Din perioada antichității până la mijlocul secolului al XVIII-lea, știința a fost dominată de ideea că un atom este o particulă de materie care nu poate fi divizată. Omul de știință englez, precum și naturalistul D. D alton, au definit atomul ca fiind cea mai mică componentă a unui element chimic. M. V. Lomonosov în teoria sa atomică și moleculară a fost capabil să definească atomul și molecula. Era convins că moleculele, pe care le numea „corpusculi”, erau alcătuite din „elemente” – atomi – și se aflau în mișcare continuă.
D. I. Mendeleev credea că această subunitate de substanțe care alcătuiesc lumea materială își păstrează toate proprietățile numai dacă nu este supusă separării. În acest articol, vom defini atomul ca obiect al microlumii și vom studia proprietățile acestuia.
Precondiții pentru crearea teoriei structurii atomului
În secolul al XIX-lea, afirmația despre indivizibilitatea atomului era în general acceptată. Majoritatea oamenilor de știință credeau că particulele unui element chimic nu se pot transforma sub nicio formă în atomi ai altui element. Aceste idei au servit drept bază pe care sa bazat definiția atomului până în 1932. La sfârșitul secolului al XIX-lea, știința a făcutdescoperiri fundamentale care au schimbat acest punct de vedere. În primul rând, în 1897, fizicianul englez J. J. Thomson a descoperit electronul. Acest fapt a schimbat radical ideile oamenilor de știință despre indivizibilitatea părții constitutive a unui element chimic.
Cum să demonstrezi că atomul este complex
Chiar înainte de descoperirea electronului, oamenii de știință au fost unanim de acord că atomii nu au sarcini. Apoi s-a descoperit că electronii sunt eliberați cu ușurință din orice element chimic. Ele pot fi găsite într-o flacără, sunt purtători de curent electric, sunt eliberate de substanțe în timpul emisiei de raze X.
Dar dacă electronii fac parte din toți atomii fără excepție și sunt încărcați negativ, atunci există și alte particule în atom care au în mod necesar o sarcină pozitivă, altfel atomii nu ar fi neutri din punct de vedere electric. Pentru a ajuta la dezlegarea structurii atomului, a ajutat un astfel de fenomen fizic precum radioactivitatea. A dat definiția corectă a atomului în fizică și apoi în chimie.
Raze invizibile
Fizicianul francez A. Becquerel a fost primul care a descris fenomenul de emisie de către atomi a anumitor elemente chimice, raze invizibile vizual. Ele ionizează aerul, trec prin substanțe, provoacă înnegrirea plăcilor fotografice. Mai târziu, cei de la Curies și E. Rutherford au descoperit că substanțele radioactive sunt transformate în atomi ai altor elemente chimice (de exemplu, uraniu în neptuniu).
Radiațiile radioactive sunt neomogene ca compoziție: particule alfa, particule beta, raze gamma. Asa deAstfel, fenomenul de radioactivitate a confirmat că particulele elementelor tabelului periodic au o structură complexă. Acest fapt a fost motivul modificărilor aduse definiției atomului. Din ce particule constă un atom, având în vedere noile fapte științifice obținute de Rutherford? Răspunsul la această întrebare a fost modelul nuclear al atomului propus de om de știință, conform căruia electronii se învârt în jurul unui nucleu încărcat pozitiv.
Contradițiile modelului Rutherford
Teoria omului de știință, în ciuda caracterului său remarcabil, nu a putut defini în mod obiectiv atomul. Concluziile ei au fost împotriva legilor fundamentale ale termodinamicii, conform cărora toți electronii care se rotesc în jurul nucleului își pierd energia și, oricum ar fi, mai devreme sau mai târziu trebuie să cadă în el. Atomul este distrus în acest caz. Acest lucru nu se întâmplă de fapt, deoarece elementele chimice și particulele din care sunt compuse există în natură de foarte mult timp. O astfel de definiție a atomului, bazată pe teoria lui Rutherford, este inexplicabilă, la fel ca și fenomenul care are loc atunci când substanțe simple fierbinți sunt trecute printr-un rețele de difracție. La urma urmei, spectrele atomice rezultate au o formă liniară. Acest lucru era în conflict cu modelul atomic al lui Rutherford, conform căruia spectrele ar fi trebuit să fie continue. Conform conceptelor mecanicii cuantice, în prezent, electronii din nucleu sunt caracterizați nu ca obiecte punctuale, ci ca având forma unui nor de electroni.
