Od antičkog razdoblja do sredine 18. stoljeća, znanošću je dominirala ideja da je atom čestica materije koja se ne može podijeliti. Engleski znanstvenik, kao i prirodoslovac D. D alton, definirali su atom kao najmanju komponentu kemijskog elementa. M. V. Lomonosov je u svojoj atomskoj i molekularnoj teoriji uspio definirati atom i molekulu. Bio je uvjeren da su molekule, koje je nazvao "tjelešce", sastavljene od "elemenata" - atoma - i da su u stalnom kretanju.
D. I. Mendeljejev je vjerovao da ova podjedinica tvari koje čine materijalni svijet zadržava sva svoja svojstva samo ako nije podvrgnuta razdvajanju. U ovom članku ćemo definirati atom kao objekt mikrosvijeta i proučavati njegova svojstva.
Preduvjeti za stvaranje teorije strukture atoma
U 19. stoljeću tvrdnja o nedjeljivosti atoma bila je općenito prihvaćena. Većina znanstvenika vjerovala je da se čestice jednog kemijskog elementa ni pod kojim uvjetima ne mogu pretvoriti u atome drugog elementa. Ove ideje služile su kao osnova na kojoj se temeljila definicija atoma do 1932. godine. Krajem 19. stoljeća znanost je napravilatemeljna otkrića koja su promijenila ovo gledište. Prije svega, 1897. godine engleski fizičar J. J. Thomson otkrio je elektron. Ova činjenica radikalno je promijenila ideje znanstvenika o nedjeljivosti sastavnog dijela kemijskog elementa.
Kako dokazati da je atom složen
Čak i prije otkrića elektrona, znanstvenici su se jednoglasno složili da atomi nemaju naboja. Tada je otkriveno da se elektroni lako oslobađaju iz bilo kojeg kemijskog elementa. Mogu se naći u plamenu, oni su nosioci električne struje, oslobađaju ih tvari tijekom rendgenske emisije.
Ali ako su elektroni dio svih atoma bez iznimke i negativno su nabijeni, tada u atomu postoje neke druge čestice koje nužno imaju pozitivan naboj, inače atomi ne bi bili električno neutralni. Da bi se razotkrila struktura atoma, pomogao je takav fizički fenomen kao što je radioaktivnost. Dao je točnu definiciju atoma u fizici, a zatim i u kemiji.
Nevidljive zrake
Francuski fizičar A. Becquerel prvi je opisao fenomen emisije atoma određenih kemijskih elemenata, vizualno nevidljivih zraka. Ioniziraju zrak, prolaze kroz tvari, uzrokuju zacrnjenje fotografskih ploča. Kasnije su Curies i E. Rutherford otkrili da se radioaktivne tvari pretvaraju u atome drugih kemijskih elemenata (na primjer, uran u neptunij).
Radioaktivno zračenje je nehomogenog sastava: alfa čestice, beta čestice, gama zrake. TakoDakle, fenomen radioaktivnosti potvrdio je da čestice elemenata periodnog sustava imaju složenu strukturu. Ova činjenica bila je razlog za promjene u definiciji atoma. Od kojih se čestica sastoji atom, s obzirom na nove znanstvene činjenice do kojih je došao Rutherford? Odgovor na ovo pitanje bio je nuklearni model atoma koji je predložio znanstvenik, prema kojem se elektroni vrte oko pozitivno nabijene jezgre.
