Главная страница «Первого сентября»Главная страница журнала «Химия»Содержание №4/2005

МЕТОДИЧЕСКИЙ ЛЕКТОРИЙ

СОСТАВ И ЭЛЕКТРОННАЯ
СТРУКТУРА АТОМА

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ И КОНТРОЛЬНЫЕ ЗАДАНИЯ
К ОБУЧАЮЩЕЙ ПРОГРАММЕ ДЛЯ УЧАЩИХСЯ
СПЕЦИАЛИЗИРОВАННЫХ КЛАССОВ
ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНЫХ ШКОЛ

Предлагаемые на суд читателей методические указания и контрольные задания по курсу неорганической химии предназначены прежде всего для учащихся специализированных классов общеобразовательных школ. Однако они могут оказать помощь и учителям в качестве пособия в их преподавательской деятельности. В методических указаниях сочетается излагаемая в сжатой форме известная информация с развивающими заданиями и даются рекомендации по практическому использованию пособия для дальнейшего углубления знаний.
Задания контрольных работ даны в такой форме, что ученик может в большинстве случаев подойти к необходимому результату, решив ряд последовательных задач с «обратной связью», помогающей ему не только приобрести и закрепить знания, но и проверить правильность решений. Такая форма подачи материала для самостоятельной деятельности должна способствовать развитию логического мышления и помогать преподавателю осуществлять индивидуальный и дифференцированный подход к обучению, оперативно руководя этим процессом.
Ниже приведены темы первых трех методических разработок, которые будут опубликованы в газете.

Темы методических разработок

Состав и электронная структура атома.
Растворимость, растворы и их количественная характеристика.
Химические явления и электричество.

Список следующих разработок будет напечатан позднее.


Одним из наиболее крупных успехов физики XX в. является создание модели электронной структуры атома. Эта модель была получена на основании исследований атомных спектров и обширных квантово-механических расчетов, которые здесь не рассматриваются. Однако вам предстоит ознакомиться с некоторыми результатами этих расчетов, особенно важными для понимания химического поведения атомов. После усвоения материала вы сможете судить о пространственном распределении электронов в атоме и относительных энергиях этих электронов. Знание особенностей атомной структуры позволит понять, каким образом атомы соединяются друг с другом, образуя молекулы.
Ответы на вопросы, содержащиеся в методических указаниях, и контрольные задания приведены соответственно в приложениях 1 и 2. Имейте в виду, что успешное изучение материала возможно лишь при вдумчивом к нему отношении и самостоятельной работе «без подсказок». Поэтому не спешите заглядывать в приложения за ответами на вопросы. Лишь тогда, когда вы достаточно подумаете самостоятельно и решите, что окончательно сформулировали ответ, либо сочтете, что не в состоянии его найти, нужно проверить себя по приложениям.
Ваши ответы не должны, конечно, дословно совпадать с формулировками ответов в приложениях. Однако смысл вашего ответа должен достаточно полно соответствовать смыслу контрольного ответа. Внимательно вдумайтесь в контрольные ответы, приведенные в приложениях. Часто они содержат не только прямой краткий ответ (который обычно от вас только и требуется), но еще и некоторые пояснения, которые нужно постараться уяснить и принять к сведению.
Для проверки качества усвоения изученного материала рекомендуется выполнить контрольную работу. Правильность ее выполнения можно проверить по приложениям или у преподавателя. Для понимания излагаемого материала желательно повторить начальные представления об электричестве школьного курса физики, строении атома.
Успеха вам в изучении темы!

Методические указания

1. В середине XIX в. большинством ученых признавалось реальное существование атомов, но понятие о них было неправильное (метафизическое) – атом понимался как самая мельчайшая частица вещества, неделимая ни при каких условиях. Лишь отдельные ученые предполагали сложность атомной структуры, делимость при определенных условиях. Подтвердившие их предвидения открытия были сделаны в конце XIX в., началось быстрое развитие учения о строении атома. Атом действительно оказался сложной системой, и первыми обнаруженными в атоме частицами были электроны.

