Як вчені дізналися, скільки електронів та нуклонів у хімічних елементах, якщо ніхто ніколи не бачив атоми?
Дивлячись на таблицю Менделєєва, ми можемо впевнено сказати скільки електронів у атома гелію або кисню, назвати атомне число будь-якого елемента і, провівши легкі арифметичні розрахунки, дізнатися кількість нейтронів і протонів у будь-якому атомі. Але атоми ніхто ніколи не бачив, на них могли впливати, але прямого спостереження ніколи не було. Звідки ми можемо вірогідно знати про їх склад і чи немає там ще якихось додаткових компонентів?
Щоб розібратися в цьому питанні, необхідно почати з того, що з найдавніших часів у всьому щодо хімічних реакцій люди користувалися не точними величинами, а співвідношеннями та пропорціями. Ще за часів Стародавню Грецію під час проведення певних експериментів і хімічних реакцій обсяги та маси продуктів, які використовувалися і виходили були кратними цілим числам.
Значно пізніше, вимірюючи заряд електрона, вчені отримували значення заряду: 4.8, 6.4, 8.0, 1.6, і бачили, що вони були кратні одному числу, яке було найменшим серед них, а саме 1.6*10 -19 . Першим важливим відкриттям у розумінні структури атома було те, що атоми мають масу, пізніше було встановлено, що маса атома водню найменша у тому числі і її прийняли за умовну одиницю.
Інші дослідження показали, що в кожному атомі кількість протонів дорівнює кількості електронів, а також, що маса атома водню в 1836 разів більша за масу електрона і звідси напрошувався висновок, що електрони становлять мізерну частку всієї маси атома. На підставі цього факту з’являлися різні моделі атомів, які постійно змінювалися та вдосконалювалися.
Пізніше, після того, як учені змогли зрозуміти залежність між порядковим номером у періодичній таблиці та зарядом елемента, стали помітні нестикування між зарядом і масою атомів, яку зараз називають нуклонним числом, і яка виявилася в середньому вдвічі більшою, ніж мала бути. Тоді й з’явилася теорія про частинку, яка не має заряду, але має близьку масу або таку ж, як у протона. Вона дістала назву нейтрон.
У 1932 році Джеймс Чедвік виявив нейтрон, третій відсутній елемент атома, який по масі був максимально близький до протона, як і передбачалося раніше. Кількість нейтронів в ядрах досліджуваних атомів в основному дорівнювало числу протонів або відрізнялося на одиницю, так само як і передбачалося. Оскільки протонів в атомі стільки ж, скільки й електронів і вони разом з нейтронами становлять практично всю масу атома, то ми можемо з числа виключити кількість протонів і дізнатися скільки в нас в ядрі нейтронів.
Звичайно, електрони, протони та нейтрони не варто зводити до виду неподільних кульок, їх структура набагато складніша, але це вже тема для окремої статті, яка вийде, якщо вам сподобається ця стаття.
§ 13. Йони. Йонний зв’язок, його утворення
Йони – це заряджені частинки, на які перетворюються атоми і молекули внаслідок приєднання або втрачання одного або кількох електронів.
Якщо електронейтральна частинка приєднує електрони, вона перетворюється на негативний йон – аніон. Цей процес супроводжується виділенням енергії. Натомість утворення катіона – позитивного йона – відбувається внаслідок втрачання електронейтральною частинкою електронів. Під час цього процесу енергія поглинається. Протилежно заряджені йони притягуються, між ними виникає йонний зв’язок.
Цікаво і пізнавально
Поняття і термін «йон» увів у 1834 році англійський науковець Майкл Фарадей (рис. 13.1). У перекладі з давньогрецької ιόν – той, що йде. Аніон – той, що йде вгору, катіон – той, що йде вниз.
