Από την περίοδο της αρχαιότητας έως τα μέσα του 18ου αιώνα, στην επιστήμη κυριαρχούσε η ιδέα ότι ένα άτομο είναι ένα σωματίδιο ύλης που δεν μπορεί να διαιρεθεί. Ο Άγγλος επιστήμονας, καθώς και ο φυσιοδίφης D. D alton, όρισαν το άτομο ως το μικρότερο συστατικό ενός χημικού στοιχείου. Ο M. V. Lomonosov στην ατομική και μοριακή θεωρία του ήταν σε θέση να ορίσει το άτομο και το μόριο. Ήταν πεπεισμένος ότι τα μόρια, τα οποία ονόμασε «σωμάτια», αποτελούνταν από «στοιχεία» -άτομα- και βρίσκονταν σε συνεχή κίνηση.
Δ. Ο I. Mendeleev πίστευε ότι αυτή η υπομονάδα ουσιών που συνθέτουν τον υλικό κόσμο διατηρεί όλες τις ιδιότητές της μόνο εάν δεν υποβληθεί σε διαχωρισμό. Σε αυτό το άρθρο, θα ορίσουμε το άτομο ως αντικείμενο του μικροκόσμου και θα μελετήσουμε τις ιδιότητές του.
Προαπαιτούμενα για τη δημιουργία της θεωρίας της δομής του ατόμου
Τον 19ο αιώνα, η δήλωση για το αδιαίρετο του ατόμου ήταν γενικά αποδεκτή. Οι περισσότεροι επιστήμονες πίστευαν ότι τα σωματίδια ενός χημικού στοιχείου δεν μπορούσαν σε καμία περίπτωση να μετατραπούν σε άτομα ενός άλλου στοιχείου. Αυτές οι ιδέες χρησίμευσαν ως βάση στην οποία βασίστηκε ο ορισμός του ατόμου μέχρι το 1932. Στα τέλη του 19ου αιώνα, η επιστήμη έκανεθεμελιώδεις ανακαλύψεις που άλλαξαν αυτή την άποψη. Πρώτα απ 'όλα, το 1897, ο Άγγλος φυσικός J. J. Thomson ανακάλυψε το ηλεκτρόνιο. Αυτό το γεγονός άλλαξε ριζικά τις ιδέες των επιστημόνων για το αδιαίρετο του συστατικού μέρους ενός χημικού στοιχείου.
Πώς να αποδείξετε ότι το άτομο είναι μιγαδικό
Ακόμη και πριν από την ανακάλυψη του ηλεκτρονίου, οι επιστήμονες συμφώνησαν ομόφωνα ότι τα άτομα δεν έχουν φορτία. Στη συνέχεια διαπιστώθηκε ότι τα ηλεκτρόνια απελευθερώνονται εύκολα από οποιοδήποτε χημικό στοιχείο. Μπορούν να βρεθούν σε φλόγα, είναι φορείς ηλεκτρικού ρεύματος, απελευθερώνονται από ουσίες κατά την εκπομπή ακτίνων Χ.
Αλλά αν τα ηλεκτρόνια αποτελούν μέρος όλων των ατόμων χωρίς εξαίρεση και είναι αρνητικά φορτισμένα, τότε υπάρχουν κάποια άλλα σωματίδια στο άτομο που έχουν αναγκαστικά θετικό φορτίο, διαφορετικά τα άτομα δεν θα ήταν ηλεκτρικά ουδέτερα. Για να βοηθήσει στην αποκάλυψη της δομής του ατόμου, βοήθησε ένα τέτοιο φυσικό φαινόμενο όπως η ραδιενέργεια. Έδωσε τον σωστό ορισμό του ατόμου στη φυσική και στη συνέχεια στη χημεία.
Αόρατες ακτίνες
Ο Γάλλος φυσικός A. Becquerel ήταν ο πρώτος που περιέγραψε το φαινόμενο της εκπομπής από άτομα ορισμένων χημικών στοιχείων, οπτικά αόρατες ακτίνες. Ιονίζουν τον αέρα, περνούν μέσα από ουσίες, προκαλούν μαύρισμα των φωτογραφικών πλακών. Αργότερα, οι Curies και ο E. Rutherford διαπίστωσαν ότι οι ραδιενεργές ουσίες μετατρέπονται σε άτομα άλλων χημικών στοιχείων (για παράδειγμα, το ουράνιο σε ποσειδώνιο).
