Definicija atoma i molekule. Definicija atoma do 1932

Od razdoblja antike do sredine 18. stoljeća znanost je dominirala pojmom da je atom čestica materije koja se ne može podijeliti. Engleski znanstvenik, kao i prirodoslovac D. Dalton, dali su definiciju atoma kao najmanji dio kemijskog elementa. MV Lomonosov je u svojoj atomskoj molekularnoj teoriji bio u stanju definirati atom i molekulu. Bio je siguran da molekule koje je nazvao "korpussi" sastoje od "elemenata" - atoma - i stalno se kreću.

DI Mendelejev vjeruje da ova podjedinica tvari koje čine materijalni svijet zadržava sva svojstva samo ako ne prođe odvojenost. U ovom članku ćemo definirati atom kao objekt mikro-svijeta i proučiti njezina svojstva.

Preduvjeti za stvaranje teorije strukture atoma

U 19. stoljeću potvrđena je nedjeljivost jednog atoma. Većina znanstvenika vjeruje da čestice jednog kemijskog elementa ne mogu ni pod kojim okolnostima pretvoriti u atome drugog elementa. Ti su prikazi služili kao temelj na kojem je definicija atoma bila temeljena sve do 1932. Krajem 19. stoljeća temeljna su otkrića napravljena u znanosti koja je promijenila tu stajališnu točku. Prije svega, 1897. godine engleski fizičar D. J. Thomson otkrio je elektron. Ta činjenica radikalno je promijenila ideje znanstvenika o nedjeljivosti sastavnog dijela kemijskog elementa.

Kako dokazati da je atom složen

Još prije otkrića elektrona znanstvenici su jednoglasno složili da atomi nemaju optužbe. Tada je utvrđeno da se elektroni lako izlučuju iz bilo kojeg kemijskog elementa. Oni se mogu naći u plamenu, oni su nositelji električne struje, oslobađaju ih tvari tijekom rendgenskog zračenja.

Ali ako elektroni su dio sve bez izuzetka, i negativno nabijenih atoma, dakle, u atomu postoje neke čestice koje su sigurni da imaju pozitivan naboj, inače atomi ne bi električki neutralan. Da pomogne razotkriti strukturu atoma, takav fizički fenomen kao radioaktivnost pomogao je. Dala je ispravnu definiciju atoma u fizici, a zatim u kemiji.

Nevidljive zrake

Francuski fizikalac A. Becquerel prvi je opisao fenomen emisije pomoću atoma određenih kemijskih elemenata, vizualno nevidljivih zraka. Oni ioniziraju zrak, prolaze kroz tvari, uzrokuju zamračivanje fotografskih ploča. Kasnije Curie par i E. Rutherford utvrdili su da se radioaktivne tvari pretvaraju u atome drugih kemijskih elemenata (na primjer, uranij do neptuna).

Radioaktivno zračenje je heterogeno u sastavu: alfa čestice, beta čestice, gama zrake. Dakle, fenomen radioaktivnosti potvrdio je da čestice elemenata periodičnog stola imaju složenu strukturu. Ta činjenica bila je razlog za promjene uvedene u definiciju atoma. Koje čestice se sastoji od atoma, ako se uzmu u obzir nove znanstvene činjenice Rutherforda? Odgovor na to pitanje bio je nuklearni model atoma kojeg je predložio znanstvenik, prema kojemu se elektroni oko pozitivno napunjene jezgre okreću.

