Od starożytności do połowy XVIII wieku w nauce dominowało przekonanie, że atom jest cząsteczką materii, której nie można podzielić. Angielski naukowiec, a także przyrodnik D. D alton, zdefiniowali atom jako najmniejszy składnik pierwiastka chemicznego. M. V. Lomonosov w swojej teorii atomowej i molekularnej był w stanie zdefiniować atom i cząsteczkę. Był przekonany, że cząsteczki, które nazwał „korpuskułami”, składają się z „pierwiastków” – atomów – i są w ciągłym ruchu.
D. I. Mendelejew uważał, że ta podjednostka substancji tworzących świat materialny zachowuje wszystkie swoje właściwości tylko wtedy, gdy nie jest poddawana separacji. W tym artykule zdefiniujemy atom jako obiekt mikroświata i zbadamy jego właściwości.
Wymagania wstępne do stworzenia teorii budowy atomu
W XIX wieku powszechnie przyjęło się stwierdzenie o niepodzielności atomu. Większość naukowców uważała, że cząsteczki jednego pierwiastka chemicznego w żadnym wypadku nie mogą zamienić się w atomy innego pierwiastka. Idee te służyły jako podstawa, na której opierała się definicja atomu do 1932 roku. Pod koniec XIX wieku nauka uczyniłafundamentalne odkrycia, które zmieniły ten punkt widzenia. Przede wszystkim w 1897 roku angielski fizyk JJ Thomson odkrył elektron. Fakt ten radykalnie zmienił poglądy naukowców na temat niepodzielności części składowej pierwiastka chemicznego.
Jak udowodnić, że atom jest złożony
Jeszcze przed odkryciem elektronu naukowcy jednogłośnie zgodzili się, że atomy nie mają ładunków. Następnie odkryto, że elektrony są łatwo uwalniane z dowolnego pierwiastka chemicznego. Można je znaleźć w płomieniu, są nośnikami prądu elektrycznego, są uwalniane przez substancje podczas emisji promieniowania rentgenowskiego.
Ale jeśli elektrony są częścią wszystkich atomów bez wyjątku i są naładowane ujemnie, to w atomie znajdują się inne cząstki, które z konieczności mają ładunek dodatni, w przeciwnym razie atomy nie byłyby elektrycznie obojętne. Aby pomóc w rozwikłaniu struktury atomu, pomogło takie zjawisko fizyczne, jak radioaktywność. Podało poprawną definicję atomu w fizyce, a następnie w chemii.
Niewidzialne promienie
Francuski fizyk A. Becquerel jako pierwszy opisał zjawisko emisji przez atomy pewnych pierwiastków chemicznych, wizualnie niewidocznych promieni. Jonizują powietrze, przechodzą przez substancje, powodują czernienie klisz fotograficznych. Później Curies i E. Rutherford odkryli, że substancje radioaktywne są przekształcane w atomy innych pierwiastków chemicznych (na przykład uran w neptun).
Promieniowanie radioaktywne ma niejednorodny skład: cząstki alfa, cząstki beta, promienie gamma. WięcZjawisko promieniotwórczości potwierdziło zatem, że cząstki pierwiastków układu okresowego mają złożoną strukturę. Fakt ten był powodem zmian w definicji atomu. Z jakich cząstek składa się atom, biorąc pod uwagę nowe fakty naukowe uzyskane przez Rutherforda? Odpowiedzią na to pytanie był model atomu zaproponowany przez naukowca, zgodnie z którym elektrony krążą wokół dodatnio naładowanego jądra.
