Atom v kemiji je ... Model atoma. Struktura atoma

Misli o bistvu celotnega okolja so začele obiskati človeštvo že dolgo pred cvetenjem moderne civilizacije. Sprva so ljudje razmišljali o obstoju določenih višjih sil, za katere so verjeli, da so vnaprej določeni vsi bitji. Toda kmalu so filozofi in duhovniki začeli razmišljati o tem, kaj je pravzaprav tkanina tega bitja. Veliko je bilo teorij, vendar je v zgodovinskem pogledu prevladoval atomski.

Kaj je atom? v kemiji? To, pa tudi vse povezane teme, bomo razpravljali v okviru tega članka. Upamo, da boste našli odgovore na vsa vaša vprašanja.

Ustanovitelj atomske teorije

Kje se začne prva kemijska lekcija? Glavna tema je struktura atoma. Verjetno se spomnite, da je beseda "atom" prevedena iz starodavnega grškega jezika kot "nedeljiva". Zdaj mnogi zgodovinarji verjamejo, da je prvi, ki je predstavil teorijo o nekaterih najmanjših delcih, od katerih je vse sestavljeno, Democritus. Živel je v petem stoletju pred našim štetjem.

V največji obžalost skoraj nič ni znano o tem izjemnem mislecih. Niti en pisni vir teh časov ni dosegel nas. Zato se moramo naučiti o idejah največjega znanstvenika našega časa izključno iz del Aristotela, Platona in tudi drugih antičnih grških mislecev.

Torej, naša tema je "Struktura atoma." V kemiji niso imeli nobenih visokih ocen, mnogi pa se spominjajo, da so bili vsi zaključki antičnih učenjakov zgrajeni zgolj na podlagi sklepov. Demokrit ni bil izjema.

Kako je Democritus razložil?

Njegova logika je bila zelo preprosta, a hkrati briljantna. Predstavljajte si, da imate najstarejši nož na celem svetu. Vzameš jabolko, na primer, in nato začeti ga razrežite: dve polovici na četrtine, jih ponovno razdeliti ... Z eno besedo, prej ali slej boste dobili skromnih rezine debeline, ki še vedno jih razdeliti bo že nemogoče. To bo nedeljiv atom. V kemiji je ta trditev veljala skoraj pred koncem 19. stoletja.

Od Democrita do sodobnih konceptov

Treba je opozoriti, da je samo beseda "atom" preživela iz starodavnih grških pojmov microworld. Zdaj vsak učenec ve, da svet okoli nas sestavljajo veliko bolj temeljni in manjši delci. Poleg tega je z vidika moderne znanosti, teorija Demokrit je bil nič več kot zgolj hipotetični izračun, ki ga je popolnoma brez dokazov ne podpira. Vendar pa v tistih dneh ni bilo elektronskih mikroskopov, da bi dokazali, da je njihov primer na druge načine miselnik še vedno neuspešen.

Prvi sumi, da je Democrit pravzaprav prav, so se pojavili v kemiki. Hitro so ugotovili, da se mnoge snovi med reakcijami razgradijo v enostavnejše sestavine. Poleg tega so bili kemiki, ki so izpeljali stroge zakone teh procesov. Torej, so opazili, da za proizvodnjo vode osem masnih frakcij kisika in enega vodika (Avogadrovo pravo).

V srednjem veku ni bilo mogoče načelno pridobiti nobenega materialističnega poučevanja, vključno z teorijo Demokrita, širjenja in razvoja. In šele v 18. stoletju znanstveniki spet vračajo v atomistično teorijo. Do takrat, ko kemik Lavoisier, naša velika Lomonosov in nadarjeni angleški fizik D. Dalton (kateri bomo razpravljali ločeno), ki so prepričljivo dokazali, da njihovi kolegi realnost atomov. Poudariti je treba, da tudi v razsvetljenem 18. stoletju veliko atomskih teorij v zadnjem času že veliko časa ni upoštevalo.

