Mula sa panahon ng unang panahon hanggang sa kalagitnaan ng ika-18 siglo, ang agham ay pinangungunahan ng ideya na ang atom ay isang particle ng bagay na hindi maaaring hatiin. Ang Ingles na siyentipiko, gayundin ang naturalista na si D. D alton, ay tinukoy ang atom bilang ang pinakamaliit na bahagi ng isang elemento ng kemikal. M. V. Lomonosov sa kanyang atomic at molecular theory ay nagawang tukuyin ang atom at ang molekula. Kumbinsido siya na ang mga molekula, na tinawag niyang "corpuscles", ay binubuo ng "mga elemento" - mga atomo - at patuloy na gumagalaw.
D. Naniniwala si I. Mendeleev na ang subunit na ito ng mga sangkap na bumubuo sa materyal na mundo ay nagpapanatili lamang ng lahat ng mga katangian nito kung hindi ito napapailalim sa paghihiwalay. Sa artikulong ito, tutukuyin natin ang atom bilang isang bagay ng microworld at pag-aaralan ang mga katangian nito.
Mga kinakailangan para sa paglikha ng teorya ng istruktura ng atom
Noong ika-19 na siglo, ang pahayag tungkol sa indivisibility ng atom ay karaniwang tinatanggap. Karamihan sa mga siyentipiko ay naniniwala na ang mga particle ng isang elemento ng kemikal sa anumang pagkakataon ay hindi maaaring maging mga atomo ng isa pang elemento. Ang mga ideyang ito ay nagsilbing batayan kung saan ibinatay ang kahulugan ng atom hanggang 1932. Sa pagtatapos ng ika-19 na siglo, ginawa ang aghammga pangunahing pagtuklas na nagpabago sa pananaw na ito. Una sa lahat, noong 1897, natuklasan ng English physicist na si J. J. Thomson ang electron. Ang katotohanang ito ay radikal na nagbago sa mga ideya ng mga siyentipiko tungkol sa hindi pagkakaisa ng bumubuong bahagi ng isang kemikal na elemento.
Paano patunayan na ang atom ay kumplikado
Bago pa man matuklasan ang electron, nagkakaisang sumang-ayon ang mga siyentipiko na ang mga atomo ay walang singil. Pagkatapos ay natagpuan na ang mga electron ay madaling pinakawalan mula sa anumang elemento ng kemikal. Matatagpuan ang mga ito sa isang apoy, ang mga ito ay mga carrier ng electric current, sila ay inilalabas ng mga substance sa panahon ng X-ray emission.
Ngunit kung ang mga electron ay bahagi ng lahat ng mga atom nang walang pagbubukod at may negatibong sisingilin, kung gayon mayroong ilang iba pang mga particle sa atom na kinakailangang may positibong singil, kung hindi, ang mga atomo ay hindi magiging neutral sa kuryente. Upang makatulong na malutas ang istraktura ng atom, nakatulong ang isang pisikal na kababalaghan gaya ng radioactivity. Ibinigay nito ang tamang kahulugan ng atom sa pisika at pagkatapos ay sa kimika.
Invisible rays
French physicist na si A. Becquerel ang unang naglarawan sa phenomenon ng emission ng mga atoms ng ilang partikular na elemento ng kemikal, visually invisible rays. Ionize nila ang hangin, dumaan sa mga sangkap, nagiging sanhi ng pag-blackening ng mga photographic plate. Nang maglaon, natuklasan ng Curies at E. Rutherford na ang mga radioactive substance ay na-convert sa mga atom ng iba pang kemikal na elemento (halimbawa, uranium sa neptunium).
Ang radioactive radiation ay inhomogeneous sa komposisyon: mga alpha particle, beta particle, gamma ray. KayaKaya, ang kababalaghan ng radyaktibidad ay nakumpirma na ang mga particle ng mga elemento ng periodic table ay may isang kumplikadong istraktura. Ang katotohanang ito ang dahilan ng mga pagbabagong ginawa sa kahulugan ng atom. Anong mga particle ang binubuo ng isang atom, dahil sa mga bagong siyentipikong katotohanan na nakuha ni Rutherford? Ang sagot sa tanong na ito ay ang nuclear model ng atom na iminungkahi ng scientist, ayon sa kung saan ang mga electron ay umiikot sa isang positively charged nucleus.
