Химический элемент. Атом. Изотопы. Эволюция представлений о строении

Химический элемент. Атом. Изотопы. Эволюция представлений о строении квантово-механическая модель строения атома. Молекула как квантово-химическая система. Вещество. Катализаторы.Биокатализаторы(ферменты).Полимеры. Мономеры. Периодическая система. Периодический закон Д.И.Менделеева Выполнила студентка группы зИПоб-16-1 Козлова Татьяна Григорьевна

Хими́ческий элеме́нт — это совокупность атомов с одинаковым зарядом атомных ядер и одинаковым числом электронов в атомной оболочке. Атомное ядро состоит из протонов, число которых равно атомному номеру элемента, и нейтронов, число которых может быть различным. Каждый химический элемент имеет своё латинское название и химический символ, состоящий из одной или пары латинских букв и приводятся, в частности, в таблице Периодической системы элементов Д.И. Менделеева.

Древнегреческие мудрецы первыми сказали слово «элемент», и произошло это за пять веков до нашей эры.

Правда, «элементами» у древних греков считались земля, вода, воздух и огонь, а вовсе не железо,кислород, водород, азот и другие элементы теперешних химиков.

В средние века ученые знали уже десять химических элементов – семь металлов (золото, серебро, медь, железо, олово, свинец, и ртуть) и три неметалла (серу, углерод, и сурьму). Обозначение химических элементов алхимиками СЕРЕБРО СВИНЕЦ ОЛОВО ЗОЛОТО РТУТЬ МЕДЬ

Алхимики очень долго обходились без химических формул. В употреблении были странные значки, причем почти каждый химик пользовался своей собственной системой обозначений веществ.

Алхимики считали, что химические элементы связаны со звездами и планетами, и присваивали им астрологические символы. Золото называлось Солнцем, а обозначалось кружком с точкой: Медь – Венерой, символом этого металла служило «венерино зеркальце»: А железо – Марсом; как и полагается богу войны, обозначение этого металла включало щит и копье:

В XVIII веке укоренилась система обозначений элементов (которых в то время стало известно уже три десятка) в виде геометрических фигур – кружков, полуокружностей, треугольников, квадратов. Водород азот кислород сера Этот способ изображения символов элементов придумал английский ученый, физик и химик, Джон Дальтон.

ДЖОН ДАЛЬТОН (1766 - 1844)

Дмитрий Иванович Менделеев (1834 – 1907) Гениального русского химика Д.И.Менделеева всю жизнь отличало стремление к познанию неведомого. Это стремление, а также глубочайшие и обширнейшие знания в сочетании с безошибочной научной интуицией и позволили Дмитрию Ивановичу разработать научную классификацию химических элементов – Периодическую систему в форме знаменитой таблицы.

В 1813 году появились символы и названия химических элементов, которыми химики пользуются по сей день. Шведский химик Йенс Якоб Берцелиус предложил обозначать химические элементы первой буквой (или первой и одной из следующих букв) латинского названия элемента. Углерод – arboneum – C Золото – rum – Au Серебро – r entum – Ag С Au A g

Великий шведский химик Йенс Якоб Берцелиус (1779-1848) Член Королевской шведской академии наук, а в 1810—1818 гг. — ее президент, иностранный почетный член Петербургской академии наук, на опыте подтвердил многие химические законы, известные к тому времени. Работоспособность Берцелиуса поражает: он проводил в лаборатории по 12-14 часов в сутки. На протяжении своей двадцатилетней научной деятельности он исследовал более двух тысяч веществ и точно определил их состав. Он открыл три новых химических элемента (церий Се, торий Тh и селен Sе), впервые выделил в свободном состоянии кремний Si, титан Тi, тантал Та и цирконий Zr. Берцелиус много занимался теоретической химией, составлял ежегодные обзоры успехов физических и химических наук, был автором самого популярного в те годы учебника химии. Возможно, это и заставило его ввести в химический обиход удобные современные обозначения элементов и химические формулы.

На середину 2013 года известно 118 химических элементов (с порядковыми номерами с 1 по 118), из них 94 обнаружены в природе (некоторые — лишь в следовых количествах), остальные 24 получены искусственно в результате ядерных реакций.

Атом.

