Pažiūrėkime, kaip kuriamas atomas. Nepamirškite, kad kalbėsime tik apie modelius. Praktiškai atomai yra daug sudėtingesnė struktūra. Tačiau šiuolaikinių pokyčių dėka galime paaiškinti ir netgi sėkmingai numatyti cheminių elementų (net jei ne visų) savybes. Taigi, kokia yra atomo struktūra? Iš ko jis „pagamintas“?
Planetinis atomo modelis
pirmą kartą pasiūlė danų fizikas N. Bohras 1913 m. Tai pirmoji atomo sandaros teorija, pagrįsta moksliniais faktais. Be to, ji padėjo pagrindus šiuolaikinei teminei terminijai. Jame elektronų dalelės sukelia sukimosi judesius aplink atomą taip pat, kaip planetos aplink Saulę. Bohras teigė, kad jie gali egzistuoti tik orbitose, esančiose griežtai apibrėžtu atstumu nuo branduolio. Kodėl būtent, mokslininkas iš mokslo pozicijų negalėjo paaiškinti, tačiau tokį modelį patvirtino daugybė eksperimentų. Orbitoms žymėti buvo naudojami sveikieji skaičiai, pradedant nuo vieneto, kuris buvo sunumeruotas arčiausiai branduolio. Visos šios orbitos dar vadinamos lygiais. Vandenilio atomas turi tik vieną lygį, kuriame sukasi vienas elektronas. Tačiau sudėtingi atomai turi daugiau lygių. Jie skirstomi į komponentus, jungiančius artimus energijos potencialo elektronus. Taigi, antrasis jau turi du polygius - 2s ir 2p. Trečias jau turi tris - 3s, 3p ir 3d. ir kt. Pirmiausia „apgyvendinami“arčiau branduolio esantys polygiai, o paskui – tolimieji. Kiekvienas iš jų gali turėti tik tam tikrą skaičių elektronų. Bet tai dar ne pabaiga. Kiekvienas polygis yra padalintas į orbitas. Palyginkime su įprastu gyvenimu. Atomo elektronų debesis yra panašus į miestą. Lygiai yra gatvės. Požeminis lygis – privatus namas arba butas. Orbital yra kambarys. Kiekvienas iš jų „gyvena“po vieną ar du elektronus. Visi jie turi konkrečius adresus. Tai buvo pirmoji atomo sandaros schema. Ir galiausiai apie elektronų adresus: juos lemia skaičių rinkiniai, vadinami „kvantais“.
Atomo bangų modelis
Tačiau laikui bėgant planetos modelis buvo peržiūrėtas. Buvo pasiūlyta antroji atomo sandaros teorija. Jis tobulesnis ir leidžia paaiškinti praktinių eksperimentų rezultatus. E. Schrödingerio pasiūlytas atomo banginis modelis pakeitė pirmąjį. Tada jau buvo nustatyta, kad elektronas gali pasireikšti ne tik kaip dalelė, bet ir kaip banga. Ką padarė Schrödingeris? Jis pritaikė lygtį, apibūdinančią bangos judėjimą trimatėje erdvėje. Taigi galima rasti ne elektrono trajektoriją atome, o jo aptikimo tam tikrame taške tikimybę. Abi teorijas vienija tai, kad elementariosios dalelės yra anttam tikrus lygius, polygius ir orbitas. Čia modelių panašumas ir baigiasi. Pateiksiu vieną pavyzdį – bangų teorijoje orbitalė yra sritis, kurioje bus galima rasti elektroną su 95% tikimybe. Likusi erdvė užima 5%. Tačiau galiausiai paaiškėjo, kad atomų struktūrinės ypatybės pavaizduotos naudojant bangų modelį, nepaisant to, kad terminologija vartojama bendrai.
