Vanaf die tydperk van oudheid tot die middel van die 18de eeu, is die wetenskap oorheers deur die idee dat 'n atoom 'n deeltjie van materie is wat nie verdeel kan word nie. Die Engelse wetenskaplike, sowel as die natuurkundige D. D alton, het die atoom as die kleinste komponent van 'n chemiese element gedefinieer. M. V. Lomonosov kon in sy atoom- en molekulêre teorie die atoom en die molekule definieer. Hy was oortuig daarvan dat die molekules, wat hy "liggaampies" genoem het, uit "elemente" - atome - bestaan het en voortdurend in beweging was.
D. I. Mendeleev het geglo dat hierdie subeenheid van stowwe waaruit die materiële wêreld bestaan, net al sy eienskappe behou as dit nie aan skeiding onderwerp word nie. In hierdie artikel sal ons die atoom as 'n voorwerp van die mikrowêreld definieer en die eienskappe daarvan bestudeer.
Voorvereistes vir die skepping van die teorie van die struktuur van die atoom
In die 19de eeu is die stelling oor die ondeelbaarheid van die atoom algemeen aanvaar. Die meeste wetenskaplikes het geglo dat deeltjies van een chemiese element onder geen omstandighede in atome van 'n ander element kan verander nie. Hierdie idees het gedien as die basis waarop die definisie van die atoom tot 1932 gebaseer is. Aan die einde van die 19de eeu het die wetenskap gemaakfundamentele ontdekkings wat hierdie standpunt verander het. Eerstens, in 1897 het die Engelse fisikus J. J. Thomson die elektron ontdek. Hierdie feit het die idees van wetenskaplikes oor die ondeelbaarheid van die samestellende deel van 'n chemiese element radikaal verander.
Hoe om te bewys dat die atoom kompleks is
Selfs voor die ontdekking van die elektron, het wetenskaplikes eenparig saamgestem dat atome geen ladings het nie. Toe is gevind dat elektrone maklik van enige chemiese element vrygestel word. Hulle kan in 'n vlam gevind word, hulle is draers van elektriese stroom, hulle word vrygestel deur stowwe tydens X-straal-emissie.
Maar as elektrone deel is van alle atome sonder uitsondering en negatief gelaai is, dan is daar 'n paar ander deeltjies in die atoom wat noodwendig 'n positiewe lading het, anders sou die atome nie elektries neutraal wees nie. Om die struktuur van die atoom te help ontrafel, het so 'n fisiese verskynsel soos radioaktiwiteit gehelp. Dit het die korrekte definisie van die atoom in fisika en daarna in chemie gegee.
Onsigbare strale
Franse fisikus A. Becquerel was die eerste wat die verskynsel van uitstraling deur atome van sekere chemiese elemente, visueel onsigbare strale, beskryf het. Hulle ioniseer die lug, gaan deur stowwe, veroorsaak verswarting van fotografiese plate. Later het die Curies en E. Rutherford gevind dat radioaktiewe stowwe omgeskakel word in atome van ander chemiese elemente (byvoorbeeld uraan in neptunium).
Radioaktiewe bestraling is onhomogeen in samestelling: alfa-deeltjies, beta-deeltjies, gammastrale. DusSo het die verskynsel van radioaktiwiteit bevestig dat die deeltjies van die elemente van die periodieke tabel 'n komplekse struktuur het. Hierdie feit was die rede vir die veranderinge wat aan die definisie van die atoom gemaak is. Uit watter deeltjies bestaan 'n atoom, gegewe die nuwe wetenskaplike feite wat deur Rutherford verkry is? Die antwoord op hierdie vraag was die kernmodel van die atoom wat deur die wetenskaplike voorgestel is, waarvolgens elektrone om 'n positief gelaaide kern wentel.