А́том (от др.-греч. ἄτομος — неделимый неразрезаемый[) — частица вещества микроскопических размеров и массы, наименьшая часть химического элемента, являющаяся носителем его свойств.

Атом состоит из атомного ядра и электронов. Если число протонов в ядре совпадает с числом электронов, то атом в целом оказывается электрически нейтральным. В противном случае он обладает некоторым положительным или отрицательным зарядом и называется ионом.

Атомная оболочка Атом Атомное ядро нуклоны Протоны Нейтроны q=+1,6·10-19 Кл mp=1836 me p q=0 mn=1839 me n электроны e=-1,6·10-19 Кл me=9,11 ·10-31 кг e

1891 год Ирландский физик Стони вел понятие ЭЛЕКТРОН (по-гречески «янтарь») – частица, которая переносит электричество. Английский физик Джозеф Томсон и французский физик Жан Перен определили заряд, массу и скорость движения электрона. Заряд = -1 m(ē)=1/1837 a.e.м. скорость=300 000 км/с

масса ядра меньше суммы масс составляющих его протонов и нейтронов из-за явления дефекта массы. Нейтроны и протоны имеют сравнимый размер, около 2,5·10−15 м

Изотопы.

Изото́пы (от др.-греч. ισος — «равный», «одинаковый», и τόπος — «место») — разновидности атомов (и ядер) какого-либо химического элемента, которые имеют одинаковый атомный (порядковый) номер, но при этом разные массовые числа.

Все изотопы одного элемента имеют одинаковый заряд ядра, отличаясь лишь числом нейтронов. Обычно изотоп обозначается символом химического элемента, к которому он относится, с добавлением верхнего левого индекса, означающего массовое число (например, 12C, 222Rn). Можно также написать название элемента с добавлением через дефис массового числа (например, углерод-12, радон-222). Некоторые изотопы имеют традиционные собственные названия (например, дейтерий, актинон).

Первое доказательство того, что вещества, имеющие одинаковое химическое поведение, могут иметь различные физические свойства, было получено при исследовании радиоактивных превращений атомов тяжёлых элементов. В 1906—1907 годах выяснилось, что продукт радиоактивного распада урана — ионий и продукт радиоактивного распада тория — радиоторий имеют те же химические свойства, что и торий, но отличаются от него атомной массой и характеристиками радиоактивного распада

Постепенное накопление в минералах ядер — продуктов распада некоторых долгоживущих нуклидов используется в ядерной геохронологии. Особое значение имеют процессы образования изотопов углерода в верхних слоях атмосферы под воздействием космического излучения. Эти изотопы распределяются в атмосфере и гидросфере планеты, вовлекаются в оборот углерода живыми существами

Эволюция представлений о строении атома

Кусочки материи. Демокрит полагал, что свойства того или иного вещества определяются формой, массой, и пр. характеристиками образующих его атомов. Так, скажем, у огня атомы остры, поэтому огонь способен обжигать, у твёрдых тел они шероховаты, поэтому накрепко сцепляются друг с другом, у воды — гладки, поэтому она способна течь. Даже душа человека, согласно Демокриту, состоит из атомов.

1897 год ДЖ. Томсон предложил модель атома – «Пудинг с изюмом» электрон +

1911 год Английский ученый Эрнест Резерфорд обосновал ядерную модель атома + ядро электронная оболочка -

Модель атома Резерфорда Так должно было происходить рассеяние α-частиц в атоме Томсона Такое рассеяние α-частиц наблюдал Резерфорд на опыте

Трудности модели Резерфорда Согласно модели атома Резерфорда атом должен непрерывно излучать свет всех длин волн. Но на опыте были обнаружены линейчатые спектры излучения атомов.

Модель атома Бора 1 постулат: В устойчивом атоме электрон может двигаться лишь по особым стационарным орбитам, не излучая при этом электромагнитной энергии. 2 постулат: Излучение света атомом происходит при переходе атома из стационарного состояния с большей энергией в стационарное состояние с меньшей энергией.

