Atom u kemiji je ... Model atoma. Struktura atoma

Misli o suštini čitavog okoliša počele su posjećivati ​​čovječanstvo mnogo prije cvjetanja moderne civilizacije. Isprva su ljudi razmišljali o postojanju određenih viših sila koje su, vjerovali, unaprijed odredili sve biće. No, vrlo brzo su filozofi i svećenici počeli razmišljati o tome što je, zapravo, sama tkanina ovoga bića. Bilo je mnogo teorija, ali u povijesnoj perspektivi atomski je postao dominantan.

Što je atom u kemiji? Ovo, kao i sve povezane teme, raspravljat ćemo u okviru ovog članka. Nadamo se da ćete naći odgovore na sva vaša pitanja u njemu.

Utemeljitelj atomske teorije

Gdje počinje prva lekcija kemija? Struktura atoma glavna je tema. Vjerojatno se sjećate da je riječ "atom" prevedena s drevnog grčkog jezika kao "nedjeljiva". Sada mnogi povjesničari vjeruju da je prvi iznijela teoriju koja je govorila o nekim od najmanjih čestica, od kojih je sve sastavljeno, Democritus. Živio je u petom stoljeću prije Krista.

Na najveće žaljenje, praktički ništa nije poznato o tom izvanrednom mislilcu. Niti jedan pisani izvor tih vremena nije došao do nas. Stoga moramo naučiti o idejama najvećeg znanstvenika našeg vremena isključivo iz Aristotelovih, Platonovih djela i drugih drevnih grčkih mislioca.

Dakle, naša je tema "Struktura atoma". U kemiji, nisu svi imali visoke ocjene, ali mnogi se sjećaju da su svi zaključci starih znanstvenika izgrađeni isključivo na zaključcima. Demokrit nije bio izuzetak.

Kako je razlog demokrita?

Njegova je logika bila iznimno jednostavna, ali istodobno sjajna. Zamislite da imate najoštriji nož na cijelom svijetu. Uzmete jabuku, na primjer, i onda početi rezati: dvije polovice na četvrtine, opet ih podijeliti ... Jednom riječju, prije ili kasnije će te dobiti mršav kriške debljine koje i dalje ih podijeliti će već biti nemoguće. Ovo će biti nedjeljivi atom. U kemiji se ta tvrdnja smatrala pravi gotovo prije kraja 19. stoljeća.

Od Demokrita do suvremenih koncepata

Valja napomenuti da je samo riječ "atom" preživjela iz drevnih grčkih pojmova mikro-svijeta. Sada svaki učenik zna da se svijet oko nas sastoji od mnogo temeljnijih i manjih čestica. Štoviše, s gledišta suvremene znanosti teorija Demokrita nije bila ništa više od čisto hipotetske kompilacije, bez ikakvog dokaza. Međutim, u to doba nije bilo elektronskih mikroskopa, tako da bi njihov slučaj dokazao na druge načine mislilac i dalje uspjeti.

Prve sumnje da je Demokrit zapravo ispravno pojavljuju se u kemičarima. Brzo su otkrili da se mnoge tvari raspadaju u jednostavnije komponente tijekom reakcije. Osim toga, bili su i kemičari koji su zaključili stroge zakone tih procesa. Tako su primijetili da za proizvodnju vode, osam masenih frakcija kisika i jedan vodik (Avogadrojev zakon).

U srednjem vijeku bilo je materijalno poučavanje, uključujući teoriju Demokrita, širenje i razvoj, u načelu. I tek u 18. stoljeću znanstvenici se opet vraćaju atomističkoj teoriji. Do vremena kada je kemičar Lavoisier, naš veliki Lomonosov i talentirani engleski fizičar D. Dalton (koje ćemo raspravljati odvojeno), uvjerljivo su pokazali svojim kolegama stvarnost atoma. Treba naglasiti da je čak iu prosvijetljenom 18. stoljeću dugo vremena atomska teorija bila ozbiljno razmatrana od strane mnogih izvanrednih umova toga doba.