Tikimybės sąvoka šiuo atveju
Kodėl buvo vartojamas šis terminas? Heisenbergas 1927 m. suformulavo neapibrėžtumo principą, kuris dabar naudojamas mikrodalelių judėjimui apibūdinti. Tai pagrįsta esminiu jų skirtumu nuo įprastų fizinių kūnų. Kas tai? Klasikinė mechanika darė prielaidą, kad žmogus gali stebėti reiškinius jiems nepaveikdamas (dangaus kūnų stebėjimas). Pagal gautus duomenis galima apskaičiuoti, kur tam tikru momentu bus objektas. Tačiau mikrokosme viskas būtinai skiriasi. Taigi, pavyzdžiui, stebėti elektroną be įtakos dabar neįmanoma dėl to, kad instrumento ir dalelės energijos yra nepalyginamos. Tai lemia tai, kad keičiasi jos elementariosios dalelės vieta, būsena, kryptis, judėjimo greitis ir kiti parametrai. Ir nėra prasmės kalbėti apie tikslias charakteristikas. Pats neapibrėžtumo principas mums sako, kad neįmanoma apskaičiuoti tikslios elektrono trajektorijos aplink branduolį. Galite nurodyti tik tikimybę rasti dalelę tam tikroje srityjeerdvė. Tai yra cheminių elementų atomų sandaros ypatumai. Tačiau į tai turėtų atsižvelgti tik mokslininkai, atlikdami praktinius eksperimentus.
Atomo sudėtis
Bet sutelkime dėmesį į visą temą. Taigi, be gerai apgalvoto elektroninio apvalkalo, antrasis atomo komponentas yra branduolys. Jį sudaro teigiamai įkrauti protonai ir neutralūs neutronai. Mes visi esame susipažinę su periodine lentele. Kiekvieno elemento skaičius atitinka jo turimų protonų skaičių. Neutronų skaičius yra lygus skirtumui tarp atomo masės ir jo protonų skaičiaus. Gali būti nukrypimų nuo šios taisyklės. Tada jie sako, kad yra elemento izotopas. Atomo sandara tokia, kad jį „supa“elektronų apvalkalas. Elektronų skaičius paprastai yra lygus protonų skaičiui. Pastarojo masė yra apie 1840 kartų didesnė už pirmojo ir yra maždaug lygi neutrono svoriui. Branduolio spindulys yra maždaug 1/200 000 atomo skersmens. Jis pats turi sferinę formą. Tai apskritai yra cheminių elementų atomų struktūra. Nepaisant masės ir savybių skirtumo, jie atrodo maždaug vienodai.
Orbitos
Kalbant apie tai, kokia yra atomo sandaros schema, negalima apie juos tylėti. Taigi, yra šių tipų:
- s. Jie yra sferiniai.
- p. Jie atrodo kaip didelės aštuoniukės ar verpstės.
- d ir f. Jie turi sudėtingą formą, kurią sunku apibūdinti oficialia kalba.
Kiekvieno tipo elektronų teritorijoje galima rasti su 95% tikimybeatitinkama orbita. Pateiktą informaciją reikia priimti ramiai, nes tai veikiau abstraktus matematinis modelis, o ne fizinė reali padėtis. Tačiau visa tai turi gerą nuspėjimo galią, susijusią su atomų ir net molekulių cheminėmis savybėmis. Kuo toliau nuo branduolio yra lygis, tuo daugiau elektronų gali būti ant jo. Taigi, orbitų skaičių galima apskaičiuoti naudojant specialią formulę: x2. Čia x yra lygus lygių skaičiui. Ir kadangi orbitoje gali būti iki dviejų elektronų, galutinė jų skaitmeninės paieškos formulė atrodys taip: 2x2.