+ + Строение ядра протоны нейтроны n0 p+ Заряд = +1 m(p+) = 1 a.e Заряд = 0 m(n0) = 1 a.e Нейтроны и протоны – это нуклоны

Строение атома водорода + - Протон (p+) Электрон (ē) Атом электронейтрален

Квантово – механическая модель строения атома

Современная модель атома является развитием планетарной модели Бора-Резерфорда. Согласно современной модели, ядро атома состоит из положительно заряженных протонов и не имеющих заряда нейтронов и окружено отрицательно заряженными электронами. Однако представления квантовой механики не позволяют считать, что электроны движутся вокруг ядра по сколько-нибудь определённым траекториям (неопределённость координаты электрона в атоме может быть сравнима с размерами самого атома).

Химические свойства атомов определяются конфигурацией электронной оболочки и описываются квантовой механикой. Положение атома в таблице Менделеева определяется электрическим зарядом его ядра (то есть количеством протонов), в то время как количество нейтронов принципиально не влияет на химические свойства; при этом нейтронов в ядре, как правило, больше, чем протонов.

Если атом находится в нейтральном состоянии, то количество электронов в нём равно количеству протонов. Основная масса атома сосредоточена в ядре, а массовая доля электронов в общей массе атома незначительна (несколько сотых процента массы ядра).

Массу атома принято измерять в атомных единицах массы, равных 1⁄12 от массы атома стабильного изотопа углерода 12C.

Молекула как квантовохимическая система.

Молекула рассматривается как наименьшая стабильная частица вещества, обладающая всеми его химическими свойствами.

В квантовохимической теории химического строения основными параметрами, определяющими индивидуальность молекулы, является её электронная и пространственная (стереохимическая) конфигурации. При этом в качестве электронной конфигурации, определяющей свойства молекулы принимается конфигурация с наинизшей энергией, то есть основное энергетическое состояние.

Вещество́ — одна из форм материи. Вещество состоит из частиц, среди которых чаще всего встречаются электроны, протоны и нейтроны

Все химические вещества могут существовать в трёх агрегатных состояниях — твёрдом, жидком и газообразном.

В физике рассматривается четвёртое агрегатное состояние вещества — плазма, частично или полностью ионизированное состояние, в котором плотность положительных и отрицательных зарядов одинакова (плазма электронейтральна).

Все вещества могут расширяться, сжиматься, превращать в газ, жидкость или твердое тело. Их можно смешивать, получая новые вещества.

Катализаторы.

Катализаторы – это вещества, изменяющие скорость химической реакции или путь , по которому она протекает, но остающиеся неизмененными качественно и количественно по окончании реакции. Биологические катализаторы белковой природы называются ферментами. Процесс изменения скорости химической реакции или пути, по которому она протекает, называется катализом. Как и реакции различают гомогенный и гетерогенный виды катализа. В случае использования ферментов катализ называется ферментативным. Наиболее известны в быту ферменты, входящие в состав стиральных порошков. Именно они позволяют избавлять белье при стирке от пятен и неприятного запаха.

Человек с древности использовал катализ, происходящий при выпечке хлеба, варке пива, изготовлении вина, производстве сыра.

Каталитический преобразователь автомобиля, превращающий оксиды азота его выхлопных газов в безвредный азот Катализаторы не только делают экономичнее производственные процессы, но и вносят значительный вклад в охрану окружающей среды. Так, современные легковые автомобили снабжены каталитическим устройством, внутри которого находятся керамические ячеистые носители катализатора (платины и родия). Проходя через них, вредные вещества (оксиды углерода, азота, несгоревший бензин) превращаются в углекислый газ, азот и воду.

ингибиторы Однако, для химических реакций важны не только катализаторы, которые ускоряют прохождение реакции, но и вещества, способные их замедлять. Такие вещества называются ингибиторами. Наиболее известны ингибиторы коррозии металлов.

Биологические катализаторы

В основе всех жизненных процессов лежат тысячи химических реакций. Они идут в организме без применения высокой температуры и давления, т. е. в мягких условиях. Вещества, которые окисляются в клетках человека и животных, сгорают быстро и эффективно, обогащая организм энергией и строительным материалом. Но те же вещества могут годами храниться как в консервированном (изолированом от воздуха) виде, так и на воздухе в присутствие кислорода. Возможность быстрого переваривания продуктов в живом организме осуществляется благодаря присутствию в клетках особых биологических катализаторов - ферментов.

