§ 2. Молекулы

§ 2. Молекулы

Все вещества состоят из отдельных частиц — это предположение было доказано современной наукой. Эти частицы были названы мо­лекулами (в переводе с латинского «маленькая масса»).

Молекула вещества — это мельчайшая частица данного вещества.

Например, самая маленькая частица воды — молекула воды. Наименьшей частицей сахара является молекула сахара. Попытаемся представить себе, каковы размеры молекул.

Если бы можно было уложить в один ряд вплотную друг к другу

10 000 000 (или 10 7 ) молекул во­ды, то получилась бы ниточка длиной всего в 2 мм . Малый раз­мер молекул позволяет получить тонкие пленки различных ве­ществ. Капля масла, например, может растекаться по воде слоем толщиной всего в 0,000002 м (или 2 x 10~ 6 м).

Даже небольшие тела состоят из огромного числа молекул. Так, например, в крупинке соли или сахара содержится очень большое число молекул. Подсчитано, что в

1 см 3 воздуха находится около 27 x 10 18 молекул. Чтобы понять, насколько велико это число, представим следующее. Через малень­кое отверстие пропускают по миллиону молекул в секунду, тог­да указанное количество молекул пройдет через отверстие за 840 000 лет.

Из-за очень малых размеров молекулы невидимы невооружен­ным глазом или в обычные микроскопы. Но при помощи специаль­ного прибора — электронного микроскопа — удалось сфотографи­ровать наиболее крупные из них. На рисунке 5 показано располо­жение молекул белка.

Окружающие нас тела, даже похожие на первый взгляд, будут различны. В природе вы не встретите двух совершенно одинаковых снежинок или песчинок, людей, животных и пр.

Ученые с помощью опытов доказали, что молекулы разных ве­ществ отличаются друг от друга, а молекулы одного и того же веще­ства одинаковы. Например, воду, полученную из сока или молока, нельзя отличить от воды, полученной путем перегонки из морской воды. Молекулы воды одинаковы. Из таких молекул не может состо­ять никакое другое вещество.

Молекулы, в свою очередь, состоят из еще более мелких частиц — атомов.

Например, наименьшая частица воды — это молекула воды. Она состоит из трех атомов: двух атомов водорода и одного атома кислорода.

Из курса химии вы узнаете, что воду обозначают Н 2 О. Н — атом водород, О атом кислорода.

Молекулы принято изображать схематически, т.е. с помощью моделей молекул. Две молекулы воды показаны на рисунке 6. Если разделить две молекулы воды, то образуется два атома кислорода и четыре атом водорода. На рисунке 7 показано, что каждые два ато­ма водорода могут соединиться в молекулу водорода, а атомы кислорода — в молекулу кислорода.

Атомы тоже состоят из еще более мелких частиц, но об этом вы узнаете в курсе химии 8 класса.

Вопросы

I . Что такое молекула? 2. Что вы знаете о размерах молекул? 3. Из каких частиц состоит молекула воды? 4. Как изобра­жается схематически молекула воды?

 

Урок 16. единство многообразия. микромир — Естествознание — 10 класс

Естествознание, 10 класс

Урок 16. Единство многообразия. Микромир

Перечень вопросов, рассматриваемых в теме:

Каковы особенности микромира;

Какова структура атомов и молекул и природа связи атомов в молекуле;

Какова структура атомного ядра и природа связи нуклонов в ядре;

Какие частицы в настоящее время считают фундаментальными составляющими материи.

Глоссарий по теме:

Микромир – пространственная протяжённость порядка 10^-6 см и менее; основные объекты (структурные уровни материи) – молекулы, атомы и составляющие их элементарные частиц; основные типы взаимодействия – электромагнитное, сильное и слабое.

Молекула — мельчайшая частица вещества (например, химического соединения), определяющая химические свойства этого вещества, способная существовать самостоятельно; состоит из атомов, расположенных в пространстве в определённом порядке и соединённых химическими связями.

Атом — (от греч. atomos неделимый) мельчайшая частица химического элемента, сохраняющая его свойства. В структуре атомы выделяют положительно заряженное ядро и электронное облако – отрицательно заряженное.

Ядро атома – основная и определяющая часть атома, несущая положительный заряд. Ядро атома состоит из протонов и нейтронов нуклонов, связанных сильным взаимодействием. На ядро приходится 99,9 % массы.

Энергия связи ядра – энергия, необходимая для разделения ядра на отдельные нуклоны; увеличивается с ростом числа нуклонов в ядре. Отношение числа нуклонов ядра к энергии связи выражается удельной энергией связи.

Термоядерный синтез – реакции слияния лёгких ядер в более тяжёлые; происходят при высоких температурах и сопровождаются выделением энергии.

Элементарные частицы – мельчайшие известные частицы физической материи. Представления об элементарных частицах отражают ту степень в познании строения материи, которая достигнута современной наукой. Характерная особенность элементарных частиц способность к взаимным превращениям.

Адроны – элементарные частица участвующие в сильном взаимодействии (протоны, нейтроны и др.)

Лептоны – элементарные частицы, не принимающие участие в сильном взаимодействии (электроны, позитроны и др.)

Кварки – фундаментальные частицы; составные части адронов.

Переносчики фундаментальных взаимодействий – кванты, осуществляющие перенос фундаментальных взаимодействий.

Основная и дополнительная литература по теме урока (точные библиографические данные с указанием страниц):

1. Естествознание. 10 класс [Текст]: учебник для общеобразоват. организаций: базовый уровень / И.Ю. Алексашина, К.В. Галактионов, И.С. Дмитриев, А.В. Ляпцев и др. / под ред. И.Ю. Алексашиной. – 3-е изд., испр. – М.: Просвещение, 2017.: с 75-77.

Электронные ресурсы:

Теоретический материал для самостоятельного изучения

Особенности объектов микромира

Говоря о микромире, невозможно точно определить, с каких размеров он начинается. Многие биологические объекты, например частицы пыли, являются очень мелкими. Тем не менее, эти объекты ещё можно наблюдать в микроскоп. Но уже такие важные объекты живой природы, как молекулы белков и ДНК, в обычный микроскоп наблюдать невозможно, для их наблюдения используют электронный микроскоп. Для ещё более мелких объектов не подходит даже электронный микроскоп.

Таким образом, прямые данные о движении объектов микромира подобно тем, которые возможно получить для макроскопических объектов, получить невозможно. Косвенные данные о движении объектов микромира дают наблюдения спектров объектов и треков частиц.

Ещё одной особенностью, связанной с наблюдением в микромире, является тождественность одинаковых частиц. Например, все молекулы воды абсолютно идентичны. В макромире невозможно изготовить два абсолютно одинаковых шара, например для бильярда. В микромире, наоборот, например, все молекулы воды абсолютно идентичны. Если в макромире, можно достаточно точно определить, например, какой из сталкивающихся шаров попал в лузу, то в микромире при столкновении одинаковых атомов или молекул невозможно выяснить, какой из сталкивающихся атомов куда полетел.

Другим важной особенностью является, что все объекты микромира присущи как корпускулярные, так и волновые свойства. Т.е. в различных опытах с микрообъектами, в зависимости от условий резче проявляются те или иные свойства.

Характерные особенности атомно-молекулярного уровня

Свободные атомы представляют собой сферические симметричные структуры размером порядка 10^-8 см. Структура атома представлена ядром, где сконцентрирована 99,9 % всей массы атома и электронные оболочки. Размеры атома незначительно увеличиваются при увеличении его номера в таблице Менделеева. Разнообразие атомов связано с разным количеством протонов в ядре атомов.

При сближении атомы взаимодействуют друг с другом образуя молекулы, кристаллы. Данное взаимодействие называют химической связью. Т.е. в результате электромагнитного взаимодействия. Расстояния между атомами в молекулах (длина химической связи) сравнимы с размерами атомов. Взаимодействие между электронами молекулы приводит к тому, что малые молекулы представляют собой довольно жёсткие образования. Конфигурация молекул, содержащих большое число ядер, менее жёсткая. При этом, свойства свободных атомов, из которых образована молекула, практически не проявляется у молекулы. Мир молекул более разнообразен связи с возможностью образования полимерных молекул, содержащих сотни тысяч атомов.

Ядра атомов

На уровне ядер атомов господствуют сильные взаимодействия, которые удерживают вместе одноименно заряженные протоны, отталкивающиеся друг от друга огромными электростатическими силами.

Энергия связи ядра называется энергия, необходимая для разделения ядра на отдельные нуклоны. При увеличении числа нуклонов в ядре, эта энергия возрастает и делает ядра более стабильными. Дальнейшее увеличение протонов и нейтронов приводит к увеличению размеров ядра, а, следовательно, ослаблению сильного взаимодействия и атомы становятся нестабильными. Это приводит к тому, что ядрам с малым числом нуклонов энергетически более выгодно объединиться, а ядрам с большим количеством нейтронов – распасться. Реакции слияния лёгких ядер, происходящее с выделением энергии, называются реакциями термоядерного синтеза. Именно такие реакции происходят внутри звёзд. Реакции распада тяжёлых атомов дают энергию на атомных электростанциях.

Элементарные частицы. Кварки

Понятие элементарная частица изменило понятие атома как неделимого элемента материи. Первоначально к элементарным частицам стали относить те частицы, из которых состоит атом – электрон, протон, нейтрон. Дальнейшие исследования структуры атома позволили обнаружить многие новые короткоживущие элементарные частицы. Некоторые из них были сначала предсказаны теоретически, а затем открыты экспериментально. Так в 1928 году было пересказано существование, помимо электрона, частицы с той же массой и похожими свойствами, но с положительным зарядом. Такую частицу экспериментально обнаружили в 1932 году и назвали позитроном. Позитрон является античастицей по отношению к электрону. В теории элементарных частиц предполагается, что каждая частица обладает античастицей. Основное свойство, присущее такой паре – возможность аннигиляции. Под этим понимают взаимное «уничтожение» частицы и анти частицы при столкновении. При аннигиляции вещество практически исчезает, и превращаются в основном в кванты электромагнитного поля. Это свидетельствует о сложности элементарных частиц.

Развитие экспериментальных методов исследования элементарных частиц привело к открытию большого числа таких частиц. Их число оказалось более 200.

Анализ поведения адронов в экспериментах навело на мысль, что не все они элементарны и, вероятно, состоят из ещё более мелких структур. Гелл-Ман называет их кварками.

Впоследствии эта гипотеза получила экспериментальное подтверждение. Так кварки были обнаружены в нуклонах, что сняло статус элементарных частиц с группы адронов (частиц, участвующих в сильных взаимодействиях, таких как протоны и нейтроны). При этом выделить кварки в отдельном виде до сих пор не удаётся и теоретики склоняются к выводу, что это принципиально невозможно.

Другой группой элементарных частиц, названной лептонами, объединили частицы, над которыми сильное взаимодействие не действует. К ним относится, например, электрон. Лептоны остались элементарными частицами.

Таким образом, фундаментальными «кирпичиками» вещества в настоящее время считают кварки и лептоны.

Наряду с этим, корпускулярные свойства фундаментальных полей позволяют выделить элементарные частицы-переносчики фундаментальных взаимодействий. Так, было установлено, что переносчиками электромагнитного взаимодействия являются фотоны. Аналогичные частицы открыты для сильных взаимодействий (их назвали глюонами) и для слабых взаимодействий (промежуточные бозоны). Имеются гипотезы, что гравитационному взаимодействию можно также сопоставить частицу гравитон. Наши представления о фундаментальной структуре материи ещё далеко не являются полными, и здесь ещё предстоит сделать много открытий.

На каждом этапе своего развития естествознание изучает простейшие по своей структуре виды материи и присущие им характеристики (формы и виды движения). Практически все природные явления могут быть объяснены в конечном итоге движением и взаимодействием элементарных частиц и полей. Поэтому ключевым предметом изучения естественных наук (в первую очередь физики) на современном этапе являются элементарные частицы и поля.

В природе имеется множество материальных объектов, каждый из которых не является чем-то абсолютно простым и бесструктурным и обладает многообразными свойствами. Новые исследования открывают нам новые объекты и новые свойства. Это означает, что познание человеком природы неисчерпаемо.

То обстоятельство, что любые объекты содержат в своей структуре элементарные частицы и те частицы, которые мы обнаруживаем в земных условиях, приходят к нам и из космических глубин, убедительно показывает, что при всем многообразии «миров» природа в целом обладает единством

Резюме теоретической части:

Любой материальный объект является сложным, структурным. Структурными элементами материальных объектов являются элементарные частицы, взаимодействия между которыми обеспечивает целостность тех или иных объектов. Все элементарные частицы обладают рядом общих свойств, которые характеризуются такими величинами, как энергия, масса, импульс, заряд и т.д., и различаются по значениям этих величин. Среди всего многообразия элементарных частиц, на сегодняшний день, выделяют частицы переносчики фундаментальных взаимодействий, лептоны (электрон, позитрон, нейтрино) и кварки.

Важным свойством элементарных частиц является их взаимопревращаемость. Но превращение частиц не является процессом их механического деления, а представляет собой процесс исчезновения одних и рождения других частиц

Примеры и разбор решения заданий тренировочного модуля:

Задание 1. Какие элементарные частицы выделяют на сегодняшний день? (ненужное вычеркните)

• Адроны;
• Лептоны;
• Нуклоны;
• Кварки;
• Переносчики взаимодействия;

Ответ:

• Адроны;
• Лептоны;
• Нуклоны;
• Кварки;
• Переносчики взаимодействия.

