Opredelitev atoma in molekule. Opredelitev atoma do leta 1932

Od obdobja antike do sredine 18. stoletja je znanost prevladovala pojem, da je atom delec snovi, ki ga ni mogoče razdeliti. Angleški znanstvenik, pa tudi naturalist D. Dalton je opredelil atom kot najmanjši del kemijskega elementa. MV Lomonosov je v svoji atomsko-molekularni teoriji sposoben določiti atom in molekulo. Bil je prepričan, da molekule, ki jih imenuje "korpuske", sestavljajo "elementi" - atomi - in so v stalnem gibanju.

DI Mendelejev je verjel, da ta podenota snovi, ki sestavljajo materialni svet, ohranja vse svoje lastnosti le, če se ne ločuje. V tem članku bomo atom določili kot predmet microworlda in preučili njegove lastnosti.

Predpogoji za oblikovanje teorije strukture atoma

V 19. stoletju je bila splošno priznana afirmacija nedeljivosti atoma. Večina znanstvenikov je verjela, da se delci posameznega kemijskega elementa nikakor ne morejo spremeniti v atome drugega elementa. Te predstavitve so služile kot osnova, na kateri je opredelitev atoma temeljila šele leta 1932. Konec 19. stoletja so v znanosti prišli do temeljnih odkritij, ki so spremenile to stališče. Prvič, leta 1897 je angleški fizik D. J. Thomson odkril elektron. To dejstvo je radikalno spremenilo ideje znanstvenikov o nedeljivosti sestavnega dela kemijskega elementa.

Kako dokazati, da je atom zapleten

Še prej odkritje elektronov znanstveniki so se soglasno strinjali, da atomi nimajo dajatev. Potem je bilo ugotovljeno, da so elektroni zlahka izvlečeni iz katerega koli kemijskega elementa. Lahko jih najdemo v plamenu, nosijo električni tok, jih sproščajo snovi med rentgenskim sevanjem.

Ampak, če so vsi elektroni vključeni v vse atome brez izjeme in so negativno napolnjeni, potem v atomu še vedno obstajajo nekateri delci, ki imajo nujno pozitiven naboj, drugače atomi ne bi bili električno nevtralni. Za pomoč pri razkrivanju strukture atoma je tovrsten fizični pojav radioaktivnosti pomagal. Dala je pravilno definicijo atoma v fiziki, nato pa v kemiji.

Nevidni žarki

Francoski fizik A. Becquerel je najprej opisal pojav emisij z atomi nekaterih kemijskih elementov, vizualno nevidnih žarkov. Ionizirajo zrak, prehajajo skozi snovi in ​​povzročijo zatemnitev fotografskih plošč. Kasneje Curie par in E. Rutherford ugotovili, da se radioaktivne snovi pretvorijo v atome drugih kemičnih elementov (npr. urana do neptunija).

Radioaktivno sevanje je heterogeno v sestavi: delci alfa, delci beta, gama žarki. Tako je pojav radioaktivnosti potrdil, da imajo delci elementov periodične mize kompleksno strukturo. To dejstvo je bilo razlog za spremembe, ki so bile uvedene v definicijo atoma. Kateri delci sestavljajo atom, če upoštevamo nova znanstvena dejstva Rutherforda? Odgovor na to vprašanje je bil jedrski model atoma, ki ga je predlagal znanstvenik, po katerem se elektroni okrog pozitivnega naboja jedra vrtijo.

