Från antiken till mitten av 1700-talet dominerades vetenskapen av tanken att en atom är en partikel av materia som inte kan delas. Den engelske vetenskapsmannen, liksom naturforskaren D. D alton, definierade atomen som den minsta beståndsdelen av ett kemiskt element. M. V. Lomonosov kunde i sin atom- och molekylteori definiera atomen och molekylen. Han var övertygad om att molekylerna, som han kallade "kroppar", bestod av "element" - atomer - och var i konstant rörelse.
D. I. Mendeleev trodde att denna underenhet av ämnen som utgör den materiella världen behåller alla sina egenskaper endast om den inte utsätts för separation. I den här artikeln kommer vi att definiera atomen som ett objekt i mikrovärlden och studera dess egenskaper.
Förutsättningar för skapandet av teorin om atomens struktur
På 1800-talet var påståendet om atomens odelbarhet allmänt accepterat. De flesta forskare trodde att partiklar av ett kemiskt element under inga omständigheter kunde förvandlas till atomer av ett annat element. Dessa idéer fungerade som grunden för definitionen av atomen fram till 1932. I slutet av 1800-talet gjorde vetenskapengrundläggande upptäckter som förändrade denna synvinkel. Först och främst, 1897, upptäckte den engelske fysikern J. J. Thomson elektronen. Detta faktum förändrade radik alt forskarnas idéer om odelbarheten hos den beståndsdel som ingår i ett kemiskt element.
Hur bevisar man att atomen är komplex
Även innan upptäckten av elektronen var forskare enhälligt överens om att atomer inte har några laddningar. Sedan fann man att elektroner lätt frigörs från vilket kemiskt element som helst. De kan hittas i en låga, de är bärare av elektrisk ström, de frigörs av ämnen under röntgenstrålning.
Men om elektroner är en del av alla atomer utan undantag och är negativt laddade, så finns det några andra partiklar i atomen som nödvändigtvis har en positiv laddning, annars skulle atomerna inte vara elektriskt neutrala. För att hjälpa till att reda ut atomens struktur, hjälpte ett sådant fysiskt fenomen som radioaktivitet. Det gav den korrekta definitionen av atomen i fysik och sedan i kemi.
Osynliga strålar
Den franske fysikern A. Becquerel var den första som beskrev fenomenet med utsläpp från atomer av vissa kemiska grundämnen, visuellt osynliga strålar. De joniserar luften, passerar genom ämnen, orsakar svärtning av fotografiska plattor. Senare fann Curies och E. Rutherford att radioaktiva ämnen omvandlas till atomer av andra kemiska grundämnen (till exempel uran till neptunium).
Radioaktiv strålning har en inhomogen sammansättning: alfapartiklar, beta-partiklar, gammastrålar. SåSåledes bekräftade fenomenet radioaktivitet att partiklarna av elementen i det periodiska systemet har en komplex struktur. Detta faktum var orsaken till de ändringar som gjordes i definitionen av atomen. Vilka partiklar består en atom av, med tanke på de nya vetenskapliga fakta som Rutherford erhållit? Svaret på denna fråga var den kärnmodell av atomen som föreslagits av forskaren, enligt vilken elektroner kretsar runt en positivt laddad kärna.
Rutherford-modellens motsägelser
Forskarens teori, trots sin enastående karaktär, kunde inte objektivt definiera atomen. Hennes slutsatser stred mot termodynamikens grundläggande lagar, enligt vilka alla elektroner som kretsar runt kärnan förlorar sin energi och, hur som helst, förr eller senare måste falla in i den. Atomen förstörs i detta fall. Detta händer faktiskt inte, eftersom de kemiska grundämnena och partiklarna som de består av finns i naturen under mycket lång tid. En sådan definition av atomen, baserad på Rutherfords teori, är oförklarlig, liksom fenomenet som uppstår när heta enkla ämnen passerar genom ett diffraktionsgitter. När allt kommer omkring har de resulterande atomspektra en linjär form. Detta stod i konflikt med Rutherfords modell av atomen, enligt vilken spektra skulle ha varit kontinuerliga. Enligt kvantmekanikens begrepp karaktäriseras för närvarande elektroner i kärnan inte som punktobjekt, utan som att de har formen av ett elektronmoln.
Dess högsta täthet i ett visst utrymme runt kärnan ochanses vara platsen för partikeln vid en given tidpunkt. Man fann också att elektronerna i atomen är ordnade i lager. Antalet lager kan bestämmas genom att känna till numret på den period där elementet är beläget i det periodiska systemet av D. I. Mendeleev. Till exempel innehåller en fosforatom 15 elektroner och har 3 energinivåer. Indikatorn som bestämmer antalet energinivåer kallas huvudkvanttalet.
Det visade sig experimentellt att elektronerna i energinivån närmast kärnan har lägst energi. Varje energiskal är indelat i undernivåer, och de i sin tur i orbitaler. Elektroner som finns i olika orbitaler har samma molnform (s, p, d, f).