2. Уже давно было известно, что при сильном накаливании (и при освещении ультрафиолетовыми лучами) с поверхности металла удаляются отрицательно заряженные частицы и металл заряжается положительно. В выяснении природы этого явления большое значение имели работы ученых
А.Г.Столетова и У.Крукса. В 1879 г. Крукс исследовал отклонение катодных лучей в магнитном и электрическом полях, а также вращение вертушки внутри катодной трубки под действием электрического тока высокого напряжения.
Свойство катодных лучей приводить в движение тела и отклоняться в магнитном и электрическом полях позволило убедиться, что это материальные частицы, несущие наименьший отрицательный заряд (электроны). Поскольку электроны могут быть получены независимо от природы вещества электрода, это доказывает, что они входят в состав атомов любого элемента. Результатом работ Р.Э.Милликена, проводившихся в 1909–1914 гг., было определение заряда электрона, а Дж.Франк и Г.Л.Герц доказали в 1912 г. дискретность его энергии в атоме.

Электрон
Заряд Масса
Усл. ед. г а. е. м.
–1,6•10–19 –1 9,1•10–28 0,00055

 

Отклонения лучей в электрическом поле
Отклонения лучей в электрическом поле

3. Самая характерная особенность электронов – двойственность (дуализм) их поведения, заключающаяся в способности проявлять одновременно как свойства частиц, так и волновые свойства: подобно частице они обладают определенной массой и зарядом, а также движущемуся потоку электронов присущи такие волновые свойства, как способность к дифракции. В отличие от обычных тел для электрона в атоме нельзя одновременно определить его координаты и скорость.
Электрон может находиться в любой части околоядерного пространства, однако вероятность его нахождения в разных частях этого пространства неодинакова, что описывается с помощью электронной волновой функции, называемой орбиталью.
Пространство вокруг ядра, в котором вероятность нахождения электрона (точнее, радиальная плотность вероятности) достаточно велика, называется электронным облаком.
В 1896 г. А.А.Беккерель обнаружил, что соединения урана обладают способностью испускать невидимые лучи, действующие на фотопластинку, даже завернутую в черную бумагу. М.Склодовская-Кюри и П.Кюри в 1898 г. открыли в урановой руде два новых элемента – радий Rа и полоний Ро, обладающих очень большой активностью излучения. Они установили, что это свойственно и другим элементам, находящимся в 7-м периоде периодической системы химических элементов (ПСХЭ) Д.И.Менделеева (торий Тh, актиний Ас). Самопроизвольный распад атомов элементов, сопровождающийся испусканием излучения, называется радиоактивностью (от лат. radio – излучаю и activus – действенный) (табл. 1).

Таблица 1

Характеристики радиоактивного излучения

Частицы
Поток положительно заряженных частиц – ядер атомов гелия . Начальная скорость движения 20 000 км/с Поток отрицательно заряженных частиц – электронов. Скорость движения от 100 000 до
300 000 км/с
Неотклоняемые в электрическом поле лучи. Подобны световым лучам, обладают высокой проницаемостью и малой длиной волны 

В 1899–1903 гг. Э.Резерфорд установил природу радиоактивного излучения. Исследованиями М.Склодовской-Кюри и других ученых было установлено, что при радиоактивном распаде ядер атомов радия

образуются гелий и неизвестный до того элемент, названный радоном (элемент № 86). Таким образом, новые открытия доказали, что атом является сложной системой и состоит из более простых частиц.

Траектория движения a-частицы
Траектория движения
-частицы

4. Электроны выделяются из самых различных веществ, они являются составной частью атомов всех элементов. Поскольку электроны заряжены отрицательно, а атом в целом электронейтрален, то, очевидно, внутри атома находится положительно заряженная часть, которая своим зарядом компенсирует отрицательный заряд электронов. Экспериментальные данные о наличии положительно заряженного ядра и его расположении в атоме были получены английским ученым Резерфордом и его учениками в 1909–1911 гг. при исследовании движения -частиц в газах и других веществах.
На основе экспериментальных данных Резерфорд (1911) высказал гипотезу о планетарном строении атома. Согласно этой гипотезе в атоме находится очень малое по размеру ядро (10–12–10–13 см), вокруг которого по круговым орбитам движется такое число электронов, что они своим отрицательным зарядом нейтрализуют положительный заряд ядра. Предложенная модель строения атома получила широкое распространение, но в дальнейшем исследователи натолкнулись на ряд принципиальных трудностей. Так, согласно классической электродинамике вращающийся вокруг ядра электрон должен излучать энергию и, следовательно, двигаться не по окружности, а по спиралевидной кривой и в конце концов упасть на ядро.

