О химии доступно: Атом

     Как и обещал, решил начать цикл наглядных статей по химии.  С моей точки зрения, это – важнейший предмет, знать его нужно хотя бы потому, что все окружающие нас вещи состоят из атомов и являются химическими соединениями различной степени сложности. Знания химии также уберегут вас от мошенничества или недобросовестной рекламы и дадут общее представление, как взаимодействуют друг с другом вещества, что можно использовать себе во благо, а чего делать не следует. 

Кроме такого бытового интереса я хотел бы «спрямить» некоторые углы в образовании, в том, как преподается этот предмет. Сейчас уже нет нужды людям употреблять некий поверхностный образовательный стандарт. У всех нас открыт доступ к сети Интернет - полному источнику информации, и имеет смысл изучать интересующий вас предмет целостно, не опираясь на поверхностные описания в учебнике. К сожалению, именно химия опирается на непростые понятия из фундаментальной квантовой физики, и именно недосказанность многих моментов вызывает ощущение непонятности, недосказанности, запутанности и неприятия этого предмета. 

В этой статье я расскажу про атом. Наглядно, и в то же время постараюсь разъяснить все как оно есть – без лишних «костылей» и закрывания глаз на некоторые его свойства. 

Прежде всего, вам следует уяснить: атом – объект микромира, где действуют законы квантовой физики. Очень многие явления в этом мире не имеют прямых аналогий на нашем с вами макроуровне. Из-за этого для большинства людей атомы так и остаются шарами на стержнях из школьного кабинета. Но на деле все устроено немного по-другому. 

Все атомы образованы тремя элементарными частицами: протонами, нейтронами и электронами. Электрон – самая маленькая из них. Он имеет невероятно малую массу: 9,1*10^-31 кг. Еще он обладает элементарным зарядом: -1,6*10^-19 Кулон. Этот заряд является квантом, то есть, некоторым «кубиком», «пикселем» электрического заряда – во Вселенной не может быть меньшего по величине или же дробного этому заряда. Электрон расположен вокруг ядра, образованного некоторым количеством нуклонов – это общее название для протонов и нейтронов. 

Протон и нейтрон оба имеют массу около 1,67*10^-27 кг (нейтрон все же чуть тяжелее).  Протон обладает таким же элементарным зарядом, что и электрон, только с положительным знаком. Соответственно, система «протон-электрон» удерживается вместе за счет обнуления суммарного заряда. Из этого следует важная вещь: в общем случае в атоме число электронов равно числу протонов. 

Нейтрон, в отличие от электрона, не является обязательным спутником протона. Но все-таки нейтроны в ядре есть. Почему? Потому что это – следствие одного из четырех фундаментальных взаимодействий в нашей Вселенной. Два из них вы знаете и наблюдаете в макромире каждый день – это электромагнитное и гравитационное взаимодействия. Но есть еще так называемые сильное и слабое. Как раз сильное взаимодействие проявляется на уровне атомных ядер и заставляет притягиваться друг к другу протоны и нейтроны. 

Теперь давайте построим атом. У нас есть некоторое количество протонов, образующих ядро. Заряженные протоны не могут долго существовать сами по себе и обязательно обзаведутся равным количеством электронов, которые будут расположены вокруг них. Также к протонам добавятся нейтроны, но они не имеют заряда и на количество электронов не влияют. Получается, именно число протонов определяет, какой у нас получился атом? Именно так.  

Число протонов в ядре атома называется атомным номером. Это – порядковый номер химического элемента в таблице Менделеева. Собственно, химический элемент – это атомы с именно таким числом протонов. Если мы оторвем от ядра один протон, то получим просто-напросто другой элемент. 

А если оторвать от атома электрон? У нас будет тот же самый элемент, но атом станет положительно заряженным – превратится в ион. Ионами называют все заряженные атомы, как положительно, так и отрицательно. Избыток электронов тоже бывает, и сплошь и рядом в химии (и в нашем с вами быту) химические элементы и соединения находятся в ионизированной форме. Когда вы солите суп, то по причинам, которые я вам расскажу, если этот цикл статей будет интересен, поваренная соль диссоциирует (распадается) на положительно заряженные катионы натрия и отрицательные анионы хлора. 

