От периода на древността до средата на 18-ти век науката е доминирана от идеята, че атомът е частица материя, която не може да бъде разделена. Английският учен, както и натуралистът Д. Далтън, определят атома като най-малкия компонент на химичен елемент. М. В. Ломоносов в своята атомна и молекулярна теория успя да дефинира атома и молекулата. Той беше убеден, че молекулите, които той нарича "тела", са съставени от "елементи" - атоми - и са в постоянно движение.
D. И. Менделеев вярваше, че тази субединица от вещества, изграждащи материалния свят, запазва всичките си свойства само ако не е подложена на отделяне. В тази статия ще определим атома като обект на микросвета и ще изучим неговите свойства.
Предпоставки за създаване на теорията за структурата на атома
През 19-ти век твърдението за неделимостта на атома е общоприето. Повечето учени вярваха, че частиците от един химичен елемент при никакви обстоятелства не могат да се превърнат в атоми на друг елемент. Тези идеи послужиха като основа, на която се основаваше определението на атома до 1932 г. В края на 19 век науката направифундаментални открития, които промениха тази гледна точка. На първо място, през 1897 г. английският физик Дж. Дж. Томсън открива електрона. Този факт коренно промени представите на учените за неделимостта на съставната част на химичния елемент.
Как да докажем, че атомът е сложен
Дори преди откриването на електрона, учените единодушно се съгласиха, че атомите нямат заряд. Тогава беше установено, че електроните лесно се освобождават от всеки химичен елемент. Те могат да бъдат намерени в пламък, те са носители на електрически ток, освобождават се от вещества по време на рентгеново излъчване.
Но ако електроните са част от всички атоми без изключение и са отрицателно заредени, тогава има някои други частици в атома, които задължително имат положителен заряд, в противен случай атомите не биха били електрически неутрални. За да помогне за разкриването на структурата на атома, помогна такъв физически феномен като радиоактивността. Той даде правилната дефиниция на атома във физиката и след това в химията.
Невидими лъчи
Френският физик А. Бекерел е първият, който описва феномена на излъчване от атоми на определени химични елементи, визуално невидими лъчи. Те йонизират въздуха, преминават през вещества, причиняват почерняване на фотографските плочи. По-късно Кюри и Е. Ръдърфорд откриват, че радиоактивните вещества се превръщат в атоми на други химични елементи (например уран в нептуний).
Радиоактивното излъчване е нехомогенно по състав: алфа-частици, бета-частици, гама-лъчи. ТакаПо този начин явлението радиоактивност потвърди, че частиците на елементите на периодичната таблица имат сложна структура. Този факт е причината за промените, направени в дефиницията на атома. От какви частици се състои един атом, като се имат предвид новите научни факти, получени от Ръдърфорд? Отговорът на този въпрос беше предложеният от учения ядрен модел на атома, според който електроните се въртят около положително заредено ядро.
Противоречия на модела на Ръдърфорд
Теорията на учения, въпреки изключителния си характер, не може обективно да дефинира атома. Нейните заключения са в противоречие с основните закони на термодинамиката, според които всички електрони, въртящи се около ядрото, губят своята енергия и, както и да е, рано или късно трябва да попаднат в него. В този случай атомът е унищожен. Това всъщност не се случва, тъй като химичните елементи и частиците, от които са съставени, съществуват в природата много дълго време. Такава дефиниция на атома, базирана на теорията на Ръдърфорд, е необяснима, както и явлението, което се получава при преминаване на горещи прости вещества през дифракционна решетка. В крайна сметка получените атомни спектри имат линейна форма. Това беше в противоречие с модела на Ръдърфорд за атома, според който спектрите трябваше да са непрекъснати. Според концепциите на квантовата механика в момента електроните в ядрото се характеризират не като точкови обекти, а като имащи формата на електронен облак.
Неговата най-висока плътност в определен локус на пространството около ядрото исе счита за местоположението на частицата в даден момент от време. Установено е също, че електроните в атома са подредени на слоеве. Броят на слоевете може да се определи, като се знае номерът на периода, в който се намира елементът в периодичната система на Д. И. Менделеев. Например, един фосфорен атом съдържа 15 електрона и има 3 енергийни нива. Индикаторът, който определя броя на енергийните нива, се нарича главно квантово число.
Експериментално беше установено, че електроните от най-близкото до ядрото енергийно ниво имат най-ниска енергия. Всяка енергийна обвивка е разделена на поднива, а те от своя страна на орбитали. Електроните, разположени в различни орбитали, имат една и съща форма на облака (s, p, d, f).