Пояснение: Нуклоны входят в группу адронов, структуру которых образуют кварки.

Задание 2. Ребус-соответствие: Соотнесите по парам тип взаимодействия и частицу-переносчика соответствующего взаимодействия.

Ответ:

Гравитационное взаимодействие – Гравитоны

Электромагнитное взаимодействие – Фотоны

Сильное взаимодействие – Глюоны

Слабое взаимодействие – Промежуточные бозоны

Пояснение: несмотря на то, что частиц переносчиков гравитационного взаимодействия экспериментально не удалось обнаружить, но ему придумали созвучное название – гравитон.

Из чего состоит все вокруг или что такое молекула?

Каждый раз, когда два атома соединяются вместе, они образуют молекулу. На самом деле все, что нас окружает – да и мы сами – состоит из триллионов различных типов молекул. Понятие молекулы было принято в 1860 году на международном съезде химиков в Карлсруэ. Согласно принятому определению молекула – это наименьшая частица химического вещества, которая обладает всеми его химическими свойствами (растворимость, вкус, способность вступать в соединения и пр). Введение понятия молекулы подтолкнуло развитие физики, химии и других естественных наук. В более общем понимании молекулой называют частицу, образованную из двух или более атомов, соединенных между собой ковалентными связями.

Молекула воды содержит 1 атом кислорода и 2 атома водорода

Атом – мельчайшая частица вещества, которая обладает всеми его физическими свойствами (цвет, твердость, плотность и пр.)

Когда атомы различных типов элементов соединяются вместе, они образуют молекулы, называемые соединениями. Так, вода состоит из сложных молекул, состоящих из 2 атомов водорода и 1 атома кислорода. Вот почему она называется h3O: у молекулы воды всегда будет в 2 раза больше атомов водорода, чем атомов кислорода. Существует чуть более 100 типов атомов, но типов различных веществ миллионы. Причина такого неравенства кроется в том, что они состоят из различных типов молекул.

Важно понимать, что молекулы состоят не только из различных типов атомов, но и из различных соотношений. Как и в приведенном выше примере с водой, молекула воды состоит из двух атома водорода и одного атома кислорода, что записывается как h3O. Другими примерами являются углекислый газ (C02), аммиак (Nh4) и сахар или глюкоза (C6h22O6). Некоторые молекулярные формулы могут получиться довольно длинными и сложными. Давайте посмотрим на молекулу сахара:

• С6 — 6 атомов углерода
• h22 — 12 атомов водорода
• Атом кислорода O6 — 6

Чтобы она получилась, нужны определенные атомы в определенном количестве. Но молекулы могут быть гораздо больше. Одна молекула витамина С состоит из 20 атомов (6 атомов углерода, 8 атомов водорода и 6 атомов кислорода – C6H8O6). Если взять эти 20 атомов витамина С и смешать, соединяя их вместе в другом порядке, то получится совершенно другая молекула, которая не только выглядит по-другому, но и действует иначе.

Молекула витамина С выглядит так

Читайте также: Обнаружены новые химические соединения, способные объяснить возникновение жизни на Земле.

Некоторые молекулы, особенно некоторые белки, содержат сотни или даже тысячи атомов, которые соединяются вместе в цепи, которые могут достигать значительной длины. Жидкости, содержащие такие молекулы, иногда ведут себя странно. Например, жидкость может продолжать вытекать из колбы, из которой была вылита некоторая ее часть, даже после того, как колба будет возвращена в вертикальное положение.

Факты о молекулах

• Газообразный кислород обычно представляет собой молекулу O2, но это может быть и O3, который мы называем озоном.
• Молекулы могут иметь различную форму. Некоторые из них представляют собой длинные спирали, а другие могут иметь форму пирамиды.
• Идеальный алмаз — это единственная молекула, состоящая из атомов углерода.
• ДНК – это сверхдлинная молекула, которая обладает информацией, описывающей каждого человека.
• 66% массы человеческого тела состоит из атомов кислорода

Чтобы всегда быть в курсе последних научных открытий, подписывайтесь на наш новостной канал в Telegram

Химические связи

Молекулы и соединения удерживаются вместе силами, называемыми химическими связями. Существует четыре типа химических связей, которые удерживают большинство соединений вместе: ковалентные связи, ионные связи, водородные и металлические, однако в качестве основных выделяют ковалентные и ионные, так как они связаны с электронами. Как известно, электроны вращаются вокруг атомов в оболочках. Эти оболочки хотят быть «полными» электронов. Когда они не заполнены, то будут пытаться соединиться с другими атомами, чтобы получить нужное количество электронов и заполнить их оболочки.

Ковалентные связи делят электроны между атомами. Это происходит, когда получается, что атомы делятся своими электронами, чтобы заполнить свои внешние оболочки. В свою очередь ионные связи образуются, когда один электрон передается другому. Это происходит, когда один атом отдает электрон другому, чтобы сформировать баланс и, следовательно, молекулу или соединение.

Еще больше увлекательных статей о том, как ученые дробят реальность на атомы, читайте на нашем канале в Яндекс.Дзен. Там выходят статьи, которых нет на сайте!

Знания о свойствах и строении молекул легли в основу современной науки и нашего понимания Вселенной

Немаловажным также является тот факт, что молекулы всегда находятся в движении. В твердых телах и жидкостях они находятся очень близко друг к другу, а их движение можно сравнить с быстрой вибрацией. В жидкостях молекулы могут свободно перемещаться между собой, как бы скользя. В газе плотность молекул обычно меньше, чем в жидкости или твердом теле того же химического соединения, а потому молекулы движутся даже более свободно, чем в жидкости. Для конкретного соединения в данном состоянии (твердом, жидком или газообразном) скорость молекулярного движения возрастает с увеличением абсолютной температуры.

Из каких частиц состоит молекула воды?

16) E=F\q
E=0,3\4,5*0,001=0,3\0,0045=67(В\м)
17)U=E*d
E=U\d
d=2 см = 0,02 м
Е=240\0,02=12000 (В\м)
18)I=q\t
t=2 мин =120 с
I=3,4\120 = 0,028 (А)
19)q=e*n
n=7*10^(-19) Кл
q=1,6*10^(-19)*7*10^(-19) = 11,2*10^(-38) Кл
20)I=E\R+r
I=32\1+3=32\4=8 (A)
21)P=A\t
t=30 мин = 1800 с
A=3 кДж=3000 Дж
P=3000\1800=1,7 (Вт)
22)A=U*q
A=30*7,8*10^(-17) = 234*10^(-17) =2,34*10^(+2)*10^(-17)=2,34*10^(-15) =2,34 (фДж)
23)Fa=B*I*l*sin a
a=90 град
sin a=90 град =1
Fa=5*1*2*0,02=0,2 (Н)
24)P=m*g
P=9,8*0,3=2,94 (Н)

Вариант 1.
1. Да
2. Тепловое
3. Два. Положительный и отрицательный
4. Химические: гальванический элемент, аккумулятор. Магнито-механические: электрогенератор. Световые: фотоэлементы и фотобатареи.
5. Химическое

Вариант 2.
1. Тепловое движение — беспорядоченное. А электричество — это упорядоченное движение
2. Заземлить стержень и соединить его с заряженным электроскопом. 
3. Тепловое движение не зависит от направления
4. Вода — проводник
5. t = Q/I = 7,7 / 0,5 = 15,4 c.

Вариант 3.
1. I = q/t = 540/300=1.8 А
2. q = It = 0,5 * 120 = 60 Кл
3. I = q/t = 90 / 60 = 1,5 А
4. Массой, размерами
5. Дистиллированная вода и концентрированная серная кислота являются очень слабыми электролитамирактически не диссоциирующими на ионы. В водном же растворе серная кислота диссоциирует на протоны и сульфат-ионы по уравнению Н2SO4 = 2H+ + SO42- 
Получается сильный электролит.

Интрференция на тонких пленках.Чтобы пронаблюдать данный опыт, возьмем мыльную воду и проволочную рамку, затем посмотрим, как образуется тонкая пленка. Если рамку опустить в мыльную воду, то после поднятия в ней видна образовавшаяся мыльная пленка. Наблюдая в отраженном свете за этой пленкой, можно увидеть полосы интерференции.

Так как движение является равномерным, то скорость через 2с меняться не будет, следовательно кинетическая энергия тела будет равна:

Молекулы и атомы | Физика

Гипотеза о том, что все вещества состоят из отдельных мельчайших частиц, появилась очень давно, более двух тысяч лет назад. Но лишь на рубеже XIX — XX вв. было установлено, что это за частицы и какими свойствами они обладают.

Частицы, из которых состоят вещества, называют молекулами. Так, например, наименьшая частица воды — это молекула воды, наименьшая частица сахара — это молекула сахара и т. д.

Каковы размеры молекул?

Известно, что кусок сахара можно растолочь на очень маленькие крупинки, зерно пшеницы можно размолоть в муку. Капля масла, растекаясь по поверхности воды, может образовать пленку, толщина которой в десятки тысяч раз меньше диаметра человеческого волоса. Но в крупинке муки и в толще масляной пленки содержится не одна, а много молекул. Значит, размеры молекул этих веществ еще меньше, чем размеры крупинки муки и толщина пленки.

Можно привести следующее сравнение: молекула во столько же раз меньше яблока среднего размера, во сколько раз яблоко меньше земного шара. Если бы размеры всех тел увеличились в миллион раз (при этом толщина человеческого пальца стала бы равной 10 км), то и тогда молекула оказалась бы размером всего вполовину точки печатного шрифта этого учебника.

Молекулы невозможно увидеть невооруженным глазом. Они настолько малы, что их нельзя разглядеть даже с помощью микроскопа, дающего 1000-кратное увеличение.

Биологам известны микроорганизмы (например, бактерии) размером 0,001 мм. Молекулы же в сотни и тысячи раз меньше.

Для определения размеров молекул были проведены разные опыты. Опишем один из них.

В чисто вымытый большой сосуд налили воду и на ее поверхность поместили каплю масла. Масло начало растекаться по поверхности воды, образуя пленку. По мере растекания масла толщина пленки становилась все меньше и меньше. Через некоторое время растекание прекратилось. Если предположить, что это произошло из-за того, что все молекулы масла оказались на поверхности воды (образуя пленку толщиной в одну молекулу), то для определения диаметра молекулы достаточно найти толщину образовавшейся пленки.

Толщина пленки h равна отношению ее объема V к площади S:

(26.1)

Объем пленки — это объем той капли, которую поместили на поверхность воды. Его измеряют заранее; для этого пользуются измерительным цилиндром — мензуркой. При помощи пипетки в пустую мензурку капают несколько десятков капель масла и измеряют их общий объем; разделив затем этот объем на число капель, находят объем одной капли.

В описываемом опыте капля имела объем V = 0,0009 см³, а площадь образовавшейся из нее пленки была равна S = 5500 см². Подставив эти значения в формулу (26.1), получим

h = 0,00000016 см.

Этим числом и выражается примерный размер молекулы масла.

Так как молекулы очень малы, то в каждом теле их содержится огромное количество. Чтобы создать представление об их числе, приведем пример: если в детском резиновом шарике, наполненном водородом, сделать такой тонкий прокол, что из него каждую секунду будет выходить по миллиону молекул, то для вылета всех молекул из шарика понадобится 30 миллиардов лет! И это при том, что масса водорода, наполнявшего шарик, составляла всего 3 г.

Хотя молекулы и очень маленькие частицы, но и они делимы. Частицы, из которых состоят молекулы, называют атомами.

Атомы каждого вида принято обозначать специальными символами. Например:

атом кислорода — О,
атом водорода — Н,
атом углерода — С.

Специальные символы (так называемые химические формулы) существуют и для обозначения молекул. Например, молекула кислорода состоит из двух одинаковых атомов кислорода, поэтому для ее обозначения применяют следующую химическую формулу: O₂. Молекула воды состоит из трех атомов: одного атома кислорода и двух атомов водорода, поэтому ее обозначают H₂O.

На рисунке 68 дано условное изображение двух молекул воды. При делении двух молекул воды получаются два атома кислорода и четыре атома водорода. Каждые два атома водорода могут объединиться в молекулу водорода, а атомы кислорода — в молекулу кислорода, что схематически показано на рисунке 69.Современная техника позволяет получить фотографии отдельных атомов и молекул. На рисунке 70 приведен снимок молекулы фторида мышьяка, полученный с помощью электронно-голографического микроскопа, дающего увеличение в 70 миллионов раз. Фотографию отдельного атома можно увидеть на рисунке 71, это изображение атома аргона, увеличенное в 260 миллионов раз.Атомы очень маленькие частицы, но и они имеют сложное строение. Существуют еще более мелкие частицы, о которых вы узнаете позже.

1. Как называются частицы, из которых состоят вещества? 2. Опишите опыт, с помощью которого можно определить размер молекулы. 3. Как называются частицы, из которых состоят молекулы? 4. Из каких атомов состоит молекула воды? Что означает формула Н₂О? 5. Напишите химическую формулу молекулы водорода, если известно, что эта молекула состоит из двух одинаковых атомов водорода. 6. Из скольких (и каких) атомов состоит молекула углекислого газа, если ее химическая формула имеет вид СO₂?