Η ραδιενεργή ακτινοβολία είναι ανομοιογενής ως προς τη σύνθεση: σωματίδια άλφα, σωματίδια βήτα, ακτίνες γάμμα. ΈτσιΈτσι, το φαινόμενο της ραδιενέργειας επιβεβαίωσε ότι τα σωματίδια των στοιχείων του περιοδικού πίνακα έχουν πολύπλοκη δομή. Αυτό το γεγονός ήταν η αιτία για τις αλλαγές που έγιναν στον ορισμό του ατόμου. Από ποια σωματίδια αποτελείται ένα άτομο, δεδομένων των νέων επιστημονικών δεδομένων που έλαβε ο Ράδερφορντ; Η απάντηση σε αυτό το ερώτημα ήταν το πυρηνικό μοντέλο του ατόμου που πρότεινε ο επιστήμονας, σύμφωνα με το οποίο τα ηλεκτρόνια περιστρέφονται γύρω από έναν θετικά φορτισμένο πυρήνα.
Αντιφάσεις του μοντέλου Rutherford
Η θεωρία του επιστήμονα, παρά τον εξαιρετικό χαρακτήρα της, δεν μπορούσε να προσδιορίσει αντικειμενικά το άτομο. Τα συμπεράσματά της ήταν αντίθετα με τους θεμελιώδεις νόμους της θερμοδυναμικής, σύμφωνα με τους οποίους όλα τα ηλεκτρόνια που περιστρέφονται γύρω από τον πυρήνα χάνουν την ενέργειά τους και, όπως και να 'χει, αργά ή γρήγορα πρέπει να πέσουν σε αυτόν. Το άτομο καταστρέφεται σε αυτή την περίπτωση. Αυτό στην πραγματικότητα δεν συμβαίνει, αφού τα χημικά στοιχεία και τα σωματίδια από τα οποία αποτελούνται υπάρχουν στη φύση για πολύ μεγάλο χρονικό διάστημα. Ένας τέτοιος ορισμός του ατόμου, που βασίζεται στη θεωρία του Ράδερφορντ, είναι ανεξήγητος, όπως και το φαινόμενο που συμβαίνει όταν καυτές απλές ουσίες περνούν μέσα από ένα πλέγμα περίθλασης. Εξάλλου, τα ατομικά φάσματα που προκύπτουν έχουν γραμμικό σχήμα. Αυτό ήταν σε σύγκρουση με το μοντέλο του ατόμου του Rutherford, σύμφωνα με το οποίο τα φάσματα θα έπρεπε να ήταν συνεχή. Σύμφωνα με τις έννοιες της κβαντικής μηχανικής, επί του παρόντος, τα ηλεκτρόνια στον πυρήνα δεν χαρακτηρίζονται ως σημειακά αντικείμενα, αλλά ως έχοντα τη μορφή ενός νέφους ηλεκτρονίων.
Η υψηλότερη πυκνότητά του σε έναν συγκεκριμένο τόπο χώρου γύρω από τον πυρήνα καιθεωρείται ότι είναι η θέση του σωματιδίου σε μια δεδομένη χρονική στιγμή. Διαπιστώθηκε επίσης ότι τα ηλεκτρόνια στο άτομο είναι διατεταγμένα σε στρώματα. Ο αριθμός των στρωμάτων μπορεί να προσδιοριστεί γνωρίζοντας τον αριθμό της περιόδου στην οποία βρίσκεται το στοιχείο στο περιοδικό σύστημα του D. I. Mendeleev. Για παράδειγμα, ένα άτομο φωσφόρου περιέχει 15 ηλεκτρόνια και έχει 3 ενεργειακά επίπεδα. Ο δείκτης που καθορίζει τον αριθμό των ενεργειακών επιπέδων ονομάζεται κύριος κβαντικός αριθμός.