Što god to bilo, ali čak i ti veliki znanstvenici još nisu iznijela teoriju o strukturi atoma, kao što je on smatrao jedna i nedjeljiva čestica, temelj svega.

Nažalost, kemijski eksperimenti nisu mogli jasno pokazati stvarnost transformacije atoma određenih tvari u druge. Ipak, kemija je temeljna znanost u proučavanju strukture atoma. Atomi i molekule dugo su proučavali jedan sjajni ruski znanstvenik, bez kojih ne možemo zamisliti modernu znanost.

Nauk D. I. Mendelejev

Veliku ulogu u razvoju atomskog učenja odigrao je DI Mendeleyev, koji je 1869. godine stvorio svoj sjajni periodni sustav. Prvi put je znanstvena zajednica predstavljena s teorijom koja ne samo da nije odbila, nego i razumno nadopunila sve pretpostavke materijalista. Već u 19. stoljeću znanstvenici su mogli dokazati postojanje elektrona. Svi ovi zaključci doveli su do najboljih umova 20. stoljeća ozbiljno proučavanje atoma. U kemiji je ovaj put obilježen i niz otkrića.

No, Mendelejev je učenje vrijedan ne samo za ovo. Do sada, ostaje nejasno kako su nastali atomi raznih kemijskih elemenata. Ali veliki ruski znanstvenik bio je u stanju uvjerljivo dokazati da su svi, bez iznimke, usko povezani jedni s drugima.

Otkriće Dalton

Ali da bi mogao interpretirati više različitih podataka bio je u mogućnosti samo John Dalton, čije ime zauvijek utisnuti u otvorenom po sebi zakon. Znanstvenik je obično proučavao samo ponašanje plinova, ali njegov raspon interesa bio je mnogo širi. Godine 1808. počeo je objavljivati ​​svoj novi temeljni rad.

Dalton je sugerirao da svaki kemijski element odgovara određenom atomu. No, znanstvenik, poput Democritusa već mnogo stoljeća prije njega, još uvijek vjeruje da su potpuno nedjeljivi. U svojim skicama mnogo shematskih crteža, u kojima su atomi predstavljeni u obliku jednostavnih kuglica. Ova ideja, koja je nastala prije više od 2500 godina, postojala je gotovo do našeg vremena! Međutim, tek nedavno je pronađena stvarno duboka struktura atoma. Kemija (naročito 9. razred) i danas se u velikoj mjeri vode kroz ideje koje su prvi put bile izražene u 18. stoljeću.

Eksperimentalna potvrda raspodjele atoma

Međutim, sve do kraja 19. stoljeća, gotovo svi znanstvenici vjerovali su da atom - granica iza koje nema ničega. Mislili su da je temelj cijelog svemira on. To je olakšan raznim eksperimentima: sve što se može reći, ali ono što se mijenja je samo molekula, dok je stopa sa atomima tvari nije dogodilo apsolutno ništa što se ne može objasniti jednostavno kemije. Na primjer, struktura ugljikovog atoma ostaje potpuno nepromijenjena čak iu različitim alotropnim stanjima.

Ukratko, dugo vremena nije bilo apsolutno nikakvih eksperimentalnih podataka, koji barem neizravno potvrđuju sumnje nekih znanstvenika da postoje neke temeljnije čestice. Samo u 19. stoljeću (ne samo zahvaljujući eksperimentima parova Curie) dokazano je da se pod određenim uvjetima atomi nekih elemenata mogu transformirati u druge. Ta su otkrića osnovica za moderne ideje o svijetu oko nas.

Grožđice i pudinge

Godine 1897. J. Thomson, engleski fizičar, utvrdio je da u svakom atomu postoji određena količina negativno nabijenih čestica koje je nazvao "elektrone". Već 1904. godine znanstvenik je stvorio prvi atomskom modelu koji je poznat kao "puding s grožđicama". Ime točno odražava suštinu. Sudeći prema Thomsonovoj teoriji, atom u kemiji je vrsta "posude" s ravnomjerno raspoređenim nabojem i elektronima u njemu.

