Химический элемент. Атом, его строение, квантовые числа.

Хими́ческий элеме́нт — совокупность атомов с одинаковым зарядом ядра и числом протонов, совпадающим с порядковым (атомным) номером в таблице Менделеева^[1]. Каждый химический элемент имеет свои название и символ, которые приводятся в Периодической системе элементов Менделеева^[2].

При химических реакциях ядра атомов остаются без изменений, изменяется лишь строение электронных оболочек вследствие перераспределения электронов между атомами. Способностью атомов отдавать или присоединять электроны определяются его химические свойства.

Квантовые числа электронов

Состояние каждого электрона в атоме обычно описывают с помощью четырех квантовых чисел: главного (n), орбитального (l), магнитного (m) и спинового (s). Первые три характеризуют движение электрона в пространстве, а четвертое - вокруг собственной оси.

Главное квантовое число (n). Определяет энергетический уровень электрона, удаленность уровня от ядра, размер электронного облака.

Орбитальное квантовое число (l) характеризует геометрическую форму орбитали. Принимает значение целых чисел от 0 до (n - 1).

Магнитное квантовое число (m) характеризует положение электронной орбитали в пространстве и принимает целочисленные значения от -I до +I, включая 0.

Спиновое квантовое число (s) характеризует магнитный момент, возникающий при вращении электрона вокруг своей оси.

 

Изотопы. Естественная и искуственная радиоактивность. Состав излучения при радиоактивности

Изото́пы (от др.-греч. ισος — «равный», «одинаковый», и τόπος — «место») — разновидности атомов (и ядер) какого-либо химического элемента, которые имеют одинаковый атомный номер, но при этом разные массовые числа. Название связано с тем, что все изотопы одного атома помещаются в одно и то же место (в одну клетку) таблицы Менделеева. Пример изотопов: ¹⁶₈O, ¹⁷₈O, ¹⁸₈O — три стабильных изотопа кислорода.

Радиоактивность — это. способность ядер атомов некоторых химических элементов самопроизвольно превращаться в ядра дру­гих химических элементов с выделением энергии в виде излучений. Естественно радиоактивными называются вещества, существующие в природе, а искусственно радиоактивными — приобретшие это свойство искусственно.

Радиоактивными (ионизирующими) излучениями называются излучения, возникающие при самопроизвольном распаде ядер атомов некоторых химических элементов (урана, радия и т.п.), приводящем к изменению их атомного номера и массового числа.

Радиоактивные вещества распадаются со строго определенной скоростью, измеряемой периодом полураспада, т.е. временем, в течение которого распадается половина ядер атомов данного вещества. Скорость распада не зависит от внешних условий, её нельзя замедлить или ускорить какими-либо средствами. Период полураспада (Т 1/2) данного изотопа - величина постоянная. Чем больше период полураспада, тем дольше «живет» данный радиоизотоп, создавая радиоизлучение.

α-излучение представляет собой поток положительно заряженных частиц (α частица - это ядро гелия, состоящее из 2-х протонов и 2 нейтронов)

ß-излучение представляет собой поток частиц, отрицательно заряженных. (ß-частица - это излученные электрон или позитрон).

γ-излучения - это электромагнитное излучение, выпускаемое ядрами атомов при радиоактивных превращениях

Полимеры, мономеры

Простые органические молекулы часто служат исходным сырьем для синтеза более крупных макромолекул. Макромолекула представляет собой гигантскую молекулу, построенную из многих повторяющихся единиц.

Молекулы, построенные таким образом, называются полимерами, а звенья, из которых они состоят — мономерами. В процессе соединения отдельных звеньев друг с другом (при так называемой конденсации) происходит удаление воды.

Противоположный процесс — распад полимеров — осуществляется путем гидролиза, т. е. путем присоединения воды. В живых организмах существуют три главных типа макромолекул: полисахариды, белки и нуклеиновые кислоты. Мономерами для них соответственно служат моносахариды, аминокислоты и нуклеотиды.

Макромолекулы составляют около 90% сухой массы клеток. Полисахариды играют роль запасных питательных веществ и выполняют структурные функции, белки же и нуклеиновые кислоты могут рассматриваться как «информационные молекулы». Макромолекулы существуют не только в живой природе, но и в неживой в частности многое оборудование на основе макромолекул созданы самим человеком.

Структура и этапы развития биологии.