физик Дмитрий Побединский отвечает на 7 жизненных вопросов — T&P

Каждую неделю «Теории и практики» публикуют фрагменты из научпоп-изданий, которые попали в этом году в длинный список премии «Просветитель». В книге «Чердак. Только физика, только хардкор!» физик и видеоблогер Дмитрий Побединский объясняет, как все устроено, и отвечает на вопросы, которые многих ставят в тупик. Как нас отражает зеркало; что внутри человека; почему ток может убить; как так вышло, что небо голубое, и каким образом разгоняют тучи — T&P выбрали несколько насущных.

Почему зеркало меняет левую и правую стороны, а верх и низ — нет?

Обычное плоское зеркало среди всех направлений выделяет именно вертикальное. И дело не в том, что у нас два глаза, ведь когда вы смотрите одним глазом в зеркало, эффект тот же. Дело не в фундаментальном устройстве нашего мира. Дело даже не в зеркале, оно же просто отражает объекты перед ним! Все намного проще. Вы, возможно, удивитесь, но виной всему гравитация.

В нашем мозгу есть прочное понимание того, где верх, а где низ, так как мы всю свою жизнь, с рождения, ощущаем гравитацию. Для нашего сознания есть выделенное направление, вертикальное. И когда человек пытается сравнить себя со своим отражением, что он делает? Он мысленно перемещает себя за зеркало, при этом сохраняя свою ориентацию относительно вертикальной оси. Ведь у отражения гравитация должна действовать так же. Поэтому левая и правая стороны меняются, а верх и низ — нет.

Но можно мысленно передвинуть себя за зеркало по-другому, вращая вокруг горизонтальной оси. Тогда поменяются местами верх и низ, а лево и право останутся на своих местах. Так что все зависит только от нашего восприятия, а само зеркало тут ни при чем.

Почему животные симметричны?

Приблизительно 75000 человек на Земле обладают зеркальным расположением внутренних органов — сердце у них располагается справа, а печень слева. Это называется транспозицией внутренних органов, объясняется разными факторами, не передается по наследству и никак не мешает жизни этих людей.

Как видите, природа может запросто отразить нас, словно в зеркале, и ничего особо не поменяется. Ну, а внешне и отражать ничего не надо, ведь люди, как и почти все остальные животные, обладают практически идеальной внешней зеркальной симметрией. Ее еще называют билатеральной.

Но зачем нужна эта симметрия? Действительно, у высших животных все органы обладают узкой специализацией: руки, ноги, голова, хвост — все они выполняют разные функции. Отсюда понятно, что верхняя и нижняя, передняя и задняя части туловища должны отличаться. Однако, несмотря на все это, левая и правая стороны тела абсолютно идентичны, как будто природа забыла придумать, с чем будет лучше справляться левая сторона, а с чем — правая. Или дело в другом?

Эволюция симметрии

Ответ довольно прост. Билатеральная симметрия — это, можно сказать, рудимент, особенность, которая передалась нам от наших предков, но при этом не мешала дальнейшей эволюции и осталась, хотя особо сильно мы в ней не нуждаемся.

Давайте перенесемся на 4 миллиарда лет назад. На заре возникновения жизни на Земле, когда все живые организмы были еще одноклеточными, самой идеальной формой для них был шар. Это диктовалось тем, что взаимодействовать с окружающей средой им приходилось во всех направлениях, ни одно из которых особо не выделялось, отсюда и такая форма. То есть тела были сферически симметричны: как их ни поворачивай, они похожи сами на себя. К тому же шар, при заданном объеме, обладает минимальной площадью поверхности, что достаточно экономно и практично.

Но в процессе эволюции организмы усложнялись и увеличивали свою массу. И вот тут вступила в действие гравитация! Из-за нее у живых существ появилась асимметрия по направлению верх—низ. Сверху теперь располагались преимущественно органы чувств, рот. Внизу — средства передвижения. Но осталась симметрия по окружности — радиальная. Можно было вращать тело вокруг вертикальной оси, и ничего не менялось.

Следующий виток эволюции начался, когда организмы поняли, что неплохо было бы перемещаться. Например, чтобы есть друг друга. Тогда появились хищники и жертвы. Тем и другим понадобились скорость и внимание: одним — чтобы догонять, другим — чтобы убегать. Так и появилась асимметрия по направлению перед—зад. Спереди расположились органы восприятия, мозги, рот — в общем, самое важное. Сзади — все остальное.

А вот симметрию между левой и правой сторонами эволюция не затронула. Эта симметрия эволюции никак не мешала, наоборот, она дублировала некоторые органы, и это было даже полезно. Например, два уха нужно, чтобы по задержке сигнала определять, откуда пришел звук. Два глаза необходимо для бинокулярного, объемного зрения. Даже ноздрей нужно две! Хотя, казалось бы, мы можем обойтись и одной. Дело в том, что почти всегда воздух через одну ноздрю движется медленней, чем через другую. Благодаря этому мы можем почувствовать запахи, которым для восприятия нами требуется немного больше времени, чем обычно. Таким образом, две ноздри расширяют диапазон доступных нам ароматов.

Что касается асимметрии внутренних органов, то она появилась из-за их чрезмерного усложнения. Заметьте, это проявляется только в пищеварительной системе — вы только представьте, что вы едите! Для переваривания всего этого нужен целый парк органов! И это чудо, что они хоть как-то поместились в организме, пусть даже несимметрично. И в кровеносной системе то же: сердце смещено из-за возникновения второго круга кровообращения. Если посмотреть на животных попроще (червяков, насекомых, рыб), то мы увидим, что у них внутренние органы абсолютно симметричны.

Другие виды симметрии

Кстати, и другие виды симметрии в природе тоже продиктованы взаимодействием с окружающей средой.

Существует, например, радиальная симметрия, когда тело, повернутое вокруг определенной оси на некий угол, повторяет само себя. Такой симметрией обладают морские звезды, большинство цветов, деревья. Как правило, продиктована она тем же — специализацией по одному направлению (верх—низ), так как по остальным направлениям взаимодействие с окружающей средой абсолютно одинаково. Цветы, которые растут просто вверх, радиально симметричны, а растущие вбок (орхидея, львиный зев) теряют симметрию перед—зад и становятся только зеркально симметричны. Листья, как правило, растут вбок, им радиальная симметрия не нужна, поэтому они симметричны только зеркально.

Конечно, здесь бывают исключения. Но, как говорит великий Шерлок Холмс, это исключения, но только подтверждающие правило! Например, манящий краб, камбала.

Раз мы говорим о симметрии, надо обсудить пчелиные соты. Они кажутся парадоксальным явлением, каким-то чудом природы. Действительно, как пчелам интуитивно удается создать такие стройные ряды одинаковых шестиугольников? Человек не может нормально шестиугольник нарисовать, а тут пчелы! Да и почему соты шестиугольные, а не квадратные, например?

Соты необходимы для хранения меда, яиц, куколок. Их нужно много, они должны быть одинаковы и просты. Существует не так много фигур, которыми можно замостить некую площадь без зазоров, а именно три: треугольник, квадрат и шестиугольник. И вот тут кроется главный секрет. Если взять три этих фигуры одинаковой площади, то наименьший периметр будет у шестиугольника! Значит, при построении именно шестиугольных сот строительного материала на них будет уходить максимально мало. Так что шестиугольность сот — результат хладнокровной оптимизации, достигнутый в процессе эволюции.

А как обстоят дела с симметрией в неживой природе? Возьмем снежинки. Это тот же самый снег, маленький кусочек льда, но какой удивительной формы, и каждый раз неповторимой! Снежинка образуется так. На начальном этапе молекулы воды соединяются друг с другом по три штуки и образуют шестиугольник. Потом на края шестиугольника начинают нарастать еще слои льда, причем со всех сторон одинаково. Правда, этот процесс роста идет с разной скоростью, то быстрее, то медленее. Поэтому и снежинки всегда получаются разными и двух абсолютно одинаковых вы не найдете.

Да и вообще, в неживой природе практически всегда так: если есть симметрия, то, скорей всего, из-за симметричности кристаллической решетки.

Человек на 90% состоит из пустоты?

Из чего состоит человек? Конечно, он состоит из молекул, атомов, протонов, нейтронов, электронов, кварков. Но эти объекты скомпонованы не вплотную друг к другу и между ними есть какое-то пространство. Давайте посчитаем, сколько процентов от объема человека занимают эти пустоты.

Для упрощения будем считать, что все атомы в человеке являются шариками. Тогда, если мы будем выкладывать их слой за слоем, мы можем добиться достаточно плотной, так называемой гранецентрированной кубической упаковки шаров. В таком случае шары заполняют чуть больше, чем 74% пространства, а остальные почти 26% ничем не заполнены. Доказано, что это одна из самых плотных упаковок, поэтому даже в теории человек не может полностью состоять из вещества, и в нем обязательно есть пустота.

Но скорее всего, в человеке атомы не так плотно упакованы, а может быть, даже перекрываются. Поэтому давайте посчитаем по-другому. Мы достаточно точно знаем химический состав человека: это кислород, углерод, водород и т.д. Зная это, мы можем посчитать количество атомов в теле человека. И если это количество умножить на объем этих атомов, то тогда их суммарный объем будет в 10 раз меньше, чем объем тела человека. Получается, что атомы заполняют только лишь 10% человека. Только представьте себе! Посмотрите, например, на свои руки: 90% того, что вы видите, ничем не заполнено.

Но тут возникает несколько вопросов. Во-первых, как атомы могут держаться вместе и не разваливаться, если между ними такие большие расстояния? Конечно, между ними нет никаких палочек, как показывают на картинках в учебнике химии. Атомы действительно висят в пространстве и удерживаются благодаря электростатическим силам притяжения. Это отчасти похоже на неокуб, в котором шарики удерживаются магнитными силами. Только между атомами сила электрическая.

И во-вторых, почему мы не видим промежутки, раз мы настолько пустые? Дело в том, что видимый свет — это электромагнитная волна, размеры которой намного больше, чем расстояние между атомами. В таком случае она не проходит насквозь, а отражается. Но есть электромагнитные волны с маленьким размером — это рентген, гамма-лучи, и вот такие волны могут пронизывать человека насквозь.

Но что происходит внутри атомов? Может быть, там тоже есть пустота? Действительно, атом состоит из ядра, вокруг которого вращаются электроны. И размер ядра в тысячи раз меньше, чем размеры атомов. Если бы оно было размером с яблоко, то сам атом был бы размером со стадион. А электроны — они легкие и маленькие, и, как пылинки, вращаются вокруг ядра. И получается, что атом по большей части пустой.

Но и тут не так все просто. Электрон в атоме нельзя представлять как шарик. Это квантовый объект, местоположение которого невозможно определить. Поэтому, по современным представлениям, электрон расплывается по атому и представляет собой некое электронное облако (причем порой самой причудливой формы), которое заполняет пространство вокруг ядра. Можно сказать, что ядро окружено облаком вероятности найти там электрон. Так что можно считать, что в атоме абсолютной пустоты нет.

Осталось рассмотреть только ядро: что происходит внутри него? Ядро состоит из протонов и нейтронов, а вот они, в свою очередь, состоят из кварков. Несмотря на то, что эти частицы очень-очень маленькие, между ними действует колоссальная сила в 150 000 Ньютонов. Это вес 15-тонного груза. Нет, вы только представьте: на 1 протон можно повесить 15 тонн! Но самое необычное вот в чем. Если мы захотим разорвать протон, возьмемся за два кварка и начнем их растягивать, то сила притяжения между ними будет только увеличиваться. Между кварками существует некая струна, которая в какой-то момент разрывается, и из пространства образуются еще два кварка, которые притягиваются к тем, которые у нас в руках. В итоге в одной руке у нас останется протон, а в другой руке будет мезон. Но как бы мы ни старались, у нас не получится сделать так, чтобы в руке остался только один кварк. Это явление называется конфайнмент. Оно означает, что кварки заперты в своих частицах и их вообще никак невозможно разделить.

Стоп, а откуда же берутся новые кварки? Из вакуума, что ли? Да, действительно, оказывается, вакуум наполнен виртуальными частицами, которые то рождаются, то исчезают. Это называется нулевыми колебаниями вакуума. И вы только представьте: оказывается, истинной пустоты нигде нет. Все заполнено виртуальными частицами. То есть получается, что на 90% человек состоит не из пустоты, а из виртуальных частиц.

Как убивает ток?

Как убивает электрический ток? На самом деле вопрос очень сложный, потому что ток оказывает на человека различное воздействие: тепловое, химическое, психологическое. Поэтому существует очень много факторов, из-за которых можно погибнуть. И почему-то очень мало экспериментов проведено на эту тематику. Поэтому давайте рассмотрим только три самых частых причины смерти от электрического тока.

Первая — это фибрилляция. Сердце перекачивает кровь благодаря ритмичному сокращению мышц. Это происходит из-за слабых ритмических импульсов, которые генерируются в определенных клетках сердца и передаются мышцам. И если через сердце пройдет очень сильный электрический ток, то мышцы могут потерять чувствительность к этим слабым электрическим импульсам. Они выходят из-под контроля и словно становятся сумасшедшими. Они начинают быстро, хаотично и нескоординированно сокращаться, и в таком состоянии кровь уже не перекачивается. Это и называется фибрилляция. Кровоток останавливается, кислород не поступает в мозг, и он может умереть через 5 минут от кислородного голодания. Что примечательно: прекратить фибрилляцию можно также благодаря электрическому току, с помощью дефибриллятора. Это такая встряска напряжением в 7 тысяч вольт, которая может заставить сердце восстановить свою стабильную работу.