Βρέθηκε πειραματικά ότι τα ηλεκτρόνια του ενεργειακού επιπέδου που βρίσκεται πιο κοντά στον πυρήνα έχουν τη χαμηλότερη ενέργεια. Κάθε ενεργειακό κέλυφος χωρίζεται σε υποεπίπεδα και αυτά, με τη σειρά τους, σε τροχιακά. Τα ηλεκτρόνια που βρίσκονται σε διαφορετικά τροχιακά έχουν το ίδιο σχήμα νέφους (s, p, d, f).
Με βάση τα παραπάνω, προκύπτει ότι το σχήμα του νέφους ηλεκτρονίων δεν μπορεί να είναι αυθαίρετο. Ορίζεται αυστηρά σύμφωνα με τον τροχιακό κβαντικό αριθμό. Προσθέτουμε επίσης ότι η κατάσταση ενός ηλεκτρονίου σε ένα μακροσωματίδιο καθορίζεται από δύο ακόμη τιμές - τους μαγνητικούς και τους κβαντικούς αριθμούς σπιν. Το πρώτο βασίζεται στην εξίσωση Schrödinger και χαρακτηρίζει τον χωρικό προσανατολισμό του νέφους ηλεκτρονίων με βάση την τρισδιάστατη φύση του κόσμου μας. Ο δεύτερος δείκτης είναι ο αριθμός σπιν, χρησιμοποιείται για τον προσδιορισμό της περιστροφής ενός ηλεκτρονίου γύρω από τον άξονά του δεξιόστροφα ή αριστερόστροφα.
Ανακάλυψη του νετρονίου
Χάρη στο έργο του D. Chadwick, που πραγματοποιήθηκε από αυτόν το 1932, δόθηκε ένας νέος ορισμός του ατόμου στη χημεία και τη φυσική. Στα πειράματά του, ο επιστήμονας απέδειξε ότι κατά τη διάσπαση του πολώνιου, εμφανίζεται ακτινοβολία που προκαλείται απόσωματίδια που δεν έχουν φορτίο, με μάζα 1,008665. Το νέο στοιχειώδες σωματίδιο ονομάστηκε νετρόνιο. Η ανακάλυψη και η μελέτη των ιδιοτήτων του επέτρεψαν στους Σοβιετικούς επιστήμονες V. Gapon και D. Ivanenko να δημιουργήσουν μια νέα θεωρία για τη δομή του ατομικού πυρήνα που περιέχει πρωτόνια και νετρόνια.
Σύμφωνα με τη νέα θεωρία, ο ορισμός του ατόμου ύλης ήταν ο εξής: είναι μια δομική μονάδα ενός χημικού στοιχείου, που αποτελείται από έναν πυρήνα που περιέχει πρωτόνια και νετρόνια και ηλεκτρόνια που κινούνται γύρω του. Ο αριθμός των θετικών σωματιδίων στον πυρήνα είναι πάντα ίσος με τον ατομικό αριθμό του χημικού στοιχείου στο περιοδικό σύστημα.
Αργότερα, ο καθηγητής A. Zhdanov επιβεβαίωσε στα πειράματά του ότι υπό την επίδραση της σκληρής κοσμικής ακτινοβολίας, οι ατομικοί πυρήνες χωρίστηκαν σε πρωτόνια και νετρόνια. Επιπλέον, αποδείχθηκε ότι οι δυνάμεις που συγκρατούν αυτά τα στοιχειώδη σωματίδια στον πυρήνα είναι εξαιρετικά ενεργοβόρες. Λειτουργούν σε πολύ μικρές αποστάσεις (περίπου 10-23 cm) και ονομάζονται πυρηνικά. Όπως αναφέρθηκε προηγουμένως, ακόμη και ο M. V. Lomonosov ήταν σε θέση να δώσει έναν ορισμό του ατόμου και ενός μορίου με βάση επιστημονικά δεδομένα που ήταν γνωστά σε αυτόν.
Προς το παρόν, το ακόλουθο μοντέλο είναι γενικά αναγνωρισμένο: ένα άτομο αποτελείται από έναν πυρήνα και ηλεκτρόνια που κινούνται γύρω του κατά μήκος αυστηρά καθορισμένων τροχιών - τροχιακών. Τα ηλεκτρόνια παρουσιάζουν ταυτόχρονα τις ιδιότητες τόσο των σωματιδίων όσο και των κυμάτων, δηλαδή έχουν διπλή φύση. Σχεδόν όλη η μάζα του είναι συγκεντρωμένη στον πυρήνα ενός ατόμου. Αποτελείται από πρωτόνια και νετρόνια που συνδέονται με πυρηνικές δυνάμεις.
