Przyjrzyjmy się, jak zbudowany jest atom. Pamiętaj, że będziemy rozmawiać tylko o modelach. W praktyce atomy są znacznie bardziej złożoną strukturą. Ale dzięki nowoczesnym rozwiązaniom jesteśmy w stanie wyjaśnić, a nawet skutecznie przewidzieć właściwości pierwiastków chemicznych (nawet jeśli nie wszystkich). Jaka jest więc budowa atomu? Z czego jest „zrobiony”?
Planetarny model atomu
został po raz pierwszy zaproponowany przez duńskiego fizyka N. Bohra w 1913 roku. To pierwsza teoria budowy atomu oparta na faktach naukowych. Ponadto położyła podwaliny pod nowoczesną terminologię tematyczną. W nim cząstki elektronów wytwarzają ruchy obrotowe wokół atomu w taki sam sposób, jak planety wokół Słońca. Bohr zasugerował, że mogą istnieć tylko na orbitach znajdujących się w ściśle określonej odległości od jądra. Dlaczego dokładnie naukowiec z pozycji nauki nie potrafił wyjaśnić, ale taki model został potwierdzony wieloma eksperymentami. Do wyznaczenia orbit użyto liczb całkowitych, zaczynając od jednostki ponumerowanej najbliżej jądra. Wszystkie te orbity nazywane są również poziomami. Atom wodoru ma tylko jeden poziom, na którym obraca się jeden elektron. Ale złożone atomy mają więcej poziomów. Są one podzielone na komponenty, które łączą elektrony o potencjale bliskim energii. Tak więc drugi ma już dwa podpoziomy - 2s i 2p. Trzeci ma już trzy - 3s, 3p i 3d. Itp. Najpierw „zaludniane” są podpoziomy bliższe jądru, a następnie te odległe. Każdy z nich może pomieścić tylko określoną liczbę elektronów. Ale to nie koniec. Każdy podpoziom jest podzielony na orbitale. Porównajmy ze zwykłym życiem. Chmura elektronów atomu jest porównywalna z miastem. Poziomy to ulice. Podpoziom - prywatny dom lub mieszkanie. Orbital to pomieszczenie. Każdy z nich „żyje” jednym lub dwoma elektronami. Wszystkie mają określone adresy. To był pierwszy schemat budowy atomu. I wreszcie, o adresach elektronów: są one określane przez zbiory liczb, które nazywamy „kwantowymi”.
Model falowy atomu
Ale z biegiem czasu model planetarny został poprawiony. Zaproponowano drugą teorię budowy atomu. Jest doskonalszy i pozwala wyjaśnić wyniki praktycznych eksperymentów. Falowy model atomu, zaproponowany przez E. Schrödingera, zastąpił pierwszy. Wtedy już ustalono, że elektron może objawiać się nie tylko jako cząstka, ale także jako fala. Co zrobił Schrödinger? Zastosował równanie opisujące ruch fali w przestrzeni trójwymiarowej. W ten sposób można znaleźć nie trajektorię elektronu w atomie, ale prawdopodobieństwo jego wykrycia w pewnym momencie. Obie teorie łączy fakt, że cząstki elementarne znajdują się naokreślone poziomy, podpoziomy i orbitale. Na tym kończy się podobieństwo modeli. Podam jeden przykład - w teorii fal orbital to obszar, w którym będzie można znaleźć elektron z prawdopodobieństwem 95%. Reszta zajmuje 5%, ale ostatecznie okazało się, że cechy strukturalne atomów są przedstawiane za pomocą modelu falowego, mimo że terminologia jest używana w sposób ogólny.
