Состав ядра атома. Изотопы. Энергия связи ядра атома. Цепная ядерная реакция, условия ее осуществления. Термоядерные реакции
В 1932 г. английский физик Джеймс Чедвик открыл частицы с нулевым электрическим зарядом и единичной массой. Эти частицы назвали нейтронами. Обозначается нейтрон п. После открытия нейтрона физики Д. Д. Иваненко и Вернер Гейзенберг в 1932 г. выдвинули протонно-нейтронную модель атомного ядра. Согласно этой модели ядро атома любого вещества состоит из протонов и нейтронов. (Общее название протонов и нейтронов — нуклоны.) Число протонов равно заряду ядра и совпадает с номером элемента в таблице Менделеева. Сумма числа протонов и нейтронов равна массовому числу. Например, ядро атома кислорода 168O состоит из 8 протонов и 16 – 8 = 8 нейтронов. Ядро атома 23592U состоит из 92 протонов и 235 – 92 = 143 нейтронов.
Химические вещества, занимающие одно и то же место в таблице Менделеева, но имеющие разную атомную массу, называются изотопами. Ядра изото-пов отличаются числом нейтронов. Например, водород имеет три изотопа: протий — ядро состоит из одного протона, дейтерий — ядро состоит из одного протона и одного нейтрона, тритий — ядро состоит из одного протона и двух нейтронов.
между массой и энергией существует связь Е = mc2, то при делении тяжелых ядер и при синтезе легких ядер должна выделяться энергия, существующая из-за дефекта масс, и эта энергия называется энергией связи атомного ядра. Есв = Мс2.
Выделение этой энергии может происходить при ядерных реакциях.
Ядерная реакция — это процесс изменения заряда ядра и его массы, происходящий при взаимодействии ядра с другими ядрами или элементарными частицами. При протекании ядерных реакций выполняются законы сохранения электрических зарядов и массовых чисел: сумма зарядов (массовых чисел) ядер и частиц, вступающих в ядерную реакцию, равна сумме зарядов (массовых чисел) конечных продуктов (ядер и частиц) реакции.
Цепная реакция деления — это ядерная реакция, в которой частицы, вызывающие реакцию, образуются как продукты этой реакции. Неуправляемая ядерная реакция применяется в атомных бомбах. Впервые решил задачу об управлении цепной реакцией деления ядер физик Энрико Ферми. Им был изобретен ядерный реактор в 1942 г. У нас в стране реактор был запущен в 1946 г. под руководством И. В. Курчатова.
Термоядерные реакции — это реакции синтеза легких ядер, происходящие при высокой температуре (примерно 107 К и выше). Необходимые условия для синтеза ядер гелия из протонов имеются в недрах звезд. На Земле термоядерная реакция осуществлена только при экспериментальных взрывах, хотя ведутся международные исследования по управлению этой реакцией.
Состав ядра: протоны и нейтроны, изотопы: Ядро атома состоит из нуклонов: протонов и нейтронов. Общее число нуклонов в ядре называют массовым числом А. Число протонов в ядре равно порядковому номеру в системе элементов Менделеева Z (числу протонов в ядре или числу электронов в атоме), число нейтронов N = A – Z. Ядро обозначают символом
. Ядра имеют несколько изотопов, которые характеризуются одним и тем же порядковым номером Z, но различными А и N. Например, ядро
– дейтрон (d), атом этого изотопа называют дейтерий.Ядро
– тритон (t), атом тритий.
Основные характеристики ядер:
Масса ядра измеряется в атомных единицах массы (а.е.м). За одну атомную единицу массы принимается 1/12 часть массы нейтрального атома углерода 12 С:
1а.е.м = 1.6606 10-27 кг.
А.е.м. выражается через энергетические единицы:
1а.е.м = 1.510-3эрг = 1.510-10дж = 931.49 МэВ
Радиус ядра R связан с массовым числом A соотношением:
R = r0A1/3 где параметр r0 1.3 Фм.
Энергия связи ядра Eсв(A,Z) это энергия, необходимая, чтобы развалить ядро на отдельные, составляющие его нуклоны. Энергия связи определяется соотношением:
Есв(A, Z) = Z mp + (A – Z)mn – M(A, Z) c2
Удельная энергия связи ядра (A, Z) это энергия связи, приходящаяся на один нуклон:
(A, Z) = Eсв(A,Z) / A,
Избыток масс (дефект масс) связан с массой атома Mат(A,Z) и массовым числом A соотношением:
= Мат(A,Z) – А
Спин ядра J это векторная сумма спинов и орбитальных моментов составляющих ядро нуклонов:
Четность ядра P определяется орбитальными моментами составляющих его нуклонов:
Силы, удерживающие нуклоны в ядре, называют ядерными, которые являются проявлением одного из самых интенсивных, известных в физике взаимодействий – сильного (ядерного). Они превосходят электромагнитные взаимодействия~ в 1000 раз. Свойства ядерных сил:
1. Ядерные взаимодействия – самые сильные в природе. Например, энергия связи дейтрона ~ 2,23 МэВ; энергия связи атома водорода ~ 13,6 эВ.
