Az ókortól a 18. század közepéig a tudományt az a gondolat ur alta, hogy az atom az anyag részecskéje, amely nem osztható. Az angol tudós, valamint D. D alton természettudós az atomot a kémiai elem legkisebb alkotóelemeként határozta meg. M. V. Lomonoszov atom- és molekulaelméletében képes volt meghatározni az atomot és a molekulát. Meg volt győződve arról, hogy az általa "testtesteknek" nevezett molekulák "elemekből" - atomokból - állnak, és állandó mozgásban vannak.
D. I. Mengyelejev úgy vélte, hogy az anyagi világot alkotó anyagoknak ez az alegysége csak akkor őrzi meg minden tulajdonságát, ha nincs kitéve szétválasztásnak. Ebben a cikkben az atomot a mikrovilág tárgyaként határozzuk meg, és megvizsgáljuk tulajdonságait.
Az atom szerkezete elméletének megalkotásának előfeltételei
A 19. században általánosan elfogadott volt az atom oszthatatlanságáról szóló állítás. A legtöbb tudós úgy vélte, hogy az egyik kémiai elem részecskéi semmilyen körülmények között nem alakulhatnak át egy másik elem atomjaivá. Ezek az elképzelések szolgáltak az atom meghatározásának alapjául egészen 1932-ig. A 19. század végén a tudomány készítettalapvető felfedezések, amelyek megváltoztatták ezt a nézőpontot. Először is 1897-ben J. J. Thomson angol fizikus fedezte fel az elektront. Ez a tény gyökeresen megváltoztatta a tudósok elképzeléseit a kémiai elem alkotórészeinek oszthatatlanságáról.
Hogyan bizonyíthatjuk, hogy az atom összetett
Még az elektron felfedezése előtt a tudósok egyöntetűen egyetértettek abban, hogy az atomoknak nincs töltése. Aztán kiderült, hogy az elektronok könnyen felszabadulnak bármely kémiai elemből. Lángban találhatók, elektromos áram hordozói, röntgensugárzás során anyagok bocsátják ki őket.
De ha az elektronok kivétel nélkül minden atom részét képezik, és negatív töltésűek, akkor az atomban vannak olyan részecskék is, amelyeknek szükségszerűen pozitív töltése van, különben az atomok nem lennének elektromosan semlegesek. Az atom szerkezetének feltárásában egy olyan fizikai jelenség segített, mint a radioaktivitás. Megadta az atom helyes meghatározását a fizikában, majd a kémiában.
Láthatatlan sugarak
A. Becquerel francia fizikus volt az első, aki leírta bizonyos kémiai elemek, a vizuálisan láthatatlan sugarak atomjai általi kibocsátását. Ionizálják a levegőt, áthaladnak az anyagokon, a fotólemezek elfeketedését okozzák. Később Curieék és E. Rutherford azt találták, hogy a radioaktív anyagok más kémiai elemek atomjaivá alakulnak (például az uránból neptúniummá).
A radioaktív sugárzás összetételében inhomogén: alfa-részecskék, béta-részecskék, gamma-sugarak. ÍgyA radioaktivitás jelensége tehát megerősítette, hogy a periódusos rendszer elemeinek részecskéi összetett szerkezetűek. Ez a tény volt az oka az atom meghatározásában végrehajtott változtatásoknak. Milyen részecskékből áll egy atom a Rutherford által feltárt új tudományos tények alapján? A válasz erre a kérdésre a tudós által javasolt atommagmodell volt, amely szerint az elektronok egy pozitív töltésű atommag körül keringenek.
