Ας δούμε πώς χτίζεται ένα άτομο. Λάβετε υπόψη ότι θα μιλήσουμε μόνο για μοντέλα. Στην πράξη, τα άτομα είναι μια πολύ πιο περίπλοκη δομή. Όμως, χάρη στις σύγχρονες εξελίξεις, είμαστε σε θέση να εξηγήσουμε, ακόμη και να προβλέψουμε με επιτυχία τις ιδιότητες των χημικών στοιχείων (ακόμα και όχι όλων). Λοιπόν, ποια είναι η δομή ενός ατόμου; Από τι είναι "φτιαγμένο";
Πλανητικό μοντέλο του ατόμου
Το
προτάθηκε για πρώτη φορά από τον Δανό φυσικό N. Bohr το 1913. Αυτή είναι η πρώτη θεωρία για τη δομή του ατόμου που βασίζεται σε επιστημονικά δεδομένα. Επιπλέον, έθεσε τα θεμέλια για τη σύγχρονη θεματική ορολογία. Σε αυτό, τα σωματίδια ηλεκτρονίων παράγουν περιστροφικές κινήσεις γύρω από το άτομο με τον ίδιο τρόπο όπως οι πλανήτες γύρω από τον Ήλιο. Ο Bohr πρότεινε ότι μπορούν να υπάρχουν μόνο σε τροχιές που βρίσκονται σε αυστηρά καθορισμένη απόσταση από τον πυρήνα. Γιατί ακριβώς, ο επιστήμονας από τη θέση της επιστήμης δεν μπορούσε να εξηγήσει, αλλά ένα τέτοιο μοντέλο επιβεβαιώθηκε από πολλά πειράματα. Ακέραιοι αριθμοί χρησιμοποιήθηκαν για τον προσδιορισμό των τροχιών, ξεκινώντας από τη μονάδα που αριθμήθηκε πιο κοντά στον πυρήνα. Όλες αυτές οι τροχιές ονομάζονται επίσης επίπεδα. Το άτομο υδρογόνου έχει μόνο ένα επίπεδο στο οποίο περιστρέφεται ένα ηλεκτρόνιο. Όμως τα πολύπλοκα άτομα έχουν περισσότερα επίπεδα. Χωρίζονται σε συστατικά που ενώνουν ηλεκτρόνια που είναι κοντά σε ενεργειακό δυναμικό. Έτσι, το δεύτερο έχει ήδη δύο υποεπίπεδα - 2s και 2p. Το τρίτο έχει ήδη τρία - 3s, 3p και 3d. Και τα λοιπά. Αρχικά, τα υποεπίπεδα που βρίσκονται πιο κοντά στον πυρήνα «πληθαίνουν» και μετά τα απομακρυσμένα. Κάθε ένα από αυτά μπορεί να κρατήσει μόνο έναν ορισμένο αριθμό ηλεκτρονίων. Αυτό όμως δεν είναι το τέλος. Κάθε υποεπίπεδο χωρίζεται σε τροχιακά. Ας κάνουμε μια σύγκριση με τη συνηθισμένη ζωή. Το ηλεκτρονιακό νέφος ενός ατόμου είναι συγκρίσιμο με μια πόλη. Τα επίπεδα είναι δρόμοι. Υποεπίπεδο - ένα ιδιωτικό σπίτι ή διαμέρισμα. Το Orbital είναι ένα δωμάτιο. Καθένα από αυτά «ζει» ένα ή δύο ηλεκτρόνια. Όλοι έχουν συγκεκριμένες διευθύνσεις. Αυτό ήταν το πρώτο διάγραμμα της δομής του ατόμου. Και τέλος, για τις διευθύνσεις των ηλεκτρονίων: καθορίζονται από σύνολα αριθμών, τα οποία ονομάζονται "κβαντικά".