Protivurečnosti Rutherfordovog modela
Teorija znanstvenika, unatoč svom izvanrednom karakteru, nije mogla objektivno definirati atom. Njezini zaključci bili su protiv temeljnih zakona termodinamike, prema kojima svi elektroni koji se okreću oko jezgre gube svoju energiju i, kako god bilo, prije ili kasnije moraju u nju pasti. Atom je u ovom slučaju uništen. To se zapravo ne događa, budući da kemijski elementi i čestice od kojih se sastoje postoje u prirodi jako dugo. Takva definicija atoma, utemeljena na Rutherfordovoj teoriji, je neobjašnjiva, kao i fenomen koji se događa kada se vruće jednostavne tvari propuštaju kroz difrakcijsku rešetku. Uostalom, rezultirajući atomski spektri imaju linearni oblik. To je bilo u suprotnosti s Rutherfordovim modelom atoma, prema kojem su spektri trebali biti kontinuirani. Prema konceptima kvantne mehanike, trenutno se elektroni u jezgri ne okarakteriziraju kao točkasti objekti, već kao da imaju oblik elektronskog oblaka.
Njegova najveća gustoća u određenom lokusu prostora oko jezgre ismatra se mjestom čestice u danom trenutku. Također je utvrđeno da su elektroni u atomu raspoređeni u slojevima. Broj slojeva se može odrediti poznavanjem broja razdoblja u kojem se element nalazi u periodičnom sustavu D. I. Mendeljejeva. Na primjer, atom fosfora sadrži 15 elektrona i ima 3 energetske razine. Indikator koji određuje broj razina energije naziva se glavni kvantni broj.
Pokusno je utvrđeno da elektroni na energetskoj razini najbližoj jezgri imaju najnižu energiju. Svaka energetska ljuska podijeljena je na podrazine, a one, zauzvrat, na orbitale. Elektroni smješteni u različitim orbitalama imaju isti oblik oblaka (s, p, d, f).
Na temelju gore navedenog slijedi da oblik oblaka elektrona ne može biti proizvoljan. Strogo je definiran prema orbitalnom kvantnom broju. Također dodajemo da je stanje elektrona u makročestici određeno još dvije vrijednosti - magnetskim i spinskim kvantnim brojem. Prvi se temelji na Schrödingerovoj jednadžbi i karakterizira prostornu orijentaciju elektronskog oblaka na temelju trodimenzionalnosti našeg svijeta. Drugi indikator je spin broj, koristi se za određivanje rotacije elektrona oko njegove osi u smjeru kazaljke na satu ili suprotno od kazaljke na satu.
Otkriće neutrona
Zahvaljujući radu D. Chadwicka, koji je on izveo 1932. godine, dana je nova definicija atoma u kemiji i fizici. Znanstvenik je u svojim eksperimentima dokazao da tijekom cijepanja polonija dolazi do zračenja uzrokovanogčestice koje nemaju naboj, mase 1,008665 Nova elementarna čestica nazvana je neutron. Njegovo otkriće i proučavanje njegovih svojstava omogućilo je sovjetskim znanstvenicima V. Gaponu i D. Ivanenku da stvore novu teoriju strukture atomske jezgre koja sadrži protone i neutrone.
Prema novoj teoriji, definicija atoma materije bila je sljedeća: to je strukturna jedinica kemijskog elementa, koja se sastoji od jezgre koja sadrži protone i neutrone i elektrone koji se kreću oko njega. Broj pozitivnih čestica u jezgri uvijek je jednak atomskom broju kemijskog elementa u periodnom sustavu.
Kasnije je profesor A. Zhdanov u svojim eksperimentima potvrdio da su se pod utjecajem tvrdog kozmičkog zračenja atomske jezgre podijelile na protone i neutrone. Osim toga, dokazano je da su sile koje drže ove elementarne čestice u jezgri izuzetno energetski intenzivne. Djeluju na vrlo malim udaljenostima (oko 10-23 cm) i nazivaju se nuklearnim. Kao što je ranije spomenuto, čak je i M. V. Lomonosov mogao dati definiciju atoma i molekule na temelju njemu poznatih znanstvenih činjenica.
Trenutno je općepriznat sljedeći model: atom se sastoji od jezgre i elektrona koji se kreću oko njega po strogo definiranim putanjama - orbitalama. Elektroni istovremeno pokazuju svojstva i čestica i valova, odnosno imaju dvojaku prirodu. Gotovo sva njegova masa koncentrirana je u jezgri atoma. Sastoji se od protona i neutrona vezanih nuklearnim silama.