Baserat på ovanstående följer att formen på elektronmolnet inte kan vara godtycklig. Det är strikt definierat enligt det orbitala kvanttalet. Vi lägger också till att tillståndet för en elektron i en makropartikel bestäms av ytterligare två värden - magnetiska och spinnkvanttal. Den första är baserad på Schrödinger-ekvationen och karakteriserar elektronmolnets rumsliga orientering utifrån vår världs tredimensionalitet. Den andra indikatorn är spinnumret, det används för att bestämma rotationen av en elektron runt dess axel medurs eller moturs.
Upptäckt av neutronen
Tack vare D. Chadwicks arbete, utfört av honom 1932, gavs en ny definition av atomen i kemi och fysik. I sina experiment bevisade forskaren att under splittringen av polonium uppstår strålning, orsakad avpartiklar som inte har en laddning, med en massa på 1,008665. Den nya elementarpartikeln kallades neutronen. Dess upptäckt och studie av dess egenskaper gjorde det möjligt för de sovjetiska forskarna V. Gapon och D. Ivanenko att skapa en ny teori om strukturen hos atomkärnan som innehåller protoner och neutroner.
Enligt den nya teorin var definitionen av en materiaatom följande: det är en strukturell enhet av ett kemiskt element, bestående av en kärna som innehåller protoner och neutroner och elektroner som rör sig runt den. Antalet positiva partiklar i kärnan är alltid lika med atomnumret för det kemiska elementet i det periodiska systemet.
Senare bekräftade professor A. Zhdanov i sina experiment att under påverkan av hård kosmisk strålning, splittrades atomkärnor i protoner och neutroner. Dessutom bevisades det att krafterna som håller dessa elementarpartiklar i kärnan är extremt energikrävande. De arbetar på mycket korta avstånd (cirka 10-23 cm) och kallas kärnkraft. Som tidigare nämnts kunde till och med M. V. Lomonosov ge en definition av en atom och en molekyl baserat på vetenskapliga fakta som han kände till.
Följande modell är för närvarande allmänt erkänd: en atom består av en kärna och elektroner som rör sig runt den längs strikt definierade banor - orbitaler. Elektroner uppvisar samtidigt egenskaperna hos både partiklar och vågor, det vill säga de har en dubbel natur. Nästan all dess massa är koncentrerad i en atoms kärna. Den består av protoner och neutroner bundna av kärnkrafter.
Kan en atom vägas
Det visar sig att varje atom harmassa. Till exempel, för väte är det 1,67x10-24g. Det är till och med svårt att föreställa sig hur litet detta värde är. För att hitta vikten av ett sådant föremål använder de inte vågar, utan en oscillator, som är ett kolnanorör. För att beräkna vikten av en atom och en molekyl är ett lämpligare värde den relativa massan. Den visar hur många gånger vikten av en molekyl eller atom är större än 1/12 av en kolatom, vilket är 1,66x10-27 kg. Relativa atommassor anges i det periodiska systemet av kemiska grundämnen, och de har inga enheter.
Forskare är väl medvetna om att atommassan för ett kemiskt grundämne är medelvärdet av masstalen för alla dess isotoper. Det visar sig att i naturen kan enheter av ett kemiskt element ha olika massor. Samtidigt är laddningarna av kärnorna i sådana strukturella partiklar desamma.
Forskare har funnit att isotoper skiljer sig åt i antalet neutroner i kärnan, och laddningen av deras kärnor är densamma. Till exempel innehåller en kloratom med en massa av 35 18 neutroner och 17 protoner, och med en massa av 37 - 20 neutroner och 17 protoner. Många kemiska grundämnen är blandningar av isotoper. Till exempel innehåller sådana enkla ämnen som kalium, argon, syre atomer som representerar 3 olika isotoper.
Definiera atomicitet
Den har flera tolkningar. Tänk på vad som menas med denna term i kemi. Om atomerna i något kemiskt element kan existera separat åtminstone under en kort tid, utan att sträva efter att bilda en mer komplex partikel - en molekyl, så säger de att sådana ämnen haratomstruktur. Till exempel en flerstegs metankloreringsreaktion. Det används ofta i kemin för organisk syntes för att erhålla de viktigaste halogenh altiga derivaten: diklormetan, koltetraklorid. Det delar klormolekyler till mycket reaktiva atomer. De bryter sigmabindningarna i metanmolekylen, vilket ger en substitutionskedjereaktion.
Ett annat exempel på en kemisk process av stor betydelse inom industrin är användningen av väteperoxid som desinfektionsmedel och blekmedel. Bestämningen av atomärt syre, som en produkt av nedbrytningen av väteperoxid, sker både i levande celler (under verkan av katalasenzymet) och under laboratorieförhållanden. Atomiskt syre bestäms kvalitativt av dess höga antioxidantegenskaper, såväl som av dess förmåga att förstöra patogena agens: bakterier, svampar och deras sporer.