Teenstrydighede van die Rutherford-model
Die teorie van die wetenskaplike kon, ten spyte van sy uitstaande karakter, nie objektief die atoom definieer nie. Haar gevolgtrekkings was teen die fundamentele wette van termodinamika, waarvolgens alle elektrone wat om die kern wentel, hul energie verloor en, hoe dit ook al sy, vroeër of later daarin moet val. Die atoom word in hierdie geval vernietig. Dit gebeur nie eintlik nie, aangesien die chemiese elemente en die deeltjies waaruit hulle saamgestel is, vir 'n baie lang tyd in die natuur bestaan. So 'n definisie van die atoom, gebaseer op Rutherford se teorie, is onverklaarbaar, sowel as die verskynsel wat voorkom wanneer warm eenvoudige stowwe deur 'n diffraksierooster gevoer word. Die resulterende atoomspektra het immers 'n lineêre vorm. Dit was in stryd met Rutherford se model van die atoom, waarvolgens die spektra kontinu moes gewees het. Volgens die konsepte van kwantummeganika word elektrone in die kern tans nie as puntvoorwerpe gekenmerk nie, maar as die vorm van 'n elektronwolk.
Sy hoogste digtheid in 'n sekere plek van ruimte rondom die kern enbeskou as die ligging van die deeltjie op 'n gegewe tydstip. Daar is ook gevind dat die elektrone in die atoom in lae gerangskik is. Die aantal lae kan bepaal word deur die nommer van die periode te ken waarin die element in die periodieke stelsel van D. I. Mendeleev geleë is. Byvoorbeeld, 'n fosforatoom bevat 15 elektrone en het 3 energievlakke. Die aanwyser wat die aantal energievlakke bepaal, word die hoofkwantumgetal genoem.
Daar is eksperimenteel gevind dat die elektrone van die energievlak naaste aan die kern die laagste energie het. Elke energiedop word in subvlakke verdeel, en hulle, op hul beurt, in orbitale. Elektrone wat in verskillende orbitale geleë is, het dieselfde wolkvorm (s, p, d, f).
Op grond van bogenoemde volg dit dat die vorm van die elektronwolk nie arbitrêr kan wees nie. Dit word streng gedefinieer volgens die orbitale kwantumgetal. Ons voeg ook by dat die toestand van 'n elektron in 'n makropartikel bepaal word deur nog twee waardes - magnetiese en spin-kwantumgetalle. Die eerste is gebaseer op die Schrödinger-vergelyking en kenmerk die ruimtelike oriëntasie van die elektronwolk gebaseer op die driedimensionaliteit van ons wêreld. Die tweede aanwyser is die spingetal, dit word gebruik om die rotasie van 'n elektron om sy as kloksgewys of antikloksgewys te bepaal.
Ontdekking van die neutron
Danksy die werk van D. Chadwick, wat in 1932 deur hom uitgevoer is, is 'n nuwe definisie van die atoom in chemie en fisika gegee. In sy eksperimente het die wetenskaplike bewys dat tydens die splitsing van polonium bestraling plaasvind, wat veroorsaak word deurdeeltjies wat nie 'n lading het nie, met 'n massa van 1,008665. Die nuwe elementêre deeltjie is die neutron genoem. Die ontdekking en studie van sy eienskappe het die Sowjet-wetenskaplikes V. Gapon en D. Ivanenko in staat gestel om 'n nuwe teorie te skep van die struktuur van die atoomkern wat protone en neutrone bevat.
Volgens die nuwe teorie was die definisie van 'n atoom van materie soos volg: dit is 'n strukturele eenheid van 'n chemiese element, wat bestaan uit 'n kern wat protone en neutrone en elektrone bevat wat daaromheen beweeg. Die aantal positiewe deeltjies in die kern is altyd gelyk aan die atoomgetal van die chemiese element in die periodieke stelsel.
Later het professor A. Zhdanov in sy eksperimente bevestig dat atoomkerne onder die invloed van harde kosmiese straling in protone en neutrone verdeel het. Daarbenewens is dit bewys dat die kragte wat hierdie elementêre deeltjies in die kern hou, uiters energie-intensief is. Hulle werk op baie kort afstande (ongeveer 10-23 cm) en word kernkrag genoem. Soos vroeër genoem, was selfs M. V. Lomonosov in staat om 'n definisie van 'n atoom en 'n molekule te gee gebaseer op wetenskaplike feite wat aan hom bekend is.
Op die oomblik word die volgende model algemeen erken: 'n atoom bestaan uit 'n kern en elektrone wat om dit beweeg langs streng gedefinieerde trajekte - orbitale. Elektrone vertoon gelyktydig die eienskappe van beide deeltjies en golwe, dit wil sê, hulle het 'n dubbele aard. Byna al sy massa is in die kern van 'n atoom gekonsentreer. Dit bestaan uit protone en neutrone wat deur kernkragte gebind word.