Въз основа на горното следва, че формата на електронния облак не може да бъде произволна. То е строго определено според орбиталното квантово число. Добавяме също, че състоянието на електрона в макрочастица се определя от още две стойности - магнитни и спинови квантови числа. Първият се основава на уравнението на Шрьодингер и характеризира пространствената ориентация на електронния облак въз основа на триизмерността на нашия свят. Вторият индикатор е числото на въртене, използва се за определяне на въртенето на електрона около оста му по посока на часовниковата стрелка или обратно на часовниковата стрелка.
Откриване на неутрона
Благодарение на работата на Д. Чадуик, извършена от него през 1932 г., е дадено ново определение на атома в химията и физиката. В своите експерименти ученият доказа, че по време на разцепването на полония възниква радиация, причинена отчастици, които нямат заряд, с маса 1,008 665. Новата елементарна частица се нарича неутрон. Неговото откриване и изследване на неговите свойства позволи на съветските учени В. Гапон и Д. Иваненко да създадат нова теория за структурата на атомното ядро, съдържащо протони и неутрони.
Според новата теория дефиницията за атом на материята е следната: той е структурна единица на химичен елемент, състояща се от ядро, съдържащо протони и неутрони и електрони, движещи се около него. Броят на положителните частици в ядрото винаги е равен на атомния номер на химичния елемент в периодичната система.
По-късно професор А. Жданов потвърждава в своите експерименти, че под въздействието на твърдо космическо излъчване атомните ядра се разделят на протони и неутрони. Освен това беше доказано, че силите, задържащи тези елементарни частици в ядрото, са изключително енергоемки. Те действат на много къси разстояния (около 10-23 cm) и се наричат ядрени. Както бе споменато по-рано, дори М. В. Ломоносов успя да даде определение за атом и молекула въз основа на известни му научни факти.
В момента е общопризнат следният модел: атомът се състои от ядро и електрони, движещи се около него по строго определени траектории - орбитали. Електроните едновременно проявяват свойствата както на частиците, така и на вълните, тоест имат двойна природа. Почти цялата му маса е концентрирана в ядрото на атома. Състои се от протони и неутрони, свързани с ядрени сили.
Може ли да се претегли атом
Оказва се, че всеки атом имамаса Например, за водород е 1,67x10-24g. Дори е трудно да си представим колко малка е тази стойност. За да намерят теглото на такъв обект, те не използват везни, а осцилатор, който е въглеродна нанотръба. За да се изчисли теглото на атом и молекула, по-удобна стойност е относителната маса. Показва колко пъти теглото на една молекула или атом е по-голямо от 1/12 от въглероден атом, което е 1,66x10-27 kg. Относителните атомни маси са дадени в периодичната система от химични елементи и нямат единици.
Учените са наясно, че атомната маса на химичен елемент е средната стойност на масовите числа на всички негови изотопи. Оказва се, че в природата единиците от един химичен елемент могат да имат различни маси. В същото време зарядите на ядрата на такива структурни частици са еднакви.
Учените са открили, че изотопите се различават по броя на неутроните в ядрото и зарядът на техните ядра е еднакъв. Например хлорен атом с маса 35 съдържа 18 неутрона и 17 протона, а с маса 37 - 20 неутрона и 17 протона. Много химични елементи са смеси от изотопи. Например, такива прости вещества като калий, аргон, кислород съдържат атоми, представляващи 3 различни изотопа.
Определяне на атомност
Има няколко интерпретации. Помислете какво се има предвид под този термин в химията. Ако атомите на всеки химичен елемент са в състояние да съществуват отделно поне за кратко време, без да се стремят да образуват по-сложна частица - молекула, тогава те казват, че такива вещества имататомна структура. Например, многоетапна реакция на хлориране на метан. Той се използва широко в химията на органичния синтез за получаване на най-важните халоген-съдържащи производни: дихлорометан, въглероден тетрахлорид. Той разделя хлорните молекули на силно реактивни атоми. Те разрушават сигма връзките в молекулата на метана, осигурявайки верижна реакция на заместване.
Друг пример за химичен процес от голямо значение в индустрията е използването на водороден пероксид като дезинфектант и белина. Определянето на атомарния кислород, като продукт от разграждането на водородния прекис, се извършва както в живи клетки (под действието на ензима каталаза), така и в лабораторни условия. Атомният кислород се определя качествено от неговите високи антиоксидантни свойства, както и от способността му да унищожава патогенни агенти: бактерии, гъбички и техните спори.