Cea mai mare densitate într-un anumit loc al spațiului din jurul nucleului șiconsiderată a fi locația particulei la un moment dat în timp. De asemenea, s-a constatat că electronii din atom sunt aranjați în straturi. Numărul de straturi poate fi determinat cunoscând numărul perioadei în care se află elementul în sistemul periodic al lui D. I. Mendeleev. De exemplu, un atom de fosfor conține 15 electroni și are 3 niveluri de energie. Indicatorul care determină numărul de niveluri de energie se numește număr cuantic principal.
S-a descoperit experimental că electronii din nivelul de energie cel mai apropiat de nucleu au cea mai mică energie. Fiecare înveliș de energie este împărțit în subniveluri, iar acestea, la rândul lor, în orbiti. Electronii aflați în orbitali diferiți au aceeași formă de nor (s, p, d, f).
Pe baza celor de mai sus, rezultă că forma norului de electroni nu poate fi arbitrară. Este strict definită în funcție de numărul cuantic orbital. De asemenea, adăugăm că starea unui electron într-o macroparticulă este determinată de încă două valori - numere cuantice magnetice și spin. Primul se bazează pe ecuația Schrödinger și caracterizează orientarea spațială a norului de electroni pe baza tridimensionalității lumii noastre. Al doilea indicator este numărul de spin, acesta este folosit pentru a determina rotația unui electron în jurul axei sale în sensul acelor de ceasornic sau în sens invers acelor de ceasornic.
Descoperirea neutronului
Datorită muncii lui D. Chadwick, realizată de acesta în 1932, a fost dată o nouă definiție a atomului în chimie și fizică. În experimentele sale, omul de știință a demonstrat că în timpul divizării poloniului apar radiații, cauzate departicule care nu au sarcină, cu o masă de 1,008665. Noua particulă elementară a fost numită neutron. Descoperirea și studiul proprietăților sale le-au permis oamenilor de știință sovietici V. Gapon și D. Ivanenko să creeze o nouă teorie a structurii nucleului atomic care conține protoni și neutroni.
Conform noii teorii, definiția unui atom de materie era următoarea: este o unitate structurală a unui element chimic, constând dintr-un nucleu care conține protoni și neutroni și electroni care se mișcă în jurul lui. Numărul de particule pozitive din nucleu este întotdeauna egal cu numărul atomic al elementului chimic din sistemul periodic.
Mai târziu, profesorul A. Zhdanov a confirmat în experimentele sale că, sub influența radiațiilor cosmice dure, nucleele atomice s-au împărțit în protoni și neutroni. În plus, s-a dovedit că forțele care țin aceste particule elementare în nucleu sunt extrem de consumatoare de energie. Acestea funcționează la distanțe foarte scurte (aproximativ 10-23 cm) și se numesc nucleare. După cum am menționat mai devreme, chiar și M. V. Lomonosov a reușit să dea o definiție a unui atom și a unei molecule pe baza faptelor științifice cunoscute de el.
În prezent, următorul model este în general recunoscut: un atom este format dintr-un nucleu și electroni care se mișcă în jurul lui de-a lungul unor traiectorii strict definite - orbitali. Electronii prezintă simultan proprietățile atât ale particulelor, cât și ale undelor, adică au o natură duală. Aproape toată masa sa este concentrată în nucleul unui atom. Este format din protoni și neutroni legați de forțe nucleare.
