электрон - Назарбаев Интеллектуальные школы
реклама
Интерактивный online урок по химии для учащихся 8-9 классов Алтаева Гульнар Саматовна, учитель химии Назарбаев Интеллектуальной школы города Астаны, к.х.н. 31.10.11 Состав атомов: протоны, нейтроны, электроны. Изотопы Цель урока: изучение состава атомов, атомного ядра, дать характеристику нуклонам, изотопам, научить определять атомную массу элемента по известной массовой доле изотопов, сформировать четкие понятия о химическом элементе и изотопах, формирование устойчивого интереса к изучению химических элементов Ученик должен *Уметь описывать состав атомов, атомных ядер химических элементов и изотопов, нуклоны и электроны; * Уметь находить число протонов, нейтронов, электронов указанного атома; *Уметь определять атомную массу элемента по известной доле изотопов; *Иметь представления о возможных путях синтеза элементов Самостоятельная работа Вариант I 1. Даны химические элементы с порядковыми номерами 11, 14, 17. Какой из них образует простое вещество — металл? 2. Выпишите в строчку знаки химических элементов с порядковыми номерами 2—7. Подчеркните наиболее ярко выраженный неметалл. Составьте формулы типичных соединений для химических элементов с порядковыми номерами 3, 4 и 7. Отметьте характер их оксидов (основной, амфотерный или кислотный). 3. Назовите химический элемент, который образует водородное соединение типа H2R и находится в 3-м периоде периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева. Укажите его порядковый номер. Составьте формулу его высшего оксида, отметьте характер его водного раствора. Самостоятельная работа Вариант II 1. Даны химические элементы с порядковыми номерами 16, 17, 19. Какой из них образует простое вещество с наиболее выраженными неметаллическими свойствами? 2. Выпишите в строчку знаки химических элементов с порядковыми номерами 10—17. Назовите среди них наиболее типичный металл. Составьте формулы типичных соединений для химических элементов с порядковыми номерами 11, 13 и 16. Укажите характер их оксидов (основной, амфотерный или кислотный). 3. Химический элемент образует высший оксид R2O7 и находится в 3-м периоде периодической системы Д. И. Менделеева. Назовите этот химический элемент и его порядковый номер. Отметьте характер (основной или кислотный) его оксида, составьте формулу его летучего водородного соединения. Состав атомов Слово " атом" переводится с древнегреческого языка как " неделимый" . В середине XIX в. большинством ученых признавалось реальное существование атомов, но понятие о них было неправильное (метафизическое) – атом понимался как самая мельчайшая частица вещества, неделимая ни при каких условиях. Лишь отдельные ученые предполагали сложность атомной структуры, делимость при определенных условиях. Подтвердившие их предвидения открытия были сделаны в конце XIX в., началось быстрое развитие учения о строении атома. Атом действительно оказался сложной системой, и первыми обнаруженными в атоме частицами были электроны. Состав атомов Давно было известно, что при сильном накаливании (и при освещении ультрафиолетовыми лучами) с поверхности металла удаляются отрицательно заряженные частицы и металл заряжается положительно. В выяснении природы этого явления большое значение имели работы ученых А.Г.Столетова и У.Крукса. В 1879 г. Крукс исследовал отклонение катодных лучей в магнитном и электрическом полях, а также вращение вертушки внутри катодной трубки под действием электрического тока высокого напряжения. Состав атомов Отклонения лучей в электрическом поле Состав атомов Свойство катодных лучей приводить в движение тела и отклоняться в магнитном и электрическом полях позволило убедиться, что это материальные частицы, несущие наименьший отрицательный заряд (электроны). Поскольку электроны могут быть получены независимо от природы вещества электрода, это доказывает, что они входят в состав атомов любого элемента. Результатом работ Р.Э.