5. В 1913 г. Г.Мозли установил равенство заряда ядра атома химического элемента его порядковому номеру в ПСХЭ Д.И.Менделеева. Позже было доказано, что в атомном ядре имеются ядерные частицы (нуклоны) – обусловливающие заряд ядра протоны (Э.Резерфорд, 1920 г.) и не несущие заряда, но имеющие такую же массу нейтроны (Дж.Чедвик, 1932 г.) (табл. 2).

Таблица 2

Характеристики нуклонов

Нуклон Заряд Масса
  Усл. ед. г а. е. м.
Протон 11р (р) –1,6•10–19 +1 1,67•10–24 1,007825
Нейтрон 01n (n) 0 0 1,67•10–24 1,007825

6. Модель строения атома.

1) В центре атома – положительно заряженное ядро, занимающее ничтожную часть пространства внутри атома.
2) Весь положительный заряд и почти вся масса атома сосредоточены в его ядре (масса электрона равна 1/1836 а. е. м.).
3) Ядра атомов состоят из протонов р и нейтронов n, имеющих общее название нуклоны (от лат. nucleus – ядро). Число протонов в ядре и число электронов в атоме равно порядковому номеру химического элемента в ПСХЭ, а суммарное количество протонов и нейтронов в ядре атома соответствует его массовому числу.
4) Вокруг ядра по замкнутым орбитам вращаются электроны, число которых равно положительному заряду ядра атома, т.е. порядковому номеру химического элемента в ПСХЭ.

7. Нуклиды – виды атомов, характеризующиеся любыми двумя из трех фундаментальных параметров:

Z = AN, N = AZ, A = Z + N,

где A – массовое число, Z – заряд ядра (равен числу протонов), N – число нейтронов в ядре (табл. 3).

Таблица 3

Примеры некоторых нуклидов

Изотопы Изобары Изотоны
Нуклиды Z A N Нуклиды Z A N Нуклиды Z A N
2010Ne 10 20 10 4018Ar 18 40 22 146C 6 14 8
2110Ne 10 21 11 4019K 19 40 21 157N 7 15 8
2210Ne 10 22 12 4020Ca 20 40 20 168O 8 16 8
23492U 92 234 142 23490Th 90 234 144 22888Ra 88 228 140
23592U 92 235 143 23492U 92 234 142 23090Th 90 230 140

8. Изотопы – нуклиды с одинаковым Z, но различными А и N. Например, химический элемент водород (т.е. разновидность атомов с одинаковым зарядом ядра, равным +1) в природе существует в виде (протий), (дейтерий, ), (тритий, ). Искусственно получен , отличающийся числом нейтронов и массовым числом (N и А), т. е. известны четыре изотопа водорода.
Изобары – нуклиды с одинаковым А, но различными Z и N.
Изотоны – нуклиды с одинаковым N, но различными Z и A.

9. Если учесть, что в химии массовое число атома берется без учета суммарной массы электронов (в физике дефект массы учитывается), а массы нуклонов (p и n) даже при округлении до сотых долей не могут дать дробного массового числа для любого атома, то как можно объяснить следующее.

• В ПСХЭ приведены Аr(C) = 12,01115, Аr(O) = 15,9994, Аr(F) = 18,99 и т.д. Как правильнее было бы именовать относительную атомную массу атома (Аr)?
• Чем руководствовался и как практически предсказал Д.И.Менделеев Аr «экакремния» (Gе)?
Проверьте в дальнейшем правильность ваших выводов по приложению 1 (П-9).

Печатается с продолжением

Ю.И.ПАХОМОВ,
учитель химии школы № 66
(г. Владивосток)