А если оторвать от ядра нейтрон? Тогда у нас получится изотоп того же самого элемента. У многих слово «изотоп» прочно ассоциируется с радиацией. Почему же? Дело не в том, что все изотопы радиоактивны и опасны, а в том, что радиоактивные вещества как правило являются нестабильными изотопами известных элементов. Тут все просто: у сильного взаимодействия тоже есть предел, и нейтронов в ядрах элементов обычно лишь немного больше, чем протонов. Но в случае, если у ядра слишком много нейтронов, а также в случае очень больших ядер возможен радиоактивный распад с испусканием радиоактивных частиц, и даже распад атома на два более маленьких изотопа других элементов. Все элементы с атомным номером большим 82 (после свинца) являются неустойчивыми и в том или ином виде радиоактивны. Все элементы, начиная с фермия (номер 100) настолько неустойчивы, что живут часы, минуты и секунды. Говоря об изотопах, называют сумму протонов и нейтронов в ядре, например, стронций-90 или гелий-3. Поскольку название элемента жестко привязано к количеству протонов, путаницы между водородом-3 или гелием-3 не возникает. Соответственно, наиболее стабильный изотоп элемента имеют в виду по умолчанию, и не называют его «водород-1» или «натрий-23». 

Теперь – сложная для понимания человеком и не менее важная для понимания сути атома деталь о расположении электрона вокруг ядра. Я не зря в третий раз за статью так коряво выразился: «расположен вокруг ядра». Дело в том, что, как я намекал выше, атомы – это не шарики, вокруг которых, как мухи, вьются электроны. Это скорее некие облака, образованные электронами, с некоторой вероятностью расположенными в области вокруг ядра. 

Что это за ужас такой? Почему вероятность? Зачем такие сложности? Это все вытекает из самых основ квантовой физики. Дело здесь в особом явлении – принципе неопределенности Гейзенберга. Наиболее доступным языком он формулируется следующим образом: невозможно одновременно в точности измерить скорость частицы и ее координату в пространстве. Почему это так? Поясню на примере. 

Допустим, вы сфотографировали ярким днем на профессиональную фотокамеру быстро летящий футбольный мяч. И вот у вас красивая фотография: зависший в воздухе перед воротами мяч, застывшие фигуры футболистов, напряженный рывок вратаря за этим мячом… Стоп. А что, собственно, происходит на фото? 

Мяч летит прямо в ворота? Мяч попал в ноги защитника и летит в сторону от ворот? Мяч уже попал в штангу и летит в противоположную от ворот сторону? Вы не знаете. Вы точно знаете координаты мяча, относительно земли, ворот, игроков, но вы понятия не имеете о его скорости (а направление тоже входит в понятие скорости, потому что скорость – это векторная величина!). 

Возьмем другое фото, снятое с большей выдержкой.

Ну тут все видно – траекторию мяча, а также сколько своих длин он преодолел за время срабатывания затвора камеры – значит, и величину скорости мы тоже знаем. Но вот координата… ну понятно, что она примерно видна, но она не может быть определена точно. Все, что мы знаем – в этот промежуток времени мяч был «где-то там». 

Теоретическая физика основана на строгой математике. Как математически описать электрон, находящийся «где-то там»? С помощью такой величины, как плотность вероятности. А что это за плотность такая? Почему не сказать просто «вероятность»? Давайте быстренько и наглядно объясню, что именно показывает вероятность. 

У стандартного игрального кубика шесть граней. Если мы загадаем какую-то одну грань, то вероятность ее выпадения будет 1/6. Если мы скажем, что выпадет число 2 либо число 5, то одно из этих чисел выпадет с вероятностью 1/3. Короче говоря, вероятность показывает чисто теоретический шанс наступления какого-то события. Эта цифра зависит от того, как много мы знаем об изучаемом объекте. Если у нас есть неизвестный лотерейный билет, то шанс на вообще какой-либо выигрыш будет 1/2: билет либо выигрышный, либо нет. Если же у нас есть билет с тиражом 100000, из которых 500 содержат велосипед, то вероятность выиграть велосипед – 0,5%. Но та или иная вероятность совершенно не страхует нас от внезапного выпадения шести «решек» подряд или отсутствия велосипеда в 82435 купленных билетах из-за того, что все 500 выигрышных организатор оставил себе. 