Κυματικό μοντέλο του ατόμου
Αλλά με την πάροδο του χρόνου, το πλανητικό μοντέλο έχει αναθεωρηθεί. Προτάθηκε μια δεύτερη θεωρία για τη δομή του ατόμου. Είναι πιο τέλειο και επιτρέπει να εξηγηθούν τα αποτελέσματα πρακτικών πειραμάτων. Το κυματικό μοντέλο του ατόμου, που προτάθηκε από τον E. Schrödinger, αντικατέστησε το πρώτο. Τότε είχε ήδη αποδειχθεί ότι ένα ηλεκτρόνιο μπορεί να εκδηλωθεί όχι μόνο ως σωματίδιο, αλλά και ως κύμα. Τι έκανε ο Σρέντινγκερ; Εφάρμοσε μια εξίσωση που περιγράφει την κίνηση ενός κύματος στον τρισδιάστατο χώρο. Έτσι, μπορεί κανείς να βρει όχι την τροχιά του ηλεκτρονίου στο άτομο, αλλά την πιθανότητα ανίχνευσής του σε ένα ορισμένο σημείο. Και οι δύο θεωρίες ενώνονται από το γεγονός ότι τα στοιχειώδη σωματίδια βρίσκονται στοσυγκεκριμένα επίπεδα, υποεπίπεδα και τροχιακά. Εδώ τελειώνει η ομοιότητα των μοντέλων. Θα δώσω ένα παράδειγμα - στη θεωρία κυμάτων, ένα τροχιακό είναι μια περιοχή όπου θα είναι δυνατό να βρεθεί ένα ηλεκτρόνιο με πιθανότητα 95%. Το υπόλοιπο διάστημα αντιπροσωπεύει το 5%, αλλά τελικά αποδείχθηκε ότι τα δομικά χαρακτηριστικά των ατόμων απεικονίζονται χρησιμοποιώντας ένα κυματικό μοντέλο, παρά το γεγονός ότι η ορολογία χρησιμοποιείται με γενικό τρόπο.
Η έννοια της πιθανότητας σε αυτήν την περίπτωση
Γιατί χρησιμοποιήθηκε αυτός ο όρος; Ο Heisenberg διατύπωσε την αρχή της αβεβαιότητας το 1927, η οποία χρησιμοποιείται τώρα για να περιγράψει την κίνηση των μικροσωματιδίων. Βασίζεται στη θεμελιώδη διαφορά τους από τα συνηθισμένα φυσικά σώματα. Τι είναι αυτό? Η κλασική μηχανική υπέθεσε ότι ένα άτομο μπορεί να παρατηρήσει φαινόμενα χωρίς να τα επηρεάσει (παρατήρηση ουράνιων σωμάτων). Με βάση τα δεδομένα που λαμβάνονται, είναι δυνατό να υπολογιστεί πού θα βρίσκεται το αντικείμενο σε μια συγκεκριμένη χρονική στιγμή. Όμως στον μικρόκοσμο τα πράγματα είναι αναγκαστικά διαφορετικά. Έτσι, για παράδειγμα, η παρατήρηση ενός ηλεκτρονίου χωρίς να επηρεαστεί δεν είναι πλέον δυνατή λόγω του γεγονότος ότι οι ενέργειες του οργάνου και του σωματιδίου είναι ασύγκριτες. Αυτό οδηγεί στο γεγονός ότι η θέση του ενός στοιχειώδους σωματιδίου, η κατάσταση, η κατεύθυνση, η ταχύτητα κίνησης και άλλες παράμετροι αλλάζουν. Και δεν έχει νόημα να μιλάμε για τα ακριβή χαρακτηριστικά. Η ίδια η αρχή της αβεβαιότητας μας λέει ότι είναι αδύνατο να υπολογίσουμε την ακριβή τροχιά του ηλεκτρονίου γύρω από τον πυρήνα. Μπορείτε να καθορίσετε μόνο την πιθανότητα εύρεσης ενός σωματιδίου σε μια συγκεκριμένη περιοχήχώρος. Αυτή είναι η ιδιαιτερότητα της δομής των ατόμων των χημικών στοιχείων. Αλλά αυτό πρέπει να λαμβάνεται υπόψη αποκλειστικά από τους επιστήμονες σε πρακτικά πειράματα.
Σύνθεση ατόμου
Αλλά ας επικεντρωθούμε σε όλο το θέμα. Έτσι, εκτός από το καλά μελετημένο κέλυφος ηλεκτρονίων, το δεύτερο συστατικό του ατόμου είναι ο πυρήνας. Αποτελείται από θετικά φορτισμένα πρωτόνια και ουδέτερα νετρόνια. Όλοι γνωρίζουμε τον περιοδικό πίνακα. Ο αριθμός κάθε στοιχείου αντιστοιχεί στον αριθμό των πρωτονίων που έχει. Ο αριθμός των νετρονίων είναι ίσος με τη διαφορά μεταξύ της μάζας ενός ατόμου και του αριθμού των πρωτονίων του. Μπορεί να υπάρχουν αποκλίσεις από αυτόν τον κανόνα. Τότε λένε ότι υπάρχει ένα ισότοπο του στοιχείου. Η δομή ενός ατόμου είναι τέτοια που «περιβάλλεται» από ένα κέλυφος ηλεκτρονίων. Ο αριθμός των ηλεκτρονίων είναι συνήθως ίσος με τον αριθμό των πρωτονίων. Η μάζα του τελευταίου είναι περίπου 1840 φορές μεγαλύτερη από αυτή του πρώτου και είναι περίπου ίση με το βάρος του νετρονίου. Η ακτίνα του πυρήνα είναι περίπου 1/200.000 της διαμέτρου ενός ατόμου. Ο ίδιος έχει σφαιρικό σχήμα. Αυτή είναι, γενικά, η δομή των ατόμων των χημικών στοιχείων. Παρά τη διαφορά στη μάζα και τις ιδιότητες, φαίνονται περίπου τα ίδια.