Se poate cântări un atom
Se pare că fiecare atom aremasa. De exemplu, pentru hidrogen este 1,67x10-24g. Este chiar greu de imaginat cât de mică este această valoare. Pentru a afla greutatea unui astfel de obiect, ei nu folosesc cântare, ci un oscilator, care este un nanotub de carbon. Pentru a calcula greutatea unui atom și a unei molecule, o valoare mai convenabilă este masa relativă. Acesta arată de câte ori greutatea unei molecule sau a unui atom este mai mare decât 1/12 dintr-un atom de carbon, care este 1,66x10-27 kg. Masele atomice relative sunt date în sistemul periodic de elemente chimice și nu au unități.
Oamenii de știință știu bine că masa atomică a unui element chimic este media numerelor de masă ale tuturor izotopilor săi. Se pare că, în natură, unitățile unui element chimic pot avea mase diferite. În același timp, sarcinile nucleelor unor astfel de particule structurale sunt aceleași.
Oamenii de știință au descoperit că izotopii diferă în ceea ce privește numărul de neutroni din nucleu, iar sarcina nucleelor lor este aceeași. De exemplu, un atom de clor cu o masă de 35 conține 18 neutroni și 17 protoni și cu o masă de 37 - 20 de neutroni și 17 protoni. Multe elemente chimice sunt amestecuri de izotopi. De exemplu, substanțe simple precum potasiul, argonul, oxigenul conțin atomi reprezentând 3 izotopi diferiți.
Definirea atomicității
Are mai multe interpretări. Luați în considerare ce se înțelege prin acest termen în chimie. Dacă atomii oricărui element chimic sunt capabili să existe separat cel puțin pentru o perioadă scurtă de timp, fără a încerca să formeze o particulă mai complexă - o moleculă, atunci ei spun că astfel de substanțe austructura atomica. De exemplu, o reacție de clorinare a metanului în mai multe etape. Este utilizat pe scară largă în chimia sintezei organice pentru a obține cei mai importanți derivați cu conținut de halogen: diclormetan, tetraclorura de carbon. Împarte moleculele de clor în atomi foarte reactivi. Ele rup legăturile sigma din molecula de metan, oferind o reacție în lanț de substituție.
Un alt exemplu de proces chimic de mare importanță în industrie este utilizarea peroxidului de hidrogen ca dezinfectant și înălbitor. Determinarea oxigenului atomic, ca produs al descompunerii peroxidului de hidrogen, are loc atât în celulele vii (sub acțiunea enzimei catalaze), cât și în condiții de laborator. Oxigenul atomic este determinat calitativ de proprietățile sale antioxidante ridicate, precum și de capacitatea sa de a distruge agenții patogeni: bacterii, ciuperci și sporii acestora.
Cum funcționează învelișul atomic
Am aflat deja mai devreme că unitatea structurală a unui element chimic are o structură complexă. Electronii se rotesc în jurul unui nucleu încărcat pozitiv. Laureatul Premiului Nobel Niels Bohr, bazat pe teoria cuantică a luminii, și-a creat doctrina, în care caracteristicile și definiția unui atom sunt următoarele: electronii se mișcă în jurul nucleului doar de-a lungul anumitor traiectorii staționare, în timp ce nu radiază energie. Doctrina lui Bohr a demonstrat că particulele microcosmosului, care includ atomi și molecule, nu se supun legilor corecte.pentru corpuri mari - obiecte macrocosmice.
Structura învelișurilor de electroni ale macroparticulelor a fost studiată în lucrări de fizică cuantică de către oameni de știință precum Hund, Pauli, Klechkovsky. Așa că a devenit cunoscut faptul că electronii fac mișcări de rotație în jurul nucleului nu aleatoriu, ci de-a lungul anumitor traiectorii staționare. Pauli a descoperit că în cadrul unui nivel de energie pe fiecare dintre orbitalii săi s, p, d, f nu pot fi găsite în celulele electronice mai mult de două particule încărcate negativ cu spini opuși + ½ și - ½.
