рясні всі існують у вигляді електролітів в організмі людини: кальцій (Ca) - 3,6%, натрій (Na) - 2,8%, калій (K) - 2,6% та магній (Mg) - 2,1%.
Елементи, знайдені у значних кількостях у видимій формі, або елементи, що є просто горезвісними, можна вважати основними елементами в якомусь сенсі. Коли ви дивитесь на чисте золото, будь то крихітна пластівця або велика цегла (остання малоймовірна!), Ви дивитесь на один елемент. Цей шматок золота все одно вважався би золотом, навіть якби залишились усі, крім єдиного атома. З іншого боку, як зазначає NASA, золота монета може мати близько 20 000 000 000 000 000 000 000 (20 септильйонів) атомів золота в залежності від розміру монети.
Що таке ізотопи?
Ан ізотоп є варіантом атома, приблизно таким же чином доберман-пінчер є варіантом собаки. Пам’ятаєте, однією з важливих властивостей даного типу атомів є те, що його атомний номер, а отже і кількість протонів, які він містить, не можуть змінюватися. Отже, якщо атоми мають бути у різних варіантах, ці зміни мають бути результатом різниці в нейтронному числі.
У більшості елементів є єдиний стабільний ізотоп, у якому найчастіше зустрічається елемент. Однак деякі елементи існують природним чином як суміш ізотопів. Наприклад, залізо (Fe) складається приблизно з 5,845 відсотка 54Fe, 91,754 відсотка 56Fe, 2,119 відсотка 57Fe та 0,282 відсотка 58Fe. Верхні індекси в лівій частині абревіатур елементів вказують кількість протонів плюс нейтронів. Оскільки атомний номер заліза 26, вищезазначені ізотопи, по порядку, мають 28, 30, 31 і 32 нейтрони.
Усі ізотопи даного атома мають однакові хімічні властивості, що означає, що їх поведінка зв’язку однакова. Їх фізичні властивості, такі як їхні маси, температури кипіння та температури плавлення, різні і є засобами, за допомогою яких їх розрізняють.
