Fra antikken til midten av 1700-tallet var vitenskapen dominert av ideen om at et atom er en partikkel av materie som ikke kan deles. Den engelske vitenskapsmannen, så vel som naturforskeren D. D alton, definerte atomet som den minste komponenten i et kjemisk grunnstoff. M. V. Lomonosov var i sin atom- og molekylteori i stand til å definere atomet og molekylet. Han var overbevist om at molekylene, som han k alte "korpuskler", var bygd opp av "elementer" - atomer - og var i konstant bevegelse.
D. I. Mendeleev mente at denne underenheten av stoffer som utgjør den materielle verden beholder alle sine egenskaper bare hvis den ikke utsettes for separasjon. I denne artikkelen vil vi definere atomet som et objekt i mikroverdenen og studere dets egenskaper.
Forutsetninger for å lage teorien om atomets struktur
På 1800-tallet ble utsagnet om atomets udelelighet generelt akseptert. De fleste forskere trodde at partikler av ett kjemisk element under ingen omstendigheter kunne bli til atomer av et annet element. Disse ideene fungerte som grunnlaget for definisjonen av atomet var basert frem til 1932. På slutten av 1800-tallet laget vitenskapengrunnleggende funn som endret dette synspunktet. Først av alt, i 1897, oppdaget den engelske fysikeren J. J. Thomson elektronet. Dette faktum endret radik alt vitenskapsmenns ideer om udeleligheten til den inngående delen av et kjemisk element.
Hvordan bevise at atomet er komplekst
Selv før oppdagelsen av elektronet var forskerne enstemmig enige om at atomer ikke har noen ladninger. Da ble det funnet at elektroner lett frigjøres fra ethvert kjemisk grunnstoff. De kan finnes i en flamme, de er bærere av elektrisk strøm, de frigjøres av stoffer under røntgenstråling.
Men hvis elektroner er en del av alle atomer uten unntak og er negativt ladet, så er det noen andre partikler i atomet som nødvendigvis har positiv ladning, ellers ville ikke atomene vært elektrisk nøytrale. For å hjelpe til med å avdekke strukturen til atomet, hjalp et slikt fysisk fenomen som radioaktivitet. Den ga den riktige definisjonen av atomet i fysikk og deretter i kjemi.
Usynlige stråler
Den franske fysikeren A. Becquerel var den første som beskrev fenomenet utslipp fra atomer av visse kjemiske elementer, visuelt usynlige stråler. De ioniserer luften, passerer gjennom stoffer, forårsaker svartning av fotografiske plater. Senere fant Curies og E. Rutherford at radioaktive stoffer omdannes til atomer av andre kjemiske elementer (for eksempel uran til neptunium).
Radioaktiv stråling er inhomogen i sammensetning: alfapartikler, beta-partikler, gammastråler. SåDermed bekreftet radioaktivitetsfenomenet at partiklene til elementene i det periodiske systemet har en kompleks struktur. Dette faktum var årsaken til endringene som ble gjort i definisjonen av atomet. Hvilke partikler består et atom av, gitt de nye vitenskapelige fakta innhentet av Rutherford? Svaret på dette spørsmålet var kjernemodellen av atomet foreslått av forskeren, ifølge hvilken elektroner kretser rundt en positivt ladet kjerne.
Contradictions of the Rutherford-modellen
Vitenskapsmannens teori, til tross for sin enestående karakter, kunne ikke objektivt definere atomet. Hennes konklusjoner gikk i strid med termodynamikkens grunnleggende lover, ifølge hvilke alle elektroner som kretser rundt kjernen mister energien sin og, uansett om det måtte være, før eller siden må falle inn i den. Atomet er ødelagt i dette tilfellet. Dette skjer faktisk ikke, siden de kjemiske elementene og partiklene de er sammensatt av eksisterer i naturen i svært lang tid. En slik definisjon av atomet, basert på Rutherfords teori, er uforklarlig, så vel som fenomenet som oppstår når varme enkle stoffer føres gjennom et diffraksjonsgitter. Tross alt har de resulterende atomspektrene en lineær form. Dette var i konflikt med Rutherfords modell av atomet, ifølge hvilken spektrene skulle ha vært kontinuerlige. I følge kvantemekanikkens konsepter karakteriseres for tiden elektroner i kjernen ikke som punktobjekter, men som å ha form av en elektronsky.
Den høyeste tetthet i et visst sted rundt kjernen oganses å være plasseringen av partikkelen på et gitt tidspunkt. Det ble også funnet at elektronene i atomet er ordnet i lag. Antall lag kan bestemmes ved å kjenne nummeret på perioden der elementet er lokalisert i det periodiske systemet til D. I. Mendeleev. For eksempel inneholder et fosforatom 15 elektroner og har 3 energinivåer. Indikatoren som bestemmer antall energinivåer kalles hovedkvantetallet.
Det ble eksperimentelt funnet at elektronene på energinivået nærmest kjernen har lavest energi. Hvert energiskall er delt inn i undernivåer, og de i sin tur i orbitaler. Elektroner som befinner seg i forskjellige orbitaler har samme skyform (s, p, d, f).