Μπορεί ένα άτομο να ζυγιστεί
Αποδεικνύεται ότι κάθε άτομο έχειμάζα. Για παράδειγμα, για το υδρογόνο είναι 1,67x10-24g. Είναι ακόμη δύσκολο να φανταστεί κανείς πόσο μικρή είναι αυτή η τιμή. Για να βρουν το βάρος ενός τέτοιου αντικειμένου, δεν χρησιμοποιούν ζυγαριά, αλλά έναν ταλαντωτή, που είναι ένας νανοσωλήνας άνθρακα. Για τον υπολογισμό του βάρους ενός ατόμου και ενός μορίου, μια πιο βολική τιμή είναι η σχετική μάζα. Δείχνει πόσες φορές το βάρος ενός μορίου ή ατόμου είναι μεγαλύτερο από το 1/12 ενός ατόμου άνθρακα, που είναι 1,66x10-27 kg. Οι σχετικές ατομικές μάζες δίνονται στο περιοδικό σύστημα των χημικών στοιχείων και δεν έχουν μονάδες.
Οι επιστήμονες γνωρίζουν καλά ότι η ατομική μάζα ενός χημικού στοιχείου είναι ο μέσος όρος των μαζικών αριθμών όλων των ισοτόπων του. Αποδεικνύεται ότι στη φύση, οι μονάδες ενός χημικού στοιχείου μπορούν να έχουν διαφορετικές μάζες. Ταυτόχρονα, τα φορτία των πυρήνων τέτοιων δομικών σωματιδίων είναι τα ίδια.
Οι επιστήμονες ανακάλυψαν ότι τα ισότοπα διαφέρουν ως προς τον αριθμό των νετρονίων στον πυρήνα και το φορτίο των πυρήνων τους είναι το ίδιο. Για παράδειγμα, ένα άτομο χλωρίου με μάζα 35 περιέχει 18 νετρόνια και 17 πρωτόνια και με μάζα 37 - 20 νετρόνια και 17 πρωτόνια. Πολλά χημικά στοιχεία είναι μείγματα ισοτόπων. Για παράδειγμα, απλές ουσίες όπως το κάλιο, το αργό, το οξυγόνο περιέχουν άτομα που αντιπροσωπεύουν 3 διαφορετικά ισότοπα.
Ορισμός ατομικότητας
Έχει πολλές ερμηνείες. Εξετάστε τι σημαίνει αυτός ο όρος στη χημεία. Εάν τα άτομα οποιουδήποτε χημικού στοιχείου μπορούν να υπάρχουν χωριστά τουλάχιστον για μικρό χρονικό διάστημα, χωρίς να προσπαθήσουν να σχηματίσουν ένα πιο περίπλοκο σωματίδιο - ένα μόριο, τότε λένε ότι τέτοιες ουσίες έχουνατομική δομή. Για παράδειγμα, μια αντίδραση χλωρίωσης μεθανίου πολλαπλών σταδίων. Χρησιμοποιείται ευρέως στη χημεία της οργανικής σύνθεσης για τη λήψη των πιο σημαντικών παραγώγων που περιέχουν αλογόνο: διχλωρομεθάνιο, τετραχλωράνθρακας. Διασπά τα μόρια χλωρίου σε άτομα με υψηλή αντίδραση. Σπάνε τους δεσμούς σίγμα στο μόριο του μεθανίου, παρέχοντας μια αλυσιδωτή αντίδραση υποκατάστασης.
Ένα άλλο παράδειγμα μιας χημικής διαδικασίας μεγάλης σημασίας στη βιομηχανία είναι η χρήση υπεροξειδίου του υδρογόνου ως απολυμαντικό και λευκαντικό. Ο προσδιορισμός του ατομικού οξυγόνου, ως προϊόντος της διάσπασης του υπεροξειδίου του υδρογόνου, συμβαίνει τόσο σε ζωντανά κύτταρα (υπό τη δράση του ενζύμου καταλάση) όσο και σε εργαστηριακές συνθήκες. Το ατομικό οξυγόνο καθορίζεται ποιοτικά από τις υψηλές αντιοξειδωτικές του ιδιότητες, καθώς και από την ικανότητά του να καταστρέφει παθογόνους παράγοντες: βακτήρια, μύκητες και τα σπόρια τους.