Karkoli je že bilo, vendar tudi ti veliki znanstveniki še niso predstavila teorijo strukture atoma, saj je veljal za eno in nedeljivo delec, je temelj vsega.

Na žalost kemični poskusi niso mogli jasno pokazati realnosti preoblikovanja atomov nekaterih snovi v druge. Vendar je bila kemija temeljna znanost pri proučevanju strukture atomov. Atome in molekule že dolgo preučujejo en briljanten ruski znanstvenik, brez katerega si ne moremo zamisliti sodobne znanosti.

Doktrina D. I. Mendelejeva

Ogromno vlogo pri razvoju atomskega učenja je igral DI Mendelejev, ki je leta 1869 ustvaril svoj briljanten periodični sistem. Prvič je bila znanstvena skupnost predstavljena s teorijo, ki je ne samo zavrnila, ampak razumno dopolnjevala vse predpostavke materialistov. Že v 19. stoletju so znanstveniki dokazali obstoj elektronov. Vsi ti zaključki so vodili najboljše umove 20. stoletja, da resno preučujejo atom. V kemiji je ta čas zaznamoval tudi veliko odkritij.

Ampak poučevanje Mendelejeva je dragoceno ne le za to. Do sedaj je še vedno nejasno, kako so nastali atomi različnih kemičnih elementov. Toda velik ruski znanstvenik je lahko prepričljivo dokazal, da so vsi brez izjeme tesno povezani drug z drugim.

Odkritje Daltona

Toda za razlago več različnih podatkov je mogel le John Dalton, čigar ime je za vedno odtisnjeno v samem zakonu. Ponavadi je znanstvenik preučeval samo vedenje plinov, vendar je bil njegov obseg veliko večji. Leta 1808 je začel objavljati svoje novo temeljno delo.

Dalton je predlagal, da vsak kemijski element ustreza določenemu atomu. Toda znanstvenik, kot je bil Democrit že več stoletij pred njim, še vedno verjame, da so popolnoma nedeljivi. V svojih osnutkih je veliko shematskih risb, v katerih so atomi predstavljeni v obliki preprostih kroglic. Ta ideja, ki je nastala pred več kot 2500 leti, je obstajala skoraj v našem času! Vendar pa je šele nedavno odkrila resnično globoko strukturo atoma. Kemija (zlasti v 9. razredu) še danes vodijo ideje, ki so bile prvič izražene v 18. stoletju.

Eksperimentalna potrditev delitve atomov

Vendar pa so do konca 19. stoletja skoraj vsi znanstveniki verjeli, da je atom - meja, nad katero ni nič. Mislili so, da je osnova celotnega vesolja on. To je bilo olajšano z različnih eksperimentov: vse, kar bi se lahko reklo, ampak kakšne spremembe je le molekula, medtem ko je stopnja z atomi snovi ni prišlo ničesar, da jih ni bilo mogoče razložiti preprosto kemije. Struktura ogljikovega atoma, na primer, ostaja popolnoma nespremenjena tudi v različnih alotropnih stanjih.

Na kratko, dolgo časa ni bilo nikakršnih eksperimentalnih podatkov, ki so vsaj posredno potrdili sum, da nekateri znanstveniki menijo, da obstaja nekaj večjih delcev. Šele v 19. stoletju (nenazadnje zaradi eksperimentov par Curie) je bilo dokazano, da se lahko v določenih pogojih nekateri elementi spremenijo v druge. Ta odkritja so bila podlaga za sodobne ideje o svetu okoli nas.

Roze in pudingi

Leta 1897 je J. Thomson, angleški fizik, ugotovil, da v katerem koli atomu obstaja določena količina negativno nabitih delcev, ki jih je imenoval "elektroni". Že leta 1904 je znanstvenik ustvaril prvi atomski model, ki je bolj znan kot "puding z rozinami". Ime natančno odraža bistvo. Sodeč po Thomsonovi teoriji je atom v kemiji neke vrste "posoda" z enakomerno porazdeljenim polnjenjem in elektroni v njem.