Милликена, проводившихся в 1909–1914 гг., было определение заряда электрона, а Дж.Франк и Г.Герц доказали в 1912 г. дискретность его энергии в атоме. Состав атомов Электрон Заряд Масса Kл Усл. ед. –1,6•10–19 –1 г а. е. м. 9,1•10–28 0,00055 Состав атомов Самая характерная особенность электронов – двойственность (дуализм) их поведения, заключающаяся в способности проявлять одновременно как свойства частиц, так и волновые свойства: подобно частице они обладают определенной массой и зарядом, а также движущемуся потоку электронов присущи такие волновые свойства, как способность к дифракции. В отличие от обычных тел для электрона в атоме нельзя одновременно определить его координаты и скорость. Состав атомов Электрон может находиться в любой части околоядерного пространства, однако вероятность его нахождения в разных частях этого пространства неодинакова, что описывается с помощью электронной волновой функции, называемой орбиталью. Пространство вокруг ядра, в котором вероятность нахождения электрона (точнее, радиальная плотность вероятности) достаточно велика, называется электронным облаком. Состав атомов В 1896 г. А.А.Беккерель обнаружил, что соединения урана обладают способностью испускать невидимые лучи, действующие на фотопластинку, даже завернутую в черную бумагу. М.Склодовская-Кюри и П.Кюри в 1898 г. открыли в урановой руде два новых элемента – радий Rа и полоний Ро, обладающих очень большой активностью излучения. Они установили, что это свойственно и другим элементам, находящимся в 7-м периоде периодической системы химических элементов (ПСХЭ) Д.И.Менделеева (торий Тh, актиний Ас). Самопроизвольный распад атомов элементов, сопровождающийся испусканием излучения, называется радиоактивностью (от лат. radio – излучаю и activus – действенный) Состав атомов Характеристики радиоактивного излучения Частицы ᵅ ᵝ ᵞ Поток Поток отрицательно Неотклоняемые в положительно заряженных частиц электрическом поле заряженных частиц – электронов. лучи. Подобны – ядер атомов гелия Скорость движения световым лучам, Начальная скорость от 100 000 до обладают высокой движения 20 000 300 000 км/с проницаемостью и км/с малой длиной волны Состав атомов В 1899–1903 гг. Э.Резерфорд установил природу радиоактивного излучения. Исследованиями М.Склодовской-Кюри и других ученых было установлено, что при радиоактивном распаде ядер атомов радия: образуются гелий и неизвестный до того элемент, названный радоном (элемент № 86). Таким образом, новые открытия доказали, что атом является сложной системой и состоит из более простых частиц. Состав атомов Электроны являются составной частью атомов всех элементов. Поскольку электроны заряжены отрицательно, а атом в целом электронейтрален, то, очевидно, внутри атома находится положительно заряженная часть, которая своим зарядом компенсирует отрицательный заряд электронов. Экспериментальные данные о наличии положительно заряженного ядра и его расположении в атоме были получены английским ученым Резерфордом и его учениками в 1909-1911гг. при исследовании движения ᵅ -частиц в газах и других веществах. Состав атомов На основе экспериментальных данных Резерфорд (1911) высказал гипотезу о планетарном строении атома. Согласно этой гипотезе в атоме находится очень малое по размеру ядро (10–12–10–13 см), вокруг которого по круговым орбитам движется такое число электронов, что они своим отрицательным зарядом нейтрализуют положительный заряд ядра. Предложенная модель строения атома получила широкое распространение, но в дальнейшем исследователи натолкнулись на ряд принципиальных трудностей. Так, согласно классической электродинамике вращающийся вокруг ядра электрон должен излучать энергию и, следовательно, двигаться не по окружности, а по спиралевидной кривой и в конце концов упасть на ядро. Состав атомов В 1913 г. Г.Мозли установил равенство заряда ядра атома химического элемента его порядковому номеру в ПСХЭ Д.И.