Imajte na umu da je takav model cirkuliran čak u 20. stoljeću. Kasnije se ispostavilo da je posve pogrešna. Ali ipak je to bio prvi svjestan pokušaj čovjeka (i na znanstvenoj osnovi) da ponovno stvori okolni mikrokozmos, nudeći jednostavni i jasni atomskom modelu.

Eksperimenti Curie

Općenito se vjeruje da je par Pierre i Maria Curie položili su temelje za atomsku fiziku. Naravno, doprinos ovih sjajnih ljudi, koji su zapravo žrtvovali svoje zdravlje i život, ne može se podcijeniti, ali su njihovi eksperimenti bili daleko od temeljne važnosti. Gotovo istodobno s Rutherfordom pokazali su da je atom složenijih i heterogenijih struktura. Upravo ono što je to reklo vrlo fenomen radioaktivnosti, koji su istraživali.

Već početkom 1898. Marija je objavila prvi članak posvećen zračenju. Uskoro Marija i Pierre Curie pokazalo je da se u mješavini kloridnih spojeva urana i radiuma počele pojavljivati ​​druge tvari, u čijem postojanju službena kemija sumnja. Od tada, struktura atoma počela se pomno istraživati.

Planetarni pristup

Konačno, Rutherford je odlučio bombardirati atome teških metala alfa čestica (potpuno ionizirani helij). Znanstvenik je odmah pretpostavljao da svjetlosni elektroni ne mogu na bilo koji način mijenjati putanju gibanja čestica. Prema tome, raspršivanje može uzrokovati samo neke teže elemente koji se mogu nalaziti u jezgri atoma. Samo napominjemo da se u početku Rutherford nije pretvarala da mijenja teoriju "pudinga". Ovaj model atoma smatrao se neodoljivim.

Tako je rezultat, kad su gotovo sve čestice prolazile kroz tanki sloj srebra bez problema, nije ga iznenadilo. Ali uskoro je postalo jasno da su neki atomi helija odmah odmaknuti za 30 °. U to vrijeme nije bilo ni riječi o kemiji. Sastav atoma prema Thomsonu pretpostavlja uniformnu distribuciju elektrona. Ali to je bilo jasno proturječno promatranim pojavama.

Izuzetno rijetke, ali još uvijek su neke čestice letjele pod kutom od čak 180 °. Rutherford je bio u najdubljoj zbunjenosti. Uostalom, ovo je oštro proturječilo "pudingu", naboj u kojemu je trebao biti (prema Thomsonovoj teoriji) ravnomjerno raspoređen. Posljedično, nejednako nabijeni dijelovi koji bi mogli odbiti ionizirani helij trebali bi biti odsutni.

Kakvi su zaključci došli Rutherford?

Ove okolnosti potaknule su znanstvenika da misli da je atom praktički prazan, a samo u sredini postoji neka vrsta formacije s pozitivnim nabojem - jezgrom. Tako je bilo planetarni model atoma, čiji su postulati sljedeći:

• Kao što smo već rekli, u središnjem dijelu nalazi se jezgra, a njegov volumen (relativno prema veličini samog atoma) je zanemariv.
• Gotovo cijela atomska masa, kao i cijeli pozitivni naboj, nalazi se u jezgri.
• Elektroni se okreću oko nje. Važno je da je njihov broj jednak vrijednosti pozitivne naplate.

Paradokse teorije

Sve bi bilo u redu, ali ovaj model atoma ne objašnjava njihovu nevjerojatnu stabilnost ni na koji način. Treba imati na umu da se elektroni kreću u orbiti s velikim ubrzanjem. Prema svim zakonima elektrodinamike, takav bi objekt trebao izgubiti svoje napore s vremenom. Ako uzmete u obzir postulate Newtona i Maxwella, onda bi se elektroni trebali opskrbiti na jezgru, poput tuče na tlo.