Može li se atom izvagati
Ispostavilo se da svaki atom imamasa. Na primjer, za vodik je 1,67x10-24g. Čak je teško i zamisliti koliko je ta vrijednost mala. Da bi pronašli težinu takvog objekta, ne koriste vagu, već oscilator, koji je ugljikova nanocijev. Za izračunavanje težine atoma i molekule, prikladnija vrijednost je relativna masa. Pokazuje koliko je puta težina molekule ili atoma veća od 1/12 atoma ugljika, što je 1,66x10-27 kg. Relativne atomske mase dane su u periodičnom sustavu kemijskih elemenata i nemaju jedinice.
Znanstvenici su dobro svjesni da je atomska masa kemijskog elementa prosjek masenih brojeva svih njegovih izotopa. Ispada da u prirodi jedinice jednog kemijskog elementa mogu imati različite mase. U isto vrijeme, naboji jezgri takvih strukturnih čestica su isti.
Znanstvenici su otkrili da se izotopi razlikuju po broju neutrona u jezgri, a naboj njihovih jezgri je isti. Primjerice, atom klora mase 35 sadrži 18 neutrona i 17 protona, a mase 37 - 20 neutrona i 17 protona. Mnogi kemijski elementi su mješavine izotopa. Na primjer, takve jednostavne tvari kao što su kalij, argon, kisik sadrže atome koji predstavljaju 3 različita izotopa.
Definiranje atomičnosti
Ima nekoliko interpretacija. Razmotrimo što se u kemiji podrazumijeva pod ovim pojmom. Ako atomi bilo kojeg kemijskog elementa mogu postojati odvojeno barem kratko vrijeme, bez nastojanja da formiraju složeniju česticu - molekulu, onda kažu da takve tvari imajuatomska struktura. Na primjer, višestupanjska reakcija kloriranja metana. Široko se koristi u kemiji organske sinteze za dobivanje najvažnijih derivata koji sadrže halogene: diklormetan, ugljikov tetraklorid. On dijeli molekule klora na visoko reaktivne atome. Razbijaju sigma veze u molekuli metana, osiguravajući supstitucijsku lančanu reakciju.
Još jedan primjer kemijskog procesa od velike važnosti u industriji je upotreba vodikovog peroksida kao dezinficijensa i izbjeljivača. Određivanje atomskog kisika, kao produkta razgradnje vodikovog peroksida, događa se i u živim stanicama (pod djelovanjem enzima katalaze) i u laboratorijskim uvjetima. Atomski kisik kvalitativno je određen njegovim visokim antioksidativnim svojstvima, kao i sposobnošću da uništi patogene agense: bakterije, gljivice i njihove spore.
Kako radi atomska ljuska
Već smo ranije saznali da strukturna jedinica kemijskog elementa ima složenu strukturu. Elektroni se okreću oko pozitivno nabijene jezgre. Dobitnik Nobelove nagrade Niels Bohr na temelju kvantne teorije svjetlosti stvorio je svoju doktrinu u kojoj su karakteristike i definicija atoma sljedeća: elektroni se kreću oko jezgre samo po određenim stacionarnim putanjama, a ne zrače energiju. Bohrova doktrina je dokazala da čestice mikrokozmosa, koje uključuju atome i molekule, ne poštuju zakone koji su pravedni.za velika tijela - makrokozmički objekti.
Strukturu elektronskih ljuski makročestica proučavali su znanstvenici poput Hunda, Paulija, Klečkovskog u djelima o kvantnoj fizici. Tako je postalo poznato da se elektroni rotiraju oko jezgre ne nasumično, već duž određenih stacionarnih putanja. Pauli je otkrio da se unutar jedne energetske razine na svakoj od njegovih s, p, d, f orbitala ne mogu naći više od dvije negativno nabijene čestice s suprotnim okretima + ½ i - ½ u elektroničkim stanicama.