Τοχιές
Μιλώντας για το ποιο είναι το σχήμα της δομής του ατόμου, δεν μπορεί κανείς να μείνει σιωπηλός για αυτά. Υπάρχουν λοιπόν αυτοί οι τύποι:
- δ. Είναι σφαιρικά.
- σελ. Μοιάζουν με ογκώδη σχήματα οκτώ ή ατράκτους.
- η και στ. Έχουν ένα περίπλοκο σχήμα που είναι δύσκολο να περιγραφεί στην επίσημη γλώσσα.
Το ηλεκτρόνιο κάθε τύπου μπορεί να βρεθεί με πιθανότητα 95% στην επικράτειααντίστοιχο τροχιακό. Οι παρουσιαζόμενες πληροφορίες πρέπει να λαμβάνονται με ψυχραιμία, καθώς είναι μάλλον ένα αφηρημένο μαθηματικό μοντέλο παρά μια φυσική πραγματική κατάσταση πραγμάτων. Αλλά με όλα αυτά, έχει καλή προγνωστική ισχύ σχετικά με τις χημικές ιδιότητες των ατόμων και ακόμη και των μορίων. Όσο πιο μακριά από τον πυρήνα βρίσκεται το επίπεδο, τόσο περισσότερα ηλεκτρόνια μπορούν να τοποθετηθούν πάνω του. Έτσι, ο αριθμός των τροχιακών μπορεί να υπολογιστεί χρησιμοποιώντας έναν ειδικό τύπο: x2. Εδώ το x είναι ίσο με τον αριθμό των επιπέδων. Και επειδή μπορούν να τοποθετηθούν έως και δύο ηλεκτρόνια στο τροχιακό, ο τελικός τύπος για την αριθμητική τους αναζήτηση θα μοιάζει με αυτό: 2x2.
Τοχιές: τεχνικά δεδομένα
Αν μιλάμε για τη δομή του ατόμου φθορίου, θα έχει τρία τροχιακά. Θα γεμίσουν όλοι. Η ενέργεια των τροχιακών στο ίδιο υποεπίπεδο είναι η ίδια. Για να τα ορίσετε, προσθέστε τον αριθμό στρώματος: 2s, 4p, 6d. Επιστρέφουμε στη συζήτηση για τη δομή του ατόμου του φθορίου. Θα έχει δύο s- και ένα p-υποεπίπεδο. Έχει εννέα πρωτόνια και τον ίδιο αριθμό ηλεκτρονίων. Το πρώτο s-level. Αυτά είναι δύο ηλεκτρόνια. Στη συνέχεια το δεύτερο s-level. Δύο ακόμη ηλεκτρόνια. Και το 5 γεμίζει το p-level. Εδώ είναι η δομή του. Αφού διαβάσετε τον παρακάτω υπότιτλο, μπορείτε να κάνετε μόνοι σας τις απαραίτητες ενέργειες και να δείτε μόνοι σας. Αν μιλάμε για τις φυσικές ιδιότητες των αλογόνων, που περιλαμβάνουν το φθόριο, τότε πρέπει να σημειωθεί ότι, αν και ανήκουν στην ίδια ομάδα, διαφέρουν εντελώς ως προς τα χαρακτηριστικά τους. Άρα, το σημείο βρασμού τους κυμαίνεται από -188 έως 309βαθμούς Κελσίου. Γιατί λοιπόν συγχωνεύονται; Όλα χάρη στις χημικές ιδιότητες. Όλα τα αλογόνα, και στο μεγαλύτερο βαθμό το φθόριο, έχουν την υψηλότερη οξειδωτική ισχύ. Αντιδρούν με μέταλλα και μπορούν να αναφλεγούν αυθόρμητα σε θερμοκρασία δωματίου χωρίς κανένα πρόβλημα.
Πώς γεμίζονται οι τροχιές;
Με ποιους κανόνες και αρχές διατάσσονται τα ηλεκτρόνια; Σας προτείνουμε να εξοικειωθείτε με τα τρία βασικά, η διατύπωση των οποίων έχει απλοποιηθεί για καλύτερη κατανόηση:
- Αρχή της ελάχιστης ενέργειας. Τα ηλεκτρόνια τείνουν να γεμίζουν τροχιακά κατά σειρά αύξησης της ενέργειας.