A Rutherford-modell ellentmondásai
A tudós elmélete kiemelkedő karaktere ellenére nem tudta objektíven meghatározni az atomot. Következtetései ellenkeztek a termodinamika alaptörvényeivel, miszerint az atommag körül keringő összes elektron elveszíti energiáját, és bármi is legyen, előbb-utóbb bele kell esnie. Az atom ebben az esetben megsemmisül. Ez valójában nem történik meg, mivel a kémiai elemek és az őket alkotó részecskék nagyon hosszú ideig léteznek a természetben. Megmagyarázhatatlan az atom ilyen, Rutherford elméletén alapuló meghatározása, valamint az a jelenség, amely akkor következik be, amikor forró egyszerű anyagokat vezetnek át diffrakciós rácson. Végül is a kapott atomspektrumok lineáris alakúak. Ez ellentétben állt Rutherford atommodelljével, amely szerint a spektrumnak folytonosnak kellett volna lennie. A kvantummechanika felfogása szerint jelenleg az atommag elektronjait nem pontobjektumként, hanem elektronfelhőként jellemzik.
A legnagyobb sűrűsége a mag körüli tér bizonyos lokuszában ésa részecske elhelyezkedésének tekintjük egy adott időpontban. Azt is megállapították, hogy az atomban az elektronok rétegekbe rendeződtek. A rétegek számát úgy határozhatjuk meg, hogy ismerjük annak a periódusnak a számát, amelyben az elem D. I. Mengyelejev periodikus rendszerében található. Például egy foszforatom 15 elektront tartalmaz, és 3 energiaszinttel rendelkezik. Az energiaszintek számát meghatározó mutatót főkvantumszámnak nevezzük.
Kísérletileg megállapították, hogy az atommaghoz legközelebb eső energiaszint elektronjainak a legkisebb energiája. Minden energiahéj alszintekre oszlik, ezek pedig pályákra. A különböző pályákon elhelyezkedő elektronok felhőalakja azonos (s, p, d, f).
A fentiek alapján az következik, hogy az elektronfelhő alakja nem lehet tetszőleges. Szigorúan az orbitális kvantumszám szerint van meghatározva. Azt is hozzátesszük, hogy a makrorészecskékben lévő elektronok állapotát további két érték határozza meg - a mágneses és a spinkvantumszámok. Az első a Schrödinger-egyenletre épül, és világunk háromdimenzióssága alapján jellemzi az elektronfelhő térbeli orientációját. A második indikátor a spin szám, amely az elektron tengelye körüli forgásának meghatározására szolgál az óramutató járásával megegyező vagy azzal ellentétes irányba.
A neutron felfedezése
D. Chadwick munkájának köszönhetően, amelyet 1932-ben végzett, az atom új definíciója született a kémiában és a fizikában. Kísérleteiben a tudós bebizonyította, hogy a polónium hasadása során sugárzás lép fel, amelyet atöltés nélküli részecskék, tömegük 1,008665. Az új elemi részecskét neutronnak nevezték. Felfedezése és tulajdonságainak tanulmányozása lehetővé tette V. Gapon és D. Ivanenko szovjet tudósok számára, hogy új elméletet alkossanak a protonokat és neutronokat tartalmazó atommag szerkezetére vonatkozóan.
Az új elmélet szerint az anyagatom definíciója a következő volt: egy kémiai elem szerkezeti egysége, amely protonokat és neutronokat, valamint körülötte mozgó elektronokat tartalmazó magból áll. A pozitív részecskék száma az atommagban mindig megegyezik a kémiai elem rendszámával a periódusos rendszerben.
Később A. Zsdanov professzor kísérletei során megerősítette, hogy a kemény kozmikus sugárzás hatására az atommagok protonokra és neutronokra hasadtak. Ezenkívül bebizonyosodott, hogy az ezeket az elemi részecskéket az atommagban tartó erők rendkívül energiaigényesek. Nagyon kis távolságra működnek (kb. 10-23 cm), és nukleárisnak nevezik őket. Mint korábban említettük, még M. V. Lomonoszov is képes volt definíciót adni az atomra és a molekulára az általa ismert tudományos tények alapján.
Jelenleg a következő modellt ismerik általánosan: az atom magból és körülötte szigorúan meghatározott pályákon – pályákon – mozgó elektronokból áll. Az elektronok egyszerre mutatják a részecskék és a hullámok tulajdonságait, vagyis kettős természetük van. Szinte teljes tömege az atommagban koncentrálódik. A nukleáris erők által megkötött protonokból és neutronokból áll.