Рис. 13.1. Фарадей Майкл (1791-1867). Англійський науковець. Навчався самотужки, наукові дослідження почав у галузі хімії. Зробив вагомий внесок у розвиток хімічного аналізу, синтетичної органічної хімії, металургії, уперше отримав низку газів у зрідженому стані. Установив кількісні закони електролізу. Увів терміни «йон», «катіон», «аніон», «електрод», «електроліт», поняття діелектричної проникності. Досліджував електромагнетизм, створив учення про електромагнітне поле. Член багатьох академій наук і наукових товариств
Йонний зв’язок – це зв’язок між катіонами та аніонами. Його можна розглядати як граничний випадок ковалентного полярного зв’язку. Якщо різниця в значеннях електронегативності атомів хімічних елементів дуже велика, спільні електронні пари практично повністю зміщуються до атома більш електронегативного елемента. За цих умов атоми перетворюються на йони. Розгляньмо утворення йонного зв’язку у кристалі натрій хлориду.
Атом Натрію втратив один електрон і перетворився на катіон Na + . Це стійка частинка, адже після втрачання електрона має завершений зовнішній другий рівень, такий як в атома Неону: 1s 2 2s 2 2p 6 .
Атом Хлору приєднав один електрон і перетворився на аніон Сl – . Це також стійка частинка. Адже в атомі Хлору на зовнішньому енергетичному рівні було сім електронів, а після приєднання електрона рівень набув завершеності, як атом Аргону: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 .
За рахунок електростатичних сил притягання між катіонами Натрію та аніонами Хлору утворюються йонні зв’язки у кристалі натрій хлориду (рис. 13.2).
Рис. 13.2. Утворення хімічного зв’язку між йонами Натрію і Хлору
Зверніть увагу: у кристалі натрій хлориду катіон Натрію з усіх боків оточений аніонами Хлору і навпаки. Енергетично найбільш вигідно, коли кожен йон оточений максимальним числом йонів протилежного знака. Однак через відштовхування однойменних йонів один від одного стійкість системи досягається лише за певного взаємного розташування йонів. Наприклад, у натрій хлориді кожен катіон оточений шістьма аніонами і навпаки.
Запам’ятайте: на катіони перетворюються атоми металічних елементів, на зовнішньому енергетичному рівні яких зазвичай не більше трьох електронів. На аніони перетворюються атоми неметалічних елементів (за винятком інертних), на зовнішньому енергетичному рівні яких – від чотирьох до семи електронів. Атом Гідрогену може утворити як катіон, так і аніон.
• Запишіть електронну формулу атома Гідрогену. Визначте, скільки протонів і електронів у його катіоні та аніоні.
Рис. 13.3. Радіуси атома (1) і катіона (2) Натрію та атома (3) і аніона (4) Хлору в пікометрах. Пікометр (скорочення пм, міжнародне – pm) часткова одиниця вимірювання відстані, яка дорівнює 10 -12 м (0,000 000 000 001 м)
Зверніть увагу: радіуси йонів відрізняються від атомних радіусів відповідних хімічних елементів. Утрачання атомами електронів зумовлює зменшення їхніх ефективних розмірів, а приєднання електронів – збільшення. Тому радіус катіона завжди значно менший, а радіус аніона завжди трохи більший за радіус атома (рис. 13.3). У межах головної підгрупи радіуси йонів однакового заряду, як і радіуси атомів, зростають зі збільшенням протонного числа (рис. 13.4).
Рис. 13.4. Закономірності зміни в періодичній системі хімічних елементів радіусів атомів і йонів
Межа між ковалентним полярним та йонним зв’язком дещо умовна. Різниця електронегативності хімічних елементів дає змогу визначити, наскільки хімічний зв’язок у сполуці відрізняється від ковалентного неполярного. Для ковалентного неполярного зв’язку різниця значень електронегативності дорівнює нулю або дуже близька до нуля. Якщо величина Δχ менша за 0,4, такий зв’язок теж умовно називають «неполярним ковалентним». За різниці електронегативності від 0,4 до 2,0 зв’язок уважають полярним ковалентним. За різниці значень електронегативності понад 2,0 зв’язок уважають йонним.
• 1. Використовуючи дані таблиці, визначте тип хімічного зв’язку у сполуках: F2; О2; ССl4; HF; NaCl; SO2; NaF.