Od antike do sredine 18. stoletja je v znanosti prevladovala ideja, da je atom delec snovi, ki je ni mogoče razdeliti. Angleški znanstvenik, pa tudi naravoslovec D. D alton, sta atom opredelila kot najmanjšo sestavino kemičnega elementa. M. V. Lomonosov je v svoji atomski in molekularni teoriji lahko definiral atom in molekulo. Prepričan je bil, da so molekule, ki jih je imenoval "telešce", sestavljene iz "elementov" - atomov - in so v nenehnem gibanju.
D. I. Mendelejev je verjel, da ta podenota snovi, ki sestavljajo materialni svet, ohrani vse svoje lastnosti le, če ni podvržena ločevanju. V tem članku bomo definirali atom kot objekt mikrosveta in preučili njegove lastnosti.
Predpogoji za ustvarjanje teorije strukture atoma
V 19. stoletju je bila izjava o nedeljivosti atoma splošno sprejeta. Večina znanstvenikov je verjela, da se delci enega kemičnega elementa pod nobenim pogojem ne morejo spremeniti v atome drugega elementa. Te ideje so služile kot osnova, na kateri je temeljila definicija atoma do leta 1932. Konec 19. stoletja je znanost naredilatemeljna odkritja, ki so spremenila to stališče. Najprej je leta 1897 angleški fizik J. J. Thomson odkril elektron. To dejstvo je korenito spremenilo ideje znanstvenikov o nedeljivosti sestavnega dela kemičnega elementa.
Kako dokazati, da je atom kompleksen
Še pred odkritjem elektrona so se znanstveniki soglasno strinjali, da atomi nimajo nabojev. Nato je bilo ugotovljeno, da se elektroni zlahka sprostijo iz katerega koli kemičnega elementa. Najdemo jih v plamenu, so nosilci električnega toka, sproščajo jih snovi med sevanjem rentgenskih žarkov.
Toda če so elektroni del vseh atomov brez izjeme in so negativno nabiti, potem so v atomu še nekateri drugi delci, ki imajo nujno pozitiven naboj, sicer atomi ne bi bili električno nevtralni. Da bi pomagali razkriti strukturo atoma, je pomagal tak fizični pojav, kot je radioaktivnost. Dala je pravilno definicijo atoma v fiziki in nato v kemiji.
Nevidni žarki
Francoski fizik A. Becquerel je prvi opisal pojav emisije atomov določenih kemičnih elementov, vizualno nevidnih žarkov. Ionizirajo zrak, prehajajo skozi snovi, povzročajo črnenje fotografskih plošč. Kasneje sta Curies in E. Rutherford ugotovila, da se radioaktivne snovi pretvorijo v atome drugih kemičnih elementov (na primer uran v neptunij).
Radioaktivno sevanje je po sestavi nehomogeno: alfa delci, beta delci, gama žarki. TorejTako je pojav radioaktivnosti potrdil, da imajo delci elementov periodnega sistema zapleteno strukturo. To dejstvo je bilo razlog za spremembe v definiciji atoma. Iz katerih delcev je sestavljen atom glede na nova znanstvena dejstva, ki jih je pridobil Rutherford? Odgovor na to vprašanje je bil jedrski model atoma, ki ga je predlagal znanstvenik, po katerem se elektroni vrtijo okoli pozitivno nabitega jedra.
Protislovja Rutherfordovega modela
Teorija znanstvenika kljub izjemnemu značaju ni mogla objektivno opredeliti atoma. Njeni sklepi so bili v nasprotju s temeljnimi zakoni termodinamike, po katerih vsi elektroni, ki se vrtijo okoli jedra, izgubijo svojo energijo in, kakor koli že, prej ali slej morajo vanj pasti. Atom je v tem primeru uničen. To se pravzaprav ne zgodi, saj kemični elementi in delci, iz katerih so sestavljeni, obstajajo v naravi zelo dolgo. Takšna definicija atoma, ki temelji na Rutherfordovi teoriji, je nerazložljiva, kot tudi pojav, ki se pojavi, ko vroče preproste snovi prehajamo skozi uklonsko rešetko. Konec koncev imajo nastali atomski spektri linearno obliko. To je bilo v nasprotju z Rutherfordovim modelom atoma, po katerem bi morali biti spektri neprekinjeni. V skladu s koncepti kvantne mehanike so trenutno elektroni v jedru označeni ne kot točkovni objekti, temveč kot elektronski oblak.
