Ядерные процессы
От величины заряда атома, а точнее от числа протонов в нем зависит положение химического элемента в периодической системе Д. И. Менделеева.
Если изменить заряд атомного ядра, т. е. число протонов в ядре, то из исходного химического элемента можно получить совершенно другие элементы. Эти процессы называются ядерными.
Ядерные процессы протекают с выделением большого количества тепла и энергии. К примеру, они происходят на Солнце, когда ядра атомов водорода соединяются и образуют ядра атомов гелия.
Рисунок 1. Схема ядерного процесса на Солнце: соединение ядер атомов водорода с образованием ядер атомов гелия
Ранее вы узнали, что алхимики мечтали найти способ, как превращать неблагородные металлы в золото.
В настоящее время это стало возможно, но для проведения подобных процессов необходимо колоссальное количество энергии, а полученное таким способом золото будет стоить в сотни раз дороже.
{"questions":}}}]}
Часто задаваемые вопросы
Почему изотопы калия $^{40}_{19}K$ и аргона $^{40}_{18}Ar$, имеющие одинаковые массы, проявляют разные свойства?
Хоть у данных изотопов и одинаковая масса, но количество электронов и заряд ядра разные, а это определяет различия в свойствах данных элементов.
Почему в таблице Д. И. Менделеева относительная атомная масса аргона близка к 40, а калия — к 39?
Относительная атомная масса элемента рассчитывается как среднее значение его изотопов, учитывая их нахождение в природе. В природе больше встречается изотопов калия $^{39}K$ — 93.258%. Также в природе преобладают изотопы аргона с массой 40: $^{40}A_r$ — 99.600%, что и оказывает влияние на конечное среднее значение относительных масс.
Почему изотопы хлора одинаковы между собой по свойствам, тогда как свойства изотопов водорода различны?
Относительная масса у изотопов хлора различается очень незначительно, 35 и 37 (35/37 = 1, 057 раз). У изотопов водорода масса различается более значительно: у дейтерия — в 2 раза, трития — 3 раза. Это и влияет на значительные различия в свойствах изотопов водорода.
Изотопы
Если изменить в атоме химического элемента число нейтронов, а заряд ядра, т. е. число протонов оставить неизменным, то положение химического элемента в Периодической системе Д. И. Менделеева не изменится, а новый химический элемент не будет образован.
Химический элемент останется прежним, но его атомы будут отличаться от исходных своей атомной массой.
Встречающиеся в природе химические элементы — это смесь изотопов. Например, кислород имеет три изотопа с массовым числом 16, 17, 18, а углерод — три изотопа с массовым числом 12, 13 и 14.
Рисунок 2. Состав атомных ядер изотопов углерода
В Периодической таблице приводятся химических элементов, обозначающие среднее значение атомных масс природной смеси изотопов этого элемента с учетом их содержания в природе, потому их значения чаще всего дробные.
{"questions":,"explanations":,"answer":}}}]}
К примеру, атомы хлора в природе представляют смесь изотопов $^{35}_{17}Cl$ (75 % в природе) и $^{37}_{17}Cl$ (25 % в природе), где верхний индекс — это массовое число, а нижний — порядковый номер, обозначающий заряд ядра и количество протонов в атоме.
Соответственно, относительная атомная масса хлора рассчитывается следующим образом:
$A_r(Cl)$ = $35\cdot0.75 + 37\cdot0.25$ = $35.5$
Изотопы хлора записываются как $^{35}_{17}Cl$ и $^{37}_{17}Cl$.
В большинстве случаев изотопы хлора, аргона ($^{39}_{18}Ar$ и $^{40}_{18}Ar$), калия ($^{39}_{19}K$ и $^{40}_{19}K$) и изотопы других химических элементов практически не отличаются по химическим свойствам.
Чего нельзя сказать об изотопах водорода, которые из-за резкого увеличения их относительной атомной массы обладают существенными различиями в химических свойствах.
Изотопам водорода присвоены индивидуальные химические знаки и названия: протий — $^{1}_{1}H$; дейтерий — $^{2}_{1}H$ или $^{2}_{1}D$; тритий — $^{3}_{1}H$ или $^{3}_{1}T$.
Рисунок 3. Схемы ядер атомов изотопов водорода
ФАКТЫ
Почему дейтериевую воду $D_2O$ называют тяжелой?
