Страница 15 - гдз по химии 10 класс учебник Рудзитис, Фельдман

Приведите примеры, доказывающие, что атомы имеют сложное строение.

1. Открытие электрона

В 1897 году английский физик Дж. Дж. Томсон, изучая электрический разряд в вакуумных трубках, обнаружил катодные лучи. Он установил, что эти лучи являются потоком мельчайших отрицательно заряженных частиц, масса которых почти в 2000 раз меньше массы самого легкого из атомов — атома водорода. Эти частицы были названы электронами. Так как атомы в целом электрически нейтральны, открытие отрицательного электрона в составе атома означало, что в атоме должна быть и положительно заряженная часть для компенсации заряда.

Ответ: Открытие частицы (электрона), которая меньше атома и входит в его состав, стало первым прямым доказательством того, что атом не является неделимым, а имеет сложную внутреннюю структуру.

2. Явление радиоактивности

В 1896 году Анри Беккерель, а затем Пьер и Мария Кюри обнаружили, что атомы некоторых тяжелых элементов, таких как уран и радий, способны к самопроизвольному распаду. В процессе этого распада они испускают различные виды излучений: альфа-частицы (положительно заряженные ядра гелия), бета-частицы (электроны) и гамма-лучи (высокоэнергетическое излучение). В результате радиоактивного распада атом одного элемента превращается в атом другого элемента.

Ответ: Способность атомов самопроизвольно распадаться и испускать из себя другие частицы неопровержимо доказывает, что они обладают сложным внутренним строением и не являются элементарными.

3. Опыты по рассеянию альфа-частиц (опыт Резерфорда)

В 1909–1911 годах Эрнест Резерфорд с коллегами провел эксперимент, в котором тонкая золотая фольга бомбардировалась потоком альфа-частиц. Большинство частиц пролетало сквозь фольгу практически без отклонения, однако небольшая часть отклонялась на значительные углы, а некоторые даже отскакивали назад. Это было бы невозможно, если бы масса и заряд атома были равномерно распределены по всему его объему.

Ответ: Результаты опыта Резерфорда привели к созданию планетарной модели атома. Было доказано, что атом состоит из очень маленького, плотного, положительно заряженного ядра, в котором сконцентрирована почти вся масса, и вращающихся вокруг него на большом расстоянии легких отрицательных электронов. Это наглядно продемонстрировало сложную и неоднородную структуру атома.

4. Существование ионов и изотопов

Явление ионизации — способность атома терять или приобретать один или несколько электронов, превращаясь в заряженную частицу (ион) — широко распространено в природе и технике (например, при электризации тел трением или в электролитах). Также было открыто существование изотопов — разновидностей атомов одного и того же элемента, которые имеют одинаковое количество протонов (и одинаковый заряд ядра), но разное количество нейтронов (и разную массу).

Ответ: Возможность отделить от атома его часть (электрон) и существование разновидностей атомов (изотопов), отличающихся составом ядра, доказывают, что атом является составной системой, состоящей из различных элементарных частиц: протонов, нейтронов и электронов.

Какие элементарные частицы входят в состав атомного ядра?

Какие элементарные частицы входят в состав атомного ядра?

Атомное ядро — это центральная, положительно заряженная часть атома, в которой сосредоточена практически вся его масса. Согласно протонно-нейтронной модели строения ядра, оно состоит из частиц двух видов: протонов и нейтронов. Общее название для протонов и нейтронов — нуклоны (от латинского nucleus, что означает «ядро»).

Протоны (обозначаются как $p$ или $p^+$) — это стабильные субатомные частицы, обладающие положительным элементарным электрическим зарядом, равным по величине и противоположным по знаку заряду электрона ($+1e \approx +1.602 \times 10^{-19}$ Кл). Число протонов в ядре, называемое зарядовым числом ($Z$), определяет порядковый номер химического элемента в Периодической системе Д.И. Менделеева и его химические свойства.

Нейтроны (обозначаются как $n$ или $n^0$) — это субатомные частицы, не имеющие электрического заряда (электрически нейтральные). Масса нейтрона незначительно превышает массу протона. Нейтроны играют ключевую роль в стабильности ядра. Они участвуют в сильном ядерном взаимодействии, которое удерживает нуклоны вместе, преодолевая электростатическое отталкивание между положительно заряженными протонами. Атомы одного и того же элемента, имеющие разное число нейтронов в ядре, называются изотопами.