2. Радиус действия ядерных сил конечен ~10-15м.
3. Ядерные силы не имеют центральной симметрии. Эта особенность ядерных сил проявляется в их зависимости от спинов нуклонов.
4. Взаимодействие между нуклонами имеет обменный характер. В опытах по рассеянию нейтронов на протонах регистрируются случаи “отрыва” от протонов их электрических зарядов и присоединения зарядов к нейтронам, в результате чего нейтрон превращается в протон.
5. Ядерные силы обладают изотопической инвариантностью, которая проявляется в одинаковости сил взаимодействия нуклонов в системах нейтрон – нейтрон, протон – нейтрон, протон – протон при одном и том же со- стоянии относительного движения частиц в этих парах.
6. На расстояниях ~10-15м ядерные силы являются силами притяжения. На меньших расстояниях – силами отталкивания, что было обнаружено в опытах по рассеянию протонов на протонах при энергиях выше 400 МэВ.
7. Ядерные силы обладают свойством насыщения, проявляющееся в независимости удельной энергии связи атомных ядер от их массового числа А.
8. Ядерные силы зависят от скорости относительного движения нуклонов. Например, при столкновениях нуклонов при увеличении энергии от 500 МэВ до 1 ГэВ сечение рассеяние нейтрона на протоне уменьшается на порядок.
Таким образом, характер ядерных сил свидетельствует о сложной структуре нуклонов.
Атом состоит из ядра и электронов. Ядро состоит из протонов и нейтронов. Протон (p) имеет массу 1,67×10-27кг, заряд равен +1,6×10-19Кл, нейтрон (n) имеет такую же массу, как и протон, но не имеет заряда. Протоны и нейтроны называются нуклонами. Электрон (ē) имеет массу 9,11·10-31кг, а заряд по величине такой же, как у протона, только отрицательный. Положительный заряд ядра атома уравновешивается таким же числом электронов, т.е. атом образование нейтральное. Размеры ядра 10-12 см, размеры атома 10-8 см.
Изотопы – это атомы, у которых в ядре одинаковое число протонов, но разное число нейтронов. Они будут отличаться по массе, т.к. вся масса атома сосредоточена в ядре. Электроны по сравнению с протонами невесомы.
Планетарная модель строения атома Резерфорда (1911 г).
В центре атома находится ядро, а электроны вращаются вокруг ядра, подобно тому, как планеты вращаются вокруг солнца. Устойчивость атома по модели Резерфорда объяснил Н. Бор в 1913 году в своих знаменитых постулатах:
1. в атоме есть такие состояния, находясь в которых электрон не излучает и не поглощает энергию. Эти состояния он назвал стационарными;
2. излучение или поглощение энергии происходит тогда, когда электрон переходит из одного стационарного состояния в другое.
Двойственная природа электрона.
В 1924 году де Бройль предположил, что электрон обладает, кроме корпускулярных, еще и волновыми свойствами. В 1927 году опытами Девиссона и Джермера это было доказано экспериментально.
Длину волны электрона можно рассчитать по уравнению де Бройля
λ = h/mv, где h – постоянная Планка, h = 6,62ּ10-34 Дж с, m – масса электрона, v – скорость электрона. Длина волны электрона соизмерима с размерами атома, поэтому электронные волны размывают атом и оказывают значительное влияние на свойства атома. Поведение электрона в атоме описывается квантовой механикой с помощью волновой функции, которая является функцией четырех квантовых чисел Ψ = f (n, ℓ, m, s)
Получены при решении уравнения Шредингера (основное уравнение квантовой механики, описывающее поведение микрочастиц) для электрона атома водорода в 1927 году.
Главное квантовое число – n. Оно принимает значения: 1, 2, 3 и т.д. до бесконечности. Характеризует энергию электрона в атоме и удаленность от ядра. Так если:
n = 1 – первый электронный слой, Е = -13,6 эВ;
n = 2 – второй электронный слой, E = – 3,5 эВ;
n = 3 – третий электронный слой, E = – 1,5 эВ и т.д.
Энергию рассчитываем по формуле: E = – 13,6/n2 эВ (1эВ – это энергия, которую приобретает электрон, проходя разность потенциалов в 1 Вольт)
1эВ = 1,6∙10-19 Дж
Орбитальное квантовое число -ℓ. Оно принимает все целочисленные значения: 0, 1, 2, и т.д. до (n – 1). Характеризует энергию подуровня и форму орбитали.