Биология – это наука о живом, его строении, формах активности, сообществах живых организмов, их распространении и развитии, связях друг с другом и с неживой природой.
Современная биологическая наука – результат длительного процесса развития. Интерес к познанию живого у человека возник очень давно. Одним из первых биологов древности был Аристотель.
В настоящее время биология представляет собой целый ряд наук о живой природе. Структуру ее можно рассматривать с разных точек зрения.

· По объектам исследования биология подразделяется на вирусологию, бактериологию, ботанику, зоологию, антропологию.

· По свойствам, проявления живого в биологии выделяются: морфология – наука о строении живых организмов; молекулярная биология, изучающая микроструктуру живых тканей и клеток; экология, рассматривающая образ жизни растений и животных и их взаимосвязи с окружающей средой; генетика, исследующая законы наследственности и изменчивости.

· По уровню организации исследуемых живых объектов выделяются: анатомия, изучающая макроскопическое строение животных; гистология, изучающая строение тканей; цитология исследующая строение живых клеток.

В развитии биологии выделяют 3 основных этапа: 1) систематики (К.Линней), 2) эволюционный (Ч.Дарвин), 3) биологии микромира (Г.Мендель). Каждый из них связан с изменением представлений о мире живого, самих основ биологического мышления, со сменой биологическим парадигм.

Молекула как квантово-химическая система

Молекула - наименьшая структурная единица элемента, сохраняющая его химические свойства. При химических превращениях молекулы не сохраняются. Структурная единица материи, которая прихимических превращениях сохраняется – это атом.

Ранее существовало мнение, что структура молекулы возникает благодаря взаимодействию разноименно заряженных атомов или групп атомов. Однако в дальнейшем было установлено, что при образовании структур различные атомы не просто взаимодействуют, но известным образом преобразуют друг друга, так в результате получается целостность или связанная система, причем взаимодействие и взаимовлияние носят квантово-механический характер. Таким образом, молекула – это квантово-механическая система.

Катализаторы, биокатализаторы

Катализ (от греч. katálysis — разрушение), изменение скорости химических реакций в присутствии веществ ( катализаторов), вступающих в промежуточное химическое взаимодействие с реагирующими веществами, но восстанавливающих после каждого цикла промежуточных взаимодействий свой химический состав. Реакции с участием катализаторов называются каталитическими.

Катализаторы биологические, биокатализаторы, вещества, образующиеся в живых клетках и ускоряющие (положительный катализ ) или замедляющие (отрицательный катализ) химические процессы, протекающие в организмах. К числу биологгических катализаторов относятся в первую очередь катализаторы белковой природы, называемые энзимами, или ферментами.

 

 

34. Атомное ядро: открытие атомного ядра, измерение его размеров, массы и заряда, энергия связи нуклонов ядер атомов

Открытие атомного ядра

Уподобление атома планетной системе делалось еще в начале XX века. Но эту модель было трудно совместить с моделями электродинамики, и она была оставлена, уступив место модели Томсона. Однако в 1904 году начались исследования, приведшие к утверждению планетарной модели.

7 марта 1911 года Резерфорд сделал в философском обществе в Манчестере доклад “Рассеяние a и b-лучей и строение атома”. В докладе он, в частности, говорил: “Рассеяние заряженных частиц может быть объяснено, если предположить такой атом, который состоит из центрального электрического заряда, сосредоточенного в точке и окруженного однородным сферическим распределением противоположного электричества равной величины.

Из последующих исследований и экспериментов Гейгера и Мардсена, предпринявших проверку формул Резерфорда, возникло представление о ядре как устойчивой части атома, несущей в себе почти всю массу атома и обладающей положительным (Резерфорд считал знак заряда неопределенным) зарядом. При этом число элементарных зарядов оказалось пропорциональным атомному весу

В 1913 году было показано, что заряд ядра совпадает с номером элемента в таблице Менделеева. Измерения показывают, что масса любого ядра mя всегда меньше суммы масс входящих в его состав протонов и нейтронов: mя < Zmp + Nmn. Это обусловлено тем, что при объединении нуклонов в ядро выделяется энергия связи нуклонов друг с другом.

Энергия связи ядра равна той работе, которую нужно совершить, чтобы разделить образующие ядро нуклоны и удалить их друг от друга на такие расстояния, при которых они практически не взаимодействуют друг с другом.