Kan 'n atoom geweeg word
Dit blyk dat elke atoom hetmassa. Byvoorbeeld, vir waterstof is dit 1.67x10-24g. Dit is selfs moeilik om te dink hoe klein hierdie waarde is. Om die gewig van so 'n voorwerp te bepaal, gebruik hulle nie skale nie, maar 'n ossillator, wat 'n koolstofnanobuis is. Om die gewig van 'n atoom en 'n molekule te bereken, is 'n geriefliker waarde die relatiewe massa. Dit wys hoeveel keer die gewig van 'n molekule of atoom groter is as 1/12 van 'n koolstofatoom, wat 1.66x10-27 kg is. Relatiewe atoommassas word in die periodieke stelsel van chemiese elemente gegee, en hulle het geen eenhede nie.
Wetenskaplikes is deeglik bewus daarvan dat die atoommassa van 'n chemiese element die gemiddelde is van die massagetalle van al sy isotope. Dit blyk dat eenhede van een chemiese element in die natuur verskillende massas kan hê. Terselfdertyd is die ladings van die kerne van sulke strukturele deeltjies dieselfde.
Wetenskaplikes het gevind dat isotope verskil in die aantal neutrone in die kern, en die lading van hul kerne is dieselfde. Byvoorbeeld, 'n chlooratoom met 'n massa van 35 bevat 18 neutrone en 17 protone, en met 'n massa van 37 - 20 neutrone en 17 protone. Baie chemiese elemente is mengsels van isotope. Byvoorbeeld, sulke eenvoudige stowwe soos kalium, argon, suurstof bevat atome wat 3 verskillende isotope verteenwoordig.
Definieer atomicity
Dit het verskeie interpretasies. Oorweeg wat met hierdie term in chemie bedoel word. As die atome van enige chemiese element ten minste vir 'n kort tyd afsonderlik kan bestaan, sonder om 'n meer komplekse deeltjie te vorm - 'n molekule, dan sê hulle dat sulke stowweatoomstruktuur. Byvoorbeeld, 'n multi-stadium metaan chloreringsreaksie. Dit word wyd gebruik in die chemie van organiese sintese om die belangrikste halogeenbevattende derivate te verkry: dichloormetaan, koolstoftetrachloried. Dit verdeel chloormolekules in hoogs reaktiewe atome. Hulle breek die sigma-bindings in die metaanmolekule, wat 'n substitusiekettingreaksie verskaf.
Nog 'n voorbeeld van 'n chemiese proses van groot belang in die industrie is die gebruik van waterstofperoksied as 'n ontsmettingsmiddel en bleikmiddel. Die bepaling van atomiese suurstof, as 'n produk van die afbreek van waterstofperoksied, vind plaas in lewende selle (onder die werking van die katalase-ensiem) en in laboratoriumtoestande. Atoomsuurstof word kwalitatief bepaal deur sy hoë antioksidanteienskappe, asook deur sy vermoë om patogene middels te vernietig: bakterieë, swamme en hul spore.
Hoe die atoomdop werk
Ons het reeds vroeër uitgevind dat die strukturele eenheid van 'n chemiese element 'n komplekse struktuur het. Elektrone wentel om 'n positief gelaaide kern. Die Nobelpryswenner Niels Bohr, gebaseer op die kwantumteorie van lig, het sy leerstelling geskep, waarin die kenmerke en definisie van 'n atoom soos volg is: elektrone beweeg om die kern net langs sekere stilstaande trajekte, terwyl hulle nie energie uitstraal nie. Bohr se leerstelling het bewys dat die deeltjies van die mikrokosmos, wat atome en molekules insluit, nie wette gehoorsaam wat regverdig is nievir groot liggame - makrokosmiese voorwerpe.
Die struktuur van die elektronskulpe van makropartikels is bestudeer in werke oor kwantumfisika deur wetenskaplikes soos Hund, Pauli, Klechkovsky. Dit het dus bekend geword dat elektrone rotasiebewegings om die kern maak nie lukraak nie, maar langs sekere stilstaande trajekte. Pauli het gevind dat binne een energievlak op elk van sy s, p, d, f orbitale, nie meer as twee negatief gelaaide deeltjies met teenoorgestelde spins + ½ en - ½ in elektroniese selle gevind kan word nie.