Upoštevajte, da je bil ta model krožen tudi v 20. stoletju. Kasneje se je izkazalo, da je bila popolnoma narobe. Toda še vedno je bil prvi zavestni poskus človeka (in na znanstveni podlagi), da je ponovno vzpostavil okoliški mikrokozmos, ki ponuja atomski model, ki je preprost in enostaven.

Poskusi Curie

Na splošno velja, da par Pierre in Maria Curie postavil temelje za atomsko fiziko. Seveda prispevka teh briljantnih ljudi, ki so dejansko žrtvovali svoje zdravje in življenje, ni mogoče podcenjevati, temveč so bili njihovi eksperimenti bistveno bolj pomembni. Skoraj istočasno z Rutherfordom so dokazali, da je atom mnogo kompleksnejša in heterogena struktura. Prav ta fenomen radioaktivnosti, ki so ga raziskovali, je ravno to.

Že v začetku leta 1898 je Maria objavila prvi članek, namenjen sevanju. Kmalu Maria in Pierre Curie dokazali, da se v mešanici kloridnih spojin urana in radija pojavljajo druge snovi, pri katerih je uradna kemija dvomila. Od takrat se je začela natančno preučevati struktura atoma.

"Planetarni" pristop

Končno se je Rutherford odločil za bombardiranje atomov težkih kovin alfa delci (popolnoma ioniziran helij). Znanstvenik je takoj domneval, da svetlobni elektroni na noben način ne morejo spremeniti poti gibanja delcev. Skladno s tem lahko razprševanje povzroči le nekaj težjih elementov, ki jih lahko vsebuje jedro atoma. Upoštevajte, da se v začetku Rutherford ni pretvarjal, da bi spremenil teorijo "pudinga". Ta model atoma se je štel za neoporečno.

Torej je rezultat, ko so skoraj vsi delci skozi težave s tanko plastjo srebra brez težav, ga ni presenetil. Vendar je kmalu postalo jasno, da so bili nekateri atomi helija takoj odklonjeni za 30 °. Sploh ni bilo govoriti o kemiki. Sestava atoma po Thomsonu je prevzela enotno porazdelitev elektronov. Toda to je bilo očitno v nasprotju z opazovanimi pojavi.

Zelo redki, vendar so nekateri delci leteli pod kotom celo 180 °. Rutherford je bil v najgloblji zmedenosti. Navsezadnje je to ostro nasprotovalo "pudingu", ki naj bi bila (po Thomsonovi teoriji) enakomerno porazdeljena. Posledično so bili odsotni neenakomerno zaračunani odseki, ki bi lahko odganjali ionizirani helij.

Na katere zaključke je prišel Rutherford?

Te okoliščine so znanstvenike spodbudile k temu, da mislijo, da je atom praktično prazen in le v središču obstaja nekakšna formacija s pozitivnim nabojom - jedro. Torej je bilo planetarni model atoma, katerih postulati so naslednji:

• Kot smo že povedali, se v osrednjem delu nahaja jedro in njegov volumen (glede na velikost samega atoma) je zanemarljiv.
• Skoraj celotna atomska masa, pa tudi celotna pozitivna nabita, je v jedru.
• Elektroni se vrtijo okoli njega. Pomembno je, da je njihovo število enako vrednosti pozitivnega naboja.

Paradoksi teorije

Vse bi bilo v redu, toda ta model atomov nikakor ne razloži njihove neverjetne stabilnosti. Ne smemo pozabiti, da se elektroni premikajo v svojih orbitih z velikim pospeškom. V skladu z vsemi zakoni elektrodinamike bi se takšen predmet sčasoma izgubil. Če upoštevate postulate Newton in Maxwell, potem je treba elektrone običajno vliti na jedro, kot toča na tla.

Seveda se v resnici nič takega ne zgodi. Vsak atom ni samo povsem stabilen, ampak lahko je absolutno neomejen čas in sevanje iz nje ne bo šlo. To odstopanje je posledica dejstva, da poskušamo uporabiti zakone v mikroreli, ki veljajo le za klasično mehaniko. Izkazalo se je, da so popolnoma neuporabne za pojav atomskega obsega. In ker struktura atoma (kemija, razred 11) avtorji učbenikov poskušajo v preprostih besedah ​​čim bolj razložiti.