Njegova največja gostota v določenem lokusu prostora okoli jedra inšteje za lokacijo delca v določenem trenutku. Ugotovljeno je bilo tudi, da so elektroni v atomu razporejeni po plasteh. Število plasti je mogoče določiti s poznavanjem števila obdobja, v katerem se element nahaja v periodnem sistemu D. I. Mendelejeva. Na primer, atom fosforja vsebuje 15 elektronov in ima 3 energijske ravni. Indikator, ki določa število energijskih nivojev, se imenuje glavno kvantno število.
Poskusno je bilo ugotovljeno, da imajo elektroni na energijskem nivoju, ki je najbližji jedru, najnižjo energijo. Vsaka energijska lupina je razdeljena na podravni, ti pa na orbitale. Elektroni, ki se nahajajo v različnih orbitalah, imajo enako obliko oblaka (s, p, d, f).
Na podlagi zgoraj navedenega sledi, da oblika elektronskega oblaka ne more biti poljubna. Je strogo opredeljena glede na orbitalno kvantno število. Dodamo tudi, da stanje elektrona v makrodelcu določata še dve vrednosti - magnetno in spinsko kvantno število. Prva temelji na Schrödingerjevi enačbi in označuje prostorsko orientacijo elektronskega oblaka na podlagi tridimenzionalnosti našega sveta. Drugi indikator je vrtilna številka, uporablja se za določanje vrtenja elektrona okoli njegove osi v smeri urinega kazalca ali v nasprotni smeri urinega kazalca.
Odkritje nevtrona
Zahvaljujoč delu D. Chadwicka, ki ga je izvedel leta 1932, je bila dana nova definicija atoma v kemiji in fiziki. Znanstvenik je v svojih poskusih dokazal, da pri cepljenju polonija pride do sevanja, ki ga povzročadelci, ki nimajo naboja, z maso 1,008 665. Nov elementarni delec se je imenoval nevtron. Njegovo odkritje in preučevanje njegovih lastnosti je omogočilo sovjetskim znanstvenikom V. Gaponu in D. Ivanenku ustvariti novo teorijo strukture atomskega jedra, ki vsebuje protone in nevtrone.
Po novi teoriji je bila definicija atoma snovi naslednja: je strukturna enota kemičnega elementa, sestavljena iz jedra, ki vsebuje protone in nevtrone ter elektrone, ki se gibljejo okoli njega. Število pozitivnih delcev v jedru je vedno enako atomskemu številu kemičnega elementa v periodnem sistemu.
Kasneje je profesor A. Ždanov v svojih poskusih potrdil, da so se atomska jedra pod vplivom trdega kozmičnega sevanja razcepila na protone in nevtrone. Poleg tega je bilo dokazano, da so sile, ki držijo te elementarne delce v jedru, izjemno energetsko intenzivne. Delujejo na zelo kratkih razdaljah (približno 10-23 cm) in se imenujejo jedrski. Kot smo že omenili, je celo M. V. Lomonosov lahko dal definicijo atoma in molekule na podlagi znanstvenih dejstev, ki so mu znana.
Trenutno je splošno priznan naslednji model: atom je sestavljen iz jedra in elektronov, ki se gibljejo okoli njega po strogo določenih trajektorijah - orbital. Elektroni hkrati kažejo lastnosti tako delcev kot valov, torej imajo dvojno naravo. Skoraj vsa njegova masa je koncentrirana v jedru atoma. Sestavljen je iz protonov in nevtronov, ki jih vežejo jedrske sile.