ℓ = 0 – s-подуровень, форма орбитали сферическая.
ℓ = 1 – p-подуровень, форма орбитали гантелеобразная.
ℓ = 2 – d-подуровень, форма орбитали четырехлепестковая.
ℓ = 3 – f-подуровень, форма орбитали восьмилепестковая и т.д.
Магнитное квантовое число – m. Оно принимает все положительные и отрицательные целочисленные значения в пределах орбитального квантового числа и ноль.
m = = +ℓ, 0, -ℓ.
Магнитное квантовое число характеризует ориентацию электронного облака в пространстве и, как следствие, энергию орбитали в магнитном и электрическом полях:
ℓ = 0, m = 0, одна ориентация – одна s-орбиталь,
ℓ = 1, m =1, 0, -1, три ориентации – три p-орбитали,
ℓ = 2, m = +2, +1, 0, -1,-2, пять ориентаций – пять d-орбиталей,
ℓ = 3, m =+3, +2, +3, 0, –1, -2, -3, семь ориентаций – семь f-орбиталей.
Спиновое квантовое число – s. Принимает два значения +1/2 и –1/2. Характеризует направление собственного вращения электрона.
160.
Каков состав ядер изотопов 16O
и 17O,
3He
и 4He?
161.
Химический элемент состоит из двух
изотопов. Ядро первого изотопа содержит
10 протонов и 10 нейтронов. В ядре второго
изотопа нейтронов на 2 больше. На 9 атомов
более легкого изотопа приходится один
атом более тяжелого изотопа. Вычислите
среднюю атомную массу элемента.
162.
Изотоп бериллия 9Be,
поглощая одну -частицу
и испуская нейтрон, превращается в
изотоп другого элемента. Какой элемент
образуется? Напишите уравнение ядерной
реакции.
163.
Атомы урана 238U
испускают -частицы.
Получающиеся при этом атомы другого
элемента испускают -частицы,
при этом образуются атомы нового
элемента, испускающие -частицы.
Определите, изотоп какого элемента
образуется в результате этих трех
последовательных превращений.
164.
Первой в истории искусственной ядерной
реакцией была реакция изотопа 14N
с -частицами,
получаемыми при распаде 210Po.
В результате ядерной реакции азот
превратился в изотоп кислорода 17O.
Напишите уравнения происходящих ядерных
превращений.
165.
Элемент медь имеет относительную атомную
массу 63,55 и содержит атомы с массовыми
числами 63 и 65. Вычислите по этим данным
процентный состав природного образца
меди, содержащего указанные изотопы.
166.
Приведите пример использования изотопов
для выяснения механизма органической
реакции или решения проблемы, имеющей
значение для медицины и технологии.
167.
Изотоп 137Cs
имеет период полураспада 29,7 лет. 1 г
этого изотопа прореагировал со взрывом
с избытком воды. Каков период полураспада
цезия в образовавшемся соединении?
Ответ обоснуйте.
168.
Через сколько лет количество радиоактивного
стронция-90 (период полураспада — 27
лет), выпавшего с радиоактивными осадками
в результате ядерного взрыва, станет
менее 1,5% от того количества, которое
было обнаружено в момент после ядерного
взрыва ?
169.
В методе меченых атомов радиоактивные
изотопы используют для того, чтобы
проследить “маршрут” некоторого
элемента в организме. Так, пациенту с
больной поджелудочной железой вводят
препарат радиоактивного изотопа иода-131
(претерпевает -распад),
что позволяет врачу проследить за
прохождением иода по организму больного.
Напишите уравнение радиоактивного
распада и рассчитайте, через какое время
количество радиоактивного иода,
введенного в организм, уменьшится в 10
раз (период полураспада
= 8 суток)?
170.
Сколько времени потребуется, чтобы три
четверти никеля превратились в медь по
реакции
если период полураспада изотопа
составляет 120 лет?
171.
Как известно, радиоактивный изотоп
углерода 14C
широко используется для определения
возраста предметов, образованных
веществами органического происхождения
(метод геохронологии,
за разработку которого американский
физико-химик У. Либби удостоен Нобелевской
премии). Приведите уравнения радиоактивных
превращений, позволяющих определить
возраст предметов, в состав которых
входит углерод.
172.
Для определения возраста предметов
органического происхождения в методе
геохронологии измеряют активность
-излучения
(число распадов в минуту) в расчете на
1 г содержащегося в нем углерода. Период
полураспада изотопа
равен 5730 лет. Установлено, что образцы
каменного угля из Кемеровской области
имеют -активность
7,5 распадов/мин в расчете на 1 г углерода.