Менделеева. Позже было доказано, что в атомном ядре имеются ядерные частицы (нуклоны) – обусловливающие заряд ядра протоны (Э.Резерфорд, 1919 г.) и не несущие заряда, но имеющие такую же массу нейтроны (Дж.Чедвик, 1932 г.) Модель строения атома 1) В центре атома – положительно заряженное ядро, занимающее ничтожную часть пространства внутри атома. 2) Весь положительный заряд и почти вся масса атома сосредоточены в его ядре (масса электрона равна 1/1836 а. е. м.). 3) Ядра атомов состоят из протонов р и нейтронов n, имеющих общее название нуклоны (от лат. nucleus – ядро). Число протонов в ядре и число электронов в атоме равно порядковому номеру химического элемента в ПСХЭ, а суммарное количество протонов и нейтронов в ядре атома соответствует его массовому числу. 4) Вокруг ядра по замкнутым орбитам вращаются электроны, число которых равно положительному заряду ядра атома, т.е. порядковому номеру химического элемента в ПСХЭ. Нуклоны – общее название протонов и нейтронов Характеристика Год открытия Первооткрыватель Символ Масса: обозначение значение Электрический заряд Радиус Электрон Протон Нейтрон 1897 1919 1932 Джозеф Джон Томсон Эрнест Резерфорд Джеймс Чедвик е– p+ no m(e– ) 9,108. 10–31 кг m(p+) 1,673. 10–27 кг m(no) 1,675. 10–27 кг –1,6. 10–19 Кл = –1е +1,6. 10–19 Кл = +1е ? 10–15 м 0 10–15 м Свойства элементарных частиц, образующих атомы Так как электрон "легче" любого из нуклонов почти в 1840 раз, масса атома (mА) сосредоточена прежде всего в ядре. Ее можно измерять в килограммах, но это очень неудобно. Поэтому в качестве единицы измерений масс атомов используется специальная атомная единица массы, для которой знаменитый американский химик Лайнус Полинг (1901 – 1994) предложил название " дальтон" . Дальтон (атомная единица массы) – 1/12 часть массы нуклида 12С. Обозначение атомной единицы массы – а. е. м. или Дн. 1Дн = 1,6605655.10– 27 кг 1,66*10– 27кг. Если массу атома измеряют в дальтонах, то по традиции ее называют не " масса атома" , а атомная масса. Масса атома и атомная масса – одна и та же физическая величина. Так как речь идет о массе одного атома (нуклида), то ее называют атомной массой нуклида. Нуклоны – общее название протонов и нейтронов Название " электрон" происходит от греческого слова, означающего " янтарь" . • Название " протон" происходит от греческого слова, означающего " первый" . • Название " нейтрон" происходит от латинского слова, означающего " ни тот, ни другой" (имеется в виду его электрический заряд). • Знаки " –" , " +" и " 0" в символах частиц занимают место правого верхнего индекса. • Размер электрона столь мал, что в физике (в рамках современной теории) вообще считается некорректным говорить об измерении этой величины. • Примеры некоторых нуклидов Изотопы – нуклиды с одинаковым Z, но различными А и N. Например, химический элемент водород (т.е. разновидность атомов с одинаковым зарядом ядра, равным +1) в природе существует в виде изотопов (протий), (дейтерий), (тритий). Искусственно получен изотоп, отличающийся числом нейтронов и массовым числом (N и А), т. е. известны четыре изотопа водорода. Изобары – нуклиды с одинаковым А, но различными Z и N. Изотоны – нуклиды с одинаковым N, но различными Z и A. Примеры некоторых нуклидов Изотопы Изобары Нукл иды Z A N 20 10Ne 10 20 10 40 21 Ne 10 10 21 11 40 22 10 22 12 40 234 10Ne 234 92U 92 234 142 235 92U 92 235 143 Нукли ды Изотоны Нукл Z иды A N 6 14 8 7N 7 15 8 8O 8 16 8 228 88Ra 88 228 140 230 90Th 90 230 140 Z A N 18 40 22 14 6C 19K 19 40 21 15 20Ca 20 40 20 16 90 234 144 92 234 142 18Ar 90Th 234 92U Информация к размышлению Большинство элементов имеют по два, по три и более устойчивых изотопа. Для описания состава атомных ядер иногда рассчитывают доли протонов или нейтронов в этих ядрах. Доля – отношение числа тех объектов, долю которых мы определяем, к общему числу объектов. где Di – доля интересующих нас объектов (например, седьмых), N1 – число первых объектов, N2 – число вторых