Д.Г. Кнорре, Л.Ф. Крылова, В.С. Музыкантов - Физическая химия (1134491), страница 5
Текст из файла (страница 5)
Объединение атомов в более сложные частицы — молекулы, ионы, свободные радикалы — происходит в результате взаимодействия ядер и электронов, образующих атом. Любые химические превращения — это превращения молекул и других сложных частиц, заключающиеся в перераспределении ядер и электронов. Поэтому химические системы можно определить как системы, состоящие из взаимодействующих ядер н электронов. Ядра являются сложными частицами; они образованы из более простых частиц — протонов и нейтронов. Поэтому сами ядра могут претерпевать различные превращения, например радиоактивный распад. Однако прн рассмотрении химических систем атомные ядра принято считать неизменными. Исследование превращений ядер выходит за рамки химии и является предметом другой области науки — ядерной физики.
В то же время число 21 составляющая скорости вдоль двух других координатных осей), то трехмерное распределение по скоростям получится перемножением=вероятностей для движения вдоль каждой нз координатных осей.:,Вероятность найти частицу, у которой компоненты вектора находятся в интервалах о., п~+ бпы од, од + Йод, пм э„+ йо,„запишется так: бтэ=дэ„бта„дя,= =(т12лкТ)'~ ехр~ — — (У„+и„'+Помбо„бо бп Любой вектор скорости можно представить в виде отрезка соответствующей длины в некоторой системе координат, отложенного от начала координат.
Частицам, имеющим одинаковую по модулю скорость и тем самым одинаковую кинетическую энергию, будут соответствовать векторы, концы которых находятся на сфере радиуса о, т. е. сферы с поверхностью 4яп'. Частица будет обладать скоростью в интервале значений о, и+до, если конец ее вектора скорости будет находиться в сферическом слое толщиной до, т. е. в объеме 4по'йо. Это позволяет записать распределение Максвелла в виде, дающем вероятность найти частицу, имеющую скорость в интервале о, п+йш протонов и нейтронов, принимающих участие в формировании атомного ядра, определяет важнейшие для химических процессов характеристики ядра, такие, как масса, электрический заряд, устойчивость.
Поэтому в химии в качестве элементарных частиц принято рассматривать электроны, протоны н нейтроны. $2Л. Эпементариые частицы, сестаапяющме атем Рассмотрим основные свойства образующих атом частиц— электронов, протонов и нейтронов. Протоны и нейтроны (ауклоиы) образуют атомное ядро. Масса одного протона составляет 1,673.10 т' г. Нейтрон близок по массе протону. Электрон приблизительно в 1820 раз легче протона (нейтрона), масса электрона 9,108.10 та г. Таким образом, основная масса атома сосредоточена в атомном ядре.
Поскольку оперировать со столь малыми величинами масс не всегда удобно, массы атомных ядер, атомов, молекул чаще всего выражают не в граммах, а в специальных атомных единицах массы (а. е. и.). За атомную единицу массы принята углеродная единица, т. е. Ч~т массы атома основного изотопа углерода, ядро которого образовано из шести протонов и шести нейтронов; 1 а. е.м.= 1,66057 10 " кг. Протон и электрон обладают электрическим зарядом. Протон заряжен положительно„электрон — отрицательно. Абсолютная величина заряда одинакова н равна 1,60219 10-" Кл, Этот наименьший нз обнаруженных в природе зарядов называют элементарным зарядом.
Нейтрон не заряжен. При распаде некоторых атомных ядер наблюдается испускание частицы, равной по массе и абсолютной величине заряда электрону, но положительно заряженной. Такая частица называется лозптроном. Сам по себе позитрон устойчив, т. е. никаких превращений не претерпевает. Однако при встрече его с электроном происходит аннигиляция †о частицы исчезают и вместо ннх рождаются кванты электромагнитного излучения.
Кроме массы и заряда элементарные частицы, как уже указывалось в $11, обладают внутренним моментом импульса — сливом. Спин перечисленных элементарных частиц, характеризуется полуцелым квантовым числом 5=Ъ В соответствии с (1.16) н (1.17) (2.1) а его проекция на некоторую ось Ог может принимать два значения: 8, =+ — Ь. 1 (2.2) Таблица 1. Свойства еленентарных настнц, состаелненцнх атон — 1 +1 0 1/2 1/2 1/2 Электрон Протон Нейтрон 0,0005486 1,00762 1,00667 Спин, наряду с массой и зарядом, служит основной характеристикой элементарных частиц.
Спин нейтронов и протонов и возникающий в результате их суммирования спин атомных ядер не оказывают большого влияния на химические свойства атомов и молекул, однако спин электрона имеет важное значение в химии. Основные характеристики элементарных частиц, составляющих атом, приведены в табл. 1.
$2.2. Атомное ядро. Изотопы Все атомные ядра, кроме ядер атома водорода, содержат целое число протонов, большее единицы. Между ними должны действовать огромные силы отталкивания. Размер ядра — порядка 10 " м. Потенциал, создаваемый одним протоном на расстоянии 10"'а м, составляет около 1 400000 В, а сила отталкивания между двумя протонами на таком расстоянии равна 230 Н (ньютонов). Тем не менее ядра, содержащие число протонов и нейтронов большее единицы, существуют за счет особых ядерных сил притяжения, действующих между нуклонамн на очень малых расстояниях и значительно превосходящих силы электростатического отталкивания.