Atom je mogoče tehtati
Izkazalo se je, da ima vsak atommaso. Na primer, za vodik je 1,67x10-24g. Težko si je celo predstavljati, kako majhna je ta vrednost. Za iskanje teže takšnega predmeta ne uporabljajo tehtnice, temveč oscilator, ki je ogljikova nanocevka. Za izračun teže atoma in molekule je bolj priročna vrednost relativna masa. Kaže, kolikokrat je teža molekule ali atoma večja od 1/12 ogljikovega atoma, kar je 1,66x10-27 kg. Relativne atomske mase so podane v periodnem sistemu kemičnih elementov in nimajo enot.
Znanstveniki se dobro zavedajo, da je atomska masa kemičnega elementa povprečje masnih števil vseh njegovih izotopov. Izkazalo se je, da imajo lahko v naravi enote enega kemičnega elementa različne mase. Hkrati so naboji jeder takšnih strukturnih delcev enaki.
Znanstveniki so ugotovili, da se izotopi razlikujejo po številu nevtronov v jedru in da je naboj njihovih jeder enak. Na primer, atom klora z maso 35 vsebuje 18 nevtronov in 17 protonov, z maso 37 pa 20 nevtronov in 17 protonov. Številni kemični elementi so mešanice izotopov. Tako preproste snovi, kot so kalij, argon, kisik, na primer vsebujejo atome, ki predstavljajo 3 različne izotope.
Definiranje atomičnosti
Ima več interpretacij. Razmislite, kaj pomeni ta izraz v kemiji. Če atomi katerega koli kemičnega elementa lahko obstajajo ločeno vsaj kratek čas, ne da bi si prizadevali tvoriti bolj zapleten delec - molekulo, potem pravijo, da imajo takšne snoviatomska struktura. Na primer, večstopenjska reakcija kloriranja metana. Široko se uporablja v kemiji organske sinteze za pridobivanje najpomembnejših derivatov, ki vsebujejo halogen: diklorometan, ogljikov tetraklorid. Molekule klora razdeli na zelo reaktivne atome. Pretrgajo sigma vezi v molekuli metana, kar zagotavlja substitucijsko verižno reakcijo.
Še en primer kemičnega procesa velikega pomena v industriji je uporaba vodikovega peroksida kot razkužila in belila. Določanje atomskega kisika kot produkta razgradnje vodikovega peroksida poteka tako v živih celicah (pod delovanjem encima katalaze) kot v laboratorijskih pogojih. Atomski kisik je kvalitativno določen z visokimi antioksidativnimi lastnostmi, pa tudi z zmožnostjo uničenja patogenih povzročiteljev: bakterij, gliv in njihovih spor.
Kako deluje atomska lupina
Prej smo že ugotovili, da ima strukturna enota kemičnega elementa kompleksno strukturo. Elektroni se vrtijo okoli pozitivno nabitega jedra. Nobelov nagrajenec Niels Bohr je na podlagi kvantne teorije svetlobe ustvaril svojo doktrino, v kateri so značilnosti in definicija atoma naslednja: elektroni se gibljejo okoli jedra le po določenih stacionarnih poteh, medtem ko energije ne sevajo. Bohrova doktrina je dokazala, da delci mikrokozmosa, ki vključujejo atome in molekule, ne upoštevajo pravičnih zakonov.za velika telesa - makrokozmični objekti.
Strukturo elektronskih lupin makrodelcev so v delih o kvantni fiziki preučevali znanstveniki, kot so Hund, Pauli, Klechkovsky. Tako je postalo znano, da se elektroni gibljejo okoli jedra ne naključno, ampak vzdolž določenih stacionarnih poti. Pauli je ugotovil, da znotraj ene energijske ravni na vsaki od njenih s, p, d, f orbital v elektronskih celicah ni mogoče najti več kot dva negativno nabita delca z nasprotnimi vrtljaji + ½ in - ½.
