Nuo antikos laikotarpio iki XVIII amžiaus vidurio moksle vyravo idėja, kad atomas yra materijos dalelė, kurios negalima padalyti. Anglų mokslininkas, taip pat gamtininkas D. D altonas apibrėžė atomą kaip mažiausią cheminio elemento komponentą. M. V. Lomonosovas savo atominėje ir molekulinėje teorijoje sugebėjo apibrėžti atomą ir molekulę. Jis buvo įsitikinęs, kad molekulės, kurias jis pavadino „kūneliais“, sudarytos iš „elementų“– atomų – ir nuolat juda.
D. I. Mendelejevas manė, kad šis medžiagų subvienetas, sudarantis materialųjį pasaulį, išlaiko visas savo savybes tik tada, kai nėra atskiriamas. Šiame straipsnyje apibrėžsime atomą kaip mikropasaulio objektą ir ištirsime jo savybes.
Atomo sandaros teorijos sukūrimo prielaidos
XIX amžiuje teiginys apie atomo nedalomumą buvo visuotinai priimtas. Dauguma mokslininkų manė, kad vieno cheminio elemento dalelės jokiomis aplinkybėmis negali virsti kito elemento atomais. Šios idėjos buvo pagrindas, kuriuo buvo grindžiamas atomo apibrėžimas iki 1932 m. XIX amžiaus pabaigoje mokslas padarėesminiai atradimai, pakeitę šį požiūrį. Visų pirma, 1897 metais anglų fizikas J. J. Thomson atrado elektroną. Šis faktas radikaliai pakeitė mokslininkų mintis apie cheminio elemento sudedamosios dalies nedalomumą.
Kaip įrodyti, kad atomas yra sudėtingas
Dar prieš elektrono atradimą mokslininkai vieningai sutarė, kad atomai neturi krūvių. Tada buvo nustatyta, kad elektronai lengvai išsiskiria iš bet kurio cheminio elemento. Jų galima rasti liepsnoje, jie yra elektros srovės nešėjai, juos išskiria medžiagos rentgeno spinduliuotės metu.
Bet jei elektronai yra visų be išimties atomų dalis ir yra neigiamai įkrauti, tai atome yra ir kitų dalelių, kurios būtinai turi teigiamą krūvį, kitaip atomai nebūtų elektriškai neutralūs. Padėti išnarplioti atomo struktūrą padėjo toks fizinis reiškinys kaip radioaktyvumas. Tai davė teisingą atomo apibrėžimą fizikoje, o vėliau chemijoje.
Nematomi spinduliai
Prancūzų fizikas A. Becquerelis pirmasis aprašė tam tikrų cheminių elementų, vizualiai nematomų spindulių, atomų emisijos reiškinį. Jie jonizuoja orą, prasiskverbia pro medžiagas, juoduoja fotoplokštes. Vėliau Curies ir E. Rutherfordas nustatė, kad radioaktyviosios medžiagos paverčiamos kitų cheminių elementų atomais (pavyzdžiui, uranas į neptūną).
Radioaktyvioji spinduliuotė yra nehomogeniškos sudėties: alfa dalelės, beta dalelės, gama spinduliai. TaigiTaigi radioaktyvumo reiškinys patvirtino, kad periodinės lentelės elementų dalelės turi sudėtingą struktūrą. Šis faktas lėmė atomo apibrėžimo pakeitimus. Iš kokių dalelių susideda atomas, atsižvelgiant į naujus Rutherfordo gautus mokslinius faktus? Atsakymas į šį klausimą buvo mokslininko pasiūlytas atomo branduolinis modelis, pagal kurį elektronai sukasi aplink teigiamai įkrautą branduolį.