Contradictions of the Rutherford model
Ang teorya ng siyentipiko, sa kabila ng namumukod-tanging katangian nito, ay hindi kayang tukuyin ang atom. Ang kanyang mga konklusyon ay sumalungat sa mga pangunahing batas ng thermodynamics, ayon sa kung saan ang lahat ng mga electron na umiikot sa paligid ng nucleus ay nawawalan ng kanilang enerhiya at, kahit na ano ito, maaga o huli ay dapat mahulog dito. Ang atom ay nawasak sa kasong ito. Hindi ito aktwal na nangyayari, dahil ang mga elemento ng kemikal at ang mga particle kung saan sila ay binubuo ay umiiral sa kalikasan sa napakahabang panahon. Ang gayong kahulugan ng atom, batay sa teorya ni Rutherford, ay hindi maipaliwanag, pati na rin ang kababalaghan na nangyayari kapag ang mga mainit na simpleng sangkap ay dumaan sa isang diffraction grating. Pagkatapos ng lahat, ang resultang atomic spectra ay may linear na hugis. Ito ay salungat sa modelo ng atom ni Rutherford, ayon sa kung saan ang spectra ay dapat na tuloy-tuloy. Ayon sa mga konsepto ng quantum mechanics, sa kasalukuyan, ang mga electron sa nucleus ay nailalarawan hindi bilang mga point object, ngunit bilang may anyo ng isang electron cloud.
Ang pinakamataas na density nito sa isang tiyak na lugar ng espasyo sa paligid ng nucleus atitinuturing na lokasyon ng particle sa isang naibigay na punto ng oras. Napag-alaman din na ang mga electron sa atom ay nakaayos sa mga layer. Ang bilang ng mga layer ay maaaring matukoy sa pamamagitan ng pag-alam sa bilang ng panahon kung saan ang elemento ay matatagpuan sa periodic system ng D. I. Mendeleev. Halimbawa, ang isang phosphorus atom ay naglalaman ng 15 electron at may 3 antas ng enerhiya. Ang indicator na tumutukoy sa bilang ng mga antas ng enerhiya ay tinatawag na pangunahing quantum number.
Napag-alaman sa eksperimento na ang mga electron ng antas ng enerhiya na pinakamalapit sa nucleus ay may pinakamababang enerhiya. Ang bawat shell ng enerhiya ay nahahati sa mga sublevel, at sila naman, sa mga orbital. Ang mga electron na matatagpuan sa iba't ibang orbital ay may parehong hugis na ulap (s, p, d, f).
Batay sa itaas, sumusunod na ang hugis ng electron cloud ay hindi maaaring basta-basta. Ito ay mahigpit na tinukoy ayon sa orbital quantum number. Idinagdag din namin na ang estado ng isang electron sa isang macroparticle ay tinutukoy ng dalawa pang halaga - magnetic at spin quantum number. Ang una ay batay sa Schrödinger equation at nailalarawan ang spatial na oryentasyon ng electron cloud batay sa three-dimensionality ng ating mundo. Ang pangalawang indicator ay ang spin number, ginagamit ito upang matukoy ang pag-ikot ng isang electron sa paligid ng axis nito clockwise o counterclockwise.
Pagtuklas ng neutron
Salamat sa gawain ni D. Chadwick, na isinagawa niya noong 1932, isang bagong kahulugan ng atom sa kimika at pisika ang ibinigay. Sa kanyang mga eksperimento, pinatunayan ng siyentipiko na sa panahon ng paghahati ng polonium, nangyayari ang radiation, sanhi ngmga particle na walang charge, na may mass na 1.008665. Ang bagong elementary particle ay tinawag na neutron. Ang pagtuklas at pag-aaral ng mga katangian nito ay nagbigay-daan sa mga siyentipikong Sobyet na sina V. Gapon at D. Ivanenko na lumikha ng bagong teorya ng istruktura ng atomic nucleus na naglalaman ng mga proton at neutron.
