Od perioda antike do sredine 18. veka, naukom je dominirala ideja da je atom čestica materije koja se ne može podeliti. Engleski naučnik, kao i prirodnjak D. D alton, definirali su atom kao najmanju komponentu hemijskog elementa. M. V. Lomonosov je u svojoj atomskoj i molekularnoj teoriji mogao definirati atom i molekul. Bio je uvjeren da su molekule, koje je nazvao "telešce", 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. veku je opšteprihvaćena izjava o nedeljivosti atoma. Većina naučnika je vjerovala da se čestice jednog hemijskog elementa ni pod kojim okolnostima ne mogu pretvoriti u atome drugog elementa. Ove ideje poslužile su kao osnova na kojoj se zasnivala definicija atoma do 1932. godine. Krajem 19. veka nauka je napravilafundamentalna otkrića koja su promijenila ovu tačku gledišta. Prije svega, 1897. godine, engleski fizičar J. J. Thomson otkrio je elektron. Ova činjenica je radikalno promijenila ideje naučnika o nedjeljivosti sastavnog dijela hemijskog elementa.
Kako dokazati da je atom kompleksan
Čak i prije otkrića elektrona, naučnici su se jednoglasno složili da atomi nemaju naboj. Tada je otkriveno da se elektroni lako oslobađaju iz bilo kojeg hemijskog elementa. Mogu se naći u plamenu, oni su nosioci električne struje, oslobađaju ih supstance tokom rendgenske emisije.
Ali ako su elektroni dio svih atoma bez izuzetka i negativno su nabijeni, onda postoje neke druge čestice u atomu 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 tačnu definiciju atoma u fizici, a zatim i u hemiji.
Nevidljive zrake
Francuski fizičar A. Becquerel je prvi opisao fenomen emisije atoma određenih hemijskih elemenata, vizuelno nevidljivih zraka. Joniziraju zrak, prolaze kroz tvari, uzrokuju pocrnjenje fotografskih ploča. Kasnije su Curies i E. Rutherford otkrili da se radioaktivne supstance pretvaraju u atome drugih hemijskih elemenata (na primjer, uranijum u neptunijum).
Radioaktivno zračenje je nehomogenog sastava: alfa čestice, beta čestice, gama zraci. DakleTako je fenomen radioaktivnosti potvrdio da čestice elemenata periodnog sistema imaju složenu strukturu. Ova činjenica je bila razlog za promjene u definiciji atoma. Od kojih se čestica sastoji atom, s obzirom na nove naučne činjenice do kojih je došao Rutherford? Odgovor na ovo pitanje bio je nuklearni model atoma koji je predložio naučnik, prema kojem se elektroni okreću oko pozitivno nabijenog jezgra.
Protivurečnosti Rutherfordovog modela
Teorija naučnika, uprkos svom izvanrednom karakteru, nije mogla objektivno da definiše atom. Njeni zaključci bili su protiv temeljnih zakona termodinamike, prema kojima svi elektroni koji se okreću oko jezgra gube svoju energiju i, kako god bilo, prije ili kasnije moraju u nju pasti. Atom je u ovom slučaju uništen. To se zapravo ne dešava, jer hemijski elementi i čestice od kojih se sastoje postoje u prirodi veoma dugo. Ovakva definicija atoma, zasnovana na Rutherfordovoj teoriji, je neobjašnjiva, kao i fenomen koji se javlja kada se vruće jednostavne tvari propuštaju kroz difrakcijsku rešetku. Na kraju krajeva, rezultirajući atomski spektri imaju linearni oblik. Ovo je bilo u suprotnosti s Rutherfordovim modelom atoma, prema kojem su spektri trebali biti kontinuirani. Prema konceptima kvantne mehanike, trenutno se elektroni u jezgru ne karakterišu kao tačkasti objekti, već kao da imaju oblik elektronskog oblaka.
Njegova najveća gustina u određenom lokusu prostora oko jezgra ismatra se lokacijom čestice u datom trenutku. Također je utvrđeno da su elektroni u atomu raspoređeni u slojevima. Broj slojeva se može odrediti poznavanjem broja perioda u kojem se element nalazi u periodičnom sistemu D. I. Mendeljejeva. Na primjer, atom fosfora sadrži 15 elektrona i ima 3 energetska nivoa. Indikator koji određuje broj energetskih nivoa naziva se glavni kvantni broj.
Eksperimentalno je utvrđeno da elektroni energetskog nivoa najbližeg jezgru imaju najnižu energiju. Svaka energetska ljuska podijeljena je na podnivoe, a oni, zauzvrat, na orbitale. Elektroni koji se nalaze na različitim orbitalama imaju isti oblik oblaka (s, p, d, f).