Nauka o Bohrju

Danski fizik Niels Bohr je bilo dokazano, da je v mikrokozmosu, ne more biti predmet isti zakoni, se uporabljajo določbe, ki veljajo za makroskopskih objektov. To je bila njegova ideja, da je mikrokozmos "vodeni" izključno kvantnih zakoni. Seveda, potem ni kvantna teorija sama po sebi, ampak Bor pravzaprav začela svoje prednike, da izrazijo svoje misli v obliki treh postulatov, da je "shranjene" atom, bi neizogibno ubil, če je "živel" v skladu s Rutherford teoriji. To je ta teorija Dane je osnova vseh kvantne mehanike.

Plakati iz Bore

• Prvi izmed njih pravi: vsak atomski sistem je lahko le v posebnih atomskih stanjih, za vsakega od njih pa je značilna določena vrednost energije (E). Če je stanje atoma stacionarno (mirno), potem ne more izsevati.
• Drugi pojem pravi, da se emisija svetlobne energije zgodi samo v primeru prehoda iz stanja z višjo energijo v bolj zmerno. V skladu s tem je sproščena energija enaka razliki vrednosti med dvema stacionarnima stanjima.

Model atoma Niels Bohr

To semiklasično teorijo je predlagal znanstvenik leta 1913. Omeniti velja, da je temeljil na planetarnem modelu Rutherforda, ki je pred kratkim opisal atom snovi. Mi smo že rekli, da je klasična mehanika nasprotovala Rutherforlovim izračunimam: izhajala je iz tega, da je sčasoma elektron nujno padel na površino atoma.

Znanstveniki so »nasprotovali« temu protislovju, ki je predstavil posebno predpostavko. Njeno bistvo je bilo, da oddajajo energijo (kar naj bi vodilo do njihovega padca), lahko elektroni premikajo samo na nekaterih specifičnih orbitih. Medtem ko so jih premikali po drugih potekih, domnevno kemični atomi ostanejo v pasivnem stanju. Po Bohorjevi teoriji so bile tiste tiste, katerih količinski moment je bil enak planckovim konstantam.

Kvantna teorija atomske strukture

Kot smo že povedali, je kvantna teorija strukture atoma v teku. Kemija zadnjih let je izključno pod vodstvom. Temelji na štirih temeljnih aksiomih.

1. Prvič, dvojnost (corpuscular-wave nature) samega elektrona. Preprosto rečeno, se ta delec obnaša kot materialni predmet (korpuscle) in kot val. Kot delec ima določen naboj in maso. Sposobnost difrakcije je povezana z elektroni s klasičnimi valovi. Dolžina tega vala (lambda) in hitrosti delcev (v) sta med seboj povezana s posebnim razmerjem de Broglie: lambda- = h / mv. Kot morda mislite, m je masa samega elektronov.

2. Popolnoma nemogoče je izmeriti koordinat in hitrost delca z absolutno natančnostjo. Bolj natančno je določena koordinata, večja je negotovost pri hitrosti. Kakor pa, in obratno. Ta pojav se imenuje Heizenbergova negotovost, ki jo lahko izrazimo kot naslednji odnos: Δx ∙ m ∙ Δv> æ / 2. Delta X (Δx) izraža negotovost položaja koordinate v vesolju. V skladu s tem delta V (Δv) prikazuje napake hitrosti.

3. V nasprotju z vsemi prej prevladujočimi mnenji elektrone ne prehajajo v strogo določenih orbitih, kot so vlaki na tirnicah. Kvantna teorija pravi, da je lahko elektron kjerkoli v prostoru, verjetnost pa je drugačna za vsak segment.

Tisti del prostora okoli samega jedra, v katerem je ta verjetnost največja, se imenuje orbital. Sodobna kemija s tega vidika proučuje strukturo elektronskih lupin atomov. Seveda šole poučujejo o pravilni porazdelitvi elektronov po ravneh, toda v resnici se v resnici precej razlikujejo.