объектов, N3 – число третьих объектов, Ni – число интересующих нас объектов (например, седьмых), Nn – число последних по счету объектов. Информация к размышлению Пример. В коробке лежат 5 зеленых карандашей, 3 красных и 2 синих; требуется определить долю красных карандашей. N1 = Nз, N2 = Nк, N3 = Nc; Доля может выражаться простой или десятичной дробью, а также в процентах, например: Информация к размышлению Если учесть, что в химии массовое число атома берется без учета суммарной массы электронов (в физике дефект массы учитывается), а массы нуклонов (p и n) даже при округлении до сотых долей не могут дать дробного массового числа для любого атома, то как можно объяснить следующее. • В ПСХЭ приведены Аr(C) = 12,01115, Аr(O) = 15,9994, Аr(F) = 18,99 и т.д. Как правильнее было бы именовать относительную атомную массу атома (Аr)? • Чем руководствовался и как практически предсказал Д.И.Менделеев Аr «экакремния» (Gе)? Информация к размышлению Если у элемента есть несколько изотопов, то этот элемент состоит из нуклидов с разной массой. В природе изотопный состав элементов обычно постоянен, поэтому для каждого элемента можно посчитать среднюю массу атомов этого элемента: где D1, D2, ..., Di – доля 1-го, 2-го, ..., i-го изотопа; m0(1), m0(2), ..., m0(i) – масса нуклида 1-го, 2-го, ..., i-го изотопа; n – общее число изотопов данного элемента. Атомная масса элемента Так как атомная масса элемента и средняя масса атома этого элемента – одна и та же физическая величина, выраженная в разных единицах измерений, то и формула для вычисления атомной массы элемента аналогична формуле для вычисления средней массы атомов этого элемента: где D1, D2, ..., Dn – доля 1-го, 2-го, ..., i-того изотопа; Аr(1), Аr(2), ..., Ar(i) – атомная масса 1-го, 2-го, ..., i-го изотопа; п – общее число изотопов данного элемента. Модели ядра атома Ввиду отсутствия представлений о точном характере сил, действующих в атомном ядре, для предсказания его свойств используют две модели – капельную и оболочечную. Капельная модель ядра, описывающая взаимодействие нуклонов в ядре по аналогии с взаимодействием молекул в капле жидкости, наилучшим образом предсказывает поведение возбужденных ядер. Оболочечная модель ядра передает поведение ядер, находящихся в основном (невозбужденном) состоянии. Модели ядра атома В оболочечной модели предполагается, что существуют две системы нуклонных энергетических уровней (одна – для нейтронов, другая – для протонов), каждая из которых заполняется нуклонами независимо друг от друга. Ядра, имеющие только полностью заполненные нуклонные оболочки, должны обладать повышенной устойчивостью (как и атомы, имеющие только полностью заполненные электронные оболочки). Такими наиболее устойчивыми по сравнению с соседними ядрами являются ядра с N и Z, равными числам, названным магическими: 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126, 152. Распространенность таких ядер в природе наиболее велика. Модели ядра атома Другим примером повышенной стабильности ядер, характеризующихся магическими числами, являются значительно большие периоды полураспада радиоактивных ядер с N = 126 по сравнению с N = 128. Особой устойчивостью обладают дважды магические ядра атомов (когда числа N и Z одновременно магические) типа 42Не, 168О, 4020Са, 20882Pb, они являются наиболее распространенными в природе изотопами этих элементов. Модели ядра атома Оболочечная модель предсказывает повышенную устойчивость ядер, состоящих из четного числа протонов и нейтронов, меньшую стабильность ядер с одним четным числом N или Z и минимальную устойчивость ядер с обоими нечетными числами N и Z. 273 встречающихся в природе стабильных изотопа раcпределяются в соответствии с правилом четности и нечетности числа протонов и нейтронов следующим образом Распределение стабильных изотопов в природе Z N Число изотопов Четное Четное 166 Четное Нечетное 47 Нечетное Четное 55 Нечетное Нечетное 5 Теория Бора На смену атомной теории Э.