Общая химия/Атом

Вступление

Химия и астрономия чем то похожи. Астрономия изучает звезды, глобальные мировые пространства. Химия же изучает бесконечно интересный маленький мир. Или как его еще называют микромир. Так в чем же сходство? Структура атома чем то напоминает нашу солнечную систему. В ней также есть «солнце», «планеты» и их орбиты. В мире все состоит из атомов - этих маленьких вселенных, как это не странно. В этих вселенных действуют абсолютно другие законы, нежели в обширных звездных просторах. Но знать и те и те очень важно как и для астронома, как и для химика, так и для того же биолога. Мир это единое целое, состоящее из мелких крупинок «песка». Выкинуть некоторые из них значит разрушить все сейчас существующее. Сложно даже представить, что бы было, если бы все ныне имеющееся было уничтожено.

Немного о веществах

Весь мир в котором мы живем состоит из различных веществ. От солей до металлов. Не было бы веществ - не было бы ничего. Они как строительный материал позволяют нам существовать. Ничего в нашем понимании - пустота в которой ничего нет. Но как оказывается этой самой пустоты нигде не найти. Везде что-то есть. Но несмотря на то, что ответ кажется настолько банальным, в наше время он интересует многих. Потому что на самом деле он не такой уж и простой. По другому называют это понятие слово «вакуум». Даже в космосе есть летающие со сверх скоростями частицы. Но только их очень мало и они распространены по всему космосу. Но неравномерно. Когда то люди вообще не знали какие бывают вещества. Они, конечно понимали, что это, например, камень, а это вода. Но они не могли их классифицировать. Не могли знать их структуру. А значит и не могли предсказать свойства многих соединений, не попробовав на практике. Но она не всегда приводила к хорошему результату. Ведь если вы не знаете как что-то с чем-то реагирует то и неизвестно как будет проходить реакция. Возможно, со взрывом, возможно с горением. Поэтому в древности и появилась такая наука как алхимия. Хотя ее сейчас считают лженаукой. И это правильно. Ведь в алхимии некоторые вещи были только теоретически, но на практике не основаны. Например, когда-то пытались получить «филосовский камень».

Алхимия - предшественница химии. Она как эмбрион дала отправную точку для развития химии как нового организма. Она стадия «постэмбрионального» периода алхимии. Все когда то было только в теории а потом было доказано. И химия не исключение.

Классификация веществ

Но все таки какие бывают вещества и как их классифицировать? Для этого надо вспомнить что в науке, которой мы сейчас занимаемся, есть такие понятие как молекула. Она одна из малейших частиц, из которых состоит все в нашем мире. Вода, например состоит из молекул.

На рисунке они показаны шариками. Кислород - красный шарик, водород - белый. Вода это сложное вещество потому что она состоит из молекул, которые состоят из разных атомов - двух H и одного O. Из этого можно сделать вывод - все вещества, состоящие из молекул, атомы которых разные, называются сложными. Например, оглянитесь вокруг себя и вы увидите много сложных веществ - например та же самая поверхность стола или любая ткань. Но это еще не все. Есть же еще простые вещества. Отличие их от первые состоит в том, что они состоят из одинаковых атомов или молекул. Грубо говоря все молекулы в веществе являются клонами друг друга, как куча одинаковых ручек в магазине. Чтобы хорошо запомнить отличие сложных от простых представляете себе сложные вещества как шарики разных цветов и размера, а вторые как одинаковые белые. Однако, химия это не только сложные и простые вещества.

Это, например, еще и смеси. Вспомните воду с сахаром. В ней он растворился. То есть распространился по всей кружке. Он как вода, которую наливаете в тарелку, расстилается на всю кружку. Но обратите свое внимание, что сахар никуда не исчез. Даже в физике есть правило «ничто ни откуда не появляется ни что никуда не исчезает». Поэтому если нагреть воду и подождать, то вскоре вы увидите тот же сахар только уже не виде, например, кубиков, а в виде порошка. То вещество которое у нас было в кружке это смесь. Дадим точное определение этому слову. Смесь - это такое вещество, которое состоит из молекул разных веществ.

Сам атом

Когда то люди в древности думали, что самая меленькая структурная единица - это молекула. Через некоторое время эту теорию опровергли, но стало вдруг непонятно, как составляющие молекулы держатся вместе и не разваливаются. Они же все время двигаются, как человек на тренировке. Когда быстрее, когда медленнее. Все зависит от окружающих их условий. Например, если попробовать раскрутить карусель и удержаться на ней, то вероятнее всего вы улетите с нее куда-нибудь в сторону. У вас не хватит сил удержаться. А между тем, вы двигались с очень маленькой скорость по сравнений со скоростями движения атомов. Так почему это так? Во-первых атом - часть микромира. Мы его не можем увидеть. А в микромире, как отмечалось выше, действуют совсем другие законы. Хотя они чем то похожи на законы, например в той же физике.

Атом - сложная система. В ней все организовано по феншую. Нет ни одной части атома, которая бы валялась непонятно где. Если бы такое было в нашем мире был бы еще тот хаос. О нем можно разговаривать очень долго. Но перейдем к атомному строению.