Ayon sa bagong teorya, ang kahulugan ng isang atom ng bagay ay ang mga sumusunod: ito ay isang istrukturang yunit ng isang elemento ng kemikal, na binubuo ng isang nucleus na naglalaman ng mga proton at neutron at mga electron na gumagalaw sa paligid nito. Ang bilang ng mga positibong particle sa nucleus ay palaging katumbas ng atomic number ng chemical element sa periodic system.
Nang maglaon, kinumpirma ni Propesor A. Zhdanov sa kanyang mga eksperimento na sa ilalim ng impluwensya ng hard cosmic radiation, nahati ang atomic nuclei sa mga proton at neutron. Bilang karagdagan, napatunayan na ang mga puwersang humahawak sa mga elementarya na particle na ito sa nucleus ay lubhang masinsinang enerhiya. Gumagana ang mga ito sa napakaikling distansya (mga 10-23 cm) at tinatawag na nuclear. Gaya ng nabanggit kanina, kahit si M. V. Lomonosov ay nakapagbigay ng kahulugan ng isang atom at isang molekula batay sa mga siyentipikong katotohanan na alam niya.
Sa kasalukuyan, ang sumusunod na modelo ay karaniwang kinikilala: ang isang atom ay binubuo ng isang nucleus at mga electron na gumagalaw sa paligid nito kasama ang mahigpit na tinukoy na mga trajectory - mga orbital. Ang mga electron ay sabay-sabay na nagpapakita ng mga katangian ng parehong mga particle at wave, iyon ay, mayroon silang dalawahang kalikasan. Halos lahat ng masa nito ay puro sa nucleus ng isang atom. Binubuo ito ng mga proton at neutron na nakagapos ng mga puwersang nuklear.
Maaari bang timbangin ang isang atom
Lumalabas na ang bawat atom ay mayroonmisa. Halimbawa, para sa hydrogen ito ay 1.67x10-24g. Kahit na mahirap isipin kung gaano kaliit ang halagang ito. Upang mahanap ang bigat ng naturang bagay, hindi sila gumagamit ng mga kaliskis, ngunit isang oscillator, na isang carbon nanotube. Upang kalkulahin ang bigat ng isang atom at isang molekula, ang isang mas maginhawang halaga ay ang kamag-anak na masa. Ipinapakita nito kung gaano karaming beses ang bigat ng isang molekula o atom ay mas malaki kaysa sa 1/12 ng isang carbon atom, na 1.66x10-27 kg. Ang mga relatibong masa ng atom ay ibinibigay sa periodic system ng mga elemento ng kemikal, at wala silang mga unit.
Alam na alam ng mga siyentipiko na ang atomic mass ng isang kemikal na elemento ay ang average ng mass number ng lahat ng isotopes nito. Lumalabas na sa kalikasan, ang mga yunit ng isang elemento ng kemikal ay maaaring magkaroon ng iba't ibang masa. Kasabay nito, ang mga singil ng nuclei ng naturang mga structural particle ay pareho.
Natuklasan ng mga siyentipiko na ang isotopes ay naiiba sa bilang ng mga neutron sa nucleus, at ang singil ng kanilang nuclei ay pareho. Halimbawa, ang isang chlorine atom na may mass na 35 ay naglalaman ng 18 neutron at 17 proton, at may mass na 37 - 20 neutron at 17 proton. Maraming mga kemikal na elemento ang pinaghalong isotopes. Halimbawa, ang mga simpleng substance gaya ng potassium, argon, oxygen ay naglalaman ng mga atom na kumakatawan sa 3 magkakaibang isotopes.