Lehet-e mérni egy atomot
Kiderült, hogy minden atomnak vantömeg. Például a hidrogén esetében ez 1,67x10-24g. Még elképzelni is nehéz, milyen kicsi ez az érték. Egy ilyen tárgy súlyának megállapításához nem mérleget használnak, hanem egy oszcillátort, ami egy szén nanocső. Egy atom és egy molekula tömegének kiszámításához kényelmesebb érték a relatív tömeg. Megmutatja, hogy egy molekula vagy atom tömege hányszor nagyobb, mint egy szénatom 1/12-e, ami 1,66x10-27 kg. A relatív atomtömegeket a kémiai elemek periodikus rendszerében adjuk meg, és nincs mértékegységük.
A tudósok jól tudják, hogy egy kémiai elem atomtömege az összes izotóp tömegszámának átlaga. Kiderült, hogy a természetben egy kémiai elem egységeinek tömege eltérő lehet. Ugyanakkor az ilyen szerkezeti részecskék magjainak töltései azonosak.
A tudósok azt találták, hogy az izotópok az atommagban lévő neutronok számában különböznek egymástól, és a magjuk töltése azonos. Például egy 35 tömegű klóratom 18 neutront és 17 protont tartalmaz, tömege pedig 37-20 neutron és 17 proton. Sok kémiai elem izotóp keveréke. Például az olyan egyszerű anyagok, mint a kálium, argon, oxigén, 3 különböző izotópot képviselő atomokat tartalmaznak.
Az atomitás meghatározása
Többféle értelmezése van. Fontolja meg, mit jelent ez a kifejezés a kémiában. Ha bármely kémiai elem atomjai képesek külön-külön létezni legalább rövid ideig anélkül, hogy bonyolultabb részecskét - molekulát - képeznének, akkor azt mondják, hogy az ilyen anyagokatomszerkezet. Például egy többlépcsős metán klórozási reakció. Széles körben alkalmazzák a szerves szintézis kémiájában a legfontosabb halogéntartalmú származékok: diklór-metán, szén-tetraklorid előállítására. A klórmolekulákat nagyon reaktív atomokra hasítja. Megszakítják a szigma kötéseket a metánmolekulában, így szubsztitúciós láncreakciót biztosítanak.
Az iparban nagy jelentőségű kémiai folyamatok másik példája a hidrogén-peroxid fertőtlenítő és fehérítőként történő felhasználása. Az atomi oxigén meghatározása, mint a hidrogén-peroxid lebomlásának terméke, élő sejtekben (a kataláz enzim hatására) és laboratóriumi körülmények között egyaránt megtörténik. Az atomi oxigént minőségileg meghatározza magas antioxidáns tulajdonságai, valamint az a képessége, hogy képes elpusztítani a kórokozókat: baktériumokat, gombákat és spóráikat.
Hogyan működik az atomhéj
Már korábban megtudtuk, hogy egy kémiai elem szerkezeti egysége összetett szerkezetű. Az elektronok egy pozitív töltésű atommag körül keringenek. A Nobel-díjas Niels Bohr a fény kvantumelméletére alapozva alkotta meg doktrínáját, amelyben az atom jellemzői és meghatározása a következő: az elektronok csak meghatározott stacionárius pályákon mozognak az atommag körül, miközben energiát nem sugároznak ki. Bohr doktrínája bebizonyította, hogy a mikrokozmosz részecskéi, amelyek atomokat és molekulákat tartalmaznak, nem engedelmeskednek az igazságos törvényeknek.nagy testekhez - makrokozmikus objektumok.
A makrorészecskék elektronhéjának szerkezetét kvantumfizikai munkákban tanulmányozták olyan tudósok, mint Hund, Pauli, Klechkovsky. Így vált ismertté, hogy az elektronok nem véletlenszerűen, hanem bizonyos stacionárius pályákon hajtanak végre forgó mozgásokat az atommag körül. Pauli úgy találta, hogy egy energiaszinten belül minden s, p, d, f pályáján legfeljebb két negatív töltésű részecske található ellentétes spinekkel + ½ és - ½ az elektronikus cellákban.