Следует отметить, что, несмотря на название вопроса, протоны и нейтроны не являются элементарными частицами в строгом смысле этого слова, так как они имеют внутреннюю структуру. В рамках Стандартной модели физики элементарных частиц, протоны и нейтроны являются составными частицами (адронами), которые состоят из еще более фундаментальных частиц — кварков.

Кварковый состав нуклонов следующий: • Протон состоит из двух верхних кварков ($u$) и одного нижнего кварка ($d$). Его формула — $uud$. • Нейтрон состоит из одного верхнего кварка ($u$) и двух нижних кварков ($d$). Его формула — $udd$.

Кварки внутри протонов и нейтронов связаны между собой сильнейшими из известных в природе сил — сильным ядерным взаимодействием, переносчиками которого являются другие элементарные частицы — глюоны.

Ответ: В состав атомного ядра входят протоны и нейтроны (нуклоны). Однако сами протоны и нейтроны не являются элементарными частицами, а состоят из элементарных частиц — кварков, связанных глюонами.

Что называют энергетическим уровнем? Изобразите схемы строения атомов углерода, натрия, хлора и аргона.

Решение

Энергетическим уровнем (или электронным слоем) называют совокупность электронов в атоме, которые обладают близкими значениями энергии. Эти электроны движутся на примерно одинаковом расстоянии от ядра, образуя электронный слой. Число энергетических уровней в атоме элемента равно номеру периода, в котором этот элемент находится в Периодической системе Д.И. Менделеева. Максимальное число электронов $N$, которое может находиться на данном энергетическом уровне, определяется формулой $N = 2n^2$, где $n$ — номер уровня.

Ответ: Энергетический уровень — это область пространства вокруг ядра атома, в которой движутся электроны с близкими значениями энергии.

Углерод (C)
Углерод находится в Периодической системе под номером 6. Это означает, что заряд ядра его атома равен $+6$, а вокруг ядра вращаются 6 электронов. Так как углерод расположен во 2-м периоде, у его атома есть два энергетических уровня. На первом уровне размещаются 2 электрона, на втором (внешнем) — оставшиеся 4 электрона.
Электронная конфигурация атома углерода: $1s^22s^22p^2$.
Схема строения атома: $C (+6) )_2 )_4$
Ответ: Схема строения атома углерода: $C (+6) )_2 )_4$.

Натрий (Na)
Натрий имеет порядковый номер 11. Заряд ядра его атома равен $+11$, общее число электронов также 11. Натрий находится в 3-м периоде, следовательно, электроны в его атоме располагаются на трех энергетических уровнях. Распределение электронов по уровням: 2 на первом, 8 на втором и 1 на третьем (внешнем).
Электронная конфигурация атома натрия: $1s^22s^22p^63s^1$.
Схема строения атома: $Na (+11) )_2 )_8 )_1$
Ответ: Схема строения атома натрия: $Na (+11) )_2 )_8 )_1$.

Хлор (Cl)
Хлор — элемент с порядковым номером 17. Заряд ядра атома хлора $+17$, число электронов — 17. Хлор, как и натрий, расположен в 3-м периоде, поэтому его электроны занимают три энергетических уровня. На первом уровне — 2 электрона, на втором — 8, а на внешнем третьем уровне — 7 электронов.
Электронная конфигурация атома хлора: $1s^22s^22p^63s^23p^5$.
Схема строения атома: $Cl (+17) )_2 )_8 )_7$
Ответ: Схема строения атома хлора: $Cl (+17) )_2 )_8 )_7$.

Аргон (Ar)
Аргон имеет порядковый номер 18. Заряд ядра атома $+18$, вокруг него движутся 18 электронов. Аргон также находится в 3-м периоде, что означает наличие трех энергетических уровней. Электроны распределены следующим образом: 2 на первом уровне, 8 на втором и 8 на третьем. Внешний электронный уровень аргона является завершенным, что обуславливает его химическую инертность.
Электронная конфигурация атома аргона: $1s^22s^22p^63s^23p^6$.
Схема строения атома: $Ar (+18) )_2 )_8 )_8$
Ответ: Схема строения атома аргона: $Ar (+18) )_2 )_8 )_8$.