Rutherfordo modelio prieštaravimai
Mokslininko teorija, nepaisant jos išskirtinio pobūdžio, negalėjo objektyviai apibrėžti atomo. Jos išvados prieštarauja esminiams termodinamikos dėsniams, pagal kuriuos visi aplink branduolį besisukantys elektronai praranda savo energiją ir, kaip ten bebūtų, anksčiau ar vėliau turi į ją patekti. Šiuo atveju atomas sunaikinamas. Taip iš tikrųjų neįvyksta, nes cheminiai elementai ir dalelės, iš kurių jie susideda, gamtoje egzistuoja labai ilgai. Toks atomo apibrėžimas, pagrįstas Rutherfordo teorija, yra nepaaiškinamas, kaip ir reiškinys, atsirandantis, kai karštos paprastos medžiagos praleidžiamos per difrakcijos gardelę. Galų gale, susidarę atomų spektrai turi linijinę formą. Tai prieštaravo Rutherfordo atomo modeliui, pagal kurį spektrai turėjo būti ištisiniai. Remiantis kvantinės mechanikos sampratomis, šiuo metu elektronai branduolyje apibūdinami ne kaip taškiniai objektai, o kaip turintys elektronų debesies formą.
Didžiausias jo tankis tam tikroje erdvės vietoje aplink branduolį irlaikoma dalelės vieta tam tikru laiko momentu. Taip pat buvo nustatyta, kad elektronai atome yra išsidėstę sluoksniais. Sluoksnių skaičių galima nustatyti žinant periodo, kuriame elementas yra D. I. Mendelejevo periodinėje sistemoje, skaičių. Pavyzdžiui, fosforo atome yra 15 elektronų ir 3 energijos lygiai. Rodiklis, nustatantis energijos lygių skaičių, vadinamas pagrindiniu kvantiniu skaičiumi.
Eksperimentu buvo nustatyta, kad arčiausiai branduolio esančio energijos lygio elektronai turi mažiausią energiją. Kiekvienas energijos apvalkalas yra padalintas į polygius, o jie, savo ruožtu, į orbitas. Elektronai, esantys skirtingose orbitose, turi tą pačią debesų formą (s, p, d, f).
Remiantis tuo, kas išdėstyta pirmiau, darytina išvada, kad elektronų debesies forma negali būti savavališka. Jis griežtai apibrėžiamas pagal orbitos kvantinį skaičių. Taip pat priduriame, kad elektrono būseną makrodalelėje lemia dar dvi reikšmės – magnetiniai ir sukimosi kvantiniai skaičiai. Pirmasis yra pagrįstas Schrödingerio lygtimi ir apibūdina elektronų debesies erdvinę orientaciją, pagrįstą mūsų pasaulio trimačiais. Antrasis indikatorius yra sukimosi skaičius, jis naudojamas elektrono sukimuisi aplink savo ašį pagal laikrodžio rodyklę arba prieš laikrodžio rodyklę nustatyti.
Neutrono atradimas
Dėka D. Chadwicko darbo, kurį jis atliko 1932 m., buvo pateiktas naujas atomo apibrėžimas chemijoje ir fizikoje. Savo eksperimentais mokslininkas įrodė, kad skylant poloniui atsiranda radiacija, kurią sukeliadalelės, kurios neturi krūvio, kurių masė 1,008665. Naujoji elementarioji dalelė buvo vadinama neutronu. Jo atradimas ir savybių tyrimas leido sovietų mokslininkams V. Gaponui ir D. Ivanenko sukurti naują atomo branduolio, kuriame yra protonų ir neutronų, struktūros teoriją.
Pagal naująją teoriją, materijos atomo apibrėžimas buvo toks: tai cheminio elemento struktūrinis vienetas, susidedantis iš branduolio, kuriame yra protonų ir neutronų bei aplink jį judančių elektronų. Teigiamų dalelių skaičius branduolyje visada lygus cheminio elemento atominiam skaičiui periodinėje sistemoje.
Vėliau profesorius A. Ždanovas savo eksperimentais patvirtino, kad kietos kosminės spinduliuotės įtakoje atomų branduoliai skyla į protonus ir neutronus. Be to, buvo įrodyta, kad jėgos, laikančios šias elementarias daleles branduolyje, yra itin daug energijos reikalaujančios. Jie veikia labai mažais atstumais (apie 10-23 cm) ir vadinami branduoliniais. Kaip minėta anksčiau, net M. V. Lomonosovas sugebėjo pateikti atomo ir molekulės apibrėžimą, remdamasis jam žinomais moksliniais faktais.
Šiuo metu visuotinai pripažįstamas toks modelis: atomas susideda iš branduolio ir elektronų, judančių aplink jį griežtai apibrėžtomis trajektorijomis – orbitomis. Elektronai vienu metu pasižymi ir dalelių, ir bangų savybėmis, tai yra, jie turi dvejopą prigimtį. Beveik visa jo masė yra sutelkta atomo branduolyje. Jį sudaro protonai ir neutronai, surišti branduolinių jėgų.
