Анатомія атома

Частини атома

Кожен атом має три типи частинок:

Протони: мають позитивний заряд, розташовані в ядрі (центрі)

Нейтрони: не мають заряду, також розташовані в ядрі

Електрони: мають негативний заряд, обертаються навколо ядра в електронній хмарі

Ядро надзвичайно мале порівняно з цілим атомом. Якби атом був розміром із футбольний стадіон, ядро було б розміром із марбл на лінії 50 ярдів. Електрони ж були б комарами, що жужать навколо верхніх рядів сидінь.

Ось ключовий факт: кількість протонів визначає, який саме елемент є атом. Ця кількість називається атомним номером.

Кожен атом водню має рівно 1 протон. Кожен атом вуглецю має рівно 6. Кожен атом золота має рівно 79.

Змініть кількість протонів — і ви зміните елемент повністю.

Що робить елементом?

У золота 79 протонів. У заліза 26 протонів. Вони виглядають по-різному, мають різну текстуру та поведінку.

Але обидва вони є лише сукупністю протонів, нейтронів та електронів.

Карта Менделєєва

Найпотужніший шпаргалка в науці

У 1869 році російський хімік Дмитро Менделєєв зробив щось геніальне. Він записав відомі елементи на картках та розташував їх за атомною масою.

Він помітив, що елементи з подібними властивостями з'являлися через рівні інтервали: періодичний візерунок.

Він розташував їх у таблицю з рядами (періодами) та стовпцями (групами).

Геніальний хід: Менделєєв залишив прогалини. Він передбачив, що невідомі елементи займуть ці прогалини: і він мав рацію. Галій та германій були відкриті роками пізніше, майже ідеально збігаючись із його прогнозами.

Періоди (ряди): Кожен ряд представляє нову електронну оболонку, яка заповнюється.

Групи (стовпці): Елементи в одному стовпці мають однакову кількість зовнішніх електронів: саме тому вони поводяться подібно.

Таблиця приблизно поділяється на метали (ліворуч і в центрі: блискучі, провідні, пластичні), неметали (у правому верхньому куті: гази, крихкі тверді речовини) та металоїди (вздовж «сходинки»: мають властивості обох).

А потім є благородні гази у крайньому правому стовпці: гелій, неон, аргон. У них заповнені зовнішні електронні оболонки, тому вони майже ніколи не реагують з нічим. Це самотніки періодичної таблиці.

Закони в таблиці

Літій, натрій та калій усі знаходяться в 1-му стовпці періодичної таблиці. Усі три є м'якими металами, які бурхливо реагують з водою.

Фтор, хлор та бром усі знаходяться в 17-му стовпці. Усі три є високореактивними неметалами, які «люблять» забирати електрони від інших атомів.

Як атоми з’єднуються

Чому атоми утворюють зв’язки

Більшість атомів не є стабільними самі по собі. Вони прагнуть мати заповнену зовнішню електронну оболонку: так, як у благородних газів.

Щоб досягти цього, атоми утворюють зв’язки з іншими атомами двома основними способами:

Іонні зв’язки: один атом передає електрони іншому.

Столова сіль (NaCl) — класичний приклад. У натрію є 1 зовнішній електрон, який він хоче втратити. У хлору є 7 зовнішніх електронів, і йому потрібен ще 1. Натрій передає свій електрон хлору. Тепер обидва мають заповнені зовнішні оболонки: але натрій має позитивний заряд (втратив електрон), а хлор — негативний (отримав електрон). Протилежні заряди притягуються, і вони міцно з’єднуються.

Ковалентні зв’язки: атоми спільно використовують електрони.

Вода (H₂O) працює саме так. Кисню не вистачає 2 електрони. У кожного атома водню є 1 електрон, який можна поділити. Тож кисень ділиться електронами з двома атомами водню. Ніхто нічого не віддає остаточно: вони співпрацюють.

Іонні сполуки схильні утворювати кристали та розчинятися у воді. Ковалентні сполуки схильні утворювати молекули: окремі одиниці, такі як H₂O або CO₂.

Чому сіль розчиняється

Коли ви кидаєте кристалик солі у склянку води, він зникає. Тверде тіло розпадається, а іони натрію та хлору розходяться по воді.

Це відбувається тому, що вода є полярною молекулою: киснева сторона є дещо негативно зарядженою, а водневі сторони — дещо позитивно зарядженими.

Що таке реакція?

Реагенти перетворюються на продукти

Хімічна реакція відбувається, коли атоми перерозподіляють свої зв'язки, утворюючи нові речовини.

Початкові речовини називаються реагентами. Результати називаються продуктами.

Одне абсолютне правило: атоми ніколи не створюються і не руйнуються під час хімічної реакції. Це закон збереження маси. Кожен атом, що входить, повинен вийти: просто перерозподілений.

Реакції можуть бути екзотермічними (виділяють енергію: вогонь, вибухи, нагрівальні пакетики) або ендотермічними (поглинають енергію: холодові пакетики, фотосинтез, приготування яйця).

Хімія всюди:

- Іржа: залізо + кисень → оксид заліза. Повільна, екзотермічна.

- Горіння: паливо + кисень → вуглекислий газ + вода. Швидка, дуже екзотермічна.

- Фотосинтез: вуглекислий газ + вода + сонячне світло → глюкоза + кисень. Ендотермічна: рослина зберігає енергію Сонця в хімічних зв’язках.

Кожен із цих процесів — це просто атоми, які розривають старі зв’язки та утворюють нові.

Хімія іржі

Ви, ймовірно, бачили іржу на старих автомобілях, інструментах або цвяхах. Іржа утворюється повільно, але це справжня хімічна реакція.

Хімічне рівняння: 4Fe + 3O₂ → 2Fe₂O₃

Це читається так: чотири атоми заліза реагують з трьома молекулами кисню, утворюючи дві одиниці оксиду заліза (іржі).

Хімія у вашому житті

Ви живете всередині хімічної лабораторії

Хімія — це не лише те, що відбувається в колбах. Вона відбувається навколо вас постійно.

Готування: Коли ви смажите м’ясо або печете хліб, відбувається реакція Майяра: амінокислоти та цукри перестраюються в сотні нових смакових сполук.

Медицина: Кожний лікарський засіб — це молекула, створена для того, щоб вписуватися в специфічний рецептор у вашому тілі, як ключ у замок.

Матеріали: Екран, на якому ви читаєте це, існує завдяки тому, що хіміки зрозуміли, як створювати рідкокристалічні речовини, напівпровідники та полімерні плівки.

Батареї: Ваш телефон працює завдяки літій-іонній хімії: атоми літію переміщують електрони туди й назад між електродами.

Ваше тіло: Прямо зараз ферменти у ваших клітинах каталізують тисячі хімічних реакцій за секунду: розщеплюють їжу, будують білки, копіюють ДНК.

Кожен матеріал, кожен ліки, кожна технологія посилаються на атоми, що утворюють зв’язки.

Ваша черга

Зв’яжіть хімію зі своїм світом

Ви вже знаєте про атоми, елементи, зв’язки та реакції. У вас є словниковий запас, щоб описати, з чого складаються речі та чому вони поводяться саме так.