Basert på ovenstående følger det at formen på elektronskyen ikke kan være vilkårlig. Det er strengt definert i henhold til orbit alt kvantenummer. Vi legger også til at tilstanden til et elektron i en makropartikkel bestemmes av ytterligere to verdier - magnetiske og spinnkvantetall. Den første er basert på Schrödinger-ligningen og karakteriserer den romlige orienteringen til elektronskyen basert på tredimensjonaliteten til vår verden. Den andre indikatoren er spinnnummeret, det brukes til å bestemme rotasjonen til et elektron rundt dets akse med eller mot klokken.
Oppdagelse av nøytronet
Takket være arbeidet til D. Chadwick, utført av ham i 1932, ble det gitt en ny definisjon av atomet i kjemi og fysikk. I sine eksperimenter beviste forskeren at under sp altningen av polonium oppstår stråling, forårsaket avpartikler som ikke har en ladning, med en masse på 1,008665. Den nye elementærpartikkelen ble k alt nøytronet. Dens oppdagelse og studie av egenskapene tillot de sovjetiske forskerne V. Gapon og D. Ivanenko å lage en ny teori om strukturen til atomkjernen som inneholder protoner og nøytroner.
Ifølge den nye teorien var definisjonen av et materieatom som følger: det er en strukturell enhet av et kjemisk grunnstoff, bestående av en kjerne som inneholder protoner og nøytroner og elektroner som beveger seg rundt det. Antall positive partikler i kjernen er alltid lik atomnummeret til det kjemiske elementet i det periodiske systemet.
Senere bekreftet professor A. Zhdanov i sine eksperimenter at under påvirkning av hard kosmisk stråling splittet atomkjerner seg i protoner og nøytroner. I tillegg ble det bevist at kreftene som holder disse elementærpartiklene i kjernen er ekstremt energikrevende. De opererer på svært korte avstander (ca. 10-23 cm) og kalles atomkraft. Som nevnt tidligere var til og med M. V. Lomonosov i stand til å gi en definisjon av et atom og et molekyl basert på vitenskapelige fakta kjent for ham.
For tiden er følgende modell generelt anerkjent: et atom består av en kjerne og elektroner som beveger seg rundt den langs strengt definerte baner - orbitaler. Elektroner viser samtidig egenskapene til både partikler og bølger, det vil si at de har en dobbel natur. Nesten all massen er konsentrert i kjernen til et atom. Den består av protoner og nøytroner bundet av kjernekrefter.
Kan et atom veies
Det viser seg at hvert atom harmasse. For eksempel, for hydrogen er det 1,67x10-24g. Det er til og med vanskelig å forestille seg hvor liten denne verdien er. For å finne vekten til en slik gjenstand bruker de ikke vekter, men en oscillator, som er et karbon-nanorør. For å beregne vekten av et atom og et molekyl, er en mer praktisk verdi den relative massen. Den viser hvor mange ganger vekten til et molekyl eller atom er større enn 1/12 av et karbonatom, som er 1,66x10-27 kg. Relative atommasser er gitt i det periodiske systemet av kjemiske elementer, og de har ingen enheter.
Forskere er godt klar over at atommassen til et kjemisk grunnstoff er gjennomsnittet av massetallene til alle dets isotoper. Det viser seg at i naturen kan enheter av ett kjemisk grunnstoff ha forskjellige masser. Samtidig er ladningene til kjernene til slike strukturelle partikler de samme.
Forskere har funnet ut at isotoper er forskjellige i antall nøytroner i kjernen, og ladningen til kjernene deres er den samme. For eksempel inneholder et kloratom med en masse på 35 18 nøytroner og 17 protoner, og med en masse på 37 - 20 nøytroner og 17 protoner. Mange kjemiske grunnstoffer er blandinger av isotoper. For eksempel inneholder slike enkle stoffer som kalium, argon, oksygen atomer som representerer 3 forskjellige isotoper.
Defining atomity
Den har flere tolkninger. Tenk på hva som menes med dette begrepet i kjemi. Hvis atomene til et kjemisk element er i stand til å eksistere separat i det minste for en kort tid, uten å strebe etter å danne en mer kompleks partikkel - et molekyl, så sier de at slike stoffer harAtomstruktur. For eksempel en flertrinns metankloreringsreaksjon. Det er mye brukt i kjemien til organisk syntese for å oppnå de viktigste halogenholdige derivatene: diklormetan, karbontetraklorid. Det splitter klormolekyler i svært reaktive atomer. De bryter sigmabindingene i metanmolekylet, og gir en substitusjonskjedereaksjon.
Et annet eksempel på en kjemisk prosess av stor betydning i industrien er bruken av hydrogenperoksid som desinfeksjonsmiddel og blekemiddel. Bestemmelsen av atomært oksygen, som et produkt av nedbrytningen av hydrogenperoksid, skjer både i levende celler (under påvirkning av katalaseenzymet) og under laboratorieforhold. Atomisk oksygen bestemmes kvalitativt av dets høye antioksidantegenskaper, så vel som av dets evne til å ødelegge patogene stoffer: bakterier, sopp og deres sporer.