Известно, что живая ткань, находящаяся
в контакте с атмосферой, имеет активность
15,3 распадов/мин в расчете на 1 г углерода.
По этим данным вычислите возраст залежей
угля.
173.
Источником солнечной энергии служит
следующая последовательность реакций
ядерного синтеза:
1H
+ 1H
2H
+ +
+
2H
+ 1H
3He
+
3He
+ 3He
4He
+ 21H
где
+
означает позитрон (антиэлектрон),
— нейтрино,
— гамма-излучение. Напишите суммарное
уравнение процесса “горения”
водорода на Солнце. Рассчитайте, какая
масса (в а.е.м.) теряется при образовании
одного ядра атома гелия в этом процессе.
Используя формулу Эйнштейна E
= mc2,
найдите, сколько энергии выделяется в
данном процессе ядерного синтеза из 1
г водорода. Во сколько раз эта энергия
больше, чем энергия, выделяющаяся при
сгорании 1 г водорода в атмосфере
кислорода? При расчетах используйте
следующие данные: m(1H)
= 1,00727, m(+)
= 0,0005486, m(4He)
= 4,00273 (массы выражены в а.е.м.), теплота
образования жидкой воды 286 кДж/моль.
Нуклоны – это частицы, входящие в состав атомного ядра. Атомное ядро любого химического элемента состоит из протонов и нейтронов.
Массовое число ($A$) –количество протонов и нейтронов (нуклонов) в ядре атома. Массовое число равно округленному до целого значению массы атомного ядра в а.е.м.
Массовое число равно сумме количества протонов и нейтронов в ядре $A=Z+N$, где – количество нейтронов в ядре.
Зарядовое число ($Z$) –количество протонов в ядре. Зарядовое число равно сумме зарядов протонов, входящих в состав ядра, выраженной в элементарных электрических зарядах. Элементарный электрический заряд равен заряду электрона. Зарядовое число равно порядковому номеру химического элемента в периодической таблице Менделеева.
Измерения массы атомов показали, что практически все химические элементы имеют изотопы. Изотопы – это атомы одного и того же химического элемента, имеющие одинаковое количество протонов, но отличающиеся количеством нейтронов в ядре.
Решение заданий Открытого банка заданий ФИПИ
1. На рисунке представлен фрагмент Периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева.
Используя таблицу, из предложенного перечня выберите два верных утверждения. Укажите их номера.
1) Ядро кислорода с массовым числом 17 содержит 8 нейтронов.
2) Ядро кислорода с массовым числом 17 содержит 9 протонов.
3) При ионизации атома заряд ядра не меняется.
4) Нейтральный атом фтора содержит 9 электронов.
5) Ядро лития с массовым числом 7 содержит 7 нейтронов.
Нажмите, чтобы увидеть решение
Утверждение 1 — неверно. Порядковый номер кислорода в ПСХЭ Д.И Менделеева — 8, значит ядро кислорода содержит 8 протонов ($Z=8$). Массовое число изотопа — 17 ($A=17$). Количество нейтронов $N=17-8=9$.
Утверждение 2 — неверно. См. предыдущий пункт.
Утверждение 3 — верно. При ионизации состав атомного ядра не меняется, а изменяется количество электронов.
Утверждение 4 — верно. Порядковый номер фтора в ПСХЭ Д.И. Менделеева 9, значит ядро атома фтора содержит 9 протонов. Это означает, что нейтральный атом фтора содержит 9 электронов.
Утверждение 5 — неверно. Массовое число лития равно 7 — это означает что общее количество протонов и нейтронов равно 7.
2. На рисунке представлен фрагмент Периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева.
Используя таблицу, выберите из предложенного перечня два верных утверждения. Укажите их номера.
1) Ядро бериллия с массовым числом 10 содержит 10 нейтронов.
2) Ядро бора с массовым числом 10 содержит 6 протонов.
3) При ионизации атома заряд ядра увеличивается.
4) Нейтральный атом азота содержит 7 электронов.
5) Ядро лития содержит 3 протона.
Утверждение 1 — неверно. Порядковый номер бериллия в ПСХЭ Д.И. Менделеева 4, значит ядро атома бериллия содержит 4 протона. Количество нейтронов: 10-4=6.
Утверждение 2 — неверно. Порядковый номер бора в ПСХЭ Д.И. Менделеева 5, значит ядро атома бора содержит 5 протонов.
Утверждение 3 — неверно. При ионизации состав атомного ядра не меняется, а изменяется количество электронов.
