Fra oldtiden til midten af det 18. århundrede var videnskaben domineret af ideen om, at et atom er en partikel af stof, der ikke kan opdeles. Den engelske videnskabsmand, såvel som naturforskeren D. D alton, definerede atomet som den mindste bestanddel af et kemisk grundstof. M. V. Lomonosov var i sin atom- og molekylære teori i stand til at definere atomet og molekylet. Han var overbevist om, at molekylerne, som han kaldte "legemer", bestod af "elementer" - atomer - og var i konstant bevægelse.
D. I. Mendeleev mente, at denne underenhed af stoffer, der udgør den materielle verden, kun bevarer alle sine egenskaber, hvis den ikke udsættes for adskillelse. I denne artikel vil vi definere atomet som et objekt i mikroverdenen og studere dets egenskaber.
Forudsætninger for skabelsen af teorien om atomets struktur
I det 19. århundrede var udsagnet om atomets udelelighed generelt accepteret. De fleste videnskabsmænd troede, at partikler af et kemisk grundstof under ingen omstændigheder kunne blive til atomer af et andet grundstof. Disse ideer tjente som grundlaget for definitionen af atomet indtil 1932. I slutningen af det 19. århundrede lavede videnskabenfundamentale opdagelser, der ændrede dette synspunkt. Først og fremmest opdagede den engelske fysiker J. J. Thomson i 1897 elektronen. Denne kendsgerning ændrede radik alt videnskabsmænds ideer om udeleligheden af den bestanddel af et kemisk element.
Sådan beviser man, at atomet er komplekst
Selv før opdagelsen af elektronen var videnskabsmænd enstemmigt enige om, at atomer ikke har nogen ladninger. Så blev det fundet, at elektroner let frigives fra ethvert kemisk grundstof. De kan findes i en flamme, de er bærere af elektrisk strøm, de frigives af stoffer under røntgenstråling.
Men hvis elektroner er en del af alle atomer uden undtagelse og er negativt ladede, så er der nogle andre partikler i atomet, som nødvendigvis har en positiv ladning, ellers ville atomerne ikke være elektrisk neutrale. For at hjælpe med at optrevle atomets struktur hjalp et sådant fysisk fænomen som radioaktivitet. Det gav den korrekte definition af atomet i fysik og derefter i kemi.
Usynlige stråler
Den franske fysiker A. Becquerel var den første, der beskrev fænomenet med emission fra atomer af visse kemiske grundstoffer, visuelt usynlige stråler. De ioniserer luften, passerer gennem stoffer, forårsager sortfarvning af fotografiske plader. Senere fandt Curies og E. Rutherford ud af, at radioaktive stoffer omdannes til atomer af andre kemiske grundstoffer (f.eks. uran til neptunium).
Radioaktiv stråling er inhomogen i sammensætning: alfapartikler, beta-partikler, gammastråler. SåSåledes bekræftede fænomenet radioaktivitet, at partiklerne af elementerne i det periodiske system har en kompleks struktur. Dette faktum var årsagen til ændringerne i definitionen af atomet. Hvilke partikler består et atom af, givet de nye videnskabelige fakta opnået af Rutherford? Svaret på dette spørgsmål var den nukleare model af atomet foreslået af videnskabsmanden, ifølge hvilken elektroner kredser om en positivt ladet kerne.
Rutherford-modellens modsigelser
Videnskabsmandens teori kunne på trods af dens enestående karakter ikke objektivt definere atomet. Hendes konklusioner gik imod termodynamikkens fundamentale love, ifølge hvilke alle elektroner, der kredser om kernen, mister deres energi og, hvad end det måtte være, før eller siden må falde ind i den. Atomet er ødelagt i dette tilfælde. Dette sker faktisk ikke, da de kemiske grundstoffer og de partikler, de er sammensat af, eksisterer i naturen i meget lang tid. En sådan definition af atomet, baseret på Rutherfords teori, er uforklarlig, såvel som det fænomen, der opstår, når varme simple stoffer føres gennem et diffraktionsgitter. De resulterende atomspektre har trods alt en lineær form. Dette var i modstrid med Rutherfords model af atomet, ifølge hvilken spektrene skulle have været kontinuerlige. Ifølge kvantemekanikkens begreber karakteriseres elektroner i kernen på nuværende tidspunkt ikke som punktobjekter, men som at have form af en elektronsky.
Den højeste tæthed i et bestemt rum omkring kernen oganses for at være partiklens placering på et givet tidspunkt. Man fandt også ud af, at elektronerne i atomet er arrangeret i lag. Antallet af lag kan bestemmes ved at kende antallet af den periode, hvor grundstoffet er placeret i det periodiske system af D. I. Mendeleev. For eksempel indeholder et fosforatom 15 elektroner og har 3 energiniveauer. Indikatoren, der bestemmer antallet af energiniveauer, kaldes hovedkvantetallet.
Det blev eksperimentelt fundet, at elektronerne på energiniveauet tættest på kernen har den laveste energi. Hver energiskal er opdelt i underniveauer, og de til gengæld i orbitaler. Elektroner placeret i forskellige orbitaler har den samme skyform (s, p, d, f).