Pagtukoy sa atomicity
Ito ay may ilang mga interpretasyon. Isaalang-alang kung ano ang ibig sabihin ng terminong ito sa kimika. Kung ang mga atomo ng anumang elemento ng kemikal ay maaaring umiral nang hiwalay kahit man lang sa maikling panahon, nang hindi nagsusumikap na bumuo ng isang mas kumplikadong butil - isang molekula, kung gayon sinasabi nila na ang mga naturang sangkap ay mayestraktura ng mga atom. Halimbawa, isang multi-stage na reaksyon ng methane chlorination. Ito ay malawakang ginagamit sa chemistry ng organic synthesis upang makuha ang pinakamahalagang halogen-containing derivatives: dichloromethane, carbon tetrachloride. Hinahati nito ang mga molekula ng klorin sa mga napaka-reaktibong atomo. Sinisira nila ang mga sigma bond sa methane molecule, na nagbibigay ng substitution chain reaction.
Ang isa pang halimbawa ng proseso ng kemikal na napakahalaga sa industriya ay ang paggamit ng hydrogen peroxide bilang disinfectant at bleach. Ang pagpapasiya ng atomic oxygen, bilang isang produkto ng pagkasira ng hydrogen peroxide, ay nangyayari kapwa sa mga buhay na selula (sa ilalim ng pagkilos ng catalase enzyme) at sa mga kondisyon ng laboratoryo. Ang atomic oxygen ay qualitatively na tinutukoy sa pamamagitan ng mataas na antioxidant properties nito, gayundin sa kakayahan nitong sirain ang mga pathogenic agent: bacteria, fungi at kanilang mga spores.
Paano gumagana ang atomic shell
Nalaman na natin kanina na ang structural unit ng isang chemical element ay may kumplikadong structure. Ang mga electron ay umiikot sa isang positibong sisingilin na nucleus. Ang nagwagi ng Nobel Prize na si Niels Bohr, batay sa quantum theory ng liwanag, ay lumikha ng kanyang doktrina, kung saan ang mga katangian at kahulugan ng isang atom ay ang mga sumusunod: ang mga electron ay gumagalaw sa paligid ng nucleus lamang sa ilang mga nakatigil na tilapon, habang hindi sila nagpapalabas ng enerhiya. Pinatunayan ng doktrina ni Bohr na ang mga particle ng microcosm, na kinabibilangan ng mga atom at molekula, ay hindi sumusunod sa mga batas na patas.para sa malalaking katawan - mga macrocosmic na bagay.
Ang istraktura ng mga electron shell ng macroparticle ay pinag-aralan sa mga gawa sa quantum physics ng mga siyentipiko tulad nina Hund, Pauli, Klechkovsky. Kaya naging kilala na ang mga electron ay gumagawa ng mga rotational na paggalaw sa paligid ng nucleus hindi random, ngunit kasama ang ilang mga nakatigil na tilapon. Nalaman ni Pauli na sa loob ng isang antas ng enerhiya sa bawat s, p, d, f orbital nito, hindi hihigit sa dalawang negatibong sisingilin na mga particle na may magkasalungat na spin + ½ at - ½ ang makikita sa mga electronic cell.
Ipinaliwanag ng panuntunan ni Hund kung paano wastong napupunan ng mga electron ang mga orbital na may parehong antas ng enerhiya.
Ang panuntunan ni Klechkovsky, na tinatawag ding n+l na panuntunan, ay ipinaliwanag kung paano napupuno ang mga orbital ng multielectron atoms (mga elemento ng 5, 6, 7 period). Ang lahat ng mga pattern sa itaas ay nagsilbing teoretikal na katwiran para sa sistema ng mga elemento ng kemikal na nilikha ni Dmitry Mendeleev.
Oxidation state
Ito ay isang pangunahing konsepto sa chemistry at nagpapakilala sa estado ng isang atom sa isang molekula. Ang modernong kahulugan ng estado ng oksihenasyon ng mga atomo ay ang mga sumusunod: ito ang kondisyonal na singil ng isang atom sa isang molekula, na kinakalkula batay sa paniwala na ang molekula ay mayroon lamang isang ionic na komposisyon.