4. Jedro atoma sestavljajo nukleoni (protoni in nevtroni). Serijska številka elementa v periodnem sistemu prikazuje število protonov v njegovem jedru, vsota protonov in nevtronov pa je enaka atomski masi. Tako kemija modernosti razlaga strukturo jedra atoma.

Ustanovitelji kvantne mehanike

Naj opozorimo na tiste znanstvenike, ki so največ prispevali k razvoju tako pomembne industrije: francoski fizik L. de Broglie, nemški W. Heisenberg, avstrijski E. Schrödinger, Angležan P. Dirac. Vsi ti ljudje so bili nato podeljeni Nobelovi nagradi.

Kako daleč je kemija šla? Struktura atoma je večina kemikov teh let veljala za precej preprosto: mnogi so le do leta 1947 končno prepoznali resničnost obstoja elementarnih delcev.

Nekaj ​​sklepov

Na splošno ustvarjanje kvantne teorije ni bilo brez matematikov, saj se vsi ti procesi lahko izračunajo le z uporabo kompleksnih izračunov. Toda glavna težava ni to. Ti procesi, ki jih opisuje ta teorija, niso dostopni ne samo našim čutom, kljub sodobni znanstveni tehniki, temveč tudi domišljiji.

Nihče ne more niti približno predstavljati procesov v mikrokozmosu, saj so popolnoma drugačni od vseh tistih pojavov, ki jih opazujemo v makrokozmosu. Samo pomislite: najnovejša odkritja povzročajo domnevo, da v kvadratni dimenziji (!) Obstajajo kvarki, nevtrinji in drugi temeljni delci. Kako lahko oseba, ki živi v tridimenzionalnem prostoru, približno opisuje svoje vedenje?

V tem trenutku se lahko zanesemo le na matematiki in moči sodobnih računalnikov, ki bo morda mogoče uporabiti za mikro svetu simulacije. Bistveno pomaga in kemija: atomska struktura bo zagotovo spremeni, ko v zadnjem času znanstveniki, ki delajo na tem področju, poročali o odkritju nove vrste kemijske vezi.

Sodoben koncept strukture atoma

Če natančno preberete vse zgoraj navedeno, potem lahko sami poveste, kakšen je trenutni pogled na strukturo atomov snovi. Ampak še vedno bomo razložili: to je nekoliko spremenjena teorija Rutherforda, ki jo dopolnjujejo neprecenljivi postulati Niels Bohr. Preprosto rečeno, danes se domneva, da se elektroni premikajo po kaotičnih, razpršenih poteh v bližini jedra, ki ga sestavljajo nevtroni in protoni. Tisti del prostora okoli njega, v katerem je videz elektrona najverjetneje, se imenuje orbital.

Čeprav je ni mogoče natančno reči, kako se bo spremenilo naše razumevanje atomske strukture v prihodnosti. Vsak dan, znanstveniki delajo na penetracijo v skrivnosti mikrokozmos: LHC (Large Hadron Collider), Nobelovo nagrado za fiziko - vse to je posledica anketnih podatkov.

Toda tudi zdaj ne predstavljamo približne slike o tem, kaj se atomi še vedno skrivajo. Jasno je samo, da je atom v lestvici microworld ogromna stanovanjska stavba, v kateri smo pregledali le prvo nadstropje in celo takrat še ne popolnoma. Skoraj vsako leto poročajo o možnosti odkrivanja vedno več elementarnih delcev. Ko bo proces preučevanja atomov v celoti končan, danes nihče ne more napovedati.

Dovolj je reči, da so se naše ideje o njih začele spreminjati šele od leta 1947, ko so odkrili tako imenovane V-delce. Pred tem so ljudje le malo bolj poglobili teorije, na katerih temelji kemija iz 19. stoletja. Struktura atoma je fascinantna uganka, se ukvarjajo z reševanjem najboljših možganov človeštva.