Ar galima pasverti atomą
Pasirodo, kad kiekvienas atomas turimasė. Pavyzdžiui, vandenilio atveju jis yra 1,67x10-24g. Net sunku įsivaizduoti, kokia maža ši vertė. Norėdami sužinoti tokio objekto svorį, jie naudoja ne svarstykles, o osciliatorių, kuris yra anglies nanovamzdelis. Norint apskaičiuoti atomo ir molekulės svorį, patogesnė reikšmė yra santykinė masė. Tai rodo, kiek kartų molekulės ar atomo svoris yra didesnis nei 1/12 anglies atomo, o tai yra 1,66x10-27 kg. Santykinės atominės masės pateiktos periodinėje cheminių elementų sistemoje ir jos neturi vienetų.
Mokslininkai puikiai žino, kad cheminio elemento atominė masė yra visų jo izotopų masės vidurkis. Pasirodo, gamtoje vieno cheminio elemento vienetai gali turėti skirtingą masę. Tuo pačiu metu tokių struktūrinių dalelių branduolių krūviai yra vienodi.
Mokslininkai nustatė, kad izotopai skiriasi neutronų skaičiumi branduolyje, o jų branduolių krūvis yra vienodas. Pavyzdžiui, chloro atome, kurio masė yra 35, yra 18 neutronų ir 17 protonų, o 37–20 neutronų ir 17 protonų. Daugelis cheminių elementų yra izotopų mišiniai. Pavyzdžiui, tokiose paprastose medžiagose kaip kalis, argonas, deguonis turi atomų, atstovaujančių 3 skirtingus izotopus.
Atomiškumo apibrėžimas
Jis turi keletą interpretacijų. Apsvarstykite, ką reiškia šis terminas chemijoje. Jei kurio nors cheminio elemento atomai bent trumpą laiką gali egzistuoti atskirai, nesistengdami sudaryti sudėtingesnės dalelės - molekulės, tada jie sako, kad tokios medžiagos turiatominė struktūra. Pavyzdžiui, daugiapakopė metano chlorinimo reakcija. Jis plačiai naudojamas organinės sintezės chemijoje, norint gauti svarbiausius halogenų turinčius darinius: dichlormetaną, anglies tetrachloridą. Jis suskaido chloro molekules į labai reaktyvius atomus. Jie nutraukia sigma ryšius metano molekulėje, sukeldami pakeitimo grandininę reakciją.
Kitas pramonėje labai svarbaus cheminio proceso pavyzdys yra vandenilio peroksido kaip dezinfekavimo ir baliklio naudojimas. Atominis deguonis, kaip vandenilio peroksido skilimo produktas, nustatomas tiek gyvose ląstelėse (veikiant katalazės fermentui), tiek laboratorinėmis sąlygomis. Atominį deguonį kokybiškai lemia jo didelės antioksidacinės savybės, taip pat gebėjimas sunaikinti patogeninius veiksnius: bakterijas, grybus ir jų sporas.
Kaip veikia atominis apvalkalas
Mes jau anksčiau išsiaiškinome, kad cheminio elemento struktūrinis vienetas turi sudėtingą struktūrą. Elektronai sukasi aplink teigiamai įkrautą branduolį. Nobelio premijos laureatas Nielsas Bohras, remdamasis kvantine šviesos teorija, sukūrė savo doktriną, kurioje atomo charakteristikos ir apibrėžimas yra toks: elektronai aplink branduolį juda tik tam tikromis stacionariomis trajektorijomis, o energijos nespinduliuoja. Bohro doktrina įrodė, kad mikrokosmoso dalelės, apimančios atomus ir molekules, nepaklūsta teisingiems dėsniams.dideliems kūnams – makrokosminiams objektams.
Makrodalelių elektronų apvalkalų struktūrą kvantinės fizikos darbuose tyrė tokie mokslininkai kaip Hundas, Paulis, Klečkovskis. Taigi tapo žinoma, kad elektronai sukimosi judesius aplink branduolį atlieka ne atsitiktinai, o tam tikromis stacionariomis trajektorijomis. Pauli nustatė, kad viename energijos lygyje kiekvienoje jo s, p, d, f orbitalėse elektroninėse ląstelėse galima rasti ne daugiau kaip dvi neigiamai įkrautas daleles su priešingais sukiniais + ½ ir - ½.