Утверждение 4 — верно. Порядковый номер азота в ПСХЭ Д.И. Менделеева 7, значит ядро атома азота содержит 7 протонов. Это означает, что нейтральный атом азота содержит 7 электронов.
Утверждение 5 — верно. Порядковый номер лития в ПСХЭ Д.И. Менделеева 3, значит ядро атома лития содержит 3 протона.
3. На рисунке представлен фрагмент Периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева.
Используя данные рисунка, из предложенного перечня утверждений выберите два правильных. Укажите их номера.
1) Радиоактивный распад ядра свинца-187 в ядро ртути-183 сопровождается испусканием альфа-частицы.
2) Радиоактивный распад ядра свинца-212 в ядро висмута-212 сопровождается испусканием протона.
3) Ядро висмута содержит 83 протона.
4) Ядро ртути содержит 80 нейтронов.
5) Ядро золота содержит 197 нейтронов.
Утверждение 1 — верно. При альфа-распаде массовое число уменьшается на 4 (187-183=4), а зарядовое число уменьшается на 2 (82-80=2).
Утверждение 2 — неверно. В случае испускания протона массовое число должно уменьшится на 1. Однако свинец и висмут имеют одинаковую массу ($A=212$).
Утверждение 3 — верно. Порядковый номер висмута в ПСХЭ Д.И. Менделеева 83, значит ядро атома висмута содержит 83 протона.
Утверждение 4 — неверно. Порядковый номер ртути в ПСХЭ Д.И. Менделеева 80, значит ядро атома ртути содержит 80 протонов. Массое число ртути — 201. Количество нейтронов: 201-80=121.
Утверждение 5 — неверно. Массовое число золота равно 197 — это означает что общее количество протонов и нейтронов равно 197.
4. На рисунке представлен фрагмент Периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева.
Используя таблицу, из предложенного перечня выберите два верных утверждения. Укажите их номера.
1) В результате бета-распада ядра висмута образуется ядро свинца.
2) В результате альфа-распада ядра полония образуется ядро висмута.
3) Ядро ртути-200 содержит 120 нейтронов.
4) Нейтральный атом свинца содержит 207 электронов.
5) При захвате ядром золота нейтрона зарядовое число ядра не изменится.
Утверждение 1 — неверно. В результате бета-распада зарядовое число увеличивается на 1, т.е. из ядра висмута должно получиться ядро полония.
Утверждение 2 — неверно. В результате альфа-распада зарядовое число уменьшается на 2 единицы, т.е. в результате альфа-распада полония должен получиться свинец.
Утверждение 3 — неверно. Порядковый номер ртути в ПСХЭ Д.И. Менделеева 80, значит ядро атома ртути содержит 80 протонов. Массое число ртути — 200. Количество нейтронов: 200-80=120.
Утверждение 4 — неверно. Порядковый номер свинца в ПСХЭ Д.И. Менделеева 82, значит ядро атома азота содержит 82 протона. Это означает, что нейтральный атом азота содержит 82 электрона.
Утверждение 5 — верно. Нейтрон — нейтральная частица, поэтому при захвате ядром нейтрона заряд едря (и его зарядовое число соответственно) не меняется.
5. Используя фрагмент Периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева, представленный на рисунке, определите, сколько нейтронов содержит ядро кислорода с массовым числом 17.
6. Используя фрагмент Периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева, представленный на рисунке, определите, сколько нейтронов содержит ядро бора с массовым числом 11.
Порядковый номер бора в ПСХЭ Д.И Менделеева — 5, значит ядро бора содержит 5 протонов ($Z=5$). Массовое число изотопа — 11 ($A=11$). Количество нейтронов $N=11-5=6$.
7. Используя фрагмент Периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева, представленный на рисунке, определите, сколько протонов содержит ядро кислорода с массовым числом 16.
1) 26 протонов, 56 нейтронов
2) 26 протонов, 30 нейтронов
3) 26 нейтронов, 56 протонов
4) 26 нейтронов, 30 протонов
Ядро атома железа содержит 26 протонов ($Z=26$). Массовое число изотопа — 56 ($A=56$). Количество нейтронов $N=56-26=30$.
1) 108 нейтронов и 47 протонов
2) 61 нейтрон и 47 протонов
3) 47 нейтронов и 61 протон
4) 47 нейтронов и 108 протонов
Зарядовое число серебра — 47, значит ядро атома серебра содержит 47 протонов. Количество нейтронов $N=108-47=61$.
10. Используя фрагмент Периодической системы химических элементов, представленный на рисунке, определите состав ядра бериллия с массовым числом 10.