Ферменты Это специфические белки, входящие в состав всех клеток и тканей живых организмов играющие роль биологических катализаторов. О ферментах люди узнали давно. Еще в начале прошлого века в Петербурге К.С.Кирхгоф выяснил, что проросший ячмень способен превращать полисахарид крахмал в дисахарид мальтозу, а экстракт дрожжей расщеплял свекловичный сахар на моносахариды - глюкозу и фруктозу. Это были первые исследования в ферментологии. Хотя на практике применеие ферментативных процессов было известно с незапямятных времен (сбраживание винограда, сыроварение и др.). В разных изданиях применяются два понятия : "ферменты" и "энзимы". Эти названия эдентичны. Они обозначают одно и тоже - биологические катализаторы. Первое слово переводится как "закваска", второе - "в дрожжах".

В 1871 г. русский врач М.М. Манассеина разрушила дрожжевые клетки, растирая их речным песком. Клеточный сок, отделенный от остатков клеток, сохранял свою способность сбраживать сахар. Через четверть века немецкий ученый Э. Бухнер получил бесклеточный сок прессованием живых дрожжей под давлением до 5*10 Па. Этот сок, подобно живым дрожжам, сбраживал сахар с образованием спирта и оксида углерода (IV): Фермент C6H12O6--->2C2H5OH + 2CO2 Работы А.Н. Лебедева по исследованию дрожжевых клеток и труды других ученых положили конец виталистическим представления в теории биологического катализа, а термины "фермент" и "энзим" стали применять как равнозначные. В наши дни ферментология - это самостоятельная наука. Выделено и изучено около 2 тыс. ферментов. Э. Бухнер

Свойства ферментов Важнейшим свойством ферментов является преимущественное одной из нескольких теоретически возможных реакций. В зависимости от условий ферменты способны катализировать как прямую так и обратную реакцию. Это свойство ферментов имеет большое практическое значение. Другое важнейшее свойство ферментов - термолабильность, т. е. высокая чувствительность к изменениям температуры. Так как ферменты являются белками, то для большенства из них температура свыше 70 C приводит к денатурации и потере активности. При увелечении температуры до 10 С реакция ускоряется в 2-3 раза, а при температурах близких к 0 С скорость ферментативных реакций замедляется до минимума. Следующим важным свойством является то, что ферменты находятся в тканях и клетках в неактивной форме (проферменте). Классическими его примерами являются неактивные формы пепсина и трипсина. Существование неактивных форм ферментов имеет большое биологическое значение. Если бы пепсин вырабатывался сразу в активной форме, то пепсин "переваривал" стенку желудка, т. е. желудок "переваривал" сам себя.

Классификация ферментов На Международном биохимическом съезде было принято, что ферменты должны классифицироваться по типу реакции, катализируемой ими. В названии фермента обязательно присутствует название субстрата, т. е. того соединения, на которое воздействует данный фермент, и окончание -аза. (Аргиназа катализирует гидролиз аргинина и т.д.) По этому принципу все ферменты были разделены на 6 признаков.

Классификация ферментов

Оксидоредуктазы Это ферменты, катализирующие окислительно-восстановительные реакции, например каталаза: 2H2O2-->O2+2H2O

Трансферазы Это ферменты, катализирующие перенос атомов или радикалов

Гидролазы Это ферменты, разрывающие внутримолекулярные связи путем присоединения молекул воды, например фосфатаза: OH / R - O - P = O + H2O --> ROH + H3PO4 \ OH

Лиазы Это ферменты, отщепляющие от субстрата ту или иную группу без присоединения воды, негидролитическим путем. Например: отщепление карбоксильной группы декарбоксилазой: O O // / CH3 - C - C ---->CO2 + CH3 - C || \ \ O OH H

Изомеразы Это ферменты, катализирующие превращение одного изомера в другой: глюкозо-6-фосфат --> глюкозо-1-фосфат

Синтетазы Это ферменты, катализирующие реакции синтеза Prezentacii.com

Полимеры.

1. Природные и синтетические полимеры. Полимеры – это соединения, без которых человек уже не может обойтись. С этими соединениями знакомы все – от самых маленьких до пожилых, от домохозяек до специалистов многих отраслей промышленности. Что же такое полимеры? Полимеры – это высокомолекулярные соединения, состоящие из множества одинаковых структурных звеньев.