Резерфорда пришла теория Н.Бора. Датский ученый Н.Бор на основе квантовой теории излучения М.Планка (квант – порция энергии) развил (1913) квантовую теорию строения атома, предложив модель самого простого из всех атомов – атома водорода. В основу своей теории Бор положил следующий постулат: электрон может двигаться вокруг ядра атома не по любым орбитам, а только по вполне определенным, дозволенным. Теория Бора Схемы атомов по Бору Теория Бора Обозначая орбиту дугой и приводя число электронов на ней, получаем электронные формулы атомов. Электронные формулы атомов Теория Бора При движении электронов по дозволенным орбитам атом не излучает энергии. Излучение и поглощение энергии происходит при переходе электрона с одной дозволенной орбиты на другую. При этом энергия излучается порциями (квантами), каждой из которых соответствует определенная частота. Положению электрона на каждой из дозволенных орбит, называемых стационарными, соответствует определенный запас энергии атома. Когда электрон движется по первой орбите, прочность его связи с ядром максимальная, а запас энергии атома минимальный. Такое состояние атома называется основным (нормальным). Теория Бора При подведении энергии к атому электрон переместится на одну из более удаленных орбит, при этом прочность связи его с ядром уменьшится, а запас энергии атома увеличится. Такое состояние атома называется возбужденным. В возбужденном состоянии атом находится лишь миллионные доли секунды, после чего электрон сразу или поэтапно возвращается на исходную орбиту. Переход электрона с удаленной орбиты на более близкую к ядру сопровождается выделением кванта лучистой энергии. Закрепление знаний 1. Что такое массовое число нуклида? Ответ. Массовое число — это суммарное число протонов и нейтронов в ядре атома. В отличие от атомной массы оно не может не быть целым. 2. Сколько известно изотопов урана? Ответ. В тексте указаны изотопы т.е. их число равно 14. 3. Внутри какой сферы выше плотность вероятности нахождения электрона — с радиусом 0,05 или 0,16 нм? Ответ. С удалением электрона от ядра плотность вероятности уменьшается, так что в сфере меньшего радиуса она больше. Закрепление знаний 4. Внутри какой сферы выше вероятность нахождения электрона — с радиусом 0,05 или 0,16 нм? Ответ. С удалением электрона от ядра плотность вероятности уменьшается, но увеличивается объем, заключенный внутри сферы. Вероятность найти электрон внутри сферы большего радиуса включает в себя вероятность нахождения электрона внутри сферы меньшего радиуса . 5. На какой орбитали, 1s или 2s, электрон имеет бoльшую энергию? Где электрон прочнее связан с ядром? Ответ. Энергия электрона на 2s-АО больше, и он слабее связан с ядром. Закрепление знаний 6. На какой орбитали выше электронная плотность – 1s атома Н или 2s атома Li? Почему? Ответ. Электронная плотность больше на 1s-АО Н, которая имеет меньший радиус, следовательно, и объем, чем 2s-АО Li. 7. Как изменяется размер атомов при движении по группам и периодам периодической системы? Ответ.С возрастанием заряда ядра в периоде при сохранении числа электронных уровней размер атома уменьшается. При увеличении заряда ядра в группе решающим для радиуса атома является увеличение числа энергетических уровней. С возрастанием заряда ядра (при движении по группе сверху вниз) размер атома, как правило, увеличивается. Закрепление знаний 8. Укажите самый маленький и самый большой атомы среди элементов главных подгрупп периодической системы. Ответ. Самый маленький атом у гелия, он находится правее всех в периоде и выше всех в группе. Самый большой атом у цезия. А почему не атом франция, который расположен в группе ниже? Здесь проявляется указанное взаимно противоположное действие двух факторов. При движении по группе сверху вниз, с одной стороны, размер атома должен увеличиваться в связи с возрастанием числа энергетических уровней, с другой — уменьшаться в связи с увеличением заряда ядра. В данном случае влияние второго фактора преобладает. Дома. Вопросы и задания 1.