Еще одна причина гибели от электрического тока — это паралич дыхательных мышц. Для начала надо уточнить, что объем легких увеличивается и уменьшается не из-за того, что там становится больше или меньше воздуха, а из-за того, что благодаря мышцам грудная клетка то увеличивает объем, и тогда воздух втягивается внутрь, то уменьшает объем, и тогда воздух выходит обратно. Вот так происходит дыхание, и контролируется этот процесс тоже благодаря электрическим импульсам, которые в данном случае генерирует мозг. Электрический ток может заблокировать мышцы грудной клетки, так как они потеряют чувствительность к этим электрическим импульсам. Человек не может ни вдохнуть, ни выдохнуть, и поэтому умирает от удушья.

И еще одна причина смерти от электрического тока — это ожоги. Когда по проводнику движется электрический ток, то заряженные частицы ударяются о молекулы проводника, эти молекулы увеличивают свою скорость, и температура проводника в целом увеличивается. Именно так устроены утюг, паяльник, плита. Абсолютно такой же нагрев может происходить в теле человека, и тогда он может получить смертельные ожоги внутренних органов.

Есть еще один вопрос: что же все-таки убивает? Ток или напряжение? Электрический ток — это упорядоченное движение заряженных частиц, а напряжение — это всего лишь характеристика электрического поля, под воздействием которого и начинается это упорядоченное движение. Поэтому можно считать, что электрический ток — это следствие напряжения и напряжение первично. Но убивает все равно электрический ток. Напряжение можно уподобить лучнику, а ток — стреле. Да, лучник создает движение, но убивает все равно стрела. Если будет очень большой ток, то вам точно крышка. А если будет очень высокое напряжение, то еще не факт.

В подтверждение этому можно привести скин-эффект. Электрический ток бывает постоянный, который течет только в одном направлении, и переменный, который меняет свое направление. И если он меняет направление тысячи раз в секунду, то тогда он протекает лишь по поверхности, не заходя внутрь проводника. Самый простой пример скин-эффекта — это плазменный шар. Если человек дотрагивается до него, по нему протекает электрический ток и уходит в землю и окружающее пространство. Напряжение здесь очень высокое — до 5 тысяч вольт. Однако из-за высокой частоты ток протекает только по коже и не причиняет никакого вреда.

Есть еще один интересный эффект — люминесценция. Если к плазменному шару поднести неподключенную лампу дневного света, она начинает светиться. Дело в том, что когда лампа подключается к сети, в ней возникает очень высокое напряжение (с помощью преобразователя), намного больше, чем 220 вольт, именно из-за этого она и светится. В данном случае происходит почти то же самое. Вокруг шара возникает высоковольтное электрическое поле, которое пронизывает все тела вокруг. Оно проходит внутрь лампы и заставляет ее светиться.

Ток — опасная штука. Будьте аккуратны с электричеством!

Почему небо голубое?

Почему небо голубое, если воздух прозрачный? Почему на каком-то удалении появляется синева, откуда она берется?

Этот эффект обеспечивают несколько факторов. Первый из них — это рассеивание света. Мы знаем, что свет представляет собой электромагнитные волны. Причем каждому цвету из спектра соответствует строго определенная частота. Белый солнечный свет — смесь всех этих цветов. И когда он попадает в атмосферу, то начинает рассеиваться, то есть немного менять направление. Но законы рассеивания таковы, что чем больше частота, тем сильнее отклонения лучей. Получается, что красный, оранжевый, желтый оттенки проходят атмосферу практически по прямой. А вот голубые, синие, фиолетовые лучи рассеиваются намного сильнее. Поэтому они начинают путешествовать в атмосфере, постоянно меняя направление. Соответственно, если мы смотрим не на солнце, то именно эти лучи-путешественники и должны приходить нам в глаза со всех сторон.

Можно привести аналогию с шариками разных размеров, которые скатываются с наклонной ребристой поверхности. Более крупные шарики движутся по ней практически по прямой. Более мелкие начинают рассеиваться и немного менять направление движения.

Но почему небо не фиолетовое? Ведь рассеивается сильнее всего именно этот оттенок. Вот тут сказывается второй фактор: в солнечном спектре разные цвета имеют разную интенсивность. Что касается фиолетового, то его интенсивность меньше, чем голубого или синего. Именно поэтому в атмосфере наибольшее количество рассеянных лучей именно голубого оттенка. Что касается закатного, красного неба, то в таком случае лучи падают по касательной к поверхности земли и проходят огромную толщу атмосферы, настолько большую, что слабенькое рассеивание красных оттенков уже дает о себе знать. Именно поэтому небо имеет такой цвет, несмотря на то, что воздух прозрачный.

Кстати, облака тоже должны быть прозрачными, ведь они состоят из воды. Но мы видим, какие они белые. Это происходит опять же из-за рассеяния. Однако облака состоят из более крупных частичек, микроскопических капелек жидкости, и поэтому рассеиваются абсолютно все оттенки: от красного до фиолетового. Ну, а при смешивании они дают белый цвет.

И раз уж мы заговорили о спектре солнца, то нужно понимать, что оно испускает и радиоволны, микроволны, ультрафиолетовое, инфракрасное излучение и даже немного рентгеновского. Так что видимое излучение — это всего лишь маленькая часть того, что излучает наше светило. Все это электромагнитные волны, и они обладают такими же свойствами, как и обычный свет.

Но вот почему на нашей планете вообще нет существ с чисто инфракрасным зрением? Или, например, с ультрафиолетовым? Во всем виновата эволюция. Если вы посмотрите на интенсивность солнечного света во всем спектре, то окажется, что самым ярким является зеленый свет. И живые существа в процессе естественного отбора приспособились к самому яркому излучению, которое падает к нам от солнца. Именно эти электромагнитные волны и стали видимым диапазоном спектра.

Как разгоняют тучи перед парадом?

Приятно, когда за окном лето, каникулы, хорошая погода, солнце. Но дождливые дни тоже иногда случаются. И как же иногда хочется управлять погодой и подстраивать ее под свое настроение! Что ж, при сильном желании и большом количестве денег нет ничего невозможного.

Ни для кого не секрет, что в крупных городах перед большими праздниками разгоняют тучи, чтобы была ясная и солнечная погода. Но как это делают? Все очень просто. Есть большие самолеты с огромными руками. Они летают вокруг города и отодвигают тучи!…

Нет-нет, конечно же, такого не бывает. На самом деле тучи не разгоняют, а осаждают, то есть заставляют их выпасть в виде дождя где-то вдалеке, благодаря чему облако исчезает. Но как заставить тучу выпасть в виде осадков?

Давайте разберемся, как образуются облака. В воздухе постоянно присутствует влага, невидимые водяные пары, которые испаряются с поверхности озер, океанов, луж. Эти водяные пары поднимаются вверх и конденсируются. В результате конденсации образуются микроскопические капельки жидкости, которые рассеивают свет. Возникает некий туман, это и есть облако. Но конденсация не может происходить просто так, при понижении температуры. Для этого нужны какие-то пылинки, взвешенные частички в воздухе, вокруг которых и образуется микрокапелька. Ну и конечно же, вокруг маленьких пылинок образуются настолько маленькие микрокапельки, что восходящие потоки воздуха не дают им упасть. Поэтому облако держится на плаву.

Если мы хотим, чтобы облако расплакалось, у нас есть два способа. Первый способ — это посыпать облако какими-то крупными частицами. Дешевый вариант — это цемент в виде порошка, более дорогой вариант — это йодистое серебро. В результате на этих крупных частицах образуются большие капли, которые выпадают в виде дождя. И второй способ — это охлаждение облака для усиления естественной конденсации. Для этого в туче распыляют жидкий азот или сухой лед. Эти вещества обладают очень низкой температурой, и общая температура в облаке немного понижается. Этого понижения достаточно для того, чтобы образовывались более крупные капли, которые выпадают в виде дождя. Ну и, конечно же, цена вопроса. Самый простой способ — это закидать все цементом, однако образующийся дождь получается очень грязным и противным. А вот качественный разгон облаков стоит около 2,5 миллиона долларов.

Почему гелий меняет голос?

Гелий — это газ из восьмой группы периодической таблицы Менделеева. Почему гелий так сильно меняет голос? Мало того, что голос становится более высоким, так он еще оказывается более искаженным и как будто бы игрушечным.

На этот счет существует очень много версий: повышается частота колебаний голосовых связок; гелий более легкий, поэтому выходит быстрее; гелий меняет химический состав голосовых связок. Но нет, на самом деле все по-другому.

Вспомним о том, что звук — это волна. И у нее есть частота ν, длина λ и скорость распространения V. Эти три параметра связаны очень важным соотношением, которое еще нам пригодится:

Звуковые волны могут распространяться достаточно далеко. И длина волны означает лишь ее масштабы. Звуковые волны могут быть очень большими, а могут быть очень маленькими. Но частоте соответствует высота, тон, нота, на которой мы слышим звук.

Для начала давайте разберемся, как в таком маленьком пространстве получается достаточно громкий человеческий голос? При выдохе, из-за набегающего потока воздуха, голосовые связки начинают вибрировать и издавать звук. Причем он настолько тихий, что мы его даже не слышим. И дело вот в чем: оказывается, при таких колебаниях помимо основной частоты возникают дополнительные, так называемые обертона. Их частота в 2—3 раза и более больше, чем основная. То же самое происходит при колебаниях струны, там тоже возникают дополнительные частоты. Благодаря колебаниям голосовых связок воздух в легких, в гортани, в ротовой полости тоже начинает колебаться. Это называется резонанс.

Резонанс — это резкое возрастание амплитуды колебаний при совпадениях частоты вынуждающей силы и собственной частоты резонатора. Обратите внимание, практически у каждого музыкального инструмента есть резонатор, колебание воздуха в котором увеличивает громкость звучания. Резонанс происходит не на всех частотах, а на вполне определенных, с конкретной длиной волны. И вот уже эта длина волны непосредственно зависит от размеров и формы резонатора. Именно эти волны являются самыми громкими, а остальных мы практически не слышим. А в любом человеческом голосе присутствуют 4—5 длин волн, на которых происходит резонанс. У всех они, конечно, разные, поэтому каждая имеет свой окрас голоса, так называемый тембр.

Ну и теперь главное: что все-таки делает гелий с нашим голосом? Да, он легче, да, у него меньше плотность, но он не заставляет наши связки колебаться с более высокой частотой. У гелия очень маленькая молярная масса, она в 7 раз меньше, чем у воздуха. Вследствие этого скорость звука в нем практически в 3 раза больше, чем в воздухе. Но резонанс происходит на тех же длинах волн, потому что размеры резонатора не поменялись. Поэтому, если мы посмотрим на соотношение величин, то увидим, что при увеличении скорости звука должна увеличиваться частота волн.

Вот и получается, что все резонансные частоты увеличиваются, и из-за этого, во-первых, повышается тон голоса, а во-вторых, он становится не настоящим, а искусственным, потому что от их положения зависит тембр голоса. Ну, а при переходе из гелия в воздух скорость звука уменьшается, но теперь меняется длина волны, а частота остается неизменной. Именно поэтому мы слышим все тот же высокий звук. И, конечно же, можно достичь обратного эффекта — понижения голоса. Для этого нужен газ с большой молярной массой, например, гексафторид серы (элегаз). Голос становится мистическим и устрашающим. Поэтому я советую его использовать, если вы хотите кого-то напугать ночью, когда он вас не видит.