Protislovja modela Rutherford

Teorija znanstvenika, kljub njeni izjemni naravi, ni mogla objektivno določiti atoma. Njeni sklepi so bili v nasprotju s temeljnimi zakoni termodinamike, po katerih se vsi elektroni, ki se vrtijo okrog jedra, izgubijo svojo energijo in, karkoli že prej, morajo pasti nanjo. V tem primeru je atom uničen. To se dejansko ne zgodi, ker kemični elementi in delci, iz katerih so sestavljeni, že dolgo obstajajo v naravi. Ta definicija atoma, ki temelji na Rutherfordovi teoriji, je nepojmljiva, kot tudi pojav, ki se pojavi, ko žareče preproste snovi prehajajo skozi difrakcijsko rešetko. Konec koncev imajo nastali atomski spekter linearno obliko. To je bilo v nasprotju z Rutherfordovim modelom atoma, v skladu s katerim bi morale biti spektri kontinuirani. V skladu s koncepti kvantne mehanike so v tem trenutku elektroni v jedru označeni kot ne kot točkovni predmeti, temveč imajo obliko elektronskega oblaka.

Njegova največja gostota na določenem lokusu prostora okoli jedra se šteje za lokacijo delca v danem trenutku. Ugotovljeno je bilo tudi, da so v atomu elektrone plasti. Število plasti je mogoče določiti s poznavanjem števila obdobja, v katerem se element nahaja v periodični tabeli DI Mendelejev. Na primer, fosforni atom vsebuje 15 elektronov in ima 3 ravni energije. Indikator, ki določa število energetskih ravni, se imenuje glavna kvantna številka.

Eksperimentalno je bilo ugotovljeno, da imajo elektroni najbližje jedro energije najnižjo energijo. Vsaka energijska ovojnica je razdeljena na podnožja, nato pa v orbite. Elektroni, ki se nahajajo na različnih orbitalih, imajo enako obliko oblaka (s, p, d, f).

Iz zgoraj navedenega sledi, da oblika elektronskega oblaka ne more biti samovoljna. To je strogo opredeljeno glede na orbital kvantna številka. Dodamo tudi, da je stanje elektrona v makodelcu določeno z dvema vrednostima - magnetnim in spinskim kvantnim številom. Prvi temelji na Schrodingerjevi enačbi in karakterizira prostorsko usmerjenost elektronskega oblaka, ki temelji na tridimenzionalnosti našega sveta. Drugi parameter je številka števila vrtljajev, določi vrtenje elektronov okoli svoje osi skupaj ali v nasprotni smeri urinega kazalca.

Neutrino odkritje

Zahvaljujoč delu D. Chadwick, ki ga je vodil leta 1932, je bila dana nova opredelitev atomov v kemiji in fiziki. V svojih eksperimentih je znanstvenik dokazal, da med cepitvijo polonija nastane sevanje, ki ga povzročajo delci, ki nimajo polnjenja, z maso 1.008665. Nov elementarni delec se imenuje nevtron. Njeno odkritje in proučevanje njegovih lastnosti sta omogočila sovjetskim znanstvenikom V. Gaponu in D. Ivanenko, da ustvarita novo teorijo o strukturi atomskega jedra, ki vsebuje protone in nevtrone.

Glede na novo teorijo je definicija atoma snovi imela naslednjo obliko: to je strukturna enota kemijskega elementa, sestavljenega iz jedra, ki vsebuje protone in nevtronov ter elektronov, ki se gibljejo okoli njega. Število pozitivnih delcev v jedru je vedno enako rdečemu številu kemijskega elementa v periodičnem sistemu.

Kasneje je profesor A. Zhdanov v svojih eksperimentih potrdil, da se pod vplivom trdega kozmičnega sevanja atomska jedra razcepi na protone in nevtrone. Poleg tega je bilo dokazano, da so sile, ki držijo te elementarne delce v jedru, zelo energetsko intenzivne. Delujejo na zelo kratkih razdaljah (reda 10^-23 cm) in se imenujejo jedrski. Kot je bilo že rečeno, je MV Lomonosov na podlagi znanstvenih dejstev, ki so mu znani, lahko definirali atom in molekulo.

Trenutno je široko prepoznaven naslednji model: atom sestavlja jedro in elektroni, ki se gibljejo po njej vzdolž strogo opredeljenih poti - orbitalov. Elektroni istočasno kažejo lastnosti in delce, valovi pa imajo dvojno naravo. Skoraj vsa njegova masa je koncentrirana v jedru atoma. Sestavljajo ga protoni in nevtroni, ki jih vežejo jedrske sile.