Определите, насколько масса протона меньше массы нейтрона. Какую часть от массы протона составляет эта разница (выразите ее в виде десятичной дроби и в процентах)? 2.Во сколько раз (приближенно) масса любого нуклона больше массы электрона? 3.Определите, какую часть от массы атома составит масса его электронов, если в состав атома входят 8 протонов и 8 нейтронов. 4.Как вы думаете, удобно ли использовать единицы международной системы единиц измерений (СИ) для измерений масс атомов? Дома. Вопросы и задания 5.Определите долю протонов в ядре атома . Определите долю нейтронов в этом ядре. 6.Какова доля нейтронов в ядрах нуклидов 7.Массовое число нуклида равно 27. Доля протонов в нем 48,2%. Нуклидом какого элемента является данный нуклид? 8.В ядре нуклида доля нейтронов 0,582. Определите Z. 9.Во сколько раз масса атома тяжелого изотопа урана 92U, содержащего 148 нейтронов в ядре, больше массы атома легкого изотопа урана, содержащего в ядре 135 нейтронов? Дома. Вопросы и задания . 10.Определите изотопный состав природного таллия (в долях соответствующих изотопов), если в природе встречаются изотопы таллий-207 и таллий-203, а атомная масса таллия равна 204,37 Дн. 11.Природный аргон состоит из трех изотопов. Доля нуклидов 36Аr составляет 0,34%. Атомная масса аргона – 39,948 Дн. Определите, в каком соотношении встречаются в природе 38Аr и 40Аr. 12Природный магний состоит из трех изотопов. Атомная масса магния – 24,305 Дн. Доля изотопа 25Mg – 9,1%. Определите доли остальных двух изотопов магния с массовыми числами 24 и 26. 13.В земной коре (атмосфере, гидросфере и литосфере) атомы лития-7 встречаются примерно в 12,5 раз чаще, чем атомы лития-6. Определите атомную массу лития. Дома. Вопросы и задания Подготовить сообщения на темы: 1. Тяжелая вода. 2. Искусственная радиоактивность. 3. Использование радиоактивных элементов. Посмотреть учебные видеофильмы на английском языке : Isotopes, Nuclear Reactor 3d animation, What causes Nuclear Reactions, What is an Isotope . ЛИТЕРАТУРА 1. Рудзитис Г.Е. Химия. Неорганическая химия. Учебник для 8 класса общеобразовательных учреждений/Г.Е.Рудзитис, Ф.Г.Фельдман. 9-е изд., перераб. и доп. М.: Просвещение, 2001. 2. Габриелян О.С. Химия. 8 класс. Учебник для общеобразовательных учебных заведений. 6-е изд., стереотип. М.: Дрофа, 2002. 3. Хомченко Г.П. Химия для поступающих в вузы. М.: Высшая школа, 1993. 4. Чертов А.Г. Физические величины (терминология, определения, обозначения, размерность, единицы). Справочное пособие. М.: Высшая школа, 1990. 5. Щукарев С.А. Неорганическая химия. Т. I. Учебное пособие для химических факультетов университетов. М.: Высшая школа, 1970. 6. Дмитриев И.С., Семенов С.Г. Квантовая химия – ее прошлое и настоящее. Развитие электронных представлений о природе химической связи. М.: Атомиздат, 1980. . 7. Большая Советская Энциклопедия. 2-е изд. М.: БСЭ, 1950, т. 3. Дополнительная литература . 1.Аликберова Л.Ю. Занимательная химия. М.: АСТПресс, 1999; 2.Габриелян О.С., Воскобойникова Н.П., Яшукова А.В. Настольная книга учителя. Химия. 8 класс. М.: Дрофа, 2002; 3.Кузнецова Н.Е., Титова И.М., Гара Н.Н., Жегин А.Ю. Химия. Учебник для учащихся 8 класса общеобразовательных учреждений. М.: Вентана-Граф, 1997; 4.Тыльдсепп А.А., Корк В.А. Мы изучаем химию. М.: Просвещение, 1998. ОЦЕНИВАНИЕ УЧЕБНЫХ ДОСТИЖЕНИЙ Критерии для оценивания зачета: Критерий С. Научное знание и понимание Критерий E. Обработка информации Общий критериальный уровень переводится в отметку по следующей шкале: Оценивание по 2 критериям: MБ 1 2 3 4 5 6 7 Крите 0-1 рии 2 3-4 5-6 7-8 9-10 11-12 НИША 1 2 3 3 4 4 5 7 баллов – превосходно 6 баллов – очень хорошо 5 баллов – хорошо 4 балла – удовлетворительно 3 балла – посредственно 2 балла – плохо 1 балл – очень плохо Ждем ваших вопросов и ответов Спасибо за внимание! До скорой встречи!