Regula lui Hund a explicat modul în care orbitalii cu același nivel de energie sunt umpluți corect cu electroni.
Regula lui Klechkovsky, numită și regula n+l, a explicat modul în care sunt umpluți orbitalii atomilor multielectroni (elementele de 5, 6, 7 perioade). Toate modelele de mai sus au servit drept justificare teoretică pentru sistemul de elemente chimice creat de Dmitri Mendeleev.
Stare de oxidare
Este un concept fundamental în chimie și caracterizează starea unui atom dintr-o moleculă. Definiția modernă a stării de oxidare a atomilor este următoarea: aceasta este sarcina condiționată a unui atom dintr-o moleculă, care este calculată pe baza noțiunii că molecula are doar o compoziție ionică.
Gradul de oxidare poate fi exprimat ca număr întreg sau fracționar, cu valori pozitive, negative sau zero. Cel mai adesea, atomii elementelor chimice au mai multe stări de oxidare. De exemplu, azotul are -3, -2, 0, +1, +2, +3, +4, +5. Dar un astfel de element chimic precum fluorul, în toate acesteacompușii are o singură stare de oxidare, egală cu -1. Dacă este reprezentat de o substanță simplă, atunci starea sa de oxidare este zero. Această cantitate chimică este convenabilă de utilizat pentru clasificarea substanțelor și pentru descrierea proprietăților acestora. Cel mai adesea, starea de oxidare a unui atom este folosită în chimie la compilarea ecuațiilor pentru reacțiile redox.
Proprietățile atomilor
Datorită descoperirilor fizicii cuantice, definiția modernă a atomului, bazată pe teoria lui D. Ivanenko și E. Gapon, este completată de următoarele fapte științifice. Structura nucleului unui atom nu se modifică în timpul reacțiilor chimice. Numai orbitalii electroni staționari sunt supuși modificării. Structura lor poate explica o mulțime de proprietăți fizice și chimice ale substanțelor. Dacă un electron părăsește o orbită staționară și merge pe o orbită cu un indice energetic mai mare, un astfel de atom se numește excitat.
Trebuie remarcat faptul că electronii nu pot rămâne în astfel de orbitali neobișnuiți pentru o perioadă lungă de timp. Revenind pe orbita sa staționară, electronul emite o cantitate de energie. Studiul unor astfel de caracteristici ale unităților structurale ale elementelor chimice, cum ar fi afinitatea electronică, electronegativitatea, energia de ionizare, a permis oamenilor de știință nu numai să definească atomul ca cea mai importantă particulă a microcosmosului, dar le-a permis și să explice capacitatea atomilor de a se forma. o stare moleculară stabilă și energetic mai favorabilă a materiei, posibilă datorită creării diferitelor tipuri de legături chimice stabile: ionice, covalentepolar și nepolar, donor-acceptor (ca un fel de legătură covalentă) și metalic. Acesta din urmă determină cele mai importante proprietăți fizice și chimice ale tuturor metalelor.
S-a stabilit experimental că dimensiunea unui atom se poate schimba. Totul va depinde de moleculă în care este inclus. Datorită analizei de difracție cu raze X, este posibil să se calculeze distanța dintre atomi dintr-un compus chimic, precum și să se afle raza unității structurale a elementului. Cunoscând modelele de schimbare a razelor atomilor incluși într-o perioadă sau grup de elemente chimice, este posibil să se prezică proprietățile lor fizice și chimice. De exemplu, în perioadele cu creșterea încărcăturii nucleului atomilor, razele acestora scad („comprimarea atomului”), astfel că proprietățile metalice ale compușilor slăbesc, iar cele nemetalice cresc.
Astfel, cunoașterea structurii atomului ne permite să determinăm cu exactitate proprietățile fizice și chimice ale tuturor elementelor incluse în sistemul periodic al lui Mendeleev.