Kontradikcije modela Rutherford

Teorija znanstvenika, unatoč svom izuzetnom karakteru, nije mogla objektivno definirati atom. Njezini rezultati su bili u suprotnosti s temeljnim zakonima termodinamike, po kojima su svi elektroni kruže oko jezgre gube energiju i, kako to može biti, prije ili kasnije morati pasti na njega. Atoma je uništen u ovom slučaju. To se zapravo ne događa, jer kemijski elementi i čestice iz kojih su sastavljeni postoje u prirodi već duže vrijeme. Neobjašnjivo atom kao odlučnost temelji na teoriji Rutherford, kao fenomen koji se javlja prilikom prolaska tople jednostavne tvari kroz difrakcije ribanja. Uostalom, rezultirajući atomski spektar ima linearni oblik. Ovo je bilo u sukobu s Rutherfordovim modelom atoma, prema kojem će spektri morati biti kontinuirani. Prema konceptima kvantne mehanike, u ovom trenutku elektronovi se karakteriziraju u jezgri ne kao točkasti predmeti, nego kao da imaju oblik oblaka elektrona.

Njezina najveća gustoća na određenom lokusu prostora oko jezgre smatra se mjestom čestice u određenom trenutku vremena. Također je otkriveno da su u atomu elektroni slojeviti. Broj slojeva može se odrediti poznavanjem broja razdoblja u kojem se element nalazi u periodičnoj tablici DI Mendelejev. Na primjer, fosforni atom sadrži 15 elektrona i ima 3 razine energije. Indikator koji određuje broj energetskih razina naziva se glavni kvantni broj.

Eksperimentalno je utvrđeno da elektroni energetske razine najbliže jezgri imaju najmanju energiju. Svaka energetska omotnica podijeljena je na podljeve, a oni, pak, u orbite. Elektroni koji se nalaze na različitim orbitalima imaju isti oblik oblaka (s, p, d, f).

Iz gore navedenog slijedi da oblik oblaka elektrona ne može biti proizvoljan. To je strogo definirano prema orbitalu kvantni broj. Dodamo također da je stanje elektrona u makro česticama određeno dvjema vrijednostima - magnetskim i spin kvantnim brojevima. Prva se temelji na Schrodingerovoj jednadžbi i karakterizira prostornu orijentaciju oblaka elektrona temeljenu na trodimenzionalnosti našega svijeta. Drugi parametar je broj spina, on određuje rotaciju elektrona oko svoje osi duž ili suprotno od kazaljke na satu.

Otkrivanje neutrona

Zahvaljujući radu D. Chadwick, koju je proveo 1932. godine, dano je novo definiranje atoma u kemiji i fizici. U svojim eksperimentima, znanstvenik je dokazao da se tijekom cijepanja polonija stvara zračenje, uzrokovano česticama koje nemaju naboj, s masom od 1,008665. Nova elementarna čestica nazvana je neutronom. Njezino otkriće i istraživanje njegovih svojstava dopušteno sovjetski znanstvenici V. Gapon i Ivanenko stvoriti novu teoriju o strukturi atomske jezgre, koja sadrži protona i neutrona.

Prema novoj teoriji, definicija atoma tvari imala je sljedeći oblik: ona je strukturna jedinica kemijskog elementa, koja se sastoji od jezgre koja sadrži protone i neutrone i elektrone koji se kreću oko nje. Broj pozitivnih čestica u jezgri uvijek je jednak rednom broju kemijskog elementa u periodičkom sustavu.

Kasnije, profesor A. Zhdanov u svojim eksperimentima potvrdio je da pod utjecajem tvrdog kozmičkog zračenja atomske jezgre se dijele u protone i neutrone. Osim toga, dokazano je da snage koje drže ove osnovne čestice u jezgri su iznimno energetski intenzivne. Djeluju na vrlo kratkim udaljenostima (redoslijedom od 10^-23 cm) i nazivaju se nuklearnim. Kao što je rečeno ranije, MV Lomonosov je bio u stanju definirati atom i molekulu na temelju znanstvenih činjenica koje su mu poznate.

Trenutačno je sljedeći model široko priznat: atom se sastoji od jezgre i elektrona koji se kreću oko nje uz strogo definirane putanje - orbite. Elektroni istodobno pokazuju svojstva i čestice, a valovi, to jest, imaju dvojnu prirodu. Gotovo sva njegova masa koncentrirana je u jezgri atoma. Sastoji se od protona i neutrona, vezanih nuklearnim snagama.