Na osnovu gore navedenog proizilazi da oblik elektronskog oblaka ne može biti proizvoljan. On je striktno definisan prema orbitalnom kvantnom broju. Također dodajemo da je stanje elektrona u makročestici određeno još dvije vrijednosti - magnetnim i spinskim kvantnim brojem. Prvi je zasnovan na Schrödingerovoj jednadžbi i karakteriše prostornu orijentaciju elektronskog oblaka na osnovu trodimenzionalnosti našeg sveta. Drugi indikator je spin broj, koristi se za određivanje rotacije elektrona oko njegove ose u smjeru kazaljke na satu ili suprotno od kazaljke na satu.
Otkriće neutrona
Zahvaljujući radu D. Chadwicka, koji je on izvršio 1932. godine, data je nova definicija atoma u hemiji i fizici. U svojim eksperimentima, naučnik je dokazao da prilikom cijepanja polonijuma 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 naučnicima V. Gaponu i D. Ivanenku da stvore novu teoriju strukture atomskog jezgra koja sadrži protone i neutrone.
Prema novoj teoriji, definicija atoma materije bila je sljedeća: to je strukturna jedinica hemijskog elementa, koja se sastoji od jezgra koje sadrži protone i neutrone i elektrone koji se kreću oko njega. Broj pozitivnih čestica u jezgru je uvijek jednak atomskom broju hemijskog elementa u periodičnom sistemu.
Kasnije je profesor A. Ždanov u svojim eksperimentima potvrdio da su se pod uticajem tvrdog kosmičkog zračenja atomska jezgra raspala na protone i neutrone. Osim toga, dokazano je da su sile koje drže ove elementarne čestice u jezgru 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 molekula na osnovu njemu poznatih naučnih činjenica.
Trenutno je općepriznat sljedeći model: atom se sastoji od jezgra i elektrona koji se kreću oko njega po strogo definiranim putanjama - orbitalama. Elektroni istovremeno pokazuju svojstva i čestica i talasa, odnosno imaju dvostruku prirodu. Gotovo sva njegova masa koncentrirana je u jezgru atoma. Sastoji se od protona i neutrona vezanih nuklearnim silama.
Može li se izvagati atom
Ispostavilo se da svaki atom imamasa. Na primjer, za vodonik 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 molekula, prikladnija vrijednost je relativna masa. Pokazuje koliko je puta težina molekula ili atoma veća od 1/12 atoma ugljika, što je 1,66x10-27 kg. Relativne atomske mase su date u periodičnom sistemu hemijskih elemenata i nemaju jedinice.
Naučnici su dobro svjesni da je atomska masa hemijskog elementa prosjek masenih brojeva svih njegovih izotopa. Ispada da u prirodi jedinice jednog hemijskog elementa mogu imati različite mase. U isto vrijeme, naboji jezgara takvih strukturnih čestica su isti.
Naučnici su otkrili da se izotopi razlikuju po broju neutrona u jezgru, a naboj njihovih jezgara je isti. Na primjer, atom hlora mase 35 sadrži 18 neutrona i 17 protona, a mase 37 - 20 neutrona i 17 protona. Mnogi hemijski elementi su mešavine izotopa. Na primjer, takve jednostavne tvari kao što su kalij, argon, kisik sadrže atome koji predstavljaju 3 različita izotopa.
Definiranje atomičnosti
Ima nekoliko interpretacija. Razmotrite šta se u hemiji podrazumijeva pod ovim pojmom. Ako atomi bilo kojeg hemijskog elementa mogu postojati odvojeno barem kratko vrijeme, a da ne nastoje formirati složeniju česticu - molekulu, onda kažu da takve tvari imajuatomska struktura. Na primjer, višestepena reakcija hloriranja metana. Široko se koristi u hemiji organske sinteze za dobijanje najvažnijih derivata koji sadrže halogene: dihlorometan, ugljen-tetrahlorid. On dijeli molekule hlora na visoko reaktivne atome. Oni prekidaju sigma veze u molekulu metana, obezbeđujući lančanu reakciju supstitucije.
Još jedan primjer hemijskog procesa od velike važnosti u industriji je upotreba vodikovog peroksida kao dezinficijensa i izbjeljivača. Određivanje atomskog kiseonika, kao produkta razgradnje vodikovog peroksida, dešava se kako u živim ćelijama (pod dejstvom enzima katalaze) tako iu laboratorijskim uslovima. Atomski kiseonik je kvalitativno određen njegovim visokim antioksidativnim svojstvima, kao i njegovom sposobnošću da uništi patogene agense: bakterije, gljivice i njihove spore.