Pojęcie prawdopodobieństwa w tym przypadku
Dlaczego użyto tego terminu? Heisenberg sformułował w 1927 r. zasadę nieoznaczoności, którą obecnie stosuje się do opisu ruchu mikrocząstek. Opiera się na ich fundamentalnej różnicy w stosunku do zwykłych ciał fizycznych. Co to jest? Mechanika klasyczna zakładała, że człowiek może obserwować zjawiska bez wpływu na nie (obserwacja ciał niebieskich). Na podstawie otrzymanych danych można obliczyć, gdzie obiekt będzie w określonym momencie. Ale w mikrokosmosie rzeczy z konieczności mają się inaczej. Tak więc, na przykład, obserwowanie elektronu bez wpływania na niego nie jest teraz możliwe ze względu na fakt, że energie instrumentu i cząstki są nieporównywalne. Prowadzi to do tego, że zmienia się jej położenie cząstki elementarnej, stan, kierunek, prędkość ruchu i inne parametry. I nie ma sensu mówić o dokładnych cechach. Sama zasada nieoznaczoności mówi nam, że nie da się obliczyć dokładnej trajektorii elektronu wokół jądra. Możesz określić tylko prawdopodobieństwo znalezienia cząstki w określonym obszarzeprzestrzeń. To jest specyfika budowy atomów pierwiastków chemicznych. Ale powinno to być brane pod uwagę wyłącznie przez naukowców w praktycznych eksperymentach.
Skład atomu
Ale skupmy się na całym temacie. Tak więc, oprócz dobrze przemyślanej powłoki elektronowej, drugim składnikiem atomu jest jądro. Składa się z dodatnio naładowanych protonów i neutralnych neutronów. Wszyscy znamy układ okresowy pierwiastków. Liczba każdego pierwiastka odpowiada liczbie posiadanych protonów. Liczba neutronów jest równa różnicy między masą atomu a liczbą protonów. Mogą wystąpić odstępstwa od tej zasady. Następnie mówią, że obecny jest izotop pierwiastka. Struktura atomu jest taka, że jest „otoczony” powłoką elektronową. Liczba elektronów jest zwykle równa liczbie protonów. Masa tego ostatniego jest około 1840 razy większa od masy pierwszego i jest w przybliżeniu równa masie neutronu. Promień jądra wynosi około 1/20000 średnicy atomu. On sam ma kulisty kształt. Jest to ogólnie struktura atomów pierwiastków chemicznych. Pomimo różnicy w masie i właściwościach wyglądają mniej więcej tak samo.
Orbity
Mówiąc o tym, jaki jest schemat budowy atomu, nie można o nich milczeć. Tak więc są te typy:
- s. Są kuliste.
- str. Wyglądają jak obszerne ósemki lub wrzeciona.
- d i f. Mają złożony kształt, który trudno opisać językiem formalnym.
Elektron każdego typu można znaleźć z prawdopodobieństwem 95% na terytoriumodpowiedni orbital. Przedstawione informacje należy przyjąć ze spokojem, gdyż jest to raczej abstrakcyjny model matematyczny niż fizyczny rzeczywisty stan rzeczy. Ale przy tym wszystkim ma dobrą moc predykcyjną dotyczącą chemicznych właściwości atomów, a nawet cząsteczek. Im dalej od jądra znajduje się poziom, tym więcej elektronów można na nim umieścić. Tak więc liczbę orbitali można obliczyć za pomocą specjalnego wzoru: x2. Tutaj x jest równe liczbie poziomów. A ponieważ na orbicie można umieścić do dwóch elektronów, ostateczna formuła ich wyszukiwania numerycznego będzie wyglądać tak: 2x2.
Orbity: dane techniczne
Jeśli mówimy o budowie atomu fluoru, będzie on miał trzy orbitale. Wszystkie zostaną wypełnione. Energia orbitali na tym samym podpoziomie jest taka sama. Aby je wyznaczyć, dodaj numer warstwy: 2s, 4p, 6d. Wracamy do rozmowy o budowie atomu fluoru. Będzie miał dwa podpoziomy s i jeden p-podpoziom. Ma dziewięć protonów i tyle samo elektronów. Pierwszy s-poziom. To są dwa elektrony. Potem drugi s-poziom. Jeszcze dwa elektrony. A 5 wypełnia poziom p. Oto jego struktura. Po przeczytaniu poniższego podtytułu możesz sam wykonać niezbędne czynności i sam się przekonać. Jeśli mówimy o właściwościach fizycznych halogenów, w tym fluoru, to należy zauważyć, że chociaż należą one do tej samej grupy, całkowicie różnią się charakterystyką. Ich temperatura wrzenia waha się więc od -188 do 309stopnie Celsjusza. Dlaczego więc są połączone? Wszystko dzięki właściwościom chemicznym. Wszystkie halogeny, aw największym stopniu fluor, mają najwyższą zdolność utleniania. Reagują z metalami i mogą bez problemu samoistnie zapalić się w temperaturze pokojowej.