По происхождению полимеры делятся на природные и синтетические. Природные полимеры – это, например, натуральный каучук, крахмал, целлюлоза, белки, нуклеиновые кислоты. Без некоторых из них невозможна жизнь на нашей планете. ДНК крахмал белок

Синтетические полимеры – это многочисленные пластмассы, волокна, каучуки. Они играют большую роль в развитии всех отраслей промышленности, сельского хозяйства, транспорта, связи. Как без природных поли - меров невозможна сама жизнь,так без синтетических полимеров немыслима современная цивилизация.

2. Способы получения полимеров. Как же образуются эти необычные соединения? Полимеры получают в основном двумя методами - реакциями полимеризации и реакциями поликонденсации. В реакцию полимеризации вступают молекулы, содержащие кратную (чаще – двойную) связь. Такие реакции протекают по механизму присоединения и всё начинается с разрыва двойных связей.

Для реакции поликонденсации нужны особые молекулы. В их состав должны входить две или более функциональные группы (-ОН, -СООН, -NН2 и др.). При взаимодействии таких групп происходит отщепление низкомолекулярного продукта (например, воды) и образование новой группировки, которая связывает остатки реагирующих между собой молекул.

В реакцию поликонденсации вступают, например, аминокислоты. При этом образуется биополимер- белок и побочное низкомолекулярное вещество – вода: Реакцией поликонденсации получают многие полимеры, в том числе капрон.

3. Основные понятия химии полимеров. Макромолекула – от греч. макрос – большой, длинный. Мономер – исходное вещество для получения полимеров. Полимер – много мер (структурное звено). Структурное звено – многократно повторяющиеся в макромолекуле группы атомов. Степень полимеризации n – число структурных звеньев в макромолекуле.

Структуры полимеров. линейная разветвлённая Пространствен-ная

4. Пластмассы и волокна. Обычно полимеры редко используют в чистом виде. Как правило из них получают полимерные материалы. К числу последних относятся пластмассы и волокна. Пластмасса – это материал, в котором связующим компонентом служит полимер, а остальные составные части – наполнители, пластификаторы, красители, противоокислители и др. вещества.

Особая роль отводится наполнителям, которые добавляют к полимерам. Они повышают прочность и жёсткость полимера, снижают его себестоимость. В качестве наполнителей могут быть стеклянные волокна, опилки, цементная пыль, бумага, асбест и др. Поэтому такие пластмассы, как, например, полиэтилен, поливинилхлорид, полистирол, фенолформальдегидные, широко применяются в различных отраслях промышленности, сельского хозяйства, в медицине, культуре, в быту.

Волокна – это вырабатываемые из природных или синтетических полимеров длинные гибкие нити, из которых изготавливается пряжа и другие текстильные изделия. Волокна подразделяются на природные и химические. Природные, или нату - ральные, волокна - это материалы животного или растительного происхождения: шёлк, шерсть, хлопок, лён.

Химические волокна получают путём химической переработки природных (прежде всего целлюлозы) или синтетических полимеров. К химическим волокнам относятся вискозные, ацетатные волокна, а также капрон, нейлон, лавсан и многие другие.

Мономеры.

Мономе́р - это низкомолекулярное вещество, образующее полимер в реакции полимеризации. Мономерами также называют повторяющиеся звенья (структурные единицы) в составе полимерных молекул.

Низкомолекулярные полимеры, образованные из небольшого количества мономеров и способные, в свою очередь, к полимеризации, принято называть олигомерами. Способность к полимеризации в основном обусловлена наличием двойных связей в их молекулах

Мономеры различают по функциональности. Бифункциональными называют мономеры, имеющие две реакционноспособные функциональные группы. Трифункциональными — соответственно три и т. д.

Периодическая система. Периодический закон Д.И. Менделеева.

Периодический закон — фундаментальный закон природы, открытый Д. И. Менделеевым в 1869 году при сопоставлении свойств известных в то время химических элементов и их величин атомных масс.

Особенность Периодического закона среди других фундаментальных законов заключается в том, что он не имеет выражения в виде математического уравнения. Периодический закон универсален для Вселенной