Розділ 7. Вугілля

Все в світі складається з молекул, які являють собою складні комплекси взаємодіючих атомів. Молекули – це найменші частки речовини, які зберігають її хімічні властивості. Молекула складається з однакових (в простій речовині) або різних (в хімічній сполуці) атомів, об`єднаних хімічними зв`язками.

Атом – найменша частка хімічного елемента, яка є носієм його хімічних властивостей. Всі атоми хімічних елементів мають однакову структуру. Їх лінійний розмір в діаметрі становить приблизно 10^-10м. Атом складається з позитивно зарядженого ядра і негативно заряджених електронів, які рухаються навколо ядра і розміщені на електронних орбітах атома.

Електрони в атомі згруповані на оболонках (шарах), які прийнято позначати літерами K, L, M, N, O, P, Q. Будова електронних оболонок підпорядкована строгому фізичному законові – «в одному атомі не може бути двох електронів, що знаходяться в одному і тому ж енергетичному стані». Цей стан визначається трьома параметрами: енергією зв`язку електрона в атомі, характером його обертання навколо ядра (орбітальним моментом) і обертання навколо власної осі (спіном). Кожна електронна орбіта відповідає цілком конкретному значенню енергії зв`язку, завдяки якому електрони утримуються в атомі. Електрони, що отримали додаткову енергію, можуть переходити на орбіту, більш віддалену від ядра, або взагалі залишати межі атома. Стан атома, в якому електрони перейшли з властивої їм оболонки на більш віддалену від ядра орбіту, є, як правило, нестійким. Час його перебування в такому збудженому стані не перевищує 10 -8 с. При переході електрона з віддаленої на ближчу до ядра орбіту виділяється енергія.

Ядро – центральна частина атома, що складається з позитивно заряджених протонів і нейтральних нейтронів. Ці частинки, які називаються нуклонами, утримуються в ядрах короткодіючими силами тяжіння, що виникають за рахунок обміну квантами так званої «сильної» взаємодії. Розміри ядра приблизно в 10–100 тисяч разів менше лінійних розмірів атома (діаметр ядра порядку 10 -14 м). Незважаючи на відносно малі розміри ядра, в ньому зосереджена практично вся маса атома, що обумовлює дуже високу щільність ядерної речовини. Маса ядра дещо нижче суми мас складаючих його протонів і нейтронів у вільному стані. Ця різниця називається «дефектом маси».

Ядро елемента X прийнято позначати як або X-A, де Z – заряд ядра, який дорівнює числу протонів, що визначає атомний номер ядра; A – масове число ядра, що дорівнює сумарному числу протонів і нейтронів.

Протон – елементарна частинка, що має одиничний позитивний заряд, рівний за абсолютною величиною заряду електрона. Він є ядром атому найпростішого водню.

Нейтрон – незаряджена елементарна частинка з масою спокою, яка дещо перевищує масу протона. У вільному стані нейтрон – нестійка частинка і зазнає перетворень. Велика проникаюча здатність нейтронів пояснюється тим, що ці частинки не заряджені. Вони вільно пролітають крізь атоми, не взаємодіючи з їх електронами і не затримуючись у своєму русі, якщо тільки не стикаються з ядрами.

Протон і нейтрон позначаються відповідно і , де нижні індекси позначають заряд, а верхні – масу в атомних одиницях маси (а.о.м.), яка округляється до одиниці. В якості а.о.м. прийнята 1/12 частина маси атома вуглецю. Маса протона і нейтрона в 1840 разів більше маси електрона. Для протонів і нейтронів існує загальна назва нуклони. Позитивний заряд ядра визначається кількістю протонів у ньому.

Атом будь-якого хімічного елемента характеризується двома головними параметрами: масовим числом і атомним номером елемента в Періодичній системі хімічних елементів Д.І. Менделєєва. Масове число А – сумарне число протонів і нейтронів в ядрі даного атома. Атомний номер Z – число протонів, що входять до складу ядра. Виходячи з цих визначень, число нейтронів в ядрі дорівнює N = A – Z.

Ядра елементів з однаковим числом протонів, але різним числом нейтронів називаються ізотопами. Як приклад можна навести природний уран, який має три ізотопи На сьогодні відомо близько 1500 ізотопів. Одні з них стійкі (стабільні), інші – нестійкі, радіоактивні.

Заряд і масове число є основними характеристиками атомних ядер. Різновиди атомів, що визначаються певним масовим числом і атомним номером, називають нуклідами і позначають символом елемента із зазначенням атомного номера (внизу зліва) і масового числа (угорі ліворуч), наприклад: У періодичній системі елементи розташовані строго послідовно в порядку зростання заряду ядер їх атомів. При цьому властивості елементів перебувають у періодичній залежності від заряду ядер їх атомів. У кожному періоді системи хімічних елементів Д.І. Менделєєва йде побудова нового електронного шару, а у великих періодах також добудова внутрішніх шарів. Тому число електронних шарів в атомі зазвичай дорівнює номеру періоду, в якому знаходиться відповідний елемент.

При нормальному стані атома кількість його електронів, що рухаються навколо ядра, відповідає кількості протонів в ядрі, що приводить до нейтралізації сумарних негативних зарядів електронів і позитивного заряду ядра. У цьому стані атом є електрично нейтральною системою.

Стійкість атомних ядер обумовлена ядерними силами тяжіння, які утримують нуклони в ядрі. Особливість їх полягає в тому, що вони досить великі на відстанях, співставних з розмірами ядра (в 2–3 рази перевершують сили відштовхування Кулона, що діють між зарядженими частками, які входять до складу ядра). Ця особливість ядерних сил обумовлена енергією зв`язку, яка становить кілька мільйонів електрон-вольт, що від кількох сотень до кількох тисяч разів перевищує енергію зв`язку електрона в атомі. При цьому важливо підкреслити, що стійкість ядер атомів забезпечується лише при цілком певних співвідношеннях протонів і нейтронів. Для легких ядер їх кількість майже однакова, для важких – кіькість нейтронів зростає. Ядра атомів, що знаходяться наприкінці таблиці Менделєєва (з атомним номером Z > 82), як правило, нестійкі. При збільшенні сумарного числа нуклонів зменшується сила ядерних тяжінь і ефект кулонівських сил відштовхування починає превалювати. У таких атомах сили ядерних тяжінь вже не вистачає для забезпечення повної стійкості ядер, що призводить до процесів їх внутрішньої перебудови (самовільним перетворенням), що супроводжуються виділенням енергії. Таким чином, у хімічних елементів з атомним номером (зарядом ядра) Z < 83 існують як стабільні, так і радіоактивні ізотопи. В елементів з атомним номером Z > 84 є лише радіоактивні ізотопи. Такі ізотопи називають радіонуклідами. Процес спонтанного переходу атомного ядра в інше ядро або ядра з випусканням при цьому різних частинок називається радіоак тивним розпадом, або радіоактивністю.