2. Как атомы образуют соединения

2. Как атомы образуют соединения

Как было объяснено ранее, химические свойства элемента зависят от числа протонов, и, следовательно, числа электронов в атоме. Для атома химически стабильного элемента нужно, чтобы его внешняя электронная оболочка была заполнена (два или восемь электронов для K и L оболочек соответственно).  Следовательно, многие атомы не существуют отдельно друг от друга, но присоединяются к другим атомам посредством химических связей.  Эти связи образуются путем распределения валентных электронов между атомами (ковалентная связь) или путем передачи электронов от атома к атому (ионная связь).  Ядра атомов никак не участвуют в создании химических связей между отдельными атомами, а только воздействуют на внешнюю часть атома.

Важно отметить, что взаимодействие атомов между собой является самостоятельной отраслью науки. Информация, предоставляемая здесь, является только введением в основные понятия. Она поможет Вам понять изменения, которые может произвести ионизирующее излучение в ткани тела и почему повреждение может быть нанесено.

2.1         Ковалентные связи

Простой пример ковалентных связей (распределение электронов) дает кислород (O2), которым мы дышим.  В природе свободный атом кислорода очень редко встречается, так как он способен активно вступать в реакции и в соединении с другим атомом кислорода становится химически более стабильным. Атомный номер кислорода 8, и поэтому он имеет 8 протонов и 8 электронов.  Самая глубоко лежащая (K)-оболочка содержит два электрона и другие шесть электронов на следующей оболочке (L). Так как для заполнения L-оболочки нужно восемь электронов, чтобы сделать ее химически стабильной, то в ней имеется 2 свободных места.  Поэтому два атома кислорода делятся своими двумя электронами каждый (общими всего становятся 4 электрона), и поэтому внешняя оболочка обоих атомов оказывается заполненной.  На рис. 3 изображена молекула кислорода.  Молекула образуется тогда, когда группа двух или более атомов соединяется посредством химических связей.

Атомы одного элемента могут также взаимодействовать с атомами других элементов.  Одним из наиболее распространенных элементов является вода. Молекула воды состоит из двух атомов водорода, связанных атомом кислорода, и задается химическим символом H2O.

Атом кислорода делится электронами с каждым из атомов водорода, заполняя их K-оболочки (два электрона). Каждый атом водорода делится своим единственным электроном для заполнения внешней L-оболочки кислорода (восемь электронов).  Это проиллюстрировано на рис. 4.

2.2         Ионные связи

В некоторых атомах внешняя оболочка имеет только несколько электронов, и содержит много дырок (промежутки во внешней или внутренних оболочках, которые доступны для заполнения электронами). Эти атомы были бы химически стабильными, если они бы смогли потерять электроны с своей внешней электронной оболочки, оставив только заполненную до конца последующую внутреннюю оболочку.  Такие элементы известны под именем металлов.  Другие виды атомов имеют только несколько дырок на внешней оболочке и стали бы химически стабильны, если приобрели электроны. эти элементы известны как неметаллы.

Когда металлический элемент передает свои электроны неметаллическому элементу, образуется соль.  Простым примером является всем известная поваренная соль, состоящая из натрия (Na) и хлора (Cl).  Натрий, атомный номер которого равен 11, имеет один электрон на своей внешней оболочке, а хлор с атомным номером 17 имеет семь электронов на своей внешней оболочке. Натрий теряет электрон, а хлор его приобретает. Оба элемента будут иметь по 8 электронов на своих внешних оболочках.

Полный электрический заряд хлорида натрия (NaCl) равен нулю, так как одинаковы числа протонов и электронов. Однако, атомы натрия в этом соединении имеют положительный заряд (благодаря потере электрона), а атомы хлора имеют отрицательный заряд (благодаря приобретению электрона). Эти заряженные атомы называются положительными и отрицательными ионами соответственно, и результат притяжения между ионами представляет собой  ионную связь.

Следует принять во внимание, что разница в заряде заставляет атомы образовывать кристаллическую решетку (см. рис. 5).

Периодическая система

Как уже отмечалось, число протонов и, соответственно, число электронов в атоме определяет его химические свойства. Поскольку электроны сосредоточены на определенных орбитах или оболочках, то элементы с одинаковым числом электронов на их внешних оболочках проявляют одинаковые химические свойства.

Элементы с одинаковым числом электронов на их внешних оболочках имеют одинаковые химические свойства.

Следовательно, группируя элементы в соответствии тому, как заполняются электронные оболочки, можно выделить элементы с одинаковыми свойствами.  Специальная таблица, называемая Периодической системой элементов (или просто Периодическая система) была разработана для этой цели (см. рис. 6).

Как Вы можете видеть из рис. 6 Периодическая система может быть разделена на 8 вертикальных столбцов. Все элементы одного столбца должны иметь одинаковое число электронов на их внешней оболочке, и, следовательно, должны обладать одинаковыми химическими свойствами.

Элементы, расположенные в одном столбце периодической системы, имеют одинаковые химические свойства.

Например, кальций (Ca), барий (Ba), стронций (Sr) и радий (Ra) все находятся в одном столбце Периодической системы и имеют одинаковые химические свойства. Поскольку кальций является одним из главных элементов в костях человека, то остальные элементы могут рассматриваться как элементы, стремящиеся попасть в кости, и будут усваиваться телом так же, как и кальций.  Это важно с радиологической точки зрения, так как это определяет, где ионизирующее излучение воздействует на человека, в организм которого попал радий.

Более детальная Периодическая система элементов расположена на с. 62 сопроводительного буклета, ‘Ядра и изотопы. Этот буклет будет использован во всем курсе, поэтому уделите время его изучению сейчас. Используя буклет, найдите некоторые из простых атомов типа водорода, гелия или углерода.  Какая информация об этих элементах приведена в буклете?  Сколько столбцов находится в Периодической системе элементов, если исключить из рассмотрения переходные элементы?

Периодическая система дает имя и символ каждому элементу, его атомный номер и атомный вес (массу) (среднюю массу всех изотопов, существующих в природе, выраженную в атомных единицах массы, и может также давать информацию об электронной структуре и физических свойствах атомов, таких как плотность, точка кипения и точка таяния. Периодическую систему можно сделать и разноцветной, чтобы показать агрегатное состояние (твердое, жидкое, газообразное) элемента, который имеется в природе. В таблице содержится восемь столбцов.  Переходные элементы, такие, как элементы с атомными номерами между 21 и 30, 39 и 48, 57 и 80, и 89 и выше.  Элементы с атомным числом, большим 92, производятся искусственно, являются радиоактивными и не имеются в природе в сколь либо значительном количестве. Однако, искусственно созданные элементы важны с радиологической точки зрения, так как они обычно возникают на ядерных предприятиях.