Газообразный хлорид — Большая Энциклопедия Нефти и Газа, статья, страница 1

Газообразный хлорид

Cтраница 1

Образовавшийся газообразный хлорид омывает хромируемое изделие.  [1]

Образующийся газообразный хлорид СгС12 является поставщиком активных атомов хрома. Используют также хромирование в вакууме при 1000 — ilG50 C в течение нескольких часов с насыщением из паровой фазы, которая получается при испарении порошка хрома.  [2]

Молекулы газообразного хлорида бериллия ВеСЬ линейны. Бериллий принадлежит ко II группе Периодической системы, имеет два электрона в валентной оболочке и может образовать две ковалентные связи.  [4]

Рассмотрим образование молекулы газообразного хлорида натрия NaCl из атомов натрия и хлора. При их взаимодействии должно произойти спаривание одиночных электронов и образование электронной пары.  [6]

Из каких частиц состоят твердый и газообразный хлорид калия.  [7]

Афлатоксины могут окисляться и газообразными хлоридами, диоксидом хлора, диоксидом азота. Основную роль в процессе окисле-йия афлатоксинов Blf G1 ( MI играет двойная связь в терминальном фурановом кольце.  [8]

Тонкодисперсный порошок карбида бора получен в работе [12] конверсией газообразного хлорида бора в ( С — Н) — плазме.  [10]

Атомы металлов могут образовывать химические связи обычным способом, обобществляя электронные пары, как в молекуле газообразного хлорида титана TiCU. Это соединение используют для получения чистого металлического титана, применяемого в авиастроении. Например, в пентакарбониле железа Fe ( CO) s каждая молекула моноксида углерода отдает пару электронов на вакантную валентную орбиталь атома железа. В результате образуется устойчивая молекула со структурой бипирамиды. Молекулы моноксида углерода или другие молекулы, которые могут занимать их место в таких соединениях, называют лигандами. В молекуле Fe ( CO) s часть лигандов или все лиганды могут замещаться на другие доноры электронов ( основание Льюиса), такие как моноксид азота NO, аммиак МНз, ионы галогенов F, С1 -, Вг -, вода HzO, цианид-ион CN — и многие другие. В результате образуется большой ряд соединений. В таком случае она становится более реакционноспособной, т.е. активируется. Это один из приемов, который химики-металлоорганики стремятся использовать, чтобы создать новые катализаторы для фиксации азота, т.е. для превращения Na в аммиак МНз, который служит исходным продуктом в производстве удобрений.  [11]

Атомы металлов могут образовывать химические связи обычным способом, обобществляя электронные пары, как в молекуле газообразного хлорида титана TiCLj. Это соединение используют для получения чистого металлического титана, применяемого в авиастроении. Например, в пентакарбониле железа Fe ( CO) s каждая молекула моноксида углерода отдает пару электронов на вакантную валентную орбиталь атома железа. В результате образуется устойчивая молекула со структурой бипирамиды. Молекулы моноксида углерода или другие молекулы, которые могут занимать их место в таких соединениях, называют лигандами. В молекуле Fe ( CO) s часть лигандов или все лиганды могут замещаться на другие доноры электронов ( основание Льюиса), такие как моноксид азота NO, аммиак МНз, ионы галогенов F -, С1 -, Вг -, вода НаО, цианид-ион CN — и многие другие. В результате образуется большой ряд соединений. По отношению к некоторым атомам металла в качестве лиганда может выступать даже молекула азота NZ. В таком случае она становится более реакционноспособной, т.е. активируется. Это один из приемов, который химики-металлоорганики стремятся использовать, чтобы создать новые катализаторы для фиксации азота, т.е. для превращения N2 в аммиак МНз, который служит исходным продуктом в производстве удобрений.  [12]

В качестве вариантов, сходных с реакциями, протекающими в присутствии хлористого водорода, могут рассматриваться транспортные реакции с участием газообразного хлорида натрия и других хлоридов; эти реакции были предложены [101 -104] для очистки бериллия, титана, ванадия и урана.  [14]

Страницы:      1    2    3

BBC — Земля — ​​Как мы узнаем, что вещи на самом деле состоят из атомов?

Атомы маленькие. Действительно, очень маленький. Вы, наверное, слышали, что материя состоит из пучков этих крошечных вещей. Вы, вероятно, также будете знать, что не можете увидеть их невооруженным глазом. Нам говорят поверить в то, что атомы существуют, взаимодействуют друг с другом и являются строительными блоками для нашего мира.

Однако для большинства людей этого недостаточно. Наука гордится тем, как использует реальные наблюдения для разгадки тайн Вселенной — так как же мы пришли к выводу, что атомы существуют, и что мы узнали об этих крошечных структурах?

Может показаться, что есть простой способ доказать существование атомов: поместить их под микроскоп.Но этот подход не сработает. Фактически, даже самые мощные светофокусирующие микроскопы не могут визуализировать отдельные атомы. Что делает объект видимым, так это то, как он отражает видимые световые волны. Атомы настолько меньше длины волны видимого света, что на самом деле они не взаимодействуют. Другими словами, атомы невидимы для самого света. Однако атомы действительно оказывают заметное влияние на некоторые вещи, которые мы можем видеть.

Сотни лет назад в 1785 году голландский ученый Ян Ингенхауз изучал странное явление, которое он не мог понять.Мельчайшие частицы угольной пыли метались по поверхности спирта в его лаборатории.

Даже самые мощные светофокусирующие микроскопы не могут визуализировать отдельные атомы

Примерно 50 лет спустя, в 1827 году, шотландский ботаник Роберт Браун описал нечто удивительно похожее. Его микроскоп натренировали на некоторых пыльцевых зернах. Браун заметил, что некоторые из зерен выделяли крошечные частицы, которые затем удалялись от пыльцевых зерен в случайном нервном танце.

Сначала Браун задумался, действительно ли частицы представляют собой какой-то неизвестный организм. Он повторил эксперимент с другими веществами, такими как каменная пыль, которая, как он знал, не была живой, и снова увидел то же странное движение.

На то, чтобы дать объяснение, науке потребовалось еще почти столетие. Эйнштейн придумал и разработал математическую формулу, которая предсказывала именно этот особый тип движения — к тому времени названный броуновским движением после Роберта Брауна.

Теория Эйнштейна заключалась в том, что частицы пыльцевых зерен перемещались, потому что они постоянно врезались в миллионы более мелких молекул воды — молекул, состоящих из атомов.

Может показаться сюрпризом, что атомы могут быть разбиты — особенно потому, что «атомос» означает «неделимый»

«Он объясняет это покачивающее движение, которое, как вы видите, на самом деле вызвано воздействием отдельных молекул воды на частицы пыли или что-то еще, что попало на вашу жидкость », — объясняет Гарри Клифф из Кембриджского университета, который также является куратором лондонского музея науки.

К 1908 году наблюдения, подкрепленные вычислениями, подтвердили, что атомы реальны.Примерно через десять лет физики смогут пойти дальше. Разделяя отдельные атомы, они начали понимать их внутреннюю структуру.

Может показаться сюрпризом, что атомы могут быть разбиты — тем более, что само название атом происходит от греческого термина «атомос», что означает «неделимый». Но теперь физики знают, что атомы — это не твердые маленькие шарики. Лучше думать о них как о крошечных электрических «планетарных» системах. Обычно они состоят из трех основных частей: протонов, нейтронов и электронов.Представьте, что протоны и нейтроны вместе образуют «солнце» или ядро ​​в центре системы. Электроны вращаются вокруг ядра, как планеты.

Если атомы невероятно малы, эти субатомные частицы тем более. Как ни странно, первая обнаруженная частица на самом деле была самой маленькой из трех — электроном.

Чтобы понять разницу в размерах здесь, протоны в ядре на самом деле примерно в 1830 раз больше электронов. Представьте себе маленький шарик, вращающийся вокруг воздушного шара — вот о каком несоответствии мы и говорим.

Это один из первых в своем роде ускорителей частиц.

Но как мы узнаем, что эти частицы существуют? Ответ в том, что, хотя они и крошечные, они могут иметь большое влияние. Британский физик, открывший электроны, Дж. Дж. Томсон, использовал особенно привлекательный метод, чтобы доказать их существование в 1897 году.

Его специальное устройство называлось трубкой Крукса — кусок стекла забавной формы, из которого высасывался почти весь воздух. на машине. Затем к одному концу трубки прикладывался отрицательный электрический заряд.Этого заряда было достаточно, чтобы лишить оставшиеся молекулы газа в трубке часть электронов. Электроны заряжены отрицательно, поэтому они полетели по трубке к другому концу. Благодаря частичному вакууму эти электроны могли стрелять через трубку, не мешая им больших атомов.

Электрический заряд заставил электроны двигаться очень быстро — около 37 000 миль в секунду (59 500 километров в секунду) — пока они не врезались в стекло на дальнем конце, столкнувшись с еще большим количеством электронов, связанных с атомами.Удивительно, но столкновения этих невероятно крошечных частиц генерировали столько энергии, что создавали фантастическое зелено-желтое свечение.

«В каком-то смысле это один из первых ускорителей элементарных частиц», — говорит Клифф. «Это ускоряет электроны от одного конца трубки к другому, и они ударяют по экрану на другом конце и дают это фосфоресцентное свечение».

Открытие электрона показало, что об атомах можно узнать больше

Поскольку Томсон обнаружил, что может фактически управлять пучками электронов с помощью магнитов и электрических полей, он знал, что это не просто странные лучи света — они должны были быть заряженные частицы.

И если вам интересно, как эти электроны могут летать независимо от своих атомов, то это из-за процесса, называемого ионизацией, при котором — в данном случае — электрический заряд изменяет структуру атома, отталкивая эти электроны в космос. около.

На самом деле, это связано с тем, что электроны настолько легко перемещаются и перемещаются, что электрические цепи возможны. Электроны в медной проволоке движутся, как поезд, от одного атома меди к другому — и именно он переносит заряд через провод к другому концу.Следует еще раз отметить, что атомы — это не твердые маленькие частицы материи, а системы, которые могут быть модифицированы или претерпевать структурные изменения.

Но открытие электрона показало, что об атомах можно узнать больше. Работа Томсона показала, что электроны заряжены отрицательно, но он знал, что сами атомы не имеют общего заряда. Он рассудил, что они должны содержать загадочные положительно заряженные частицы, чтобы нейтрализовать отрицательно заряженные электроны.

Он продемонстрировал существование плотного ядра внутри атома

Эксперименты в начале 20-го века идентифицировали эти положительно заряженные частицы и в то же время выявили внутреннюю структуру атома, подобную солнечной системе.

Эрнест Резерфорд и его коллеги взяли очень тонкую металлическую фольгу и поместили на нее пучок положительно заряженного излучения — поток мелких частиц. Большая часть мощного излучения прошла сквозь него, как и думал Резерфорд, учитывая, насколько тонкой была фольга. Но, что удивительно, некоторые из них пришли в норму.

Резерфорд рассуждал, что атомы в металлической фольге должны содержать небольшие плотные области с положительным зарядом — ничто другое не могло бы отражать излучение в такой сильной степени.Он обнаружил в атоме положительные заряды — и одновременно доказал, что все они собраны вместе в плотную массу, в отличие от электронов. Другими словами, он продемонстрировал существование плотного ядра внутри атома.

Кембриджский физик Джеймс Чедвик отчаянно пытался открыть нейтрон

Однако проблема все еще оставалась. К настоящему времени можно было оценить массу атомов. Но с учетом того, что было известно о том, насколько тяжелой должна быть частица в ядре, идея о том, что все они заряжены положительно, не имела смысла.

«Углерод имеет шесть электронов и, следовательно, шесть протонов в ядре — шесть положительных зарядов и шесть отрицательных зарядов», — объясняет Клифф. «Но ядро ​​углерода не весит шесть протонов, оно весит [эквивалент] 12 протонов».

Ранее считалось, что остальные шесть ядерных частиц будут иметь ту же массу, что и протоны, но будут иметь нейтральный заряд: нейтроны. Но никто не мог этого доказать. Фактически, нейтроны не были открыты до 1930-х годов.

Кембриджский физик Джеймс Чедвик отчаянно пытался открыть нейтрон.Он работал над теорией много лет. В 1932 году он совершил прорыв.

В 1930-х годах мы многое узнали об атомах, но никто не смог получить их прямое изображение.

Несколькими годами ранее другие физики экспериментировали с излучением. Они выпустили положительно заряженное излучение — такое же, какое Резерфорд использовал для открытия ядра — на атомы бериллия. Бериллий испускал собственное излучение: излучение, которое не было ни положительно, ни отрицательно заряжено и могло проникать далеко через материал.

К этому времени другие уже выяснили, что гамма-излучение является нейтральным и глубоко проникающим, поэтому физики предположили, что именно это испускают атомы бериллия. Но Чедвика это не убедило.

Он сам произвел часть нового излучения и направил его на вещество, которое, как он знал, было богато протонами. Неожиданно протоны были выброшены в воздух в сторону от материала, как если бы они были поражены частицами с той же массой — как шары для снукера, пораженные другими шарами для снукера.

Гамма-излучение не может отклонять протоны таким образом, поэтому Чедвик понял, что частицы, о которых идет речь, должны иметь ту же массу, что и протон, но не имеют его электрического заряда: они были нейтронами.

Все ключевые части атома были выяснены, но история на этом не заканчивается.

Вы даже можете понять, как выглядят атомы, потыкая по ним

Хотя мы узнали об атомах гораздо больше, чем раньше, их все еще было трудно визуализировать.А еще в 1930-х годах никто не создал его прямого изображения — это то, что многие люди хотели бы видеть, чтобы действительно принять то, что они есть.

Важно отметить, что методы, которые использовались такими учеными, как Томсон, Резерфорд и Чедвик, проложили путь для нового оборудования, которое в конечном итоге поможет нам создавать эти изображения. Пучки электронов, созданные Томсоном в его эксперименте с трубкой Крукса, оказались особенно полезными.

Сегодня аналогичные лучи генерируются электронными микроскопами, и самый мощный из этих микроскопов действительно может создавать изображения отдельных атомов.Это связано с тем, что электронный луч может иметь длину волны в тысячи раз короче, чем световой луч — настолько короткую, что электронные волны могут отклоняться крошечными атомами и генерировать изображение так, как световые лучи не могут.

Нил Скиппер из Университетского колледжа Лондона говорит, что такие изображения полезны для людей, которые хотят изучать атомную структуру особых веществ — например, тех, которые используются для изготовления аккумуляторов для электромобилей. Чем больше мы знаем об их атомной структуре, тем лучше мы можем спроектировать их, чтобы они были эффективными и надежными.

Вы даже можете определить, как выглядят атомы, потыкая по ним. По сути, так работает атомно-силовая микроскопия.

В жидкости, когда вы ее нагреваете, вы можете видеть, что атомы имеют более неупорядоченную конфигурацию

Идея состоит в том, чтобы поднести кончик очень маленького зонда близко к поверхности молекулы или поверхности материала. На таком близком расстоянии зонд будет чувствителен к химической структуре того, на что он направлен, и изменение сопротивления при его перемещении позволяет ученым создавать изображения того, как, например, выглядит отдельная молекула.