1) 5 протонов, 5 нейтронов
2) 9 протонов, 10 нейтронов
3) 4 протона, 5 нейтронов
4) 4 протона, 6 нейтронов
Порядковый номер бериллия в ПСХЭ Д.И Менделеева — 4, значит ядро бериллия содержит 4 протона ($Z=4$). Массовое число изотопа — 10 ($A=10$). Количество нейтронов $N=10-4=6$.
11. Используя фрагмент Периодической системы химических элементов, представленный на рисунке, определите состав ядра азота с массовым числом 15.
1) 7 протонов, 7 нейтронов
2) 7 протонов, 8 нейтронов
3) 15 протонов, 7 нейтронов
4) 14 протонов, 7 нейтронов
Порядковый номер азота в ПСХЭ Д.И Менделеева — 7, значит ядро азота содержит 7 протона ($Z=7$). Массовое число изотопа — 15 ($A=15$). Количество нейтронов $N=15-7=8$.
Зарядовое число кальция — 20, значит ядро атома кальция содержит 20 протонов.
Зарядовое число титана — 22, значит ядро атома кальция содержит 22 протона. Массовое число титана — 50. Количество нейтронов: 50-22=28.
Зарядовое число углерода — 6, значит ядро атома углерода содержит 6 протонов.
Зарядовое число полония — 84, значит ядро атома полония содержит 84 протона. Массовое число полония — 206. Количество нейтронов: 206-84=122.
Ответы
Молекулярный
кислород, будучи ковалентным соединением,
в воде растворяется плохо: в 100 объемах
Н2О при обычном давлении и. 0; 20; 100°С
растворяется 4,89; 3,16; 1,70 объемов 02
соответственно. Нo в неполярных жидкостях
он растворяется очень охотно, и простого
перемешивания таких жидкостей на воздухе
часто бывает достаточно, чтобы насытить
их кислородом воздуха.
,парамагнетизм
В молекуле кислорода О2 в образовании
химических связей принимают участие
по четыре 2р-электрона каждого атома;
всего, следовательно, на МО должны
перейти восемь электронов. Шесть из них
занимают три связывающие МО, а два
размещаются на разрыхляющих молекулярных
орбиталях πразр2p; здесь избыток числа
связывающих электронов над числом
разрыхляющих равен четырем, а кратность
связи – двум. Обе орбитали πразр2p
энергетически равноценны, и электроны
должны размещаться здесь в соответствии
с правилом Хунда, которое сохраняет
свою справедливость и в приложении к
молекулам. Поэтому каждая из орбиталей
πразр2p занимается одним электроном и
притом так, что спины этих электронов
имеют одинаковое направление. Из схемы
на рис. 5.7, б вытекает, что в молекуле О2
имеются два неспаренных электрона,
вследствие чего эта молекула парамагнитна
Нахождение в природе
Кислород — самый
распространённый на Земле элемент, на
его долю (в составе различных соединений,
главным образом силикатов) приходится
около 47,4 % массы твёрдой земной коры.
Морские и пресные воды содержат огромное
количество связанного кислорода — 88,8
% (по массе), в атмосфере содержание
свободного кислорода составляет 20,95 %
по объёму и 23,12 % по массе. Более 1500
соединений земной коры в своём составе
содержат кислород.
Кислород входит
в состав многих органических веществ
и присутствует во всех живых клетках.
По числу атомов в живых клетках он
составляет около 25 %, по массовой доле
— около 65 %.
Задачи на тему “Строение атома и Периодический закон”
1. Напишите электронные конфигурации следующих элементов: F, P, Mn, Xe, I, Bi.
2. Сколько неспаренных электронов содержат невозбужденные атомы B, S, As, Cr?
3. Какие элементы могут проявлять как металлические, так и неметаллические свойства? Приведите не менее трех примеров.
Решение
Ответ: Be, Al, Ge, Sb, Po. Эти элементы лежат на границе раздела металлов с неметаллами и, соответственно, проявляют свойства обеих сторон.
4. Как изменяются неметаллические свойства элементов в периодах Периодической системы? Приведите конкретные примеры соединений элементов, подтверждающие эти свойства.
Под неметаллическими свойствами обычно понимаю способность атомов принимать электроны, а под металлическими – отдавать электроны.
От лития (Li) к фтору (F), от натрия (Na) к хлору (Cl) электроотрицательность (способность атомов оттягивать к себе электроны других атомов) растет.
1) Na₂O – каждый из атомов натрия отдал по одному электрону атому кислорода.
2) MgO – один атом магния отдал два электрона атому кислорода.
3) Al₂O₃ – каждый из атомов алюминия отдал по три электрона атомам кислорода.
Таким образом, в составе оксидов изменение отношения молекул металлов к молекулам кислорода имеет вид (2:1), (1:1), (2:3) или (1:0.5), (1:1), (1:1.5). Отсюда вывод, что для перетягивания электронов у Al требуется большее число атомов кислорода, чем у Na.