Hundovo pravilo je razložilo, kako so orbitale z enako energijsko raven pravilno napolnjene z elektroni.
Pravilo Klečkovskega, imenovano tudi pravilo n+l, je razložilo, kako so zapolnjene orbitale večelektronskih atomov (elementi 5, 6, 7 obdobij). Vsi zgornji vzorci so služili kot teoretična utemeljitev sistema kemičnih elementov, ki ga je ustvaril Dmitrij Mendelejev.
Oksidacijsko stanje
Je temeljni koncept v kemiji in označuje stanje atoma v molekuli. Sodobna definicija oksidacijskega stanja atomov je naslednja: to je pogojni naboj atoma v molekuli, ki se izračuna na podlagi pojma, da ima molekula samo ionsko sestavo.
Stopnja oksidacije je lahko izražena kot celo število ali ulomno število, s pozitivnimi, negativnimi ali ničelnimi vrednostmi. Najpogosteje imajo atomi kemičnih elementov več oksidacijskih stanj. Na primer, dušik ima -3, -2, 0, +1, +2, +3, +4, +5. Toda tak kemični element, kot je fluor, v vsem svojemspojine ima samo eno oksidacijsko stanje, enako -1. Če ga predstavlja preprosta snov, je njegovo oksidacijsko stanje nič. To kemično količino je priročno uporabiti za razvrstitev snovi in za opis njihovih lastnosti. Najpogosteje se oksidacijsko stanje atoma uporablja v kemiji pri sestavljanju enačb za redoks reakcije.
Lastnosti atomov
Zahvaljujoč odkritjem kvantne fizike sodobno definicijo atoma, ki temelji na teoriji D. Ivanenka in E. Gapona, dopolnjujejo naslednja znanstvena dejstva. Struktura jedra atoma se med kemičnimi reakcijami ne spremeni. Spremenijo se lahko le stacionarne elektronske orbitale. Njihova struktura lahko razloži veliko fizikalnih in kemijskih lastnosti snovi. Če elektron zapusti stacionarno orbito in gre v orbito z višjim energijskim indeksom, se tak atom imenuje vzbujen.
Upoštevati je treba, da elektroni ne morejo dolgo ostati na tako nenavadnih orbitalah. Ko se vrne v svojo stacionarno orbito, elektron odda kvant energije. Preučevanje takšnih značilnosti strukturnih enot kemičnih elementov, kot so afiniteta elektronov, elektronegativnost, ionizacijska energija, je znanstvenikom omogočilo ne le, da definirajo atom kot najpomembnejši delec mikrokozmosa, temveč jim je omogočilo tudi razložiti sposobnost atomov, da se tvorijo. stabilno in energetsko ugodnejše molekularno stanje snovi, možno zaradi ustvarjanja različnih vrst stabilnih kemičnih vezi: ionske, kovalentnepolarni in nepolarni, donorsko-akceptorski (kot nekakšna kovalentna vez) in kovinski. Slednje določa najpomembnejše fizikalne in kemijske lastnosti vseh kovin.
Poskusno je bilo ugotovljeno, da se velikost atoma lahko spremeni. Vse bo odvisno od tega, v katero molekulo je vključen. Zahvaljujoč rentgenski difrakcijski analizi je mogoče izračunati razdaljo med atomi v kemični spojini, pa tudi ugotoviti polmer strukturne enote elementa. Če poznamo vzorce spreminjanja polmerov atomov, vključenih v obdobje ali skupino kemičnih elementov, je mogoče predvideti njihove fizikalne in kemijske lastnosti. Na primer, v obdobjih s povečanjem naboja jedra atomov se njihovi polmeri zmanjšajo (»stiskanje atoma«), zato kovinske lastnosti spojin oslabijo, nekovinske pa se povečajo.
Tako nam poznavanje strukture atoma omogoča natančno določitev fizikalnih in kemijskih lastnosti vseh elementov, vključenih v periodični sistem Mendelejeva.