Hur atomskalet fungerar
Vi har redan upptäckt tidigare att den strukturella enheten i ett kemiskt element har en komplex struktur. Elektroner kretsar kring en positivt laddad kärna. Nobelpristagaren Niels Bohr, baserad på kvantteorin om ljus, skapade sin doktrin, där egenskaperna och definitionen av en atom är följande: elektroner rör sig runt kärnan endast längs vissa stationära banor, medan de inte utstrålar energi. Bohrs doktrin bevisade att partiklarna i mikrokosmos, som inkluderar atomer och molekyler, inte lyder lagar som är rättvisaför stora kroppar - makrokosmiska objekt.
Strukturen av makropartiklars elektronskal studerades i kvantfysikarbeten av forskare som Hund, Pauli, Klechkovsky. Så det blev känt att elektroner gör rotationsrörelser runt kärnan inte slumpmässigt, utan längs vissa stationära banor. Pauli fann att inom en energinivå på var och en av dess s, p, d, f orbitaler kan inte mer än två negativt laddade partiklar med motsatta snurr + ½ och - ½ hittas i elektroniska celler.
Hunds regel förklarade hur orbitaler med samma energinivå är korrekt fyllda med elektroner.
Klechkovskys regel, även kallad n+l-regeln, förklarade hur orbitalerna för multielektronatomer (element av 5, 6, 7 perioder) fylls. Alla ovanstående mönster tjänade som en teoretisk motivering för systemet av kemiska element skapat av Dmitrij Mendeleev.
Oxidationstillstånd
Det är ett grundläggande begrepp inom kemi och kännetecknar tillståndet för en atom i en molekyl. Den moderna definitionen av oxidationstillståndet för atomer är som följer: detta är den villkorade laddningen av en atom i en molekyl, som beräknas utifrån föreställningen att molekylen endast har en jonisk sammansättning.
Oxidationsgraden kan uttryckas som ett heltal eller bråktal, med positiva, negativa eller nollvärden. Oftast har atomer av kemiska grundämnen flera oxidationstillstånd. Till exempel har kväve -3, -2, 0, +1, +2, +3, +4, +5. Men ett sådant kemiskt element som fluor, i alla dessföreningar har bara ett oxidationstillstånd, lika med -1. Om det representeras av ett enkelt ämne, är dess oxidationstillstånd noll. Denna kemiska mängd är lämplig att använda för klassificering av ämnen och för att beskriva deras egenskaper. Oftast används oxidationstillståndet för en atom i kemi när man sammanställer ekvationer för redoxreaktioner.
Atomers egenskaper
Tack vare kvantfysikens upptäckter kompletteras den moderna definitionen av atomen, baserad på teorin om D. Ivanenko och E. Gapon, med följande vetenskapliga fakta. Strukturen hos en atoms kärna förändras inte under kemiska reaktioner. Endast stationära elektronorbitaler kan ändras. Deras struktur kan förklara många fysikaliska och kemiska egenskaper hos ämnen. Om en elektron lämnar en stationär bana och går till en bana med ett högre energiindex, kallas en sådan atom exciterad.
Det bör noteras att elektroner inte kan stanna i sådana ovanliga orbitaler under lång tid. När elektronen återvänder till sin stationära bana avger den ett kvantum av energi. Studiet av sådana egenskaper hos de strukturella enheterna av kemiska element som elektronaffinitet, elektronegativitet, joniseringsenergi, gjorde det möjligt för forskare inte bara att definiera atomen som den viktigaste partikeln i mikrokosmos, utan också tillät dem att förklara atomernas förmåga att bildas. ett stabilt och energimässigt mer gynnsamt molekylärt tillstånd av materia, möjligt på grund av skapandet av olika typer av stabila kemiska bindningar: joniska, kovalentapolär och icke-polär, donator-acceptor (som en sorts kovalent bindning) och metallisk. Den senare bestämmer de viktigaste fysikaliska och kemiska egenskaperna hos alla metaller.
Det har experimentellt fastställts att storleken på en atom kan ändras. Allt kommer att bero på vilken molekyl den ingår i. Tack vare röntgendiffraktionsanalys är det möjligt att beräkna avståndet mellan atomer i en kemisk förening, samt att ta reda på radien för grundämnets strukturella enhet. Genom att känna till förändringsmönstren i radierna för atomer som ingår i en period eller grupp av kemiska element, är det möjligt att förutsäga deras fysikaliska och kemiska egenskaper. Till exempel, i perioder med en ökning av laddningen av atomkärnan, minskar deras radier ("kompression av atomen"), så att föreningarnas metalliska egenskaper försvagas och de icke-metalliska ökar.
Kännedomen om atomens struktur gör det således möjligt för oss att exakt bestämma de fysikaliska och kemiska egenskaperna hos alla grundämnen som ingår i Mendeleevs periodiska system.