Важнейшая характеристика атомного ядра — число протонов (заряд ядра). В целом атом нейтрален, так как число протонов в ядре равно числу электронов в атоме. Число протонов или число электронов в атоме называется атомным номером, который совпадает с порядковым номером элемента в периодической системе элементов Д.
И. Менделеева. Совокупность атомов с одинаковым Число ве (см. формулу (1.17)1 в этом случае также является полу- целым, но разность между соседними значениями л, остается целым числом. В квантовой механике величину й часто используют в качестве единицы измерения момента импульса. В этих едини« цах максимальное значение проекции спина электрона, протона и нейтрона 1/л. В дальнейшем, как это обычно делают, будем считать спин этих элементарных частиц равным '/е. атомным номером называется элементом. В природе найдены элементы с атомными номерами от 1 до 92.
После создания ядерных реакторов и сверхмощных ускорителей ученые научились получать новые элементы, не существующие на Земле. Были получены элементы с атомными номерами более 105. Вторая основная характеристика атома — массовое число, равное сумме чисел протонов н нейтронов в ядре. Массовое число близко по величине к массе атома, выраженной в атомных единицах. Это получается в результате компенсирующего влияния двух факторов. С одной стороны, массы нуклонов (а. е. м.), как видно из табл. 1, несколько превышают единицу (на величину порядка 0,008). С другой стороны, происходит примерно такое же уменьшение массы в расчете на один нуклон при слиянии нейтронов и протонов в атомное ядро.
Это уменьшение, известное как дефект массы, в соответствии с законом об эквивалентности массы и энергии (1.23) определяет энергию связи атомного ядра, т. е. энергию, которую необходимо затратить для полного расщепления ядра на составляющие его протоны и нейтроны. Например, энергия связи ядра гелия составляет 28,2 МэВ (28,2 млн. электрон- вольт или мегаэлектрон-вольт).
В соответствии с уравнением (1.23) дефект массы при образовании ядра гелия составляет Ьт= ' ' =5,026 10 м кг=0,0303 а.е. м., 28,2. 1оз. 1,602-1Π— м зт щм т. е. около 0,0075 а. е. м. в расчете на один нуклон. Ядра могут содержать разное число нейтронов при одинаковом числе протонов.
Атомы, построенные из таких ядер, имеют одинаковые электронные оболочки и поэтому близки по своему химическому поведению. Они называются изотопами. Так, существуют три изотопа водорода — с массовыми числами 1, 2, 3. Их ядра, кроме одного протона, содержат соответственно О, 1, 2 нейтрона. Чтобы различать изотопы прн написании, слева от символа элемента, обозначающего любой изотоп, ставят верхний индекс— массовое число. Лишь изотопы водорода получили специальные наименования и символы, и поэтому для них можно применять два обозначения: 'Н(Н) зН():)) 'Н(Т) прдунф демериз ~рддр Практически каждый элемент представляет собой несколько изотопов.
Число известных в настоящее время различных ядер составляет более полутора тысяч: около 340 природных, остальные получены искусственным путем с помощью ядерных реакций. Важной характеристикой изотопа служит атомная масса изотопа, которая представляет собой массу атома, выраженную в атомных единицах массы. В химических реакциях сохраняется число атомов каждого элемента, более того, каждого изотопа, присутствующего в данной системе. Поэтому число атомов того или иного элемента представляет собой важную характеристику системы, в которой происходит тот или иной химический процесс. Однако реально химики имеют дело с системами, содержащими очень большое число атомов. Поэтому более удобна величина, пропорциональная числу атомов, а именно число молей. Для элемента, представленного одним изотопом, 1 моль есть такое его количество, масса которого (в г) численно равна атомной массе изотопа. 1 моль содержит — 6,022.
10тз атомов. 1 а. е. и 1,66067.10 Таблица 2. Изотопнвэ состае осноенвк бногеннвк рлементое Содержа- ние, те Содержа- иие, 1е Элеиеит Изотоп Элемент Изотоп Водород ззС "С згр Н 0 мм ! з14 зегз мо ззгз 99,984 0,015 99,6 0,4 99,76 0,04 0,2 Углерод Фосфор 98,9 1„1 100 Азот Кислород зз8 ззз зей мз Сера 95,0 0,74 4,24 0,017 Характер взаимодействия между частицами внутри ядра не позволяет образоваться ядрам с любым количеством нейтронов и протонов. Устойчивые ядра состоят из определенных комбинаций протонов и нейтронов.
Для устойчивых ядер легких элементов число протонов и нейтронов приблизительно одинаково. Например, устойчивые изотопы углерода "С и "С содержат 6 протонов и 6 или 7 нейтронов, устойчивые изотопы азота 'е11 и за)т'— 7 протонов и 7 или 8 нейтронов, а устойчивые изотопы кислорода 'зО, "О, 'еΠ— 8 протонов и соответственно 8, 9, 10 нейтронов. По мере увеличения атомного номера оптимальное отношение числа нейтронов к числу протонов возрастает, достигая у тяжелых элементов величины 1,5.
Изотопы с устойчивыми ядрами называют стабильными иэотопами. Они имеются у всех элементов с атомными номерами от 1-го (водород) до 83-го (висмут), эа исключением 43-го (технеция) и 61-го (прометия). Часто, особенно Эта величина, имеющая размерность 1/моль, называется постоянной Авогадро н обозначается /Ул. Моль является основной единицей количества вещества в химии и определяется как количество вещества, содержащее Агл частиц (атомов, молекул, ионов и т.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
