Почему атомы сохраняют электронейтральность: причины и механизмы (5 видео)

Каждый атом, будь то водород или кислород, имеет в своей структуре негативно заряженные электроны и положительно заряженные протоны. Несмотря на эту природную зарядовую дисбаланс, атомы всегда сохраняют электронейтральность. Почему так происходит? Оказывается, в фундаментальных свойствах атома лежат основные причины и механизмы сохранения равновесия зарядов.

Основной механизм, обуславливающий электронейтральность атомов, это принцип запрещения Паули. Согласно этому принципу, в одной области пространства не могут находиться два электрона с полностью идентичными квантовыми числами. Таким образом, каждый электрон занимает свое уникальное квантовое состояние, отличное от остальных. В результате, количество электронов с положительным и отрицательным зарядом в атоме оказывается сбалансированным, обеспечивая электронейтральность.

Кроме того, электронейтральность атомов сохраняется благодаря силе электростатического притяжения между электронами и протонами в ядре. Протоны, обладающие положительным зарядом, притягивают отрицательно заряженные электроны, создавая баланс сил. В свою очередь, электроны движутся по определенным энергетическим уровням вокруг ядра, поддерживая стабильную электронейтральность атома.

Таким образом, электронейтральность атомов является следствием согласования уникальных квантовых состояний каждого электрона, а также электростатического притяжения между электронами и протонами. Благодаря этим механизмам, атомы поддерживают стабильное зарядовое равновесие, играя основополагающую роль в химических реакциях и формировании веществ.

Содержание

Электронная структура атома
Принцип сохранения заряда
Внешняя оболочка атома
Взаимодействие атомов в химических реакциях
6. Ионные связи
Ковалентные связи
Металлические связи
📺 Видео

Видео:Видеоролик - анимация "Строение атома и ядра"Скачать

Электронная структура атома

Атомы, основные строительные блоки вещества, имеют сложную электронную структуру, которая играет ключевую роль в химических реакциях и связи между атомами. Электроны, заряженные частицы, располагаются вокруг ядра атома и формируют электронные оболочки.

По принципу Ауфбау, электроны заполняют энергетические уровни, начиная с ближайшего к ядру. Уровни, известные как s, p, d и f, имеют различные формы и максимальное количество электронов, которые могут содержать. Например, уровень s может содержать не более 2 электронов, p — 6 электронов и так далее.

Наиболее близкие к ядру энергетические уровни имеют нижние энергии и меньшую энергию возбуждения, поэтому сначала они заполняются электронами. Последующие уровни имеют более высокие энергии, поэтому их электроны имеют большую энергию.

Электроны находятся вокруг ядра в облаке электронной плотности, известном как электронная оболочка. Каждая электронная оболочка состоит из подуровней (s, p, d, f), в которых находятся электроны. Например, первая электронная оболочка состоит только из s-подуровня, а вторая — из s и p подуровней.

Атомы стремятся достичь электронной структуры, подобной стабильным инертным газам, таким как гелий, неон и аргон. Это состояние, когда все электронные оболочки заполнены максимально возможным количеством электронов.

Электронная структура атома является определяющим фактором в его химическом поведении. Электроны участвуют в образовании химических связей между атомами и во всех химических реакциях. Изменение количества электронов может приводить к образованию ионов и образованию новых соединений при взаимодействии различных атомов.

В целом, электронная структура атома является фундаментальным понятием в химии, которое позволяет объяснить свойства и поведение вещества и обеспечивает основу для понимания химических связей и реакций.

Видео:Из чего состоит атом? Просто о сложном.Скачать

Принцип сохранения заряда

Согласно этому принципу, сумма всех электрических зарядов в замкнутой системе остается постоянной величиной. Это означает, что заряд не может быть создан или уничтожен, он может только перемещаться между частицами или преобразовываться из одного вида заряда в другой.

Принцип сохранения заряда часто используется для объяснения электронных переходов между атомами при химических реакциях. В ходе реакции электроны могут передаваться от одного атома к другому, но суммарный заряд системы остается неизменным.

Этот принцип также имеет важное значение в области электродинамики, где изучаются электрические и магнитные поля. Всякий раз, когда движется электрический заряд, он создает электромагнитные волны, и энергия этих волн зависит от их зарядовой симметрии.

Принцип сохранения заряда служит основой для многих физических законов и принципов, таких как закон Кулона, закон Гаусса, закон Ампера и закон Био-Савара. Он позволяет предсказывать и объяснять множество явлений, связанных с электричеством и зарядами, и является неотъемлемой частью современной науки.

Видео:Почему атомы взаимодействуют между собой, или как работает химияСкачать

Внешняя оболочка атома

Внешняя оболочка атома может содержать от одного до восьми электронов, в зависимости от номера главной группы элемента в периодической системе. Эти электроны называются валентными электронами и играют ключевую роль в процессе химических реакций.

Количество валентных электронов определяет химическую активность атома. Атомы с полной внешней оболочкой, в которой находятся восемь электронов, по принципу октета, имеют наименьшую химическую активность и обычно не участвуют в химических реакциях. Это так называемые инертные газы (гелий, неон, аргон и т.д.).

Остальные атомы, не имеющие полностью заполненной внешней оболочки, стремятся дополнить ее путем обмена, передачи или совместного использования электронов с другими атомами. Таким образом, они стараются достичь стабильного состояния октета и, тем самым, повысить свою стабильность.

Внешняя оболочка атома может быть представлена в виде электронной формулы, в которой показано количество электронов на каждом энергетическом уровне. Например, электронная формула кислорода может быть записана как 2.6, что означает наличие двух электронов на первой оболочке и шести электронов на второй оболочке.