Ответ: в периодах от меньшего номера к большему неметаллические свойства усиливаются, исключение составляют благородные газы, такие как He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn, представляющие при нормальных условиях одноатомные газы.
5. В атоме какого элемента – лития или цезия – связь валентного электрона с ядром сильнее? Объясните почему.
В химии валентными называют электроны, находящиеся на внешней (валентной) оболочке атома. У цезия электронов в разы больше лития, стало быть и атомный радиус у цезия намного больше, что говорит о большем расстоянии между ядром и валентными электронами.
Согласно закону Кулона – чем меньше расстояние, тем больше сила между заряженными частицами, следовательно, у лития связь сильнее.
6. Почему в рядах лантанидов и актинидов по 14 элементов?
Лантано́иды — семейство, состоящее из 15 химических элементов III группы 6-го периода периодической таблицы — металлов, с атомными номерами 57—71.
Актино́иды — семейство, состоящее из 15 радиоактивных химических элементов III группы 7-го периода периодической системы с атомными номерами 89—103.
И те, и другие относятся к f-элементам, т. е. их валентные электроны расположены на f-оболочке, включающей 7 орбиталей, на каждой из которых может находиться по 2 электрона с противоположными спинами, т. е. 14 электронов максимум, а т. к. порядковый номер элемента равен заряду ядра, то и количество их будет равно 14.
7. Какие общие свойства имеют элементы Mn и Cl, находящиеся в одной группе Периодической системы?
Марганец и хлор находятся в VII группе Периодической системы, но хлор – в главной, а марганец – в побочной подгруппе. В возбужденном состоянии у обоих элементов число электронов, участвующих в образовании химической связи, может доходить до семи, т. к. именно 7 электронов находятся на двух последних подуровнях обоих элементов.
8. Каков состав ядер изотопов 16О и 17О, 3Не и 4Не?
Порядковый номер элемента в Периодической системе – число протонов, массовое число минус число протонов – число нейтронов.
¹⁶О – 8 протонов, 8 нейтронов;
¹⁷О – 8 протонов, 9 нейтронов;
³Не – 2 протона, 1 нейтрон;
⁴Не – 2 протона, 2 нейтрона.
9. Изотоп 210Ро, излучающий α-частицы, используется в смеси с бериллием в нейтронных источниках. Через какое время интенсивность таких источников уменьшится в 32 раза? Период полураспада 210Ро 138 сут.
Период полураспада – время, за которое самопроизвольно распадается половина атомов исходного вещества.
Поскольку нужно снижение интенсивности не в 2, а в 32 раза, выражение будет иметь вид:
Т = Т(1/2) ⋅ log₂32 = 138 ⋅ 5 = 690 сут.
10. Период полураспада изотопа 137Cs 29.7 лет. 1 г этого изотопа прореагировал со взрывом с избытком воды. Каков период полураспада цезия в образовавшемся соединении? Ответ обоснуйте.
Период полураспада останется тем же, т. к. его продолжительность не зависит от химических реакций.
11. Сколько электронов и протонов входит в состав следующих частиц: а) NO2–; б) PH3?
В нейтральном состоянии атом азота содержит 7 электронов, кислорода – 8. Поскольку протоны в химической реакции не участвуют, их число равно 7 + 2 ⋅ 8 = 23. Знак “–“ говорит о наличии в составе молекулы дополнительного электрона, стало быть число электронов равно 7 + 2 ⋅ 8 + 1 = 24.
Здесь число протонов равно числу электронов и равняется 15 + 1 ⋅ 3 = 18.
12. Напишите электронную конфигурацию атомов фтора и магния в их первом возбужденном состоянии.
Электронные конфигурации атомов фтора и магния в основном состоянии выглядят так:
Для фтора первое возбужденное состояние получается при переходе электрона с высшей занятой орбитали (2р) на низшую свободную орбиталь (3s).
Для магния первое возбужденное состояние получается при переходе электрона с низшей занятой орбитали (3s) на высшую свободную орбиталь (3р).
Таким образом, для фтора: 1s²2s²2p⁴3s¹, для магния: 1s²2s²2p⁶3s¹3p¹.
13. Назовите два элемента, в атомах которых число пар (спаренных) электронов равно числу неспаренных электронов.
14. Электронная конфигурация атома неона совпадает с электронными конфигурациями ионов нескольких элементов. Назовите четыре таких иона. Ответ мотивируйте.
Электронная конфигурация неона: 1s²2s²2p⁶.