Orbitos: techniniai duomenys
Jei kalbėsime apie fluoro atomo struktūrą, jis turės tris orbitales. Visi jie bus užpildyti. Tame pačiame polygyje esančių orbitų energija yra tokia pati. Norėdami juos pažymėti, pridėkite sluoksnio numerį: 2s, 4p, 6d. Grįžtame prie pokalbio apie fluoro atomo struktūrą. Jis turės du s ir vieną p polygį. Jame yra devyni protonai ir tiek pat elektronų. Pirmasis s lygis. Tai du elektronai. Tada antrasis s lygis. Dar du elektronai. Ir 5 užpildo p lygį. Štai jo struktūra. Perskaitę šią paantraštę, galite patys atlikti reikiamus veiksmus ir įsitikinti. Jei mes kalbame apie halogenų, kurių sudėtyje yra fluoro, fizines savybes, reikia pažymėti, kad jie, nors ir priklauso tai pačiai grupei, visiškai skiriasi savo savybėmis. Taigi, jų virimo temperatūra svyruoja nuo -188 iki 309laipsnių Celsijaus. Tai kodėl jie sujungiami? Viskas dėl cheminių savybių. Visi halogenai ir daugiausia fluoras turi didžiausią oksidacinę galią. Jie reaguoja su metalais ir gali savaime užsidegti kambario temperatūroje be jokių problemų.
Kaip užpildomos orbitos?
Kokiomis taisyklėmis ir principais yra išdėstyti elektronai? Siūlome susipažinti su trimis pagrindiniais, kurių formuluotės buvo supaprastintos, kad būtų geriau suprasti:
- Mažiausios energijos principas. Elektronai linkę užpildyti orbitales energijos didėjimo tvarka.
- Pauli principas. Vienoje orbitoje negali būti daugiau nei du elektronai.
- Hundo taisyklė. Viename polygyje elektronai pirmiausia užpildo laisvas orbitas ir tik tada sudaro poras.
Periodinė Mendelejevo sistema padės užpildyti, o atomo struktūra tokiu atveju taps labiau suprantama vaizdo požiūriu. Todėl atliekant praktinį darbą su elementų grandinių konstravimu, būtina jį laikyti po ranka.
Pavyzdys
Norėdami apibendrinti viską, kas pasakyta straipsnyje, galite padaryti pavyzdį, kaip atomo elektronai pasiskirsto jų lygiuose, polygiuose ir orbitalėse (ty kokia yra lygio konfigūracija). Jis gali būti parodytas kaip formulė, energijos diagrama arba kaip sluoksnių diagrama. Čia yra labai gerų iliustracijų, kurios, atidžiai išnagrinėjus, padeda suprasti atomo sandarą. Taigi pirmiausia užpildomas pirmasis lygis. Tai turitik vienas polygis, kuriame yra tik viena orbita. Visi lygiai užpildomi nuosekliai, pradedant nuo mažiausio. Pirma, viename polygyje kiekvienoje orbitoje yra vienas elektronas. Tada sukuriamos poros. O jei yra laisvų, perjungiama į kitą pildymo temą. Ir dabar galite savarankiškai sužinoti, kokia yra azoto ar fluoro atomo struktūra (kuri buvo svarstyta anksčiau). Iš pradžių tai gali būti šiek tiek sudėtinga, bet galite naršyti žiūrėdami nuotraukas. Aiškumo dėlei pažvelkime į azoto atomo struktūrą. Jame yra 7 protonai (kartu su neutronais, kurie sudaro branduolį) ir tiek pat elektronų (sudarančių elektronų apvalkalą). Pirmiausia užpildomas pirmasis s lygis. Jame yra 2 elektronai. Tada ateina antrasis s lygis. Jame taip pat yra 2 elektronai. Kiti trys yra p lygyje, kur kiekvienas iš jų užima vieną orbitą.
Išvada
Kaip matote, atomo sandara nėra tokia sudėtinga tema (jei, žinoma, žiūrite iš mokyklos chemijos kurso perspektyvos). Ir suprasti šią temą nėra sunku. Galiausiai norėčiau jus informuoti apie kai kurias funkcijas. Pavyzdžiui, kalbant apie deguonies atomo struktūrą, žinome, kad jis turi aštuonis protonus ir 8-10 neutronų. O kadangi gamtoje viskas linkusi balansuoti, du deguonies atomai sudaro molekulę, kurioje du nesuporuoti elektronai sudaro kovalentinį ryšį. Panašiai susidaro dar viena stabili deguonies molekulė – ozonas (O3). Žinant deguonies atomo struktūrą, galima teisingai suformuluoti oksidacijos reakcijas, inkuri apima labiausiai paplitusią medžiagą Žemėje.