Πώς λειτουργεί το ατομικό κέλυφος
Έχουμε ήδη ανακαλύψει νωρίτερα ότι η δομική μονάδα ενός χημικού στοιχείου έχει πολύπλοκη δομή. Τα ηλεκτρόνια περιστρέφονται γύρω από έναν θετικά φορτισμένο πυρήνα. Ο βραβευμένος με Νόμπελ Niels Bohr, βασισμένος στην κβαντική θεωρία του φωτός, δημιούργησε το δόγμα του, στο οποίο τα χαρακτηριστικά και ο ορισμός ενός ατόμου έχουν ως εξής: τα ηλεκτρόνια κινούνται γύρω από τον πυρήνα μόνο κατά μήκος ορισμένων σταθερών τροχιών, ενώ δεν ακτινοβολούν ενέργεια. Το δόγμα του Bohr απέδειξε ότι τα σωματίδια του μικρόκοσμου, που περιλαμβάνουν άτομα και μόρια, δεν υπακούουν σε νόμους που είναι δίκαιοιγια μεγάλα σώματα - μακροκοσμικά αντικείμενα.
Η δομή των φλοιών ηλεκτρονίων των μακροσωματιδίων μελετήθηκε σε εργασίες για την κβαντική φυσική από επιστήμονες όπως οι Hund, Pauli, Klechkovsky. Έτσι έγινε γνωστό ότι τα ηλεκτρόνια κάνουν περιστροφικές κινήσεις γύρω από τον πυρήνα όχι τυχαία, αλλά κατά μήκος ορισμένων ακίνητων τροχιών. Ο Pauli διαπίστωσε ότι μέσα σε ένα επίπεδο ενέργειας σε κάθε τροχιακό του s, p, d, f, δεν μπορούν να βρεθούν σε ηλεκτρονικά κύτταρα περισσότερα από δύο αρνητικά φορτισμένα σωματίδια με αντίθετα σπιν + ½ και - ½.
Ο κανόνας του Χουντ εξήγησε πώς τα τροχιακά με το ίδιο ενεργειακό επίπεδο γεμίζονται σωστά με ηλεκτρόνια.
Ο κανόνας του Κλετσκόφσκι, που ονομάζεται επίσης κανόνας n+l, εξήγησε πώς γεμίζονται τα τροχιακά των ατόμων πολλών ηλεκτρονίων (στοιχεία 5, 6, 7 περιόδων). Όλα τα παραπάνω μοτίβα χρησίμευσαν ως θεωρητική αιτιολόγηση για το σύστημα των χημικών στοιχείων που δημιουργήθηκε από τον Ντμίτρι Μεντελέεφ.
Κατάσταση οξείδωσης
Είναι μια θεμελιώδης έννοια στη χημεία και χαρακτηρίζει την κατάσταση ενός ατόμου σε ένα μόριο. Ο σύγχρονος ορισμός της κατάστασης οξείδωσης των ατόμων είναι ο εξής: αυτό είναι το υπό όρους φορτίο ενός ατόμου σε ένα μόριο, το οποίο υπολογίζεται με βάση την ιδέα ότι το μόριο έχει μόνο ιοντική σύνθεση.
Ο βαθμός οξείδωσης μπορεί να εκφραστεί ως ακέραιος ή κλασματικός αριθμός, με θετικές, αρνητικές ή μηδενικές τιμές. Τις περισσότερες φορές, τα άτομα χημικών στοιχείων έχουν αρκετές καταστάσεις οξείδωσης. Για παράδειγμα, το άζωτο έχει -3, -2, 0, +1, +2, +3, +4, +5. Αλλά ένα τέτοιο χημικό στοιχείο όπως το φθόριο, σε όλα τουΟι ενώσεις έχουν μόνο μία κατάσταση οξείδωσης, ίση με -1. Αν αντιπροσωπεύεται από μια απλή ουσία, τότε η κατάσταση οξείδωσής του είναι μηδέν. Αυτή η χημική ποσότητα είναι βολική στη χρήση για την ταξινόμηση ουσιών και για την περιγραφή των ιδιοτήτων τους. Τις περισσότερες φορές, η κατάσταση οξείδωσης ενός ατόμου χρησιμοποιείται στη χημεία κατά τη σύνταξη εξισώσεων για αντιδράσεις οξειδοαναγωγής.