Sprzeczności modelu Rutherford
Teoria naukowca, pomimo swojego wybitnego charakteru, nie mogła obiektywnie zdefiniować atomu. Jej wnioski były sprzeczne z podstawowymi prawami termodynamiki, zgodnie z którymi wszystkie elektrony krążące wokół jądra tracą swoją energię i prędzej czy później muszą w nią wpaść. W tym przypadku atom ulega zniszczeniu. Tak się właściwie nie dzieje, ponieważ pierwiastki chemiczne i cząstki, z których się składają, istnieją w naturze przez bardzo długi czas. Taka definicja atomu, oparta na teorii Rutherforda, jest niewytłumaczalna, podobnie jak zjawisko przepuszczania gorących prostych substancji przez siatkę dyfrakcyjną. W końcu powstałe widma atomowe mają kształt liniowy. Było to sprzeczne z modelem atomu Rutherforda, zgodnie z którym widma powinny być ciągłe. Zgodnie z koncepcjami mechaniki kwantowej, obecnie elektrony w jądrze są charakteryzowane nie jako obiekty punktowe, ale jako mające postać chmury elektronowej.
Najwyższa gęstość w określonym miejscu przestrzeni wokół jądra iuważane za położenie cząstki w danym momencie. Stwierdzono również, że elektrony w atomie są ułożone warstwami. Liczbę warstw można określić, znając numer okresu, w którym element znajduje się w układzie okresowym D. I. Mendelejewa. Na przykład atom fosforu zawiera 15 elektronów i ma 3 poziomy energii. Wskaźnik określający liczbę poziomów energii nazywany jest główną liczbą kwantową.
Eksperymentalnie stwierdzono, że elektrony o poziomie energii najbliższym jądru mają najniższą energię. Każda powłoka energetyczna jest podzielona na podpoziomy, a te z kolei na orbitale. Elektrony znajdujące się na różnych orbitalach mają ten sam kształt chmury (s, p, d, f).
Na podstawie powyższego wynika, że kształt chmury elektronów nie może być dowolny. Jest ściśle określony zgodnie z orbitalną liczbą kwantową. Dodajemy też, że o stanie elektronu w makrocząstce decydują jeszcze dwie wartości - magnetyczna i spinowa liczba kwantowa. Pierwsza opiera się na równaniu Schrödingera i charakteryzuje orientację przestrzenną chmury elektronowej w oparciu o trójwymiarowość naszego świata. Drugim wskaźnikiem jest liczba spinowa, która służy do określenia obrotu elektronu wokół jego osi zgodnie z ruchem wskazówek zegara lub przeciwnie do ruchu wskazówek zegara.
Odkrycie neutronu
Dzięki pracy D. Chadwicka, przeprowadzonej przez niego w 1932 roku, została podana nowa definicja atomu w chemii i fizyce. W swoich eksperymentach naukowiec dowiódł, że podczas rozszczepiania polonu dochodzi do promieniowania wywołanego przezcząstki, które nie mają ładunku, o masie 1,008665. Nową cząstkę elementarną nazwano neutronem. Jego odkrycie i zbadanie jego właściwości pozwoliło radzieckim naukowcom V. Gaponowi i D. Ivanenko stworzyć nową teorię budowy jądra atomowego zawierającego protony i neutrony.
Zgodnie z nową teorią atom materii był zdefiniowany następująco: jest to strukturalna jednostka pierwiastka chemicznego, składająca się z jądra zawierającego protony i neutrony oraz poruszające się wokół niego elektrony. Liczba cząstek dodatnich w jądrze jest zawsze równa liczbie atomowej pierwiastka chemicznego w układzie okresowym.
Później profesor A. Żdanow potwierdził w swoich eksperymentach, że pod wpływem twardego promieniowania kosmicznego jądra atomowe rozpadają się na protony i neutrony. Ponadto udowodniono, że siły utrzymujące te cząstki elementarne w jądrze są niezwykle energochłonne. Działają na bardzo krótkie odległości (około 10-23 cm) i są nazywane jądrowymi. Jak wspomniano wcześniej, nawet M. V. Łomonosow był w stanie podać definicję atomu i cząsteczki w oparciu o znane mu fakty naukowe.
Obecnie powszechnie uznaje się następujący model: atom składa się z jądra i elektronów poruszających się wokół niego po ściśle określonych trajektoriach - orbitali. Elektrony wykazują jednocześnie właściwości zarówno cząstek, jak i fal, czyli mają dwoistą naturę. Prawie cała jego masa jest skoncentrowana w jądrze atomu. Składa się z protonów i neutronów związanych siłami jądrowymi.