Обычно термин тяжелая вода применяется для обозначения тяжеловодородной воды, известной как оксид дейтерия. У тяжелой воды та же химическая формула, что и у обычной воды, только вместо двух атомов обычного легкого изотопа водорода под названием протий содержится два атома тяжелого изотопа водорода, который называется дейтерий.
У тяжеловодородной воды молекулярная масса равна 20, а у обычной воды — 18, поэтому плотность тяжелой воды равна 1.105 г/мл, а обычной воды — 1,005 г/мл. Также есть отличия в температуре кипения, для обычной воды она равна 100$^0С$, а для тяжеловодородной — 101.43$^0С$.
Простая вода замерзает при температуре ноль градусов, а тяжелая при 3.81 градусов тепла. Максимально плотной обычная вода становится при 4 градусах тепла, а тяжеловодородная — при 11.6. Вес одного литра простой газообразной воды составляет около 0.803 г/л, а тяжелой — 0.893 г/л.
Привычная всем нам вода, т. е. обычная — это основное вещество для нормальной жизнедеятельности всего живого на планете Земля, а тяжеловодородная вода является губительной для всех живых организмов.
{"questions":,"items":,,]}}}]}
На основе новой изученной информации можно сформулировать более научное и современное определение химического элемента.
{"questions":,"items":}}}]}
ЗАДАНИЕ 1
Пользуясь названиями элементарных частиц, из которых состоят атомные ядра, дайте другое определение изотопов.
Показать ответ
Скрыть ответ
Изотопы — разновидности одного и того же химического элемента, близкие по своим физико-химическим свойствам, но имеющие разную атомную массу, то есть изотопы имеют одинаковое количество электронов и протонов, но различное число нейтронов.
ЗАДАНИЕ 2
Найдите в таблице Д. И. Менделеева три пары элементов, у которых, подобно паре $Ar — К$, вначале расположен элемент с большим значением относительной атомной массы.
Показать ответ
Скрыть ответ
Уран ($U$) — нептуний ($Np$); торий ($Th$) и протактиний ($Pa$); теллур ($Te$) — йод ($I$).
Строение атома
Сегодня мы будем путешествовать в микромир – мир атома. Даже если превратить нас в песчинку, то по сравнению с размером ядра атомов химических элементов, мы будем гигантами.
Атом нельзя увидеть, невозможно потрогать, он на столько мал, что существует только в нашем воображении. До XIX века учёные оперировали только одной характеристикой атома – это его масса. Наука не оперировала понятиями, что ядро атома содержит более мелкие частицы. Почему элементы отличаются массой. Атом долгое время считали «неделимым». Но отличия в массе подвигли искать причину в строении.
Как описать строение, то чего невозможно увидеть, а можно только представить. Ведь современные электронные микроскопы появились только в XX веке.
Атом – как мельчайшая частица, известна ещё с древних времён. Древнегреческий философ Демокрит считал, что свойства веществ определяются определённым типом атома. Даже тонкая материя, душа, по его мнению, состоит из атомов. Так тела бывают в разных агрегатных состояниях, поэтому атомы металлов будут с зубцами, жидкости будут обладать гладкими, это будет причиной их текучести.
Долгое время атом считали неделимым. Заглянув в словарь синонимов, можно увидеть пару синонимов для слова атом, неделимый, мельчайшая частица. Теория о неделимости существовала до XIX века, пока экспериментально не подтвердили, что ядро атома состоит из более мелких частиц. Но как они располагаются в атоме, как конфеты драже в кармашке, или по версии Томсона, который сравнивал электроны с изюминками, хаотично разбросанных в кексе. Учёный с Японии Хантаро Нагаока сравнил атом с загадочной планетой Сатурн, которая известна своим кольцом. Саму планету он сравнил с массивным ядром, а роль кольца отдал электронам.
В конце XIX века, начале XX происходит стремительное развитие науки, открываются новые частицы α и β. Позже было установлено, что это ядро атома элемента Не и электроны.
Английский физик Резерфорд сравнил атом с Солнечной системой. Солнце – это очень большая звезда, которая находится в центре. Масса Солнца занимает 99,86 % от массы всей Солнечной системы. Подобно планетам, электроны вращаются вокруг ядра, каждый из них занимает своё положение — орбиталь. Т.е. электроны – это оболочка атома.
В ходе данных исследований было доказано, что атом представляет совокупность заряженных и нейтральных частичек.
Анализируя размеры, важно запомнить, что радиус ядра атома, будет всегда значительно меньше радиуса всего атома. Этот факт объясняется тем, что частицы составляющие ядро более компактно упакованы, чем электроны