Недавно исследователи опубликовали замечательные изображения молекулы до и после химической реакции с использованием этого метода.

Скиппер добавляет, что сегодня во многих атомных исследованиях изучается, как структура вещей изменяется при приложении высокого давления или экстремальной температуры. Большинство людей знают, что при нагревании материал часто расширяется. Теперь возможно обнаружить происходящие атомарные изменения, которые делают это возможным.

«В жидкости, когда вы ее нагреваете, вы можете видеть, что атомы имеют более неупорядоченную конфигурацию», — говорит Скиппер.«Вы можете увидеть это непосредственно на структурной карте».

Скиппер и другие физики также могут работать с атомами, используя нейтронные пучки, впервые идентифицированные Чедвиком в 1930-х годах.

Вы можете идентифицировать атомы, определяя только энергию гамма-лучей.

«Что мы делаем много, так это направляем пучки нейтронов на куски материалов, и по возникающей схеме рассеяния вы можете понять, что вы рассеиваете нейтроны. из ядра », — говорит он. «Вы можете определить массу и приблизительный размер объекта, который производил рассеяние.

Но атомы не всегда просто сидят, спокойно и стабильно ждут, чтобы их исследовали. Иногда они разлагаются — а это значит, что они радиоактивны.

В природе много радиоактивных элементов. В процессе генерируется энергия, которая лежит в основе ядерной энергетики и ядерных бомб. Исследования ядерных физиков обычно включают попытки лучше понять реакции, в которых ядро ​​претерпевает фундаментальные изменения, подобные этим.

Лаура Харкнесс-Бреннан из Ливерпульского университета специализируется на изучении гамма-лучей — типа излучения, испускаемого распадающимися атомами.Радиоактивный атом данного типа генерирует определенную форму гамма-излучения. Это означает, что вы можете идентифицировать атомы, регистрируя только энергию гамма-лучей — и это именно то, что Харкнесс-Бреннан делает в своей лаборатории.

Мы не просто выяснили, что такое атомы, мы поняли, что это удивительно сложные структуры.

«Типы детекторов, которые вы бы использовали, — это детекторы, которые позволяют вам измерять как присутствие излучения, так и также энергия выделяемого излучения, — говорит она, — и это потому, что все ядра имеют характерный отпечаток пальца.

Поскольку в зоне обнаружения излучения могут присутствовать самые разные атомы, особенно после крупной ядерной реакции того или иного рода, важно точно знать, какие радиоактивные изотопы присутствуют. Такое обнаружение обычно выполняется на атомных электростанциях или в районах, где произошли ядерные катастрофы.

Харкнесс-Бреннан и ее коллеги сейчас работают над системами обнаружения, которые можно установить в таких местах, чтобы показывать в трех измерениях, где радиация может присутствовать в конкретной комнате.«Что вам нужно, так это иметь методы и инструменты, которые позволят вам изобразить трехмерное пространство и сказать вам в той комнате, в той трубе, где находится излучение», — говорит она.

Учитывая, насколько мал атом, удивительно, сколько физики мы можем извлечь из него

Также возможно визуализировать излучение в «камере Вильсона». Это специальный эксперимент, в котором пары спирта, охлажденные до -40 ° C, дрейфуют в облаке вокруг радиоактивного источника. Заряженные частицы излучения, летящие от источника, удаляют электроны из молекул спирта.Это заставляет спирт конденсироваться в жидкость на пути испускаемой частицы. Результаты такого обнаружения действительно впечатляют.

Мы не просто выяснили, что такое атомы, мы поняли, что это удивительно сложные структуры, которые могут претерпевать удивительные изменения, многие из которых происходят естественным образом. Изучая атомы таким образом, мы смогли улучшить наши технологии, использовать энергию ядерных реакций и лучше понять окружающий нас мир природы.Мы также смогли лучше защитить себя от радиации и узнать, как материалы меняются в экстремальных условиях.

Харкнесс-Бреннан хорошо об этом говорит: «Учитывая, насколько мал атом, просто удивительно, сколько физики мы можем извлечь из него».

Все, что мы видим вокруг, сделано из этих маленьких вещей. Приятно знать, что они там внизу и делают все возможное.

атомов в молекулы | Науки о Земле

Из чего сделан ваш мозг?

Все, что вы можете увидеть, потрогать, обонять, ощутить и попробовать на вкус, состоит из атомов. Атомы являются основным строительным блоком всей материи (включая вас, меня и всех, кого вы когда-либо встретите), поэтому, если мы хотим знать, из чего состоит Земля, мы должны знать кое-что о эти невероятно маленькие объекты.

Атомы

Повседневный опыт должен убедить вас в том, что материя находится в бесчисленных формах, однако вся материя, которую вы когда-либо видели, состоит из атомов или атомов, склеенных вместе в головокружительно сложных конфигурациях. Химический элемент — это вещество, которое не может быть преобразовано в более простую форму обычными химическими средствами.Наименьшая единица химического элемента — это атом , и все атомы конкретного элемента идентичны.

Части атома

У атома есть две части ( Рисунок ниже):

• В центре атома находится ядро ​​, состоящее из двух типов частиц, называемых протонами и нейтронами.
  • Протоны имеют положительный электрический заряд. Количество протонов в ядре определяет, каким элементом является атом.
  • Нейтроны размером примерно с протон, но не имеют заряда.
• Электроны , намного меньшие, чем протоны или нейтроны, имеют отрицательный электрический заряд, движутся почти со скоростью света и вращаются вокруг ядра на точных расстояниях, в зависимости от их энергии.

Основные части атома. Что это за химический элемент? (Подсказка: 3 протона, 3 электрона)

Атомная масса

Поскольку электроны мизерны по сравнению с протонами и нейтронами, количество протонов плюс нейтроны дает атому атомную массу .Все атомы данного элемента всегда имеют одинаковое количество протонов, но могут отличаться по количеству нейтронов, обнаруженных в ядре.

Ионы

Атомы стабильны, когда они имеют полный внешний уровень энергии электронов. Чтобы заполнить свою внешнюю оболочку, атом будет отдавать, брать или делиться электронами. Когда атом либо приобретает, либо теряет электроны, это создает ион . Ионы имеют положительный или отрицательный электрический заряд. Каков заряд иона, если атом теряет электрон? Атом с таким же количеством протонов и электронов не имеет общего заряда, поэтому, если атом теряет отрицательно заряженный электрон, у него будет больше протонов, следовательно, и положительный заряд.Ионы с положительным зарядом называются катионом . Каков заряд иона, если атом получает электрон? Если атом получит электрон, электронов будет больше, и он будет иметь отрицательный заряд. Анионы — это ионы с отрицательным зарядом.

Молекулы

В предыдущем разделе мы сказали, что многие атомы более стабильны, когда у них есть чистый заряд: они более стабильны как ионы. Когда катион приближается к аниону, они соединяются из-за разных чистых зарядов — положительные заряды притягивают отрицательные, и наоборот.Когда два или более атома соединяются, они образуют молекулу . Молекула воды состоит из двух атомов водорода (H) и одного атома кислорода (O). Молекулярная масса — это сумма масс всех атомов в молекуле. Набор молекул называется составом.

Сводка

• У атома есть отрицательно заряженные электроны на орбите вокруг своего ядра, которое состоит из положительно заряженных протонов и нейтронов, которые не имеют заряда.
• Атом, который получает или теряет электроны, — это ион.Положительно заряженные ионы — это катионы, отрицательно заряженные ионы — это анионы.

атомов, молекул и соединений | manoa.hawaii.edu/ExploringOurFluidEarth

Химические структуры

Свойства элементов и соединений определяются их структурой. Простейшей структурной единицей элемента является атом. Атомы очень маленькие. Сто миллионов (100000000) атомов водорода, поставленных рядом, имеют длину всего один сантиметр!

Некоторые элементы являются одноатомными , что означает, что они состоят из одного ( mon- ) атома ( -атомное ) в их молекулярной форме.Гелий (He, см. Рис. 2.8) является примером одноатомного элемента. Другие элементы содержат два или более атомов в своей молекулярной форме (рис. 2.8). Например, молекулы водорода (H ₂ ), кислорода (O ₂ ) и хлора (Cl ₂ ) содержат по два атома каждая. Другая форма кислорода, озон (O ₃ ), имеет три атома, а сера (S ₈ ) имеет восемь атомов. Все элементарные молекулы состоят из атомов одного элемента.

---

Молекулы соединений имеют атомы двух или более различных элементов.Например, вода (H ₂ O) имеет три атома, два атома водорода (H) и один атом кислорода (O). Метан (CH ₄ ), обычный парниковый газ, состоит из пяти атомов: одного углерода (C) и четырех атомов водорода (H, см. Рис. 2.9).

---

Электростатические силы

Электростатические силы удерживают атомы в молекулах. Электростатические силы, удерживающие атомы вместе в молекулах, представляют собой силы того же типа, которые вызывают статическое электричество.Распространенные примеры статического электричества — это когда кто-то получает электрический ток, когда тянется к дверной ручке, или когда волосы ребенка вздымаются, когда он спускается с пластиковой горки (рис. 2.10).

---

Деятельность

Определите, как взаимодействует заряженная материя.

Части атомов

Частицы, составляющие атом, называются субатомными частицами ( sub — означает «меньший размер»). Эти частицы —

• протон (p ⁺ ), который заряжен положительно (+);
• электрон (е ^— ), который отрицательно (-) заряжен; и
• нейтрон (n ⁰ ), который не имеет заряда, он нейтрален (0).

Протоны и нейтроны занимают ядро ​​, или центр атома. Электроны существуют в областях, называемых оболочками вне ядра атома (рис. 2.11).

Электростатические силы удерживают атомы вместе в молекулах — как два атома водорода, удерживаемые вместе в газе h3. Электростатические силы также удерживают электроны и протоны вместе в атоме. Притяжение между отрицательно заряженными электронами и положительно заряженными протонами в атоме придает атому его структуру.Сильная сила удерживает нейтроны и протоны вместе в ядре. Эта сила получила свое название, потому что она достаточно сильна, чтобы преодолеть силу отталкивания положительно заряженных протонов. Количество электронов и протонов в атоме определяет его химические свойства. Химические свойства включают особые способы реакции атомов и молекул, а также энергию, которую они выделяют или используют в этих реакциях.

Размер субатомных частиц

Сто миллионов (100 000 000) атомов водорода, поставленных рядом, равняются примерно сантиметру.Протоны и нейтроны имеют примерно одну тысячную (1/1000) диаметра атома водорода. Это означает, что потребуется около ста миллиардов (100000000000) протонов или нейтронов, поставленных рядом, чтобы равняться сантиметру. Электроны составляют примерно одну тысячную (1/1000) диаметра протона или нейтрона. Это означает, что потребуется сто триллионов (100 000 000 000 000) электронов, поставленных бок о бок, чтобы равняться сантиметру!

Нейтральные атомы

Субатомные частицы в атоме определяют свойства атома.Некоторые атомы в природе существуют как нейтральные или незаряженные атомы. Один незаряженный атом имеет равное количество протонов (+) и электронов (-). Незаряженный атом электрически нейтрален, потому что электроны и протоны имеют противоположные заряды равных размеров. Когда количество протонов и электронов в атоме одинаково, заряды компенсируются или противодействуют друг другу.

Протоны и нейтроны

Каждый атом определенного элемента имеет одинаковое количество протонов. Атомный номер равен количеству протонов в элементе.В периодической таблице атомный номер обычно указывается как целое число над символом элемента (см. Рис. 2.13). Например, водород (H) имеет атомный номер один (1). Это означает, что у атома водорода есть один протон. Если атом водорода нейтрален, он также должен иметь один электрон. Атом кислорода (O) имеет атомный номер восемь (8). Это означает, что у нейтрального атома кислорода восемь протонов и восемь электронов. Элемент Actium (Ac) имеет атомный номер 89, поэтому у него 89 протонов и 89 электронов в нейтральном атоме.Таблица 2.2 показывает атомный номер, атомный символ, атомную структуру и количество протонов, нейтронов и электронов для первых трех элементов.

Таблица 2.2. Первые три элемента в периодической таблице, показывающие атомные номера, атомные символы, количество протонов, количество электронов, количество нейтронов и атомную структуру.

	Водород	Гелий	Литий
Атомный номер	1	2	3
Атомный символ	H	He	Ли
Число протонов	1	2	3
Число электронов	1	2	3
Число нейтронов	0	2	4
Атомная структура

Нейтроны влияют на массу атома и играют роль в стабильности атомов.В отличие от протонов, количество нейтронов в элементах разное. Например, у большинства атомов водорода нет нейтронов, но у некоторых есть один нейтрон, а у некоторых редких атомов водорода есть два нейтрона. У большинства атомов гелия есть два нейтрона, но у некоторых есть три нейтрона.

Периоды, группы и периодическая таблица

Периодическая таблица (рис. 2.12) — широко используемый метод организации элементов, который предоставляет полезную информацию об элементах и ​​их поведении.На рис. 2.12 элементы синего цвета — это металлы, а элементы желтого — неметаллы. На рис. 2.13 запись для водорода показывает расположение атомного номера, символа элемента, имени элемента и атомного веса.