Naravno, ništa poput ovoga ne događa se u stvarnosti. Bilo koji atom nije samo posve stabilan, ali može postojati apsolutno neograničeno vrijeme, i nikakvo zračenje neće proći. Ta je odstupanja zbog činjenice da nastojimo primijeniti zakone na mikro-svijet koji vrijede samo u odnosu na klasičnu mehaniku. Oni su, kako se ispostavilo, potpuno neprimjenjivi za fenomen atomske ljestvice. A zbog strukture atoma (kemije, 11 razreda), autori udžbenika pokušavaju jednostavno objasniti jednostavnim riječima.

Doktrina Bohra

Danski fizičar Niels Bohr je dokazano da je u mikrokozmosu ne može biti podložno istim zakonima, primjenjuju se odredbe koje vrijede za makroskopskih objekata. On je taj koji posjeduje ideju da se mikrokozmos "vodi" isključivo kvantnim zakonima. Naravno, tada nije bilo kvantna teorija sama po sebi, ali Bor zapravo počeo svoju pretka, izražavajući svoje misli u obliku tri postulata da je „spasio” atom, to bi neizbježno ubili, ako je „živio” u skladu s Rutherford teorije. Bila je to teorija Dane koja je činila osnovu svih kvantnih mehanika.

Posterati Bore

• Prvi od njih kaže: svaki atomski sustav može biti samo u posebnim atomskim stanjima, a za svaku od njih određena je vrijednost energije (E). Ako je stanje atoma stacionarno (mirno), onda ne može zračiti.
• Drugi postulat kaže da se emisija svjetlosne energije događa samo u slučaju prijelaza iz države s višom energijom na umjereniji. Prema tome, oslobođena energija je jednaka razlici vrijednosti između dva stacionarna stanja.

Model Niels Bohr atoma

Ova poluklasična teorija predložila je znanstvenik 1913. Važno je napomenuti da se ona temeljila na Rutherfordovom planetarnom modelu koji je nedugo prije njega opisao atom atoma. Već smo rekli da je klasična mehanika proturječila Rutherfordovim izračunima: od njega se pretpostavlja da se s vremenom mora elektrona nužno pasti na površinu atoma.

Da bi se "okrunio" ovu kontradikciju, znanstvenik je uveo posebnu pretpostavku. Njegova je suština bila da emitirajući energiju (koja bi trebala dovesti do njihova pada), elektroni mogu samo kretati na određenim orbitama. Premda ih se kreću duž drugih putanja, navodno kemijski atomi ostali su u pasivnom stanju. Prema Bohrovoj teoriji, te su orbite bile one čiji je kvantitativni zamah bio jednak Planckovim konstantama.

Kvantna teorija atomske strukture

Kao što smo već rekli, kvantna teorija strukture atoma trenutačno je u tijeku. Kemija posljednjih godina vodi isključivo njime. Temelji se na četiri fundamentalna aksioma.

1. Prvo, dualnost (corpuscular-wave nature) samog elektrona. Jednostavno rečeno, ova se čestica ponaša kao materijalni objekt (korpuscle), i kao val. Kao čestica ima određenu naboj i masu. Sposobnost difrakcije je povezana s elektronima s klasičnim valovima. Duljina ovog vala (lambda) i brzine čestice (v) mogu biti međusobno povezana posebnim de Broglie odnosom: lambda- = h / mv. Kao što znate, m je mase samog elektrona.

2. Potpuno je nemoguće mjeriti koordinatu i brzinu čestice apsolutnom točnošću. Što je točno određena koordinata, to je veća nesigurnost brzine. Kao, međutim, i obrnuto. Taj je fenomen zvao Heisenbergova nesigurnost koja se može izraziti kao sljedeći odnos: Δx ∙ m ∙ Δv> ˛ / 2. Delta X (Δx) izražava nesigurnost položaja koordinata u prostoru. Prema tome, delta V (Δv) prikazuje pogreške brzine.

3. Suprotno svim prethodno prevladavajućim mišljenjima, elektroni ne prolaze strogo definirane orbite, poput vlakova na tračnicama. Kvantna teorija kaže da elektron može biti bilo gdje u prostoru, ali vjerojatnost toga je različita za svaki segment.