Как работи атомната обвивка
Вече разбрахме по-рано, че структурната единица на химичен елемент има сложна структура. Електроните се въртят около положително заредено ядро. Носителят на Нобелова награда Нилс Бор, базиран на квантовата теория на светлината, създава своята доктрина, в която характеристиките и дефиницията на атома са както следва: електроните се движат около ядрото само по определени стационарни траектории, докато не излъчват енергия. Доктрината на Бор доказа, че частиците на микрокосмоса, които включват атоми и молекули, не се подчиняват на закони, които са справедливиза големи тела - макрокосмически обекти.
Структурата на електронните обвивки на макрочастиците е изследвана в трудове по квантова физика от учени като Хунд, Паули, Клечковски. Така стана известно, че електроните правят въртеливи движения около ядрото не произволно, а по определени стационарни траектории. Паули установи, че в рамките на едно енергийно ниво на всяка от неговите s, p, d, f орбитали, не повече от две отрицателно заредени частици с противоположни завъртания + ½ и - ½ могат да бъдат намерени в електронните клетки.
Правилото на Хунд обяснява как орбиталите със същото енергийно ниво са правилно запълнени с електрони.
Правилото на Клечковски, наричано още правило n+l, обяснява как се запълват орбиталите на многоелектронните атоми (елементи от 5, 6, 7 периода). Всички горепосочени модели послужиха като теоретична обосновка за системата от химични елементи, създадена от Дмитрий Менделеев.
Състояние на окисление
Това е фундаментално понятие в химията и характеризира състоянието на атом в молекула. Съвременната дефиниция на степента на окисление на атомите е следната: това е условният заряд на атом в молекула, който се изчислява въз основа на идеята, че молекулата има само йонен състав.
Степента на окисление може да бъде изразена като цяло число или дробно число, с положителни, отрицателни или нулеви стойности. Най-често атомите на химичните елементи имат няколко степени на окисление. Например, азотът има -3, -2, 0, +1, +2, +3, +4, +5. Но такъв химичен елемент като флуора, във всичкосъединенията имат само една степен на окисление, равно на -1. Ако е представено от просто вещество, тогава степента му на окисление е нула. Това химично количество е удобно за използване за класификация на веществата и за описание на техните свойства. Най-често степента на окисление на атома се използва в химията при съставяне на уравнения за редокс реакции.
Свойства на атомите
Благодарение на откритията на квантовата физика, съвременната дефиниция на атома, базирана на теорията на Д. Иваненко и Е. Гапон, се допълва от следните научни факти. Структурата на ядрото на атома не се променя по време на химични реакции. Само стационарните електронни орбитали подлежат на промяна. Тяхната структура може да обясни много физични и химични свойства на веществата. Ако електрон напусне неподвижна орбита и отиде в орбита с по-висок енергиен индекс, такъв атом се нарича възбуден.
Трябва да се отбележи, че електроните не могат да останат в такива необичайни орбитали за дълго време. Връщайки се на стационарната си орбита, електронът излъчва квант енергия. Изследването на такива характеристики на структурните единици на химичните елементи като електронен афинитет, електроотрицателност, йонизираща енергия позволи на учените не само да определят атома като най-важната частица на микрокосмоса, но също така им позволи да обяснят способността на атомите да се образуват. стабилно и енергийно по-благоприятно молекулярно състояние на материята, възможно поради създаването на различни видове стабилни химични връзки: йонни, ковалентниполярни и неполярни, донорно-акцепторни (като вид ковалентна връзка) и метални. Последното определя най-важните физични и химични свойства на всички метали.
Експериментално е установено, че размерът на атома може да се променя. Всичко ще зависи от това в коя молекула е включен. Благодарение на рентгеновия дифракционен анализ е възможно да се изчисли разстоянието между атомите в химичното съединение, както и да се установи радиусът на структурната единица на елемента. Познавайки закономерностите на промяна в радиусите на атомите, включени в период или група от химични елементи, е възможно да се предвидят техните физични и химични свойства. Например, в периоди с увеличаване на заряда на ядрото на атомите, радиусите им намаляват („компресия на атома“), така че металните свойства на съединенията отслабват, а неметалните се увеличават.
По този начин познаването на структурата на атома ни позволява да определим точно физичните и химичните свойства на всички елементи, включени в периодичната система на Менделеев.