Представьте солнечную систему. В середине нее, как все знают, находится Солнце - звезда. Вокруг, удерживаемые огромной силой притяжения, летают планеты. Как и в биологии главную часть клетки назвали ядром, так поступим и мы. Назовем так же наше Солнце. А летающие вокруг планеты назовем электронами. Вот так сильно упрощенно выглядит устройство атома. В центре всех окружностей лежит ядро. Оно удерживает все вокруг себя, чтобы от атома ничего не улетело просто так.

Когда то было мнение что атом не делим. Но оно оказалось неверным, поскольку атом не простой шарик, из которого все состоит как из пенопласта. В нем есть три типа частиц. Представляйте их в виде планет. В атоме есть такие частицы - протоны, нейтроны и электроны. Протоны несут положительный заряд. Нейтроны - нулевой. А электроны - отрицательный. Все эти частицы химики назвали субатомными частицами. Но для протонов и нейтронов создали отдельную группу - нуклоны. Положительный заряд решили обозначать знаком +, нулевой - нулем 0, а отрицательный - минусом.

Запомнить это надо
* Атом - то из чего состоят все вещества.
* В атоме есть три типа частиц: электроны, нейтроны и протоны.

Как, что и куда двигается

Атом - живая природная машина, работающая по определенным законам. В ней, как говорилось выше, все движется. Но как все движется внутри атома долгое время оставалось неизвестным для всего человечества. Тот же Аристотель даже не мог и предположить, ему даже не приходила в голову такая идея, как то, что то из чего состоят молекулы еще из чего то построено. А тем более было трудно понять куда все движется внутри атома. Но когда появилась современная техника, начала развиваться быстрыми темпами химия, ученые начали различать его составляющие. Не сразу появились гипотезы о его строении, но и не сразу они были доказаны. Например, когда то выдвинули планетарную модель атома. В ней его строение было похоже на строение Солнечной системы.

Все двигалось по так называемым орбитам - уровням. Кратко говоря это простые толстые эллипсы, очень похожие на окружности. Прям как в нашей Солнечной системе. Электроны, которые несутся по этим орбитам с них не вылетают. Они движутся по кругу как большинство планет. На уровнях ничего не заканчивается. Они подразделяются еще на орбиты - подуровни. На рисунке они отмечены одним и тем же оттенком зеленого. Именно по ним «плывут» электроны.

Светло голубой эллипс - это целый уровень, а темные круги - это подуровни. Их количество может быть абсолютно любым в зависимости от уровня. На первом уровне подуровней 1, втором - 2, на третьем - 3 и так далее. Важно понимать, что подуровней столько же, какой и по счету уровень. Их число не случайно - так задумала природа. Все выше описанное можно представить как большую квартиру, в которой живут жители электроны и множество комнат количество которых определяется номером этажа. Однако, в каждой комнате есть диваны, стулья и многое другое. То есть то на чем сидят электроны. Говоря научно, подуровни не последнее звено в подразделении уровней. Они состоят еще из орбиталей. То есть частей пространства, в которых сам электрон и летает. Можно с уверенностью сказать, что орбиталь - часть пространства, в которой нахождение электрона наиболее вероятно (вероятность выше 90%).

Причем существует несколько форм таких областей, в которых находится электрон. Некоторые имеют форму шара, другие выглядят как объемная восьмерка повернутая на 90° или как знак бесконечности. Первые называются p орбиталями, вторые - s орбиталями.

За пределы орбиталей тем более ничего не улетает, не говоря уже об уровнях и подуровнях. Электроны носятся внутри них по всему пространству. Но определить положение электрона невозможно даже в таком случае, где область его нахождения слишком мала. Почему же так? Дело в том, что они движутся с огромной скоростью и наши приборы не успевают зафиксировать их положение. Пока машина поймет где электрон находится, он уже 1000 раз сменит свое место положения.

Свечение в атоме

Все что Вы видите в вашей жизни и есть свечение. Светятся металлы, когда их сильно нагревают, лампы и многое другое. Человек издавна интересовался этим явлением. Но долгие годы никто не мог понять почему именно таким цветом светится тот или иной предмет. Эта загадка ждала решения многие века и тысячелетия. Но все таки нашлись ученые, которые смогли объяснить природу этого явления. Сначала выяснилось, что свет это не просто непрерывный луч, который испускает объект, а это группы частиц, улетающие от тела. Они уходят от него через некоторые промежутки времени. Одни улетают, другие тело присваивает себе. Те которые отлетели от объекта, например, нагретого металла, мы видим с помощью глаз. Присваивание частиц телом называют поглощением света. Но что же происходит внутри атома когда он испускает свет?

Оказывается, свет несет энергию, которую хватают электроны, у которых этой энергии мало. Получим свою долю они прыгают на более высокий от ядра подуровень и там летят некоторое время. Когда же энергия кончается, с помощью которой электрон, как ракета летел высоко, над ядром, он падает туда откуда стал взлетать. То есть на подуровень, на котором он находился изначально. Важно еще и то что то как будет испускаться свет зависит от изначального положения электрона. Говоря подробнее, следует сказать, что электроны, находящиеся на s подуровнях испускают тонкие линии света. Которые же располагаются на подуровне p светятся очень ярко; с электронов на следующем подуровне получаются размытые полоски света.

Вспомните, все собранные эти полосы света называются линейчатым спектром испускания.