Hund se reël het verduidelik hoe orbitale met dieselfde energievlak korrek met elektrone gevul word.
Klechkovsky se reël, ook genoem die n+l-reël, het verduidelik hoe die orbitale van multi-elektronatome (elemente van 5, 6, 7 periodes) gevul word. Al die bogenoemde patrone het gedien as 'n teoretiese regverdiging vir die stelsel van chemiese elemente wat deur Dmitri Mendeleev geskep is.
Oksidasietoestand
Dit is 'n fundamentele konsep in chemie en kenmerk die toestand van 'n atoom in 'n molekule. Die moderne definisie van die oksidasietoestand van atome is soos volg: dit is die voorwaardelike lading van 'n atoom in 'n molekule, wat bereken word op grond van die idee dat die molekule slegs 'n ioniese samestelling het.
Die graad van oksidasie kan uitgedruk word as 'n heelgetal of breukgetal, met positiewe, negatiewe of nul waardes. Dikwels het atome van chemiese elemente verskeie oksidasietoestande. Stikstof het byvoorbeeld -3, -2, 0, +1, +2, +3, +4, +5. Maar so 'n chemiese element soos fluoor, in al syverbindings het net een oksidasietoestand, gelyk aan -1. As dit deur 'n eenvoudige stof voorgestel word, dan is sy oksidasietoestand nul. Hierdie chemiese hoeveelheid is gerieflik om te gebruik vir die klassifikasie van stowwe en om hul eienskappe te beskryf. Meestal word die oksidasietoestand van 'n atoom in chemie gebruik wanneer vergelykings vir redoksreaksies saamgestel word.
Eienskappe van atome
Danksy die ontdekkings van kwantumfisika, word die moderne definisie van die atoom, gebaseer op die teorie van D. Ivanenko en E. Gapon, aangevul deur die volgende wetenskaplike feite. Die struktuur van die kern van 'n atoom verander nie tydens chemiese reaksies nie. Slegs stilstaande elektronorbitale is onderhewig aan verandering. Hul struktuur kan baie fisiese en chemiese eienskappe van stowwe verklaar. As 'n elektron 'n stilstaande baan verlaat en na 'n wentelbaan met 'n hoër energie-indeks gaan, word so 'n atoom opgewonde genoem.
Daar moet kennis geneem word dat elektrone nie vir 'n lang tyd in sulke ongewone orbitale kan bly nie. Terugkeer na sy stilstaande wentelbaan, straal die elektron 'n kwantum energie uit. Die studie van eienskappe van die strukturele eenhede van chemiese elemente soos elektronaffiniteit, elektronegatiwiteit, ionisasie-energie, het wetenskaplikes toegelaat om nie net die atoom as die belangrikste deeltjie van die mikrokosmos te definieer nie, maar hulle ook toegelaat om die vermoë van atome om te vorm te verduidelik. 'n stabiele en energeties gunstiger molekulêre toestand van materie, moontlik as gevolg van die skepping van verskeie tipes stabiele chemiese bindings: ionies, kovalentpolêr en nie-polêr, skenker-aanvaarder (as 'n soort kovalente binding) en metaalagtig. Laasgenoemde bepaal die belangrikste fisiese en chemiese eienskappe van alle metale.
Daar is eksperimenteel vasgestel dat die grootte van 'n atoom kan verander. Alles sal afhang van watter molekule dit ingesluit is. Danksy X-straaldiffraksie-analise is dit moontlik om die afstand tussen atome in 'n chemiese verbinding te bereken, asook om die radius van die element se strukturele eenheid uit te vind. Met die kennis van die patrone van verandering in die radiusse van atome wat in 'n tydperk of groep chemiese elemente ingesluit is, is dit moontlik om hul fisiese en chemiese eienskappe te voorspel. Byvoorbeeld, in periodes met 'n toename in die lading van die kern van atome, neem hul radiusse af ("kompressie van die atoom"), sodat die metaaleienskappe van die verbindings verswak, en die nie-metaalagtiges neem toe.
Dus, kennis van die struktuur van die atoom stel ons in staat om die fisiese en chemiese eienskappe van alle elemente wat in die periodieke stelsel van Mendeleev ingesluit is, akkuraat te bepaal.