Hvordan atomskallet fungerer
Vi har allerede funnet ut tidligere at den strukturelle enheten til et kjemisk grunnstoff har en kompleks struktur. Elektroner kretser rundt en positivt ladet kjerne. Nobelprisvinneren Niels Bohr, basert på kvanteteorien om lys, skapte sin doktrine, der egenskapene og definisjonen av et atom er som følger: elektroner beveger seg rundt kjernen kun langs visse stasjonære baner, mens de ikke utstråler energi. Bohrs doktrine beviste at partiklene i mikrokosmos, som inkluderer atomer og molekyler, ikke adlyder lover som er rettferdigefor store kropper - makrokosmiske objekter.
Strukturen av elektronskallene til makropartikler ble studert i kvantefysikkarbeid av slike forskere som Hund, Pauli, Klechkovsky. Så det ble kjent at elektroner gjør rotasjonsbevegelser rundt kjernen ikke tilfeldig, men langs visse stasjonære baner. Pauli fant at innenfor ett energinivå på hver av dens s, p, d, f orbitaler, kan ikke mer enn to negativt ladede partikler med motsatte spinn + ½ og - ½ finnes i elektroniske celler.
Hunds regel forklarte hvordan orbitaler med samme energinivå er riktig fylt med elektroner.
Klechkovskys regel, også k alt n+l-regelen, forklarte hvordan orbitalene til multielektronatomer (elementer av 5, 6, 7 perioder) er fylt. Alle de ovennevnte mønstrene tjente som en teoretisk begrunnelse for systemet av kjemiske elementer skapt av Dmitrij Mendeleev.
Oksidasjonstilstand
Det er et grunnleggende konsept i kjemi og karakteriserer tilstanden til et atom i et molekyl. Den moderne definisjonen av oksidasjonstilstanden til atomer er som følger: dette er den betingede ladningen til et atom i et molekyl, som beregnes basert på forestillingen om at molekylet kun har en ionisk sammensetning.
Oksydasjonsgraden kan uttrykkes som et heltall eller brøktall, med positive, negative eller nullverdier. Oftest har atomer av kjemiske elementer flere oksidasjonstilstander. For eksempel har nitrogen -3, -2, 0, +1, +2, +3, +4, +5. Men et slikt kjemisk element som fluor, i altforbindelser har bare én oksidasjonstilstand, lik -1. Hvis det er representert av et enkelt stoff, er oksidasjonstilstanden null. Denne kjemiske mengden er praktisk å bruke for klassifisering av stoffer og for å beskrive deres egenskaper. Oftest brukes oksidasjonstilstanden til et atom i kjemi når man setter sammen ligninger for redoksreaksjoner.
Egenskaper til atomer
Takket være oppdagelsene av kvantefysikk, er den moderne definisjonen av atomet, basert på teorien til D. Ivanenko og E. Gapon, supplert med følgende vitenskapelige fakta. Strukturen til kjernen til et atom endres ikke under kjemiske reaksjoner. Bare stasjonære elektronorbitaler kan endres. Strukturen deres kan forklare mange fysiske og kjemiske egenskaper til stoffer. Hvis et elektron forlater en stasjonær bane og går til en bane med høyere energiindeks, kalles et slikt atom eksitert.
Det skal bemerkes at elektroner ikke kan oppholde seg i slike uvanlige orbitaler i lang tid. Når elektronet går tilbake til sin stasjonære bane, sender det ut et kvantum av energi. Studiet av slike egenskaper ved de strukturelle enhetene til kjemiske elementer som elektronaffinitet, elektronegativitet, ioniseringsenergi, tillot forskere ikke bare å definere atomet som den viktigste partikkelen i mikrokosmos, men tillot dem også å forklare atomers evne til å dannes. en stabil og energetisk gunstigere molekylær tilstand av materie, mulig på grunn av dannelsen av forskjellige typer stabile kjemiske bindinger: ioniske, kovalentepolar og ikke-polar, donor-akseptor (som en slags kovalent binding) og metallisk. Sistnevnte bestemmer de viktigste fysiske og kjemiske egenskapene til alle metaller.
Det er eksperimentelt fastslått at størrelsen på et atom kan endre seg. Alt vil avhenge av hvilket molekyl det er inkludert i. Takket være røntgendiffraksjonsanalyse er det mulig å beregne avstanden mellom atomer i en kjemisk forbindelse, samt å finne ut radiusen til grunnstoffets strukturelle enhet. Når du kjenner til endringsmønstrene i radiene til atomer som er inkludert i en periode eller gruppe av kjemiske elementer, er det mulig å forutsi deres fysiske og kjemiske egenskaper. For eksempel, i perioder med en økning i ladningen til atomkjernen, avtar radiene deres ("komprimering av atomet"), slik at de metalliske egenskapene til forbindelsene svekkes, og de ikke-metalliske øker.
Dermed lar kunnskap om atomets struktur oss nøyaktig bestemme de fysiske og kjemiske egenskapene til alle grunnstoffene som inngår i det periodiske systemet til Mendeleev.