Baseret på ovenstående følger det, at formen på elektronskyen ikke kan være vilkårlig. Det er strengt defineret i henhold til orbital kvantenummer. Vi tilføjer også, at tilstanden af en elektron i en makropartikel bestemmes af yderligere to værdier - magnetiske og spin-kvantetal. Den første er baseret på Schrödinger-ligningen og karakteriserer elektronskyens rumlige orientering baseret på vores verdens tredimensionalitet. Den anden indikator er spin-tallet, det bruges til at bestemme rotationen af en elektron omkring dens akse med eller mod uret.
Opdagelse af neutronen
Takket være D. Chadwicks arbejde, udført af ham i 1932, blev der givet en ny definition af atomet i kemi og fysik. I sine eksperimenter beviste videnskabsmanden, at der under sp altningen af polonium opstår stråling, forårsaget afpartikler, der ikke har en ladning, med en masse på 1,008665. Den nye elementarpartikel blev kaldt neutronen. Dens opdagelse og undersøgelse af dens egenskaber gjorde det muligt for de sovjetiske videnskabsmænd V. Gapon og D. Ivanenko at skabe en ny teori om strukturen af atomkernen indeholdende protoner og neutroner.
Ifølge den nye teori var definitionen af et stofatom som følger: Det er en strukturel enhed af et kemisk grundstof, der består af en kerne, der indeholder protoner og neutroner og elektroner, der bevæger sig rundt om det. Antallet af positive partikler i kernen er altid lig med atomnummeret for det kemiske grundstof i det periodiske system.
Senere bekræftede professor A. Zhdanov i sine eksperimenter, at under påvirkning af hård kosmisk stråling sp altede atomkerner sig i protoner og neutroner. Derudover blev det bevist, at kræfterne, der holder disse elementære partikler i kernen, er ekstremt energikrævende. De opererer på meget korte afstande (ca. 10-23 cm) og kaldes nukleare. Som tidligere nævnt var selv M. V. Lomonosov i stand til at give en definition af et atom og et molekyle baseret på videnskabelige fakta kendt af ham.
På nuværende tidspunkt er følgende model generelt anerkendt: et atom består af en kerne og elektroner, der bevæger sig rundt om den langs strengt definerede baner - orbitaler. Elektroner udviser samtidigt egenskaberne af både partikler og bølger, det vil sige, at de har en dobbelt natur. Næsten hele dens masse er koncentreret i kernen af et atom. Den består af protoner og neutroner bundet af kernekræfter.
Kan et atom vejes
Det viser sig, at hvert atom harmasse. For brint er det f.eks. 1,67x10-24g. Det er endda svært at forestille sig, hvor lille denne værdi er. For at finde vægten af et sådant objekt bruger de ikke vægte, men en oscillator, som er et kulstof nanorør. For at beregne vægten af et atom og et molekyle er en mere bekvem værdi den relative masse. Den viser, hvor mange gange vægten af et molekyle eller atom er større end 1/12 af et carbonatom, hvilket er 1,66x10-27 kg. Relative atommasser er givet i det periodiske system af kemiske grundstoffer, og de har ingen enheder.
Forskere er godt klar over, at atommassen af et kemisk grundstof er gennemsnittet af massetallene for alle dets isotoper. Det viser sig, at i naturen kan enheder af et kemisk grundstof have forskellige masser. Samtidig er ladningerne af kernerne i sådanne strukturelle partikler de samme.
Forskere har fundet ud af, at isotoper er forskellige i antallet af neutroner i kernen, og ladningen af deres kerner er den samme. For eksempel indeholder et kloratom med en masse på 35 18 neutroner og 17 protoner og med en masse på 37 - 20 neutroner og 17 protoner. Mange kemiske grundstoffer er blandinger af isotoper. For eksempel indeholder sådanne simple stoffer som kalium, argon, oxygen atomer, der repræsenterer 3 forskellige isotoper.
Definition af atomicitet
Den har flere fortolkninger. Overvej, hvad der menes med dette udtryk i kemi. Hvis atomerne i et kemisk grundstof er i stand til at eksistere separat i det mindste i kort tid uden at stræbe efter at danne en mere kompleks partikel - et molekyle, så siger de, at sådanne stoffer haratomare struktur. For eksempel en flertrins methankloreringsreaktion. Det er meget udbredt i kemien af organisk syntese for at opnå de vigtigste halogenholdige derivater: dichlormethan, carbontetrachlorid. Det sp alter klormolekyler i meget reaktive atomer. De bryder sigma-bindingerne i metanmolekylet, hvilket giver en substitutionskædereaktion.
Et andet eksempel på en kemisk proces af stor betydning i industrien er brugen af hydrogenperoxid som desinfektionsmiddel og blegemiddel. Bestemmelsen af atomær oxygen, som et produkt af nedbrydningen af hydrogenperoxid, sker både i levende celler (under påvirkning af katalaseenzymet) og under laboratorieforhold. Atomisk oxygen bestemmes kvalitativt af dets høje antioxidantegenskaber såvel som af dets evne til at ødelægge patogene stoffer: bakterier, svampe og deres sporer.