Je li moguće mjeriti atom

Ispada da svaki atom ima masu. Na primjer, ima sadržaj vodika od 1,67 x 10^-24 Čak je teško zamisliti koliko je ta vrijednost manja. Da biste pronašli težinu takvog objekta, ne koristi se balans, već oscilator koji predstavlja ugljikova nanocijevi. Za izračunavanje težine atoma i molekule, prikladnija količina je relativna masa. Pokazuje koliko puta težina molekule ili atoma je veća od 1/12 ugljikovog atoma, što je 1,66x10^-27 kg. Relativne atomske mase naznačene su u periodičkom sustavu kemijskih elemenata, i nemaju dimenzije.

Znanstvenici dobro znaju da je atomska masa kemijskog elementa prosječna vrijednost masenog broja svih njegovih izotopa. Ispada da u prirodi jedinice jednog kemijskog elementa mogu imati različite mase. Napadi jezgri takvih strukturnih čestica su isti.

Znanstvenici su utvrdili da se izotopi razlikuju u broju neutrona u jezgri, a naboj jezgara u njima je isti. Na primjer, atom klora koji ima masu od 35 sadrži 18 neutrona i 17 protona, i masom od 37-20 neutrona i 17 protona. Mnogi kemijski elementi su mješavine izotopa. Na primjer, jednostavne tvari kao što su kalij, argon i kisik sadrže atome koji predstavljaju 3 različita izotopa.

Definicija atomicnosti

Ima nekoliko interpretacija. Razmislite o tome što se podrazumijeva ovim pojmom u kemiji. Ako atomi kemijskog elementa mogu barem kratko vrijeme postojati zasebno, bez da žele formirati složenu česticu - molekulu, onda kažu da takve tvari imaju atomsku strukturu. Na primjer, višestupanjska reakcija kloriranja metana. Naširoko se koriste u kemiji organske sinteze kako bi se dobili najvažniji derivati ​​koji sadrže halogen: diklormetan, ugljik tetraklorid. U njemu se molekule klora dijele na atome koji imaju visoku reaktivnost. Oni uništavaju sigma veze u molekuli metana, pružajući lančanu reakciju supstitucije.

Drugi primjer kemijskog procesa od velike važnosti u industriji je uporaba vodikovog peroksida kao sredstva za dezinfekciju i sredstva za izbjeljivanje. Određivanje atomskog kisika, kao produkta raspadanja vodikovog peroksida, javlja se iu živim stanicama (pod djelovanjem enzimske katalaze) i u laboratorijskim uvjetima. Atomski kisik kvalitativno određen visokim antioksidativnim svojstvima, kao i mogućnost uništavanja patogenih sredstava: bakterija, gljiva i njihovih spora.

Kako je raspoređena atomska ljuska

Ranije smo pojasnili da strukturna jedinica kemijskog elementa ima složenu strukturu. Elektronski negativni čestica okreće se oko pozitivno napunjene jezgre. Nobelova nagrada Niels Bohr, na temelju kvantne teorije svjetlosti, stvorio je učenje, pri čemu je karakterizacija i identifikacija atoma su kako slijedi: elektroni kreću oko jezgre samo na određenim fiksnim puteva u ovom slučaju ne zrače energiju. Bohrova doktrina pokazala su da čestice mikro-svijeta, na koje pripadaju atomi i molekule, ne poštuju zakone koji vrijede za velike tijela - objekte makrokozmosa.

Struktura školjki elektrona čestica ispitivana je u radovima o kvantnoj fizici takvih znanstvenika kao što su Hund, Pauli, Klechkovsky. Znači, postalo je poznato da elektroni čine okretno gibanje oko jezgre ne kaotično, već na određenim stacionarnim putevima. Pauli otkrili da u jednoj razini energije na svakom od svojih orbitala S, P, D, F elektroničkih stanicama može biti ne više od dva negativno nabijene čestice suprotnog spina vrijednosti + frac12- i - frac12-.