Kako radi atomska ljuska
Već smo ranije saznali da strukturna jedinica hemijskog elementa ima složenu strukturu. Elektroni se okreću oko pozitivno nabijenog jezgra. Dobitnik Nobelove nagrade Niels Bohr je na osnovu kvantne teorije svjetlosti stvorio svoju doktrinu u kojoj su karakteristike i definicija atoma sljedeća: elektroni se kreću oko jezgra samo po određenim stacionarnim putanjama, a ne zrače energiju. Borova doktrina je dokazala da čestice mikrokosmosa, koje uključuju atome i molekule, ne poštuju zakone koji su pravedni.za velika tijela - makrokosmički objekti.
Strukturu elektronskih omotača makročestica proučavali su naučnici kao što su Hund, Pauli, Klečkovski u radovima 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 jednog energetskog nivoa na svakoj od njegovih s, p, d, f orbitala ne mogu naći više od dvije negativno nabijene čestice sa suprotnim spinovima + ½ i - ½ u elektronskim ćelijama.
Hundovo pravilo objašnjava kako su orbitale sa istim energetskim nivoom ispravno ispunjene elektronima.
Pravilo Klečkovskog, koje se naziva i pravilo n+l, objašnjava kako se popunjavaju orbitale atoma više elektrona (elementi od 5, 6, 7 perioda). Svi gore navedeni obrasci poslužili su kao teorijsko opravdanje za sistem hemijskih elemenata koji je stvorio Dmitrij Mendeljejev.
Oksidacijsko stanje
To je fundamentalni koncept u hemiji i karakteriše stanje atoma u molekulu. Moderna definicija oksidacionog stanja atoma je sljedeća: ovo je uslovni naboj atoma u molekuli, koji se izračunava na osnovu ideje da molekul ima samo jonski sastav.
Stepen oksidacije se može izraziti kao ceo broj ili razlomak, sa pozitivnim, negativnim ili nultim vrednostima. Najčešće atomi hemijskih elemenata imaju nekoliko oksidacionih stanja. Na primjer, dušik ima -3, -2, 0, +1, +2, +3, +4, +5. Ali takav hemijski element kao što je fluor, u svemujedinjenja imaju samo jedno oksidaciono stanje, jednako -1. Ako je predstavljen jednostavnom tvari, tada je njegovo oksidacijsko stanje nula. Ova hemijska veličina je pogodna za klasifikaciju supstanci i za opisivanje njihovih svojstava. Najčešće se oksidacijsko stanje atoma koristi u hemiji kada se sastavljaju jednadžbe za redoks reakcije.
Svojstva atoma
Zahvaljujući otkrićima kvantne fizike, moderna definicija atoma, zasnovana na teoriji D. Ivanenka i E. Gapona, dopunjena je sljedećim naučnim činjenicama. Struktura jezgra atoma se ne mijenja tokom hemijskih reakcija. Promjeni su podložne samo stacionarne orbitale elektrona. Njihova struktura može objasniti mnoga fizička i hemijska svojstva supstanci. Ako elektron napusti stacionarnu orbitu i ode u orbitu sa višim energetskim indeksom, takav atom se naziva pobuđenim.
Treba napomenuti da elektroni ne mogu dugo ostati na tako neobičnim orbitalama. Vraćajući se u svoju stacionarnu orbitu, elektron emituje određeni kvant energije. Proučavanje takvih karakteristika strukturnih jedinica hemijskih elemenata kao što su afinitet elektrona, elektronegativnost, energija ionizacije, omogućilo je naučnicima ne samo da definišu atom kao najvažniju česticu mikrokosmosa, već im je omogućilo i da objasne sposobnost atoma da se formiraju. stabilno i energetski povoljnije molekularno stanje materije, moguće zbog stvaranja različitih tipova stabilnih hemijskih veza: ionske, kovalentnepolarni i nepolarni, donor-akceptor (kao vrsta kovalentne veze) i metalni. Ovo posljednje određuje najvažnija fizička i kemijska svojstva svih metala.
Eksperimentalno je utvrđeno da se veličina atoma može promijeniti. Sve će zavisiti od toga u koji je molekul uključen. Zahvaljujući analizi difrakcije rendgenskih zraka, moguće je izračunati udaljenost između atoma u hemijskom spoju, kao i saznati radijus strukturne jedinice elementa. Poznavajući obrasce promjene polumjera atoma uključenih u period ili grupu hemijskih elemenata, moguće je predvidjeti njihova fizička i hemijska svojstva. Na primjer, u periodima s povećanjem naboja jezgra atoma, njihovi radijusi se smanjuju („kompresija atoma“), pa metalna svojstva jedinjenja slabe, a nemetalna se povećavaju.
Dakle, poznavanje strukture atoma nam omogućava da tačno odredimo fizička i hemijska svojstva svih elemenata uključenih u periodični sistem Mendeljejeva.