Sådan fungerer atomskallen
Vi har allerede fundet ud af tidligere, at den strukturelle enhed af et kemisk grundstof har en kompleks struktur. Elektroner kredser om en positivt ladet kerne. Nobelprisvinderen Niels Bohr skabte med udgangspunkt i kvanteteorien om lys sin doktrin, hvor karakteristika og definition af et atom er som følger: elektroner bevæger sig kun rundt i kernen langs bestemte stationære baner, mens de ikke udstråler energi. Bohrs doktrin beviste, at mikrokosmos partikler, som omfatter atomer og molekyler, ikke adlyder love, der er retfærdigetil store kroppe - makrokosmiske objekter.
Strukturen af makropartiklernes elektronskaller blev undersøgt i værker om kvantefysik af videnskabsmænd som Hund, Pauli, Klechkovsky. Så det blev kendt, at elektroner foretager rotationsbevægelser rundt om kernen ikke tilfældigt, men langs visse stationære baner. Pauli fandt ud af, at inden for et energiniveau på hver af dets s, p, d, f orbitaler kan der ikke findes mere end to negativt ladede partikler med modsatte spin + ½ og - ½ i elektroniske celler.
Hunds regel forklarede, hvordan orbitaler med samme energiniveau er korrekt fyldt med elektroner.
Klechkovskys regel, også kaldet n+l-reglen, forklarede, hvordan orbitaler af multielektronatomer (elementer af 5, 6, 7 perioder) er udfyldt. Alle ovenstående mønstre tjente som en teoretisk begrundelse for systemet af kemiske grundstoffer skabt af Dmitry Mendeleev.
Oxidationstilstand
Det er et grundlæggende begreb i kemi og karakteriserer tilstanden af et atom i et molekyle. Den moderne definition af atomers oxidationstilstand er som følger: dette er den betingede ladning af et atom i et molekyle, som beregnes ud fra den opfattelse, at molekylet kun har en ionisk sammensætning.
Oxidationsgraden kan udtrykkes som et heltal eller et brøktal med positive, negative eller nul værdier. Oftest har atomer af kemiske elementer flere oxidationstilstande. For eksempel har nitrogen -3, -2, 0, +1, +2, +3, +4, +5. Men sådan et kemisk element som fluor, i alt detforbindelser har kun én oxidationstilstand, lig med -1. Hvis det er repræsenteret af et simpelt stof, så er dets oxidationstilstand nul. Denne kemiske mængde er praktisk at bruge til klassificering af stoffer og til at beskrive deres egenskaber. Oftest bruges et atoms oxidationstilstand i kemien, når man kompilerer ligninger for redoxreaktioner.
Atomers egenskaber
Takket være kvantefysikkens opdagelser er den moderne definition af atomet, baseret på teorien fra D. Ivanenko og E. Gapon, suppleret med følgende videnskabelige fakta. Strukturen af et atoms kerne ændres ikke under kemiske reaktioner. Kun stationære elektronorbitaler kan ændres. Deres struktur kan forklare en masse fysiske og kemiske egenskaber ved stoffer. Hvis en elektron forlader en stationær bane og går til en bane med et højere energiindeks, kaldes et sådant atom exciteret.
Det skal bemærkes, at elektroner ikke kan forblive i så usædvanlige orbitaler i lang tid. Når elektronen vender tilbage til sin stationære bane, udsender den en mængde energi. Studiet af sådanne karakteristika af de strukturelle enheder af kemiske elementer som elektronaffinitet, elektronegativitet, ioniseringsenergi gjorde det muligt for forskere ikke kun at definere atomet som den vigtigste partikel i mikrokosmos, men tillod dem også at forklare atomernes evne til at dannes. en stabil og energetisk mere gunstig molekylær tilstand af stof, mulig på grund af dannelsen af forskellige typer stabile kemiske bindinger: ioniske, kovalentepolær og ikke-polær, donor-acceptor (som en slags kovalent binding) og metallisk. Sidstnævnte bestemmer de vigtigste fysiske og kemiske egenskaber for alle metaller.
Det er eksperimentelt blevet fastslået, at størrelsen af et atom kan ændre sig. Alt vil afhænge af hvilket molekyle det er inkluderet i. Takket være røntgendiffraktionsanalyse er det muligt at beregne afstanden mellem atomer i en kemisk forbindelse, samt at finde ud af radius af grundstoffets strukturelle enhed. Ved at kende ændringsmønstrene i radierne af atomer inkluderet i en periode eller gruppe af kemiske elementer, er det muligt at forudsige deres fysiske og kemiske egenskaber. For eksempel i perioder med en stigning i ladningen af atomkernen, falder deres radius ("komprimering af atomet"), så forbindelsernes metalliske egenskaber svækkes, og de ikke-metalliske stiger.
Kendskab til atomets struktur giver os således mulighed for nøjagtigt at bestemme de fysiske og kemiske egenskaber af alle grundstoffer, der indgår i Mendeleevs periodiske system.