Hundovo pravilo objasnilo je kako su orbitale s istom razinom energije ispravno ispunjene elektronima.
Klečkovskovo pravilo, koje se također naziva n+l pravilo, objašnjava kako se popunjavaju orbitale višeelektronskih atoma (elementi od 5, 6, 7 perioda). Svi gore navedeni obrasci poslužili su kao teorijsko opravdanje za sustav kemijskih elemenata koji je stvorio Dmitrij Mendeljejev.
Oksidacijsko stanje
To je temeljni koncept u kemiji i karakterizira stanje atoma u molekuli. Moderna definicija oksidacijskog stanja atoma je sljedeća: ovo je uvjetni naboj atoma u molekuli, koji se izračunava na temelju pojma da molekula ima samo ionski sastav.
Stupanj oksidacije može se izraziti kao cijeli ili razlomak, s pozitivnim, negativnim ili nultim vrijednostima. Najčešće atomi kemijskih elemenata imaju nekoliko oksidacijskih stanja. Na primjer, dušik ima -3, -2, 0, +1, +2, +3, +4, +5. Ali takav kemijski element kao što je fluor, u svemuspojevi imaju samo jedno oksidacijsko stanje, jednako -1. Ako je predstavljen jednostavnom tvari, tada je njegovo oksidacijsko stanje nula. Ova je kemijska veličina prikladna za razvrstavanje tvari i za opisivanje njihovih svojstava. Najčešće se oksidacijsko stanje atoma koristi u kemiji pri sastavljanju jednadžbi za redoks reakcije.
Svojstva atoma
Zahvaljujući otkrićima kvantne fizike, moderna definicija atoma, utemeljena na teoriji D. Ivanenka i E. Gapona, dopunjena je sljedećim znanstvenim činjenicama. Struktura jezgre atoma se ne mijenja tijekom kemijskih reakcija. Promjeni su podložne samo stacionarne orbitale elektrona. Njihova struktura može objasniti mnoga fizikalna i kemijska svojstva tvari. Ako elektron napusti stacionarnu orbitu i ode u orbitu s višim energetskim indeksom, takav se atom naziva pobuđenim.
Treba napomenuti da elektroni ne mogu dugo ostati u tako neobičnim orbitalama. Vraćajući se u svoju stacionarnu orbitu, elektron emitira kvant energije. Proučavanje takvih karakteristika strukturnih jedinica kemijskih elemenata kao što su afinitet elektrona, elektronegativnost, energija ionizacije, omogućilo je znanstvenicima ne samo da definiraju atom kao najvažniju česticu mikrokozmosa, već im je omogućilo i da objasne sposobnost atoma da se formiraju. stabilno i energetski povoljnije molekularno stanje tvari, moguće zbog stvaranja različitih vrsta stabilnih kemijskih veza: ionske, kovalentnepolarni i nepolarni, donor-akceptor (kao vrsta kovalentne veze) i metalni. Potonji određuje najvažnija fizička i kemijska svojstva svih metala.
Pokusno je utvrđeno da se veličina atoma može promijeniti. Sve će ovisiti o tome u koju je molekulu uključen. Zahvaljujući analizi difrakcije rendgenskih zraka moguće je izračunati udaljenost između atoma u kemijskom spoju, kao i saznati radijus strukturne jedinice elementa. Poznavajući obrasce promjene polumjera atoma uključenih u razdoblje ili skupinu kemijskih elemenata, moguće je predvidjeti njihova fizikalna i kemijska svojstva. Na primjer, u razdobljima s povećanjem naboja jezgre atoma, njihovi radijusi se smanjuju (“kompresija atoma”), pa metalna svojstva spojeva slabe, a nemetalna rastu.
Dakle, poznavanje strukture atoma omogućuje nam da točno odredimo fizička i kemijska svojstva svih elemenata uključenih u periodični sustav Mendeljejeva.