Ιδιότητες των ατόμων
Χάρη στις ανακαλύψεις της κβαντικής φυσικής, ο σύγχρονος ορισμός του ατόμου, που βασίζεται στη θεωρία των D. Ivanenko και E. Gapon, συμπληρώνεται από τα ακόλουθα επιστημονικά δεδομένα. Η δομή του πυρήνα ενός ατόμου δεν αλλάζει κατά τη διάρκεια χημικών αντιδράσεων. Μόνο τα σταθερά τροχιακά ηλεκτρονίων υπόκεινται σε αλλαγές. Η δομή τους μπορεί να εξηγήσει πολλές φυσικές και χημικές ιδιότητες των ουσιών. Εάν ένα ηλεκτρόνιο εγκαταλείψει μια σταθερή τροχιά και πάει σε μια τροχιά με υψηλότερο δείκτη ενέργειας, ένα τέτοιο άτομο ονομάζεται διεγερμένο.
Θα πρέπει να σημειωθεί ότι τα ηλεκτρόνια δεν μπορούν να παραμείνουν σε τέτοια ασυνήθιστα τροχιακά για μεγάλο χρονικό διάστημα. Επιστρέφοντας στη σταθερή τροχιά του, το ηλεκτρόνιο εκπέμπει ένα κβάντο ενέργειας. Η μελέτη τέτοιων χαρακτηριστικών των δομικών μονάδων των χημικών στοιχείων όπως η συγγένεια ηλεκτρονίων, η ηλεκτραρνητικότητα, η ενέργεια ιονισμού, επέτρεψε στους επιστήμονες όχι μόνο να ορίσουν το άτομο ως το πιο σημαντικό σωματίδιο του μικρόκοσμου, αλλά τους επέτρεψε επίσης να εξηγήσουν την ικανότητα των ατόμων να σχηματίζουν μια σταθερή και ενεργειακά πιο ευνοϊκή μοριακή κατάσταση της ύλης, δυνατή λόγω της δημιουργίας διαφόρων τύπων σταθερών χημικών δεσμών: ιοντικοί, ομοιοπολικοίπολικός και μη πολικός, δότης-δέκτης (ως είδος ομοιοπολικού δεσμού) και μεταλλικός. Το τελευταίο καθορίζει τις πιο σημαντικές φυσικές και χημικές ιδιότητες όλων των μετάλλων.
Έχει αποδειχθεί πειραματικά ότι το μέγεθος ενός ατόμου μπορεί να αλλάξει. Όλα θα εξαρτηθούν από το μόριο που περιλαμβάνεται. Χάρη στην ανάλυση περίθλασης ακτίνων Χ, είναι δυνατός ο υπολογισμός της απόστασης μεταξύ των ατόμων σε μια χημική ένωση, καθώς και η εύρεση της ακτίνας της δομικής μονάδας του στοιχείου. Γνωρίζοντας τα μοτίβα αλλαγής στις ακτίνες των ατόμων που περιλαμβάνονται σε μια περίοδο ή ομάδα χημικών στοιχείων, είναι δυνατό να προβλεφθούν οι φυσικές και χημικές τους ιδιότητες. Για παράδειγμα, σε περιόδους με αύξηση του φορτίου του πυρήνα των ατόμων, οι ακτίνες τους μειώνονται («συμπίεση του ατόμου»), επομένως οι μεταλλικές ιδιότητες των ενώσεων εξασθενούν και οι μη μεταλλικές αυξάνονται.
Έτσι, η γνώση της δομής του ατόμου μας επιτρέπει να προσδιορίσουμε με ακρίβεια τις φυσικές και χημικές ιδιότητες όλων των στοιχείων που περιλαμβάνονται στο περιοδικό σύστημα του Μεντελέεφ.