Jak wypełniane są orbity?
Według jakich reguł i zasad są ułożone elektrony? Sugerujemy zapoznanie się z trzema głównymi, których sformułowanie zostało uproszczone dla lepszego zrozumienia:
- Zasada najmniejszego zużycia energii. Elektrony mają tendencję do wypełniania orbitali w kolejności rosnącej energii.
- Zasada Pauliego. Jeden orbital nie może zawierać więcej niż dwóch elektronów.
- Zasada Hunda. W obrębie jednego podpoziomu elektrony najpierw wypełniają wolne orbitale, a dopiero potem tworzą pary.
Układ okresowy Mendelejewa pomoże w wypełnieniu, a struktura atomu w tym przypadku stanie się bardziej zrozumiała z punktu widzenia obrazu. Dlatego w praktycznej pracy przy budowie obwodów elementów należy mieć ją pod ręką.
Przykład
Aby podsumować wszystko, co zostało powiedziane w artykule, możesz zrobić próbkę tego, jak elektrony atomu są rozmieszczone na ich poziomach, podpoziomach i orbitalach (czyli jaka jest konfiguracja poziomów). Może być przedstawiony jako wzór, diagram energii lub diagram warstw. Są tu bardzo dobre ilustracje, które po dokładnym zbadaniu pomagają zrozumieć strukturę atomu. Tak więc pierwszy poziom jest wypełniany jako pierwszy. To matylko jeden podpoziom, w którym jest tylko jeden orbital. Wszystkie poziomy są wypełniane sekwencyjnie, zaczynając od najmniejszego. Po pierwsze, w obrębie jednego podpoziomu na każdym orbicie umieszczany jest jeden elektron. Następnie tworzone są pary. A jeśli są wolne, przełącza się na inny temat wypełnienia. A teraz możesz samodzielnie dowiedzieć się, jaka jest struktura atomu azotu lub fluoru (co było rozważane wcześniej). Na początku może to być trochę trudne, ale możesz nawigować, patrząc na zdjęcia. Dla jasności spójrzmy na budowę atomu azotu. Ma 7 protonów (wraz z neutronami tworzącymi jądro) i taką samą liczbę elektronów (które tworzą powłokę elektronową). Pierwszy poziom s jest wypełniany jako pierwszy. Ma 2 elektrony. Potem przychodzi drugi s-poziom. Posiada również 2 elektrony. A pozostałe trzy są umieszczone na poziomie p, gdzie każdy z nich zajmuje jeden orbital.
Wniosek
Jak widać, budowa atomu nie jest aż tak trudnym tematem (oczywiście podchodząc do tego z perspektywy szkolnego kursu chemii). I nie jest trudno zrozumieć ten temat. Na koniec chciałbym poinformować o niektórych funkcjach. Mówiąc na przykład o budowie atomu tlenu, wiemy, że ma on osiem protonów i 8-10 neutronów. A ponieważ wszystko w naturze dąży do równowagi, dwa atomy tlenu tworzą cząsteczkę, w której dwa niesparowane elektrony tworzą wiązanie kowalencyjne. Podobnie powstaje inna stabilna cząsteczka tlenu - ozon (O3). Znając strukturę atomu tlenu, można poprawnie sformułować reakcje utleniania, wktóra obejmuje najpowszechniejszą substancję na Ziemi.