---

Периодическая таблица Менделеева имеет три характерные особенности. Во-первых, таблица Менделеева выстроена в горизонтальные ряды, которые называются периодами , . Есть семь периодов. В периоде 1 есть два элемента: водород (H) и гелий (He).Второй и третий периоды содержат восемь элементов, четвертый и пятый периоды содержат 18 элементов, а шестой и седьмой периоды содержат 32 элемента.

Во-вторых, все элементы перечислены последовательно в соответствии с их атомными номерами. Атомный номер соответствует количеству протонов и находится над символом элемента. Например, на рисунке 2.13 атомный номер водорода равен 1, что соответствует H.

.

---

В-третьих, периодическая таблица состоит из столбцов элементов, которые реагируют одинаково.Эти столбцы называются группами . Номер группы находится вверху столбца. Группы 1–12 содержат только металлы, группы 13–16 содержат как металлы, так и неметаллы, а группы 17 и 18 содержат только неметаллы. Единственное исключение — водород. Хотя технически это неметалл, водород обладает свойствами как металлов, так и неметаллов, и его часто помещают в группу 1. Две длинные строки в нижней части периодической таблицы являются исключением. Элементы в каждой из этих строк ведут себя одинаково, поэтому считаются группами.Эти две группы расположены не столбцами, а строками.

Металлы и неметаллы

Металлы — это элементы, проводящие тепло и электричество. Металлы обычно ковкие, , их можно гнуть или формовать без разрушения, а — блестящие, или блестящие. Большинство металлов имеют серебристый цвет (рис. 2.14 A – C), хотя некоторые нет, как медь (Cu, рис. 2.14 D). Большинство металлов твердые при комнатной температуре. Единственным исключением является ртуть (Hg), которая при комнатной температуре является жидкостью (рис.2.14 А). Элементы группы 1, включая литий (Li), натрий (Na, рис. 2.14 B), калий (K, рис. 2.14 C) и рубидий (Rb), являются металлами. Эти металлические элементы Группы 1 имеют аналогичные реакционные свойства. На рис. 2.12 металлы показаны синим цветом.

---

---

Неметаллы плохо проводят тепло и электричество; они не блестящие и существуют в природе в виде твердых тел, жидкостей или газов. В твердом состоянии неметаллы имеют тенденцию быть хрупкими, например сера, которая расслаивается, а не изгибается, как металл (рис.2,15 А). Элементы группы 17, включая фтор (F ₂ ), хлор (Cl ₂ , рис. 2.15 B), бром (Br ₂ , рис. 2.15 C) и йод (I ₂ , рис. 2.15 D), все неметаллы. Неметаллы в Группе 17 все двухатомные (два атома) в своей элементарной форме и имеют аналогичные реакционные свойства. На рис. 2.12 неметаллы показаны желтым цветом.

---

---

См. Таблицу 2.3, где представлена ​​сводная информация о свойствах металлов и неметаллов.

Таблица 2.3. Свойства металлов и неметаллов

	Металлы	Неметаллы
Физические свойства	Хороший проводник тепла и электричества	Плохой проводник тепла и электричества
	Ковкий — можно бить или деформировать без трещин; податливый	Хрупкий
	Дуктильный — может быть превращен в проволоку	непластичный
	Блестящий	Не блестящий, может быть непрозрачным или прозрачным
	Твердое вещество при комнатной температуре (кроме Hg и некоторых других металлов, находящихся в жидком состоянии при комнатной температуре или близкой к ней)	Твердое, жидкое или газообразное при комнатной температуре
Химические свойства	Обычно имеют 1-3 валентных электрона	Обычно имеют 4-8 валентных электронов
	Имеют тенденцию терять валентные электроны	Накапливают электроны

Другие организационные особенности Периодической таблицы элементов

Есть и другие организационные особенности таблицы Менделеева.Большинство периодов имеют первый элемент периода в группе 1 и последний элемент в группе 18. Исключением является первый период. На рис. 2.12 водород (H) находится в группе 1. Иногда водород (H) помещается в группу 17, выше фтора (F), потому что он имеет свойства, аналогичные неметаллам в этой группе; например, в элементарном состоянии водород существует в виде двухатомного газа h3. Иногда водород помещают в группы 1 и 17.

Группы элементов имеют похожие свойства.Свойства некоторых групп настолько уникальны или важны, что группы называются специальными именами. Последняя группа, группа 18, включает гелий (He), неон (Ne), аргон (Ar), криптон (Kr), ксенон (Xe) и радон (Rn). Элементы этой группы называются благородными газами. Благородные газы редко вступают в реакцию с другими элементами. Благородные газы имеют множество применений, например, они используются в неоновых вывесках (рис. 2.16).

Группа 1 часто называется щелочными металлами, группа 2 — щелочноземельными металлами, а группа 17 — галогенами.Две группы, расположенные в нижней части таблицы Менделеева в строках, называются серией редкоземельных элементов лантаноидов (верхняя строка) и серией актинидов (нижняя строка).

Что такое молекулы? — Вселенная сегодня

На протяжении тысячелетий ученые размышляли над загадкой жизни, а именно над тем, что входит в ее создание? Согласно большинству древних культур, жизнь и все сущее состояли из основных элементов природы — Земли, Воздуха, Ветра, Воды и Огня.Однако со временем многие философы начали выдвигать идею, что все вещи состоят из крошечных неделимых вещей, которые нельзя ни создать, ни уничтожить (то есть частицы).

Однако это было в значительной степени философское понятие, и только после появления атомной теории и современной химии ученые начали постулировать, что частицы, взятые вместе, образуют основные строительные блоки всех вещей. Они называли их молекулами, происходящими от латинского слова «моль» (что означает «масса» или «барьер»).Но используемый в контексте современной теории частиц этот термин относится к малым единицам массы.

определение:

Согласно классическому определению, молекула — это мельчайшая частица вещества, которая сохраняет химические и физические свойства этого вещества. Они состоят из двух или более атомов, группы одинаковых или разных атомов, удерживаемых вместе химическими силами.

Впечатление художника о простых и сложных органических (углеродсодержащих) молекулах, обнаруженных в космосе.Авторы и права: МАК / НАСА / NOAO / ESA / Группа по туманности Хаббл-Спираль / М. Meixner / STScI / T.A. Rector / NRAO

Может состоять из атомов одного химического элемента, как в случае кислорода (O2), или из различных элементов, как в случае воды (h3O). Как компоненты материи, молекулы являются обычным явлением в органических веществах (и, следовательно, в биохимии) и позволяют создавать живительные элементы, такие как жидкая вода и пригодная для дыхания атмосфера.

Виды облигаций:

Молекулы удерживаются вместе одним из двух типов связей — ковалентными связями или ионными связями.Ковалентная связь — это химическая связь, которая включает обмен электронными парами между атомами. Связь, которую они образуют, которая является результатом стабильного баланса сил притяжения и отталкивания между атомами, известна как ковалентная связь.

Ионная связь, напротив, представляет собой тип химической связи, которая включает электростатическое притяжение между противоположно заряженными ионами. Ионы, участвующие в такой связи, — это атомы, которые потеряли один или несколько электронов (называемые катионами), и те, которые приобрели один или несколько электронов (называемые анионами).В отличие от ковалентности этот перенос называется электровалантом.

В простейших формах ковелантные связи образуются между атомом металла (как катион) и атомом неметалла (анион), что приводит к таким соединениям, как хлорид натрия (NaCl) или оксид железа (Fe²O³), также известные как. соль и ржавчина. Однако могут быть сделаны и более сложные устройства, такие как аммоний (NH ⁴⁺ ) или углеводороды, такие как метан (CH ⁴ ) и этан (H³CCH³).

Схема молекулы воды, состоящей из двух атомов водорода и одного атома кислорода.Кредит: britannica.com

История обучения

Исторически молекулярная теория и атомная теория взаимосвязаны. Первое зарегистрированное упоминание о том, что материя состоит из «дискретных единиц», началось в древней Индии, где приверженцы джайнизма придерживались представления о том, что все вещи состоят из небольших неделимых элементов, которые объединяются в более сложные объекты.

В Древней Греции философы Левкипп и Демокрит придумали термин «атомос» для обозначения «мельчайших неделимых частей материи», от которого мы получили современный термин «атом».

Затем в 1661 году натуралист Роберт Бойль в своем трактате по химии под названием « The Skeptical Chymist » утверждал, что материя состоит из различных комбинаций «корпускул», а не земли, воздуха, ветра, воды и огня. Тем не мение. эти наблюдения были ограничены областью философии.

Только в конце 18 и начале 19 века законы сохранения массы Антуана Лавуазье и закон множественных пропорций Дальтона привели атомы и молекулы в область точных наук.Первый предположил, что элементы являются основными веществами, которые не могут быть подвергнуты дальнейшему разложению, в то время как последний предположил, что каждый элемент состоит из одного уникального типа атома и что они могут соединяться вместе, образуя химические соединения.

Различные атомы и молекулы, изображенные в книге Джона Далтона «Новая система химической философии» (1808). Предоставлено: общественное достояние

Еще одно благо произошло в 1865 году, когда Иоганн Йозеф Лошмидт измерил размер молекул, составляющих воздух, тем самым придав молекулам ощущение масштаба.Изобретение в 1981 году сканирующего туннельного микроскопа (СТМ) позволило впервые непосредственно наблюдать за атомами и молекулами.

Сегодня наша концепция молекул уточняется благодаря продолжающимся исследованиям в области квантовой физики, органической химии и биохимии. И когда дело доходит до поиска жизни в других мирах, очень важно понимать, что нужно органическим молекулам, чтобы возникать из комбинации химических строительных блоков.

Мы написали много интересных статей о молекулах для Universe Today. Вот молекулы из космоса, которые могли повлиять на жизнь на Земле, молекулы пребиотиков могут образовываться в атмосферах экзопланет, органические молекулы, обнаруженные за пределами нашей Солнечной системы, «конечные» молекулы пребиотиков, обнаруженные в межзвездном пространстве.

Для получения дополнительной информации посетите страницу Энциклопедии Британника о молекулах.

Мы также записали целый эпизод Astronomy Cast, посвященный молекулам в космосе.Слушайте, Эпизод 116: Молекулы в космосе.

Источники:

Как это:

Нравится Загрузка …

Что такое атом? | Живая наука

Атомы являются основными единицами материи и определяющей структурой элементов. Термин «атом» происходит от греческого слова «неделимый», потому что когда-то считалось, что атомы — самые маленькие объекты во Вселенной и не могут быть разделены. Теперь мы знаем, что атомы состоят из трех частиц: протонов, нейтронов и электронов, которые состоят из еще более мелких частиц, таких как кварков и .

Атомы были созданы после Большого взрыва 13,7 миллиарда лет назад. Когда горячая и плотная новая Вселенная остыла, условия стали подходящими для образования кварков и электронов. Кварки собрались вместе, чтобы сформировать протоны и нейтроны, и эти частицы объединились в ядра. Все это произошло в течение первых нескольких минут существования Вселенной, согласно CERN .

Вселенной потребовалось 380 000 лет, чтобы остыть достаточно, чтобы замедлить электроны, чтобы ядра могли захватить их и сформировать первые атомы.Согласно Jefferson Lab , самыми ранними атомами были в основном водород и гелий , которые до сих пор являются самыми распространенными элементами во Вселенной. Гравитация в конечном итоге заставила облака газа слиться и образовать звезды, а более тяжелые атомы были (и до сих пор создаются) внутри звезд и разносятся по Вселенной, когда звезда взрывается (сверхновая).

Атомные частицы

Протоны и нейтроны тяжелее электронов и находятся в ядре в центре атома.Электроны чрезвычайно легкие и существуют в облаке, вращающемся вокруг ядра. По данным Лос-Аламосской национальной лаборатории , электронное облако имеет радиус в 10 000 раз больше, чем ядро.

Протоны и нейтроны имеют примерно одинаковую массу. Однако один протон примерно в 1835 раз массивнее электрона. Атомы всегда имеют равное количество протонов и электронов, и количество протонов и нейтронов также обычно одинаково. Добавление протона к атому создает новый элемент, а добавление нейтрона создает изотоп или более тяжелую версию этого атома.

Ядро

Ядро было открыто в 1911 году Эрнестом Резерфордом, физиком из Новой Зеландии. В 1920 году Резерфорд предложил название протон для положительно заряженных частиц атома. Он также предположил, что в ядре есть нейтральная частица, что Джеймс Чедвик, британский физик и ученик Резерфорда, смог подтвердить в 1932 году.

Согласно Chemistry, практически вся масса атома находится в его ядре. ЛибреТекст .Протоны и нейтроны, составляющие ядро, имеют примерно одинаковую массу (протон немного меньше) и имеют одинаковый угловой момент или спин.

Ядро удерживается вместе сильной силой , одной из четырех основных сил в природе. Эта сила между протонами и нейтронами преодолевает электрическую силу отталкивания, которая в противном случае раздвигала бы протоны в соответствии с законами электричества. Некоторые атомные ядра нестабильны, потому что сила связи различается для разных атомов в зависимости от размера ядра.Затем эти атомы распадаются на другие элементы, такие как углерод-14, распадающийся на азот-14.

Вот простой рисунок структуры атома. (Изображение предоставлено Shutterstock)

Протоны

Протоны — это положительно заряженные частицы, находящиеся в атомных ядрах. Резерфорд открыл их в экспериментах с электронно-лучевыми трубками, которые проводились между 1911 и 1919 годами. Протоны примерно на 99,86% массивнее нейтронов.