Чтобы адекватно описать, какие же события чаще всего реализуются на практике, используют функции распределения. Что же это такое? Это некий массив данных, который показывает, как на самом деле «выпадают» те или события. 

Предположим, у нас есть шулерский игральный кубик. Бросим его шестьсот раз и представим данные в виде количества реализации от каждого из возможных шансов: 

Это и есть функция распределения. Она показывает нам высокую плотность вероятности выпадения шестерки, и если мы – шулер, то мы можем вычислить наши шансы на выигрыш на основе этой модели. 

Вот вам другой пример, применительно к координатам. Предположим, вы – представитель власти, и останавливаете на улице и обыскиваете на предмет ношения оружия 100 случайных человек. В каждом отдельном обыске вероятность найти оружие – 1/2, люди либо вооружены, либо нет. Но в неблагополучном районе вы найдете больше всего оружия, например, у 70% граждан, в то время как в парке или на детской площадке вы не найдете его вообще. Что можно сделать с этими данными? Построить карту города с плотностью вероятности найти оружие и на основе этого сделать вывод о криминогенности тех или иных районов: 

Точно таким же образом поступают с электроном. Замечу, что энергия, а значит и скорость известны для каждого из электронов, входящих в состав атома. Но вот координату электрона установить экспериментально невозможно в принципе. Поэтому их рассчитывают теоретически. И чисто теоретически электрон может находиться где угодно – возле ядра своего атома, возле другого атома, в километре от ядра своего атома или в соседней галактике. Но если взять 90-99%-ную плотность вероятности нахождения атома, то ею будет очерчена определенная область вокруг ядра, называемая «электронным облаком». Это как бы наш шарик-электрон, только «смазанный» по всей той области, где он летает. 

Но это – слишком поверхностное объяснение. На самом деле форму этой области, называемой электронной орбиталью, возможно рассчитать теоретически из-за наличия у электрона волновых свойств. Обо всем этом я готов написать отдельную статью. А пока что я подытожу сказанное в этой. 

Атом – это совокупность образующих его ядро протонов и нейтронов, окруженных электронными облаками.  Электронное облако представляет собой область с приблизительно 95%-ной плотностью вероятности нахождения электрона внутри. Размер атома определяется размерами внешних, самых крупных электронных облаков, которые в десятки тысяч раз превышают диаметр ядра. В ядре, в противоположность размеру, сосредоточено 99,9% массы атома. 

Элемент, образуемый атомом данного вида, определяется числом протонов в ядре –  оно равно атомному номеру элемента в таблице Менделеева. В общем случае нормальный атом элемента имеет количество электронов, равное числу протонов. При неравенстве этих чисел атом становится ионом, заряженным отрицательно или положительно. Также существуют различные изотопы элемента, которые определяются числом нейтронов в ядре. Наиболее стабильный в природе изотоп и называется собственно химическим элементом. 

Электронная оболочка атома – совокупность электронов, окружающих ядро – имеет определяющее значение для химических свойств данного элемента. Химическое взаимодействие веществ имеет электронную природу, и только ядерные реакции, связанные с радиоактивным распадом или синтезом новых элементов, затрагивают число протонов и нейтронов в атоме. 

Я заранее благодарю своих читателей, подписчиков и кураторов. Голосуйте за мой контент, подписывайтесь и комментируйте. Для меня это – лучшая благодарность и мотивация для написания следующих статей, где я хочу рассказать о том, как именно и по каким правилам располагаются электроны в атоме, а также много другого интересного, например, как же экспериментально установили строение атома, еще не зная о существовании нейтронов. Будут также посты и на более отвлеченные темы. Всем образования и просвещения!