Taj dio prostora oko same atomske jezgre, u kojem je ta vjerojatnost maksimalna, naziva se orbitalom. Moderna kemija proučava strukturu školjki atoma iz ove točke gledišta. Naravno, škole podučavaju pravilnu raspodjelu elektrona po razinama, ali, naizgled, u stvarnosti se divergiraju sasvim drukčije.

4. Jezgra atoma sastoji se od nukleona (protona i neutrona). Serijski broj elementa u periodičkom sustavu označava broj protona u svojoj jezgri, a zbroj protona i neutrona jednak je atomskoj masi. Ovo je način na koji kemija modernosti objašnjava strukturu atoma jezgre.

Osnivači kvantne mehanike

Napominjemo one znanstvenike koji su najviše doprinijeli razvoju takve važne industrije: francuski fizičar L. de Broglie, njemački W. Heisenberg, austrijski E. Schrödinger, Engleski P. Dirac. Svi su ovi ljudi naknadno dobili Nobelovu nagradu.

Koliko je dosegla kemija? Struktura atoma većina kemičara tih godina bila je vrlo jednostavna: mnogi su samo do 1947. konačno prepoznali stvarnost postojanja elementarnih čestica.

Neki zaključci

Općenito, stvaranje kvantne teorije nije bilo bez matematičara, budući da se svi ti procesi mogu izračunati samo pomoću složenih izračuna. Ali glavna poteškoća nije ovo. Ti procesi koji su opisani ovom teorijom nisu dostupni ne samo našim osjetilima, unatoč svim modernim znanstvenim tehnikama, već i imaginaciji.

Nitko uopće ni ne može zamisliti procese procesa u mikrokozmosu, budući da su potpuno različiti od svih onih fenomena koje promatramo u makrokozmosu. Samo pomislite: najnovija otkrića podrazumijevaju pretpostavku da quarks, neutrini i druge temeljne čestice postoje u devetdimenzionalnoj (!) Dimenziji. Kako osoba koja živi u trodimenzionalnom prostoru čak i grubo opisuje svoje ponašanje?

Trenutno se možemo osloniti samo na matematiku i moć suvremenih računala, koja će, možda, biti korištena za modeliranje mikrokozmosa. Kemijska kemija također puno pomaže: struktura atoma sigurno će se ponovno razmotriti nakon što su nedavno znanstvenici koji rade na ovom području izvijestili o otkriću nove vrste kemijske veze.

Suvremeni koncept strukture atoma

Ako pažljivo pročitate sve gore navedeno, onda sigurno možete sami reći što je trenutni pogled na strukturu atoma tvari. Ali još ćemo objasniti: to je pomalo modificirana teorija Rutherforda, nadopunjena neprocjenjivim postulatima Niels Bohr. Jednostavno rečeno, danas se vjeruje da se elektroni kreću uz kaotične, difuzne putanje blizu jezgre, koja se sastoji od neutrona i protona. Taj dio prostora oko njega, u kojem je izgled elektrona najvjerojatnije, naziva se orbitalom.

Još nije moguće točno reći kako će naše ideje o strukturi atoma promijeniti u budućnosti. Svaki dan znanstvenici rade na prodiranju u tajne mikro svijeta: LHC (The Large Collider), Nobelove nagrade u fizici - sve je to rezultat tih studija.

Ali čak ni sada ne dajemo približnu sliku onoga što se atomi još uvijek skrivaju. Jasno je samo da je sam atom u mjerilu mikro-svijeta ogromna stambena zgrada, u kojoj smo ispitivali samo prvi kat, pa čak i tada u potpunosti. Gotovo svake godine postoje izvještaji o mogućnosti otkrivanja sve više i više elementarnih čestica. Kada će proces proučavanja atoma biti potpuno dovršen, nitko danas ne može predvidjeti.

Dovoljno je reći da su se naše ideje o njima počele mijenjati tek od 1947. kada su otkrivene tzv. V-čestice. Prije toga, ljudi su samo blago produbili teorije na kojima se kemija temelji na 19. stoljeću. Struktura atoma je fascinantna zagonetka, najbolji su umovi čovječanstva uključeni u njegovo rješavanje.