- Αρχή Pauli. Ένα τροχιακό δεν μπορεί να περιέχει περισσότερα από δύο ηλεκτρόνια.
- Κανόνας του Χουντ. Μέσα σε ένα υποεπίπεδο, τα ηλεκτρόνια γεμίζουν πρώτα ελεύθερα τροχιακά και μόνο μετά σχηματίζουν ζεύγη.
Το περιοδικό σύστημα του Mendeleev θα βοηθήσει στην πλήρωση και η δομή του ατόμου σε αυτή την περίπτωση θα γίνει πιο κατανοητή από την άποψη της εικόνας. Ως εκ τούτου, στην πρακτική εργασία με την κατασκευή κυκλωμάτων στοιχείων, είναι απαραίτητο να το έχετε κοντά σας.
Παράδειγμα
Για να συνοψίσουμε όλα όσα αναφέρονται στο άρθρο, μπορείτε να κάνετε ένα δείγμα του τρόπου με τον οποίο τα ηλεκτρόνια ενός ατόμου κατανέμονται στα επίπεδα, τα υποεπίπεδα και τα τροχιακά τους (δηλαδή, ποια είναι η διαμόρφωση επιπέδου). Μπορεί να παρουσιαστεί ως τύπος, ενεργειακό διάγραμμα ή ως διάγραμμα στρώσης. Υπάρχουν πολύ καλές απεικονίσεις εδώ, οι οποίες, μετά από προσεκτική εξέταση, βοηθούν στην κατανόηση της δομής του ατόμου. Έτσι, το πρώτο επίπεδο γεμίζει πρώτο. Εχειμόνο ένα υποεπίπεδο, στο οποίο υπάρχει μόνο ένα τροχιακό. Όλα τα επίπεδα συμπληρώνονται διαδοχικά, ξεκινώντας από το μικρότερο. Πρώτον, μέσα σε ένα υποεπίπεδο, ένα ηλεκτρόνιο τοποθετείται σε κάθε τροχιακό. Στη συνέχεια δημιουργούνται ζεύγη. Και αν υπάρχουν δωρεάν, αλλάζει σε άλλο θέμα γεμάτο. Και τώρα μπορείτε να μάθετε ανεξάρτητα ποια είναι η δομή του ατόμου αζώτου ή φθορίου (το οποίο εξετάστηκε νωρίτερα). Μπορεί να είναι λίγο δύσκολο στην αρχή, αλλά μπορείτε να πλοηγηθείτε κοιτάζοντας τις φωτογραφίες. Για λόγους σαφήνειας, ας δούμε τη δομή του ατόμου του αζώτου. Έχει 7 πρωτόνια (μαζί με τα νετρόνια που αποτελούν τον πυρήνα) και τον ίδιο αριθμό ηλεκτρονίων (τα οποία συνθέτουν το ηλεκτρονιακό κέλυφος). Το πρώτο s-level συμπληρώνεται πρώτα. Έχει 2 ηλεκτρόνια. Μετά έρχεται το δεύτερο s-level. Έχει επίσης 2 ηλεκτρόνια. Και τα άλλα τρία τοποθετούνται στο επίπεδο p, όπου το καθένα από αυτά καταλαμβάνει ένα τροχιακό.
Συμπέρασμα
Όπως μπορείτε να δείτε, η δομή του ατόμου δεν είναι τόσο δύσκολο θέμα (αν το προσεγγίσετε από την οπτική γωνία ενός σχολικού μαθήματος χημείας, φυσικά). Και δεν είναι δύσκολο να καταλάβει κανείς αυτό το θέμα. Τέλος, θα ήθελα να σας ενημερώσω για ορισμένα χαρακτηριστικά. Για παράδειγμα, μιλώντας για τη δομή του ατόμου οξυγόνου, γνωρίζουμε ότι έχει οκτώ πρωτόνια και 8-10 νετρόνια. Και δεδομένου ότι τα πάντα στη φύση τείνουν να ισορροπούν, δύο άτομα οξυγόνου σχηματίζουν ένα μόριο, όπου δύο ασύζευκτα ηλεκτρόνια σχηματίζουν έναν ομοιοπολικό δεσμό. Ομοίως, σχηματίζεται ένα άλλο σταθερό μόριο οξυγόνου - το όζον (O3). Γνωρίζοντας τη δομή του ατόμου οξυγόνου, είναι δυνατό να διατυπωθούν σωστά οι αντιδράσεις οξείδωσης, σεπου περιλαμβάνει την πιο κοινή ουσία στη Γη.