Число протонов в атоме уникально для каждого элемента.Например, атомов углерода, атомов имеют шесть протонов, атомов водорода, атомов — один и атомов кислорода, атомов — восемь. Число протонов в атоме называется атомным номером этого элемента. Число протонов также определяет химическое поведение элемента. Элементы расположены в Периодической таблице элементов в порядке возрастания атомного номера.

Три кварка составляют каждый протон — два «верхних» кварка (каждый с положительным зарядом в две трети) и один «нижний» кварк (с отрицательным зарядом в одну треть) — и они удерживаются вместе другими субатомными частицами, называемыми безмассовые глюоны.

Электроны

Электроны крошечные по сравнению с протонами и нейтронами, более чем в 1800 раз меньше, чем протон или нейтрон. Согласно Jefferson Lab , электроны примерно на 0,054% массивнее нейтронов.

Джозеф Джон (Дж.Дж.) Томсон, британский физик, открыл электрон в 1897 году, согласно Science History Institute . Первоначально известные как «корпускулы», электроны имеют отрицательный заряд и электрически притягиваются к положительно заряженным протонам.Электроны окружают атомное ядро ​​путями, называемыми орбиталями, — идея, выдвинутая Эрвином Шредингером, австрийским физиком, в 1920-х годах. Сегодня эта модель известна как квантовая модель или модель электронного облака. Внутренние орбитали, окружающие атом, имеют сферическую форму, но внешние орбитали намного сложнее.

Электронная конфигурация атома относится к расположению электронов в типичном атоме. Используя электронную конфигурацию и принципы физики, химики могут предсказать свойства атома, такие как стабильность, температура кипения и проводимость, согласно данным Los Alamos National Laboratory .

Нейтроны

Существование нейтрона было теоретизировано Резерфордом в 1920 году и обнаружено Чедвиком в 1932 году, согласно Американскому физическому обществу . Нейтроны были обнаружены в ходе экспериментов, когда атомы стреляли в тонкий лист бериллия . Были выпущены субатомные частицы без заряда — нейтрон.

Нейтроны — это незаряженные частицы, находящиеся во всех атомных ядрах (кроме водорода). Масса нейтрона немного больше массы протона.Как и протоны, нейтроны также состоят из кварков — одного кварка «вверх» (с положительным зарядом 2/3) и двух кварков «вниз» (каждый с отрицательным зарядом в одну треть).

История атома

Теория атома восходит, по крайней мере, к 440 году до нашей эры. Демокриту, греческому ученому и философу. Демокрит, скорее всего, построил свою теорию атомов на трудах философов прошлого, согласно Эндрю Г. Ван Мелсену, автору книги «От атомоса к атому: история концепции атома» (Duquesne University Press, 1952).

Объяснение атома Демокритом начинается с камня. Разрезанный пополам камень дает две половинки одного и того же камня. Если бы камень резался непрерывно, в какой-то момент существовал бы кусок камня, достаточно маленький, чтобы его больше нельзя было разрезать. Термин «атом» происходит от греческого слова «неделимый», которое, по заключению Демокрита, должно быть точкой, в которой существо (любая форма материи) больше не может быть разделено.

Его объяснение включало идеи о том, что атомы существуют отдельно друг от друга, что существует бесконечное количество атомов, что атомы могут двигаться, что они могут объединяться вместе, чтобы создать материю, но не сливаются, чтобы стать новым атомом, и что они не могут быть разделены, согласно Universe Today .Однако, поскольку большинство философов того времени — особенно очень влиятельный Аристотель — считали, что вся материя была создана из земли, воздуха, огня и воды, атомная теория Демокрита была отложена.

Джон Далтон, британский химик, опирался на идеи Демокрита в 1803 году, когда он выдвинул свою собственную атомную теорию, согласно данным химического факультета Университета Пердью . Теория Дальтона включала несколько идей Демокрита, например, атомы неделимы и неразрушимы и что разные атомы образуются вместе, чтобы создать всю материю.Дополнения Дальтона к теории включали следующие идеи: что все атомы определенного элемента были идентичны, что атомы одного элемента будут иметь другой вес и свойства, чем атомы другого элемента, что атомы не могут быть созданы или разрушены и что материя образована атомы, соединяющиеся в простые целые числа.

Томсон, британский физик, открывший электрон в 1897 году, доказал, что атомы можно разделить, согласно Chemical Heritage Foundation .Он смог определить существование электронов, изучая свойства электрического разряда в электронно-лучевых трубках. Согласно статье Томсона 1897 года, лучи отклонялись внутри трубки, что доказывало, что внутри вакуумной трубки было что-то отрицательно заряженное. В 1899 году Томсон опубликовал описание своей версии атома, широко известной как «модель сливового пудинга». Выдержка из этой статьи находится на сайте Chem Team . Модель атома Томсона включала большое количество электронов, подвешенных в чем-то, что производило положительный заряд, придающий атому общий нейтральный заряд.Его модель напоминала сливовый пудинг, популярный британский десерт с изюмом, подвешенным в круглом шаре, похожем на торт.

Следующим ученым, изменившим и усовершенствовавшим атомную модель, был Резерфорд, который учился под руководством Томсона, согласно химическому факультету Университета Пердью . В 1911 году Резерфорд опубликовал свою версию атома, которая включала положительно заряженное ядро, вращающееся вокруг электронов. Эта модель возникла, когда Резерфорд и его помощники стреляли альфа-частицами в тонкие листы золота.По данным лаборатории Джефферсона, альфа-частица состоит из двух протонов и двух нейтронов, удерживаемых вместе одной и той же сильной ядерной силой, которая связывает ядро.

Ученые заметили, что небольшой процент альфа-частиц был рассеян под очень большими углами к первоначальному направлению движения, в то время как большая часть прошла сквозь них практически без помех. Резерфорд смог приблизительно определить размер ядра атома золота, обнаружив, что оно по крайней мере в 10 000 раз меньше, чем размер всего атома, причем большая часть атома представляет собой пустое пространство.Модель атома Резерфорда по-прежнему является основной моделью, которая используется сегодня.

Несколько других ученых продвинули модель атома, в том числе Нильс Бор (построенный на модели Резерфорда с включением свойств электронов на основе спектра водорода), Эрвин Шредингер (разработал квантовую модель атома), Вернер Гейзенберг (заявил, что один не может знать одновременно положение и скорость электрона), а также Мюррей Гелл-Манн и Джордж Цвейг (независимо разработали теорию о том, что протоны и нейтроны состоят из кварков).

Дополнительные ресурсы:

Эта статья была обновлена ​​10 сентября 2019 г. участником Live Science Трейси Педерсен.

Что такое атом?

Версия для печати

Наука 101 Комиссии по ядерному регулированию: Что такое атом?

Атом считается основным строительным блоком материи. Все, что имеет массу, другими словами, все, что занимает пространство, состоит из атомов. В то время как его название первоначально относилось к частице, которую невозможно больше разделить — наименьшей возможной вещи, — теперь мы знаем, что каждый атом обычно состоит из более мелких частиц.Учитывая, что эти частицы составляют атомы, их часто называют субатомными частицами. Есть три субатомных частицы: протоны, нейтроны и электроны.

Две субатомные частицы имеют электрические заряды: протоны имеют положительный заряд, а электроны — отрицательный. С другой стороны, нейтроны не имеют заряда. Основное правило состоит в том, что частицы с одинаковым зарядом отталкиваются друг от друга, а частицы с противоположным зарядом притягиваются друг к другу.Таким образом, как и противоположные концы магнита, протоны и электроны притягиваются друг к другу. Точно так же, как когда вы испытываете сопротивление, пытаясь сдвинуть одни и те же концы двух магнитов вместе, протоны отталкиваются от других протонов, а электроны отталкиваются от других электронов.

Ядро (или центр) атома состоит из протонов и нейтронов. Число протонов в ядре, известное как «атомный номер», в первую очередь определяет место этого атома в Периодической таблице.Число протонов в ядре также в значительной степени определяет характеристики атома — будь то газ или металл, например.

Два атома с одинаковым числом протонов в ядрах принадлежат одному элементу. Элемент, такой как водород, кислород или железо, — это вещество, которое невозможно разложить — вне ядерной реакции — на что-либо еще. Другими словами, один элемент не может быть преобразован в другой (опять же, за исключением ядерных реакций).

Теперь, хотя протоны в элементе одинаковы, количество нейтронов может варьироваться от атома к атому.Количество нейтронов определяет изотоп атома. Это важно для NRC, потому что количество нейтронов относительно протонов определяет стабильность ядра, при этом некоторые изотопы подвергаются радиоактивному распаду. Хотя радиоактивный распад может происходить по-разному, это, проще говоря, процесс разрушения нестабильных атомов с высвобождением частиц (и энергии).

Вообще говоря, атомы с примерно одинаковым числом протонов и нейтронов более устойчивы к распаду.
Ядро атома окружено облаком электронов. Помните, что электроны заряжены отрицательно и притягиваются к положительно заряженным протонам в ядре. Атом считается электрически нейтральным, если в нем равное количество протонов и электронов. Если в атоме разное количество электронов и протонов, он называется ионом.

Важно знать, что электроны могут передаваться от одного атома к другому или даже разделяться между атомами (позволяя атомам связываться друг с другом).Эти связи позволяют образовывать молекулы, комбинации атомов (в том числе различных элементов). Подобно тому, как несколько атомов составляют молекулу, многие молекулы составляют химическое вещество.

Комиссия по ядерному регулированию США — это независимое федеральное правительственное учреждение, ответственное за регулирование коммерческого использования ядерных материалов. Этот документ не защищен авторскими правами и может быть воспроизведен в образовательных целях.

Страница Последняя редакция / обновление 19 марта 2020 г.

3.2. Элементы и соединения — Biology LibreTexts

Структура атома

Атом — самая маленькая частица элемента, которая все еще обладает свойствами этого элемента. Каждое вещество состоит из атомов. Атомы чрезвычайно малы, обычно около одной десятимиллиардной метра в диаметре. Однако атомы не имеют четко определенных границ, как предполагает атомная модель, показанная на рисунке \ (\ PageIndex {2} \). Атом состоит из субатомных частиц. Мы будем обсуждать только протон , нейтрон и электрон .

Таблица \ (\ PageIndex {1} \): субатомные частицы

Частица	Протон	Нейтрон	Электрон
Электрический заряд	+1	0	-1
Расположение	Ядро	Ядро	Вне ядра
Масса	1 а.е.м.	1 а.е.м.	~ 0 а.е.м.

Рисунок \ (\ PageIndex {2} \): модель атома углерода.Углерод имеет 6 протонов и 6 нейтронов (находится в ядре). На изображении также показаны 6 электронов вне ядра на 2 отдельных орбиталях.

Если количество протонов и электронов в атоме равно, то атом электрически нейтрален, потому что положительный и отрицательный заряды взаимно компенсируются. Если у атома больше или меньше электронов, чем протонов, то он имеет общий отрицательный или положительный заряд, соответственно, и называется ионом .

Отрицательно заряженные электроны атома притягиваются к положительно заряженным протонам в ядре силой, называемой электромагнитной силой, которой притягиваются противоположные заряды.Электромагнитная сила между протонами в ядре заставляет эти субатомные частицы отталкиваться друг от друга, потому что они имеют одинаковый заряд. Однако протоны и нейтроны в ядре притягиваются друг к другу другой силой, называемой ядерной силой , , которая обычно сильнее, чем электромагнитная сила, отталкивающая положительно заряженные протоны друг от друга.

Соединения и молекулы

Соединение — это уникальное вещество, состоящее из двух или более элементов, объединенных в фиксированных пропорциях.Это означает, что состав соединения всегда один и тот же. Самая маленькая частица большинства соединений в живых существах называется молекулой . Рассмотрим для примера воду. Молекула воды всегда содержит один атом кислорода и два атома водорода. Состав воды выражается химической формулой H ₂ O. Модель молекулы воды показана на рисунке \ (\ PageIndex {4} \). Обратите внимание, что молекулы могут быть нарисованы по-разному, но представляют собой одну и ту же молекулу.В данном случае молекула состоит из одного кислорода и двух атомов водорода.

Что заставляет атомы молекулы воды «слипаться»? Ответ — химические связи. Химическая связь — это сила, которая удерживает вместе атомы молекул. Связи в молекулах включают атомы, разделяющие электроны. Новые химические связи образуются, когда вещества вступают в реакцию друг с другом.

Рисунок \ (\ PageIndex {4} \): Молекула воды. Молекула воды всегда имеет такой состав: один атом кислорода и два атома водорода.

Обзор

1. Что такое элемент? Приведите три примера.
2. Определите соединение. Объясните, как образуются соединения.
3. Сравните и сопоставьте атомы и молекулы.
4. Соединение, называемое водой, можно разложить на составные элементы, приложив к нему электрический ток. Какое соотношение элементов получается в этом процессе?
5. Относите ионы к элементам и атомам.
6. Что является самым важным элементом жизни?
7. Оксид железа часто называют ржавчиной — красноватое вещество, которое можно найти на корродированном металле.Химическая формула этого типа оксида железа — Fe2O3. Ответьте на следующие вопросы об оксиде железа и кратко объясните каждый ответ.
   1. Оксид железа — это элемент или соединение?
   2. Можно ли считать одну частицу оксида железа молекулой или атомом?
   3. Опишите относительную долю атомов в оксиде железа.