Ali je mogoče tehtati atom

Izkazalo se je, da ima vsak atom maso. Na primer, ima vsebnost vodika 1,67 x 10^-24 Težko si je predstavljati, kako majhna je ta vrednost. Da bi našli težo takega predmeta, se ne uporablja ravnovesja, temveč predstavlja oscilator ogljikova nanocevka. Za izračun teže atoma in molekule je primernejša količina relativna masa. Prikazuje, kolikokrat je teža molekule ali atoma večja od 1/12 ogljikovega atoma, kar je 1,66x10^-27 kg. Relativne atomske mase so označene v periodičnem sistemu kemijskih elementov in nimajo dimenzije.

Znanstveniki dobro vedo, da je atomska masa kemijskega elementa povprečna vrednost masnih števil vseh njegovih izotopov. Izkazalo se je, da imajo lahko enote v enem samem kemičnem elementu v naravi različne mase. Zaračunavanje jeder takih strukturnih delcev je enako.

Znanstveniki so ugotovili, da se izotopi razlikujejo glede na število nevtronov v jedru in da je naboj jeder v njih enak. Na primer, klorov atom z maso 35 vsebuje 18 nevtronov in 17 protonov ter z maso 37-20 nevtronov in 17 protonov. Številni kemični elementi so mešanice izotopov. Na primer, preproste snovi, kot so kalij, argon in kisik, vsebujejo atome, ki predstavljajo 3 različna izotopa.

Definicija atomičnosti

Ima več interpretacij. Razmislite, kaj pomeni ta izraz v kemiji. Če so atomi kemijskega elementa sposobni vsaj kratek čas obstajati ločeno, ne da bi želeli tvoriti bolj zapleten delec - molekulo, potem rečemo, da imajo takšne snovi atomsko strukturo. Na primer, večstopenjska reakcija kloriranja metana. Uporablja se v kemiji organske sinteze, da bi dobili najpomembnejše derivate, ki vsebujejo halogen: diklorometan, ogljikov tetraklorid. V njej se molekule klora delijo na atome, ki imajo visoko reaktivnost. Uničujejo sigma vezi v molekuli metana, ki zagotavljajo verižno reakcijo substitucije.

Drug primer kemijskega procesa, ki je v industriji zelo pomemben, je uporaba vodikovega peroksida kot razkužila in sredstva za beljenje. Določanje atomskega kisika kot produkta razgradnje vodikovega peroksida poteka tako v živih celicah (pod delovanjem encimske katalaze) kot tudi v laboratorijskih pogojih. Atomski kisik ki ga kvalitativno določajo njegove visoke antioksidativne lastnosti, pa tudi sposobnost uničenja patogenih učinkov: bakterij, gliv in njihovih spor.

Kako je razporejena atomska lupina

Ravno smo že pojasnili, da ima strukturna enota kemičnega elementa kompleksno strukturo. Elektronek negativnih delcev se vrti okoli pozitivno nabitega jedra. Nobelova nagrada Niels Bohr, ki temelji na kvantni teoriji svetlobe, ustvaril poučevanja, kjer so lastnosti in identifikacija atomov, kot sledi: elektroni gibljejo okoli jedra le ob določenih fiksnih poti v tem primeru ne oddaja energijo. Bohrova doktrina je dokazala, da delci microworlda, kateremu pripadajo atomi in molekule, ne upoštevajo zakonov, ki veljajo za velika telesa - predmete makrokozma.

Strukturo elektronskih lupin trdnih delcev so preučevali v dokumentih o kvantni fiziki znanstvenikov, kot so Hund, Pauli, Klechkovsky. Tako je postalo znano, da elektroni vrtijo okoli gibanja okoli jedra ne kaotično, ampak na določenih stacionarnih potezah. Pauli je ugotovil, da znotraj ene ravni energije na vsakem od njegovih orbitalov s, p, d, f v elektronskih celicah ne sme biti več kot dveh negativno nabitih delcev z nasprotnim centrifugiranjem + frac12- in - frac12-.