Знание внешней оболочки атома является важным при изучении химии, так как оно позволяет предсказать его химическое поведение и с какими другими атомами он может образовывать химические связи. Это знание изучается в рамках курса элементарной химии и является основой для понимания различных химических процессов и реакций.

Видео:Лучшая модель атома? [Минутка физики]Скачать

Взаимодействие атомов в химических реакциях

Основными типами взаимодействия атомов в химических реакциях являются ионные, ковалентные и металлические связи.

Ионные связи

Ионные связи образуются между атомами с разными электроотрицательностями. В результате данного взаимодействия происходит передача электронов от одного атома к другому. Атом, отдающий электроны, становится положительно заряженным и образует положительный ион, а атом, принимающий электроны, становится отрицательно заряженным и образует отрицательный ион. Полученные ионы притягиваются друг к другу и образуют ионную связь.

Ковалентные связи

Ковалентные связи образуются между атомами с схожими электроотрицательностями. В данном типе связи электроны делятся между атомами, образуя общую оболочку. Такие связи образуются в молекулах, где атомы совместно используют свои электроны для обеспечения стабильности системы.

Металлические связи

Металлические связи образуются в металлах, где электроны свободно перемещаются по кристаллической решетке. В данном типе связи электроны не принадлежат конкретным атомам, а перемещаются между всеми атомами в металле. Это обеспечивает свойство металлов проводить электрический ток.

Взаимодействие атомов в химических реакциях имеет ключевое значение для понимания химических превращений и создания новых веществ. Различные типы связей между атомами определяют свойства и структуру вещества, а также его способность участвовать в химических реакциях.

6. Ионные связи

Ионные связи обычно образуются между металлами и неметаллами, так как металлы имеют тенденцию отдавать электроны и образовывать положительные ионы (катионы), а неметаллы имеют тенденцию принимать электроны и образовывать отрицательные ионы (анионы).

Образование ионной связи обусловлено принципом сохранения заряда — в атоме должно быть столько же положительно и отрицательно заряженных частиц. Таким образом, когда металл отдает один или несколько электронов и становится положительно заряженным ионом, неметалл принимает эти электроны и становится отрицательно заряженным ионом.

Ионные связи являются очень сильными и обладают высокой энергией связи. Они обладают такими свойствами, как высокая температура плавления и кипения, хрупкость и хорошая проводимость в расплавленном или растворенном состоянии.

Примером ионной связи может служить образование хлоридов. Натрий, металлический элемент, отдает один электрон и образует положительно заряженный ион Na+, а хлор, неметалл, принимает этот электрон и образует отрицательно заряженный ион Cl-. Эти ионы притягиваются друг к другу и образуют сильную ионную связь в хлориде натрия (NaCl).

Ионные связи играют важную роль во многих важных процессах и явлениях, включая формирование кристаллической структуры, растворение в воде и образование солей.

Ковалентные связи

В ковалентных связях атомы делят электроны между собой, образуя так называемые молекулярные орбитали. Эти орбитали формируются путем наложения атомных орбиталей, образуя области, где находятся общие электроны.

Ковалентные связи могут быть одинарными, двойными или тройными, в зависимости от количества электронных пар, общих между атомами. Одинарная связь состоит из одной общей электронной пары, двойная — из двух, тройная — из трех. Чем больше электронных пар общих между атомами, тем сильнее и устойчивее ковалентная связь.

Ковалентные связи проявляются в формировании молекул и полимеров. Молекула — это группа атомов, удерживаемых вместе ковалентными связями. Ковалентные связи также обусловливают физические и химические свойства веществ.

Примером ковалентной связи может быть образование молекулы воды (H2O). В этом случае каждый атом водорода образует одинарную ковалентную связь с атомом кислорода, общая пара электронов помогает обоим атомам достичь состояния электронной стабильности.

Важно отметить, что ковалентные связи могут быть полярными или неполярными. Полярные связи возникают, когда электроны в общих орбиталях проводимы более времени рядом с одним атомом, создавая неравномерное распределение зарядов. В результате этого один атом получает небольшую отрицательную зарядность, а другой — небольшую положительную зарядность. Неполярные связи, с другой стороны, имеют равномерное распределение зарядов.

Ковалентные связи играют ключевую роль в химии и важны для понимания химических реакций, формирования молекул и создания новых материалов. Они являются силой, которая удерживает атомы вместе и обеспечивает стабильность и упорядоченность в химических системах.

Металлические связи

Механизм образования металлической связи основан на так называемом «облачном» модели атома металла. В этой модели атомы металла представляют собой положительно заряженные ядра с окружающими их свободными электронами. Эти свободные электроны могут перемещаться между атомами без каких-либо препятствий.

Металлическая связь обусловливает такие свойства металлов, как высокая электропроводность и теплопроводность. Свободные электроны в металлах способствуют передаче электрического и теплового тока, что делает металлы отличными проводниками электричества и тепла.

Кроме того, металлическая связь обуславливает исключительную пластичность и деформируемость металлов. Поскольку связь между атомами в металлах слабая, а свободные электроны могут свободно перемещаться, атомы металла могут перемещаться и смещаться относительно друг друга без разрушения структуры материала.

Металлическая связь также обуславливает блеск и способность металлов отражать свет. Свободные электроны в металле способствуют тому, что световые волны, падающие на поверхность металла, отражаются от свободных электронов и создают блеск и отражение.

Таким образом, металлическая связь играет важную роль в определении химических и физических свойств металлов, делая их уникальными и востребованными материалами в различных областях науки и технологии.