Hundo taisyklė paaiškino, kaip tokio paties energijos lygio orbitos yra teisingai užpildytos elektronais.
Klečkovskio taisyklė, dar vadinama n+l taisykle, paaiškino, kaip užpildomos daugiaelektroninių atomų (5, 6, 7 periodų elementų) orbitos. Visi aukščiau pateikti modeliai buvo teorinis Dmitrijaus Mendelejevo sukurtos cheminių elementų sistemos pagrindimas.
Oksidacijos būsena
Tai pagrindinė chemijos sąvoka ir apibūdina atomo būseną molekulėje. Šiuolaikinis atomų oksidacijos laipsnio apibrėžimas yra toks: tai sąlyginis atomo krūvis molekulėje, kuris apskaičiuojamas remiantis nuostata, kad molekulė turi tik joninę sudėtį.
Oksidacijos laipsnis gali būti išreikštas sveikuoju arba trupmeniniu skaičiumi su teigiamomis, neigiamomis arba nulinėmis reikšmėmis. Dažniausiai cheminių elementų atomai turi keletą oksidacijos būsenų. Pavyzdžiui, azotas turi -3, -2, 0, +1, +2, +3, +4, +5. Bet toks cheminis elementas kaip fluoras, visapusiškaijunginiai turi tik vieną oksidacijos būseną, lygią -1. Jei jį vaizduoja paprasta medžiaga, tada jos oksidacijos būsena yra lygi nuliui. Šį cheminį kiekį patogu naudoti klasifikuojant medžiagas ir apibūdinant jų savybes. Dažniausiai atomo oksidacijos būsena naudojama chemijoje sudarant redokso reakcijų lygtis.
Atomų savybės
Kvantinės fizikos atradimų dėka šiuolaikinis atomo apibrėžimas, pagrįstas D. Ivanenkos ir E. Gapono teorija, papildytas šiais moksliniais faktais. Atomo branduolio struktūra cheminių reakcijų metu nekinta. Keistis gali tik stacionarios elektronų orbitalės. Jų struktūra gali paaiškinti daug fizinių ir cheminių medžiagų savybių. Jei elektronas palieka stacionarią orbitą ir eina į orbitą su didesniu energijos indeksu, toks atomas vadinamas sužadintu.
Pažymėtina, kad elektronai negali ilgai išbūti tokiose neįprastose orbitose. Grįžęs į stacionarią orbitą, elektronas išspinduliuoja energijos kvantą. Tokių cheminių elementų struktūrinių vienetų charakteristikų kaip elektronų afinitetas, elektronegatyvumas, jonizacijos energija tyrimas leido mokslininkams ne tik apibrėžti atomą kaip svarbiausią mikrokosmoso dalelę, bet ir paaiškinti atomų gebėjimą formuotis. stabili ir energetiškai palankesnė medžiagos molekulinė būsena, galima dėl įvairių tipų stabilių cheminių ryšių sukūrimo: joninių, kovalentiniųpolinis ir nepolinis, donoras-akceptorius (kaip kovalentinis ryšys) ir metalinis. Pastarasis lemia svarbiausias visų metalų fizines ir chemines savybes.
Eksperimentiškai nustatyta, kad atomo dydis gali keistis. Viskas priklausys nuo to, į kurią molekulę jis įtrauktas. Rentgeno spindulių difrakcijos analizės dėka galima apskaičiuoti atstumą tarp atomų cheminiame junginyje, taip pat sužinoti elemento struktūrinio vieneto spindulį. Žinant į periodą ar cheminių elementų grupę įtrauktų atomų spindulių kitimo dėsningumus, galima numatyti jų fizikines ir chemines savybes. Pavyzdžiui, laikotarpiais, kai didėja atomų branduolio krūvis, jų spindulys mažėja („atomo suspaudimas“), todėl junginių metalinės savybės susilpnėja, o nemetalinių didėja.
Taigi, žinios apie atomo struktūrą leidžia tiksliai nustatyti visų elementų, įtrauktų į periodinę Mendelejevo sistemą, fizines ir chemines savybes.