Pravilo Hunda je pojasnilo, kako se orbital z enako energijsko energijo napolni z elektroni.

Klechkovski pravilo, imenovano tudi pravilo n + 1, je pojasnilo, kako se napolnijo orbitali mnogonektrskih atomov (elementi 5, 6, 7 obdobij). Vsi zgoraj navedeni zakoni so bili teoretična podlaga za sistem kemičnih elementov, ki jih je ustvaril Dmitrij Mendelejev.

Stopnja oksidacije

To je temeljni koncept v kemiji in karakterizira stanje atoma v molekuli. Sodobna definicija stopnje oksidacije atomov je naslednja: pogojna energija atoma v molekuli, ki se izračuna iz pojma, da ima molekula samo ionsko sestavo.

Stopnja oksidacije se lahko izrazi kot celota ali delno število s pozitivno, negativno ali ničelno vrednostjo. Najpogosteje imajo atomi kemijskih elementov več stopenj oksidacije. Na primer, za dušik je to -3, -2, 0, +1, +2, +3, +4, +5. Toda takšen kemični element kot fluor v vseh njegovih spojinah ima le eno stopnjo oksidacije, ki je enaka -1. Če je predstavljena s preprosto snovjo, je njena stopnja oksidacije nič. To kemijsko vrednost je primerna za klasifikacijo snovi in ​​za opis njihovih lastnosti. Najpogosteje se stopnja oksidacije atoma uporablja pri kemiji pri sestavljanju enačb oksidacijsko redukcijskih reakcij.

Lastnosti atomov

Zahvaljujoč odkritja kvantne fizike, moderni definiciji atoma, ki temelji na teoriji Ivanenko in Gapon E, dopolnjen z naslednjimi znanstvenimi dejstvi. Struktura atomskega jedra se med kemijskimi reakcijami ne spreminja. Samo stacionarne elektronske orbitale se lahko spremenijo. Njihova struktura lahko razloži veliko fizikalnih in kemičnih lastnosti snovi. Če elektron oddaja stacionarno orbito in prehaja v orbital z višjim indeksom energije, se tak atom imenuje vznemirjen.

Opozoriti je treba, da se elektroni ne more biti dolgo časa na teh nestrateških orbital. Vrnitev na svojo stacionarno orbito, elektron oddaja energijski kvant. Preučevanje teh značilnosti strukturnih enot kemijskih elementov kot elektronov afiniteto, elektronegativnosti, ionizacijska energija je dovoljena znanstveniki ne samo, da se opredeli atom kot bistven mikrokozmos delcev, ampak tudi dovoljeno jim razložiti sposobnost atomi, da se tvori stabilen in energetsko ugodnejši molekulsko agregatnega stanja, je možna posledica ustvarja vsak tip stabilne kemične vezi: ionsko, kovalentno-polarno in nepolarno, donor-akceptor (v obliki kovalentno vezavo vrst) in m kovinski. Slednji določa najpomembnejše fizikalne in kemijske lastnosti kovin.

Eksperimentalno je bilo ugotovljeno, da se lahko velikost atoma spreminja. Vse bo odvisno od molekule, ki jo vnese. Zaradi analize rentgenske difrakcije je mogoče izračunati razdaljo med atomi v kemični spojini in določiti polmer strukturne enote elementa. Lastniki vzorcev variacije v polmerih atomov, ki vstopajo v obdobje ali v skupino kemičnih elementov, lahko napovedujejo njihove fizikalne in kemijske lastnosti. Na primer, v obdobjih s povečanim nabojom jedra atomov se njihovi radii zmanjšajo ("kompresija atomov"), tako da se kovinske lastnosti spojin oslabijo in ne-kovinske lastnosti okrepijo.

Tako poznavanje strukture atoma omogoča natančno določanje fizikalnih in kemičnih lastnosti vseh elementov, ki sestavljajo periodični sistem Mendelejeva.