Эти 4 элемента:
а) Кислород ₈О с электронной конфигурацией 1s²2s²2p⁴. Ион кислорода О²⁻ перетягивает на себя дополнительно 2 электрона.
б) Фтор ₉F с электронной конфигурацией 1s²2s²2p⁵. Ион фтора F⁻ перетягивает на себя дополнительно 1 электрон.
в) Натрий ₁₁Na с электронной конфигурацией 1s²2s²2p⁶3s¹. Ион натрия Na⁺ отдает 1 электрон.
г) Магний ₁₂Mg с электронной конфигурацией 1s²2s²2p⁶3s². Ион магния Mg²⁺ отдает 2 электрона.
15. Напишите уравнение реакции образования соединения, в состав которого входят только ионы элементов с конфигурацией внешних электронов 3s23p6.
KOH + HCl = KCl + H₂O
Электронная конфигурация калия ₁₉К: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s¹, ион К⁺ теряет один электрон, поэтому его электронная конфигурация 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶.
Электронная конфигурация хлора ₁₇Cl: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁵, ион Cl⁻ приобретает один электрон, поэтому его электронная конфигурация 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶.
16. Объясните, почему на первом энергетическом уровне атома не может быть более двух электронов, на втором уровне – более восьми, на третьем – более 18 и т. д. Выведите общую формулу, описывающую максимальное число электронов N с главным квантовым числом n.
Радиус атома в 100 000 раз больше радиуса атомного ядра, стало быть рядом с ядром умещается наименьшее количество орбиталей, размеры которых также малы и не могут вместить большого количества электронов.
В добавок к этому существует принцип Паули, согласно которому в атоме не может быть двух электронов, у которых все четыре квантовых числа одинаковые. Так, первой орбите соответствует главное квантовое число n = 1. Побочное квантовое число принимает значения от 0 до (n – 1), значит l = 0, магнитное квантовое число принимает значения от –l до +l, тогда ml = 0 и спиновое квантовое число mS может принимать значения как +1/2, так и -1/2, т. е. на первом энергетическом уровне всего 2 электрона.
Следуя данной логике, можно составить выражение для рассчета максимального числа электронов в зависимости от главного квантового числа n:
Изотопы кислорода
Кислород имеет
три устойчивых изотопа: 16О, 17О и 18О,
среднее содержание которых составляет
соответственно 99,759 %, 0,037 % и 0,204 % от общего
числа атомов кислорода на Земле. Резкое
преобладание в смеси изотопов наиболее
лёгкого из них 16О связано с тем, что ядро
атома 16О состоит из 8 протонов и 8 нейтронов
(дважды магическое ядро с заполненными
нейтронной и протонной оболочками). А
такие ядра, как следует из теории строения
атомного ядра, обладают особой
устойчивостью.
Также известны
радиоактивные изотопы кислорода: от
12О до 24О. Все радиоактивные изотопы
кислорода имеют малый период полураспада,
а 12O распадается за 5,8·10−22 секунды.
Валентная оболочка
кислорода расположена
на 2-м уровне – относительно близко к
ядру. Поэтому ядро сильно притягивает
к себе электроны. На валентной оболочке
кислорода 6 электронов. Следовательно,
до октета недостает двух электронов,
которые кислород стремится принять с
электронных оболочек других элементов,
вступая с ними в реакции в качестве
окислителя
Степени окисления
Бинарные
соединения кислорода, в которых степень
окисления атомов кислорода равна −2,
называют
оксидами
(прежнее название — окислы). Примеры
оксидов: оксид углерода (IV) CO2 ,оксид серы
(VI) SO3, оксид меди (I) Cu2O, оксид алюминия
Al2O3, оксид марганца (VII) Mn2O7.
Кислород образует
также соединения, в которых его степень
окисления равна −1 ,
содержащие пероксогруппу -О-О-. Это —
пероксиды (старое название — перекиси),
например, пероксид водорода Н2О2, пероксид
бария ВаО2, пероксид натрия Na2O2 и другие.
В этих соединениях содержится пероксидная
группировка —О—О—.
С активными
щелочными металлами, например, с калием,
кислород может образовывать также
супероксиды, например, КО2 (супероксид
калия), RbO2 (супероксид рубидия). В
супероксидах
степень окисления кислорода -½. Можно
отметить, что часто формулы супероксидов
записывают как К2О4, Rb2O4 и т. д.
С самым активным
неметаллом фтором кислород образует
соединения в положительных степенях
окисления. Так, в соединении O2F2 степень
окисления кислорода +1, а в соединении
O2F — +2. Эти соединения принадлежат не к
оксидам, а к фторидам. Фториды кислорода
можно синтезировать только косвенным
путем, например, действуя фтором F2 на
разбавленные водные растворы КОН.