Czy można zważyć atom
Okazuje się, że każdy atom mamasa. Na przykład dla wodoru jest to 1,67x10-24g. Trudno sobie nawet wyobrazić, jak mała jest ta wartość. Aby określić wagę takiego obiektu, nie używają wagi, ale oscylator, którym jest nanorurka węglowa. Aby obliczyć masę atomu i cząsteczki, wygodniejszą wartością jest masa względna. Pokazuje, ile razy waga cząsteczki lub atomu jest większa niż 1/12 atomu węgla, czyli 1,66x10-27 kg. Względne masy atomowe podane są w układzie okresowym pierwiastków chemicznych i nie mają jednostek.
Naukowcy doskonale zdają sobie sprawę, że masa atomowa pierwiastka chemicznego jest średnią liczb masowych wszystkich jego izotopów. Okazuje się, że w naturze jednostki jednego pierwiastka chemicznego mogą mieć różne masy. Jednocześnie ładunki jąder takich cząstek strukturalnych są takie same.
Naukowcy odkryli, że izotopy różnią się liczbą neutronów w jądrze, a ładunek ich jąder jest taki sam. Na przykład atom chloru o masie 35 zawiera 18 neutronów i 17 protonów, a masę 37 - 20 neutronów i 17 protonów. Wiele pierwiastków chemicznych to mieszaniny izotopów. Na przykład tak proste substancje jak potas, argon, tlen zawierają atomy reprezentujące 3 różne izotopy.
Definiowanie atomowości
Ma kilka interpretacji. Zastanów się, co oznacza ten termin w chemii. Jeśli atomy dowolnego pierwiastka chemicznego są w stanie istnieć osobno przynajmniej przez krótki czas, bez dążenia do utworzenia bardziej złożonej cząstki - cząsteczki, to mówią, że takie substancje mająstruktura atomowa. Na przykład wieloetapowa reakcja chlorowania metanu. Jest szeroko stosowany w chemii syntezy organicznej do otrzymywania najważniejszych pochodnych zawierających halogeny: dichlorometanu, czterochlorku węgla. Rozbija cząsteczki chloru na wysoce reaktywne atomy. Zrywają wiązania sigma w cząsteczce metanu, zapewniając reakcję łańcuchową substytucji.
Innym przykładem procesu chemicznego o dużym znaczeniu w przemyśle jest użycie nadtlenku wodoru jako środka dezynfekującego i wybielacza. Oznaczanie tlenu atomowego, jako produktu rozkładu nadtlenku wodoru, zachodzi zarówno w żywych komórkach (pod wpływem enzymu katalazy), jak iw warunkach laboratoryjnych. Tlen atomowy jest jakościowo determinowany jego wysokimi właściwościami antyoksydacyjnymi, a także jego zdolnością do niszczenia czynników chorobotwórczych: bakterii, grzybów i ich zarodników.
Jak działa powłoka atomowa
Wcześniej dowiedzieliśmy się, że jednostka strukturalna pierwiastka chemicznego ma złożoną strukturę. Elektrony krążą wokół dodatnio naładowanego jądra. Noblista Niels Bohr, opierając się na kwantowej teorii światła, stworzył swoją doktrynę, w której właściwości i definicja atomu są następujące: elektrony poruszają się wokół jądra tylko po pewnych stacjonarnych trajektoriach, podczas gdy nie promieniują one energią. Doktryna Bohra dowiodła, że cząstki mikrokosmosu, do których należą atomy i cząsteczki, nie przestrzegają sprawiedliwych prawdla dużych ciał - obiekty makrokosmiczne.
Budowa powłok elektronowych makrocząstek była badana w pracach z fizyki kwantowej przez takich naukowców jak Hund, Pauli, Klechkovsky. Tak więc stało się wiadome, że elektrony wykonują ruchy obrotowe wokół jądra nie losowo, ale wzdłuż pewnych stacjonarnych trajektorii. Pauli odkrył, że w obrębie jednego poziomu energii na każdym z jego orbitali s, p, d, f w ogniwach elektronicznych można znaleźć nie więcej niż dwie ujemnie naładowane cząstki o przeciwnych spinach + ½ i - ½.