Hund szabálya elmagyarázta, hogyan kell az azonos energiaszintű pályákat helyesen megtölteni elektronokkal.
Klecskovszkij szabálya, amelyet n+l szabálynak is neveznek, megmagyarázta, hogyan töltődnek ki a többelektronos atomok (5, 6, 7 periódusú elemek) pályái. A fenti minták mindegyike elméleti igazolásul szolgált a Dmitrij Mengyelejev által létrehozott kémiai elemek rendszeréhez.
Oxidációs állapot
A kémia alapfogalma, és egy molekulában lévő atom állapotát jellemzi. Az atomok oxidációs állapotának modern definíciója a következő: ez egy molekulában lévő atom feltételes töltése, amelyet abból a feltevésből számítanak ki, hogy a molekula csak ionos összetételű.
Az oxidáció mértéke kifejezhető egész vagy tört számként, pozitív, negatív vagy nulla értékekkel. Leggyakrabban a kémiai elemek atomjainak több oxidációs állapota van. Például a nitrogénnek -3, -2, 0, +1, +2, +3, +4, +5 van. De egy olyan kémiai elem, mint a fluor, mindenbenA vegyületeknek csak egy oxidációs foka van, egyenlő -1. Ha egy egyszerű anyag képviseli, akkor az oxidációs állapota nulla. Ez a kémiai mennyiség kényelmesen használható anyagok osztályozására és tulajdonságaik leírására. Leggyakrabban egy atom oxidációs állapotát használják a kémiában, amikor redoxreakciók egyenleteit állítják össze.
Az atomok tulajdonságai
A kvantumfizika felfedezéseinek köszönhetően az atom D. Ivanenko és E. Gapon elméletén alapuló modern definíciója a következő tudományos tényekkel egészül ki. Az atommag szerkezete nem változik a kémiai reakciók során. Csak az álló elektronpályák változhatnak. Szerkezetük sokféle fizikai és kémiai tulajdonságot magyarázhat az anyagoknak. Ha egy elektron elhagyja az álló pályát, és magasabb energiaindexű pályára megy, akkor egy ilyen atomot gerjesztettnek nevezünk.
Meg kell jegyezni, hogy az elektronok nem maradhatnak sokáig ilyen szokatlan pályákon. Álló pályájára visszatérve az elektron egy energiakvantumot bocsát ki. A kémiai elemek szerkezeti egységeinek olyan jellemzőinek tanulmányozása, mint az elektronaffinitás, elektronegativitás, ionizációs energia, lehetővé tette a tudósok számára, hogy ne csak az atomot a mikrokozmosz legfontosabb részecskéjeként határozzák meg, hanem lehetővé tették számukra az atomok képződési képességének magyarázatát is. az anyag stabil és energetikailag kedvezőbb molekuláris állapota, amely különféle típusú stabil kémiai kötések létrejöttének köszönhetően lehetséges: ionos, kovalenspoláris és nem poláris, donor-akceptor (mint egyfajta kovalens kötés) és fémes. Ez utóbbi határozza meg az összes fém legfontosabb fizikai és kémiai tulajdonságait.
Kísérletileg megállapították, hogy egy atom mérete változhat. Minden attól függ, hogy melyik molekulában található. A röntgendiffrakciós elemzésnek köszönhetően egy kémiai vegyületben ki lehet számítani az atomok közötti távolságot, valamint megtudni az elem szerkezeti egységének sugarát. Egy periódusba vagy kémiai elemcsoportba tartozó atomok sugarának változási mintázatainak ismeretében megjósolható fizikai és kémiai tulajdonságaik. Például az atommag töltésének növekedésével járó periódusokban a sugarak csökkennek („az atom összenyomódása”), így a vegyületek fémes tulajdonságai gyengülnek, a nemfémeseké pedig nő.
Így az atom szerkezetének ismerete lehetővé teszi, hogy pontosan meghatározzuk a Mengyelejev-féle periodikus rendszerben szereplő összes elem fizikai és kémiai tulajdonságait.