Ang antas ng oksihenasyon ay maaaring ipahayag bilang isang integer o fractional na numero, na may positibo, negatibo o zero na mga halaga. Kadalasan, ang mga atomo ng mga elemento ng kemikal ay may ilang mga estado ng oksihenasyon. Halimbawa, ang nitrogen ay mayroong -3, -2, 0, +1, +2, +3, +4, +5. Ngunit tulad ng isang kemikal na elemento bilang fluorine, sa lahat nitoAng mga compound ay mayroon lamang isang estado ng oksihenasyon, katumbas ng -1. Kung ito ay kinakatawan ng isang simpleng sangkap, kung gayon ang estado ng oksihenasyon nito ay zero. Ang dami ng kemikal na ito ay maginhawang gamitin para sa pag-uuri ng mga sangkap at para sa paglalarawan ng kanilang mga katangian. Kadalasan, ang oxidation state ng isang atom ay ginagamit sa chemistry kapag nag-compile ng mga equation para sa redox reactions.
Mga katangian ng mga atom
Salamat sa mga pagtuklas ng quantum physics, ang modernong kahulugan ng atom, batay sa teorya ni D. Ivanenko at E. Gapon, ay dinagdagan ng mga sumusunod na siyentipikong katotohanan. Ang istraktura ng nucleus ng isang atom ay hindi nagbabago sa panahon ng mga kemikal na reaksyon. Tanging ang mga nakatigil na orbital ng elektron lamang ang maaaring magbago. Ang kanilang istraktura ay maaaring ipaliwanag ang maraming pisikal at kemikal na mga katangian ng mga sangkap. Kung ang isang electron ay umalis sa isang nakatigil na orbit at pumunta sa isang orbit na may mas mataas na index ng enerhiya, ang naturang atom ay tinatawag na excited.
Dapat tandaan na ang mga electron ay hindi maaaring manatili sa mga hindi pangkaraniwang orbital sa loob ng mahabang panahon. Pagbabalik sa nakatigil na orbit nito, ang elektron ay naglalabas ng dami ng enerhiya. Ang pag-aaral ng naturang mga katangian ng mga istrukturang yunit ng mga elemento ng kemikal bilang electron affinity, electronegativity, ionization energy, ay nagpapahintulot sa mga siyentipiko na hindi lamang tukuyin ang atom bilang ang pinakamahalagang particle ng microcosm, ngunit pinahintulutan din silang ipaliwanag ang kakayahan ng mga atom na bumuo isang matatag at energetically mas paborableng molecular state of matter, posible dahil sa paglikha ng iba't ibang uri ng stable chemical bond: ionic, covalentpolar at non-polar, donor-acceptor (bilang isang uri ng covalent bond) at metal. Tinutukoy ng huli ang pinakamahalagang pisikal at kemikal na katangian ng lahat ng metal.
Napag-eksperimentong itinatag na ang laki ng isang atom ay maaaring magbago. Ang lahat ay depende sa kung aling molekula ito kasama. Salamat sa pagsusuri ng X-ray diffraction, posibleng kalkulahin ang distansya sa pagitan ng mga atomo sa isang compound ng kemikal, pati na rin upang malaman ang radius ng yunit ng istruktura ng elemento. Ang pag-alam sa mga pattern ng pagbabago sa radii ng mga atomo na kasama sa isang panahon o grupo ng mga elemento ng kemikal, posibleng mahulaan ang kanilang pisikal at kemikal na mga katangian. Halimbawa, sa mga panahong may pagtaas sa singil ng nucleus ng mga atomo, bumababa ang kanilang radii (“compression ng atom”), kaya humihina ang mga katangian ng metal ng mga compound, at tumataas ang mga di-metal.
Kaya, ang kaalaman sa istruktura ng atom ay nagbibigay-daan sa amin na tumpak na matukoy ang pisikal at kemikal na mga katangian ng lahat ng elementong kasama sa periodic system ng Mendeleev.