Zasada Hunda wyjaśnia, w jaki sposób orbitale o tym samym poziomie energii są prawidłowo wypełnione elektronami.
Reguła Klechkowskiego, zwana także regułą n+l, wyjaśniała, w jaki sposób wypełnione są orbitale atomów wieloelektronowych (elementy o 5, 6, 7 okresach). Wszystkie powyższe wzory służyły jako teoretyczne uzasadnienie systemu pierwiastków chemicznych stworzonego przez Dmitrija Mendelejewa.
Stan utleniania
Jest to podstawowe pojęcie w chemii i charakteryzuje stan atomu w cząsteczce. Współczesna definicja stanu utlenienia atomów jest następująca: jest to ładunek warunkowy atomu w cząsteczce, który jest obliczany na podstawie założenia, że cząsteczka ma tylko skład jonowy.
Stopień utlenienia może być wyrażony jako liczba całkowita lub ułamkowa, z wartościami dodatnimi, ujemnymi lub zerowymi. Najczęściej atomy pierwiastków chemicznych mają kilka stopni utlenienia. Na przykład azot ma -3, -2, 0, +1, +2, +3, +4, +5. Ale taki pierwiastek chemiczny, jak fluor, w całej swojej…związki mają tylko jeden stopień utlenienia, równy -1. Jeśli jest reprezentowany przez prostą substancję, to jej stopień utlenienia wynosi zero. Ta ilość chemiczna jest wygodna w użyciu do klasyfikacji substancji i opisu ich właściwości. Najczęściej stan utlenienia atomu jest używany w chemii podczas zestawiania równań dla reakcji redoks.
Właściwości atomów
Dzięki odkryciom fizyki kwantowej współczesną definicję atomu, opartą na teorii D. Iwanienki i E. Gapona, uzupełniają następujące fakty naukowe. Struktura jądra atomu nie zmienia się podczas reakcji chemicznych. Zmianie podlegają tylko stacjonarne orbitale elektronowe. Ich budowa może wyjaśniać wiele właściwości fizycznych i chemicznych substancji. Jeśli elektron opuszcza orbitę stacjonarną i trafia na orbitę o wyższym indeksie energetycznym, taki atom nazywamy wzbudzonym.
Należy zauważyć, że elektrony nie mogą długo pozostawać na tak niezwykłych orbitach. Wracając na swoją orbitę stacjonarną, elektron emituje kwant energii. Badanie takich cech strukturalnych jednostek pierwiastków chemicznych, jak powinowactwo elektronowe, elektroujemność, energia jonizacji, pozwoliło naukowcom nie tylko zdefiniować atom jako najważniejszą cząstkę mikrokosmosu, ale także wyjaśnić zdolność atomów do tworzenia stabilny i korzystniejszy energetycznie stan molekularny materii, możliwy dzięki tworzeniu różnych typów stabilnych wiązań chemicznych: jonowych, kowalencyjnychpolarny i niepolarny, donor-akceptor (jako rodzaj wiązania kowalencyjnego) i metaliczny. Ten ostatni określa najważniejsze właściwości fizyczne i chemiczne wszystkich metali.
Udowodniono eksperymentalnie, że rozmiar atomu może się zmieniać. Wszystko będzie zależeć od tego, w której cząsteczce jest zawarty. Dzięki analizie dyfrakcji rentgenowskiej możliwe jest obliczenie odległości między atomami w związku chemicznym, a także wyznaczenie promienia jednostki strukturalnej pierwiastka. Znając wzorce zmian promieni atomów wchodzących w skład okresu lub grupy pierwiastków chemicznych, można przewidzieć ich właściwości fizyczne i chemiczne. Na przykład w okresach wzrostu ładunku jądra atomów ich promienie maleją („kompresja atomu”), więc właściwości metaliczne związków słabną, a niemetalicznych wzrastają.
Tak więc znajomość budowy atomu pozwala nam dokładnie określić właściwości fizyczne i chemiczne wszystkich pierwiastków wchodzących w skład układu okresowego Mendelejewa.