Hundovo pravilo objasnilo je kako se orbiti s istom razinom energije napune ispravno elektrone.

Princip Aufbau, koji se nazivaju pravilo n + l, objasniti kako punjene orbitale multielectron atoma (elementi 5, 6, 7 krugova). Svi gore navedeni zakoni poslužili su kao teorijska osnova za sustav kemijskih elemenata koje je stvorio Dmitrij Mendelejev.

Stupanj oksidacije

To je temeljni koncept u kemiji i karakterizira stanje atoma u molekuli. Suvremena definicija stupnja oksidacije atoma je sljedeća: uvjetna je naboja atoma u molekuli, koja se izračunava iz pojma da molekula ima samo ionski sastav.

Stupanj oksidacije može se izraziti kao cjelina ili frakcijski broj, s pozitivnom, negativnom ili nulom vrijednošću. Najčešće, atomi kemijskih elemenata imaju nekoliko stupnjeva oksidacije. Na primjer, za dušik je to -3, -2, 0, +1, +2, +3, +4, +5. Ali takav kemijski element kao fluor u svim njegovim spojevima ima samo jedan stupanj oksidacije, jednako -1. Ako se predstavlja jednostavnom supstancom, onda je stupanj oksidacije nula. Ova je kemijska vrijednost prikladna za klasifikaciju tvari i za opisivanje njihovih svojstava. Najčešće, stupanj oksidacije jednog atoma se koristi u kemiji pri sastavljanju jednadžbi reakcija redukcije oksidacije.

Svojstva atoma

Zahvaljujući otkrićima kvantne fizike, suvremena definicija atoma, temeljena na teoriji D. Ivanenko i E. Gapona, nadopunjuju se sljedećim znanstvenim činjenicama. Struktura atomske jezgre se ne mijenja tijekom kemijskih reakcija. Samo stacionarni elektronički orbitalni uređaji podložni su promjenama. Njihova struktura može objasniti puno fizičkih i kemijskih svojstava tvari. Ako elektron napusti stacionarnu orbitu i prijeđe na orbital s višim indeksom energije, takav atom naziva se uzbuđen.

Treba napomenuti da se elektroni ne mogu biti dugo vremena na tim non-core orbitala. Vraćajući se svojim stacionarnu orbitu, elektron emitira kvantne energije. Proučavanje takvih karakteristika strukturnih jedinica kemijskih elemenata kao elektron afiniteta, elektronegativnosti, energija ionizacije, omogućila je znanstvenicima ne samo definirati atom kao bitan mikrokozmos čestica, ali i dozvoljeno im objasniti sposobnost atoma da se formira stabilna i energetski povoljniji molekularno stanje materije, moguća posljedica stvaranje bilo koji tip stabilne kemijskih veza: ionski, kovalentno-polarnih i nepolarnih, donor-akceptora (kao kovalentno vezivanje vrsta) i m etallicheskoy. Potonji određuje najvažnije fizikalna i kemijska svojstva metala.

Eksperimentalno je utvrđeno da veličina atoma može varirati. Sve će ovisiti o tome koja molekula ulazi. Zahvaljujući rendgenskoj difrakcijskoj analizi, moguće je izračunati udaljenost između atoma u kemijskom spoju, kao i određivanje polumjera strukturne jedinice elementa. Posjedovanje uzoraka varijacija u radijusima atoma koji ulaze u razdoblje ili u skupini kemijskih elemenata, može se predvidjeti njihova fizička i kemijska svojstva. Na primjer, u vrijeme s povećanjem atomske jezgre punjenje je smanjenje polumjera ( „kompresije atom”), a time oslabiti metalne svojstva spojeva i nemetalnih pojačavaju.

Dakle, poznavanje strukture atoma omogućuje točno određivanje fizikalnih i kemijskih svojstava svih elemenata koji čine periodički sustav Mendelejeva.