Визначення атома і молекули. Визначення атома до 1932 року
Починаючи від періоду античності і до середини 18-го століття в науці панували уявлення про те, що атом - це частинка матерії, яку не можна розділити. Англійський учений, а також і натураліст Д. Дальтон дав визначення атома як найменшої складової частини хімічного елемента. М. В. Ломоносов у своєму атомно-молекулярному вченні зміг дати визначення атома і молекули. Він був упевнений в тому, що молекули, які він називав «корпускулами», складаються з «елементів» - атомів - і знаходяться в постійному русі.
Д. І. Менделєєв вважав, що ця субодиниця речовин, що складають матеріальний світ, зберігає всі свої властивості тільки в разі, якщо вона не піддається поділу. У даній статті ми дамо визначення атома як об`єкта мікросвіту і вивчимо його властивості.
Передумови створення теорії будови атома
У 19 столітті загальновизнаним вважалося твердження про неподільність атома. Більшість вчених вважали, що частинки одного хімічного елемента ні за яких умов не можуть перетворитися в атоми іншого елемента. Ці уявлення були основою, на якій базувалося визначення атома до 1932 року. В кінці 19 століття в науці були зроблені фундаментальні відкриття, які змінили цю точку зору. Перш за все в 1897 році англійським фізиком Д. Ж. Томсоном був відкритий електрон. Цей факт в корені міняв уявлення вчених про неподільність складової частини хімічного елемента.
Відео: Валентність. Частина 1. Вчимося визначати валентність елементів за формулами.
Як довести, що атом складно влаштований
ще до відкриття електрона вчені одностайно сходилися на думці про те, що атоми не мають зарядів. Потім було встановлено, що електрони легко виділяються з якого завгодно хімічного елемента. Їх можна виявити в полум`я, вони є переносниками електричного струму, їх виділяють речовини під час рентгенівського випромінювання.
Але якщо електрони входять до складу всіх без винятку атомів і заряджені негативно, значить, в атомі є ще якісь частинки, які обов`язково мають позитивний заряд, в іншому випадку атоми не були б електронейтральних. Допомогти розгадати будову атома допомогло таке фізичне явище, як радіоактивність. Воно дало правильно визначення атома у фізиці, а потім і в хімії.
невидимі промені
Французьким фізиком А. Беккерелем було вперше описано явище випускання атомами деяких хімічних елементів, візуально невидимих променів. Вони іонізують повітря, проходять через речовини, викликають почорніння фотопластинок. Пізніше подружжя Кюрі і Е. Резерфорд встановили, що радіоактивні речовини перетворюються в атоми інших хімічних елементів (наприклад, уран - в нептуній).
Радіоактивне випромінювання неоднорідне за складом: альфа-частинки, бета-частинки, гамма-промені. Таким чином, явище радіоактивності підтвердило, що частинки елементів таблиці Менделєєва мають складну будову. Цей факт послужив причиною змін, внесених в визначення атома. З яких частинок складається атом, якщо враховувати отримані Резерфордом нові наукові факти? Відповіддю на це питання стала запропонована вченим ядерна модель атома, згідно з якою навколо позитивно-зарядженого ядра обертаються електрони.
Протиріччя моделі Резерфорда
Теорія вченого, незважаючи на її видатний характер, не змогла об`єктивно дати визначення атома. Її висновки йшли врозріз з фундаментальними законами термодинаміки, згідно з якими всі електрони, що обертаються навколо ядра, втрачають свою енергію і, як би там не було, рано чи пізно повинні впасти на нього. Атом в цьому випадку руйнується. Цього насправді не відбувається, так як хімічні елементи і частинки, з яких вони складаються, існують в природі дуже довго. Небесним таке визначення атома, що базуються на теорії Резерфорда, так само як і явище, що виникає при пропущенні розпечених простих речовин через дифракційну решітку. Адже утворюються при цьому атомні спектри мають лінійну форму. Це вступало в протиріччя з Резерфордовского моделлю атома, згідно з якою спектри повинні були б бути суцільними. Згідно з уявленнями квантової механіки, в даний час електрони характеризуються в ядрі не як точкові об`єкти, а як такі, що вид електронної хмари.
Відео: АТОМИ І МОЛЕКУЛИ. Історія атомістики. Френсіс Бекон і П`єр Гассенді. АЛЛАТРА НАУКА. №13
Найбільша його щільність в певному локусі простору навколо ядра і вважається місцем розташування частки в даний момент часу. Також було з`ясовано, що в атомі електрони розташовані пошарово. Кількість шарів можна визначити, знаючи номер періоду, в якому знаходиться елемент в періодичній системі Д. І. Менделєєва. Наприклад, атом фосфору містить 15 електроном і має 3 енергетичних рівня. Показник, що визначає кількість енергетичних рівнів, називають головним квантовим числом.
Експериментально було встановлено, що електрони енергетичного рівня, розташованого найближче до ядра, мають найменшу енергію. Кожна енергетична оболонка ділиться на підрівні, а вони, в свою чергу, на орбіталі. Електрони, розташовані на різних орбіталях, мають рівну форму хмари (s, p, d, f).
Виходячи з вищесказаного випливає, що форма електронної хмари не може бути довільною. Вона строго визначена згідно орбітального квантового числа. Додамо ще й те, що стан електрона в макрочастки визначається ще двома значеннями - магнітним і спіновим квантовими числами. Перше базується на рівнянні Шредінгера і характеризує просторову орієнтацію електронної хмари виходячи з тривимірності нашого світу. Другий показник - спіновий число, по ньому визначають обертання електрона навколо своєї осі по або проти годинникової стрілки.
відкриття нейтрона
Завдяки роботам Д. Чедвіка, проведеним ним у 1932 році, було дано нове визначення атома в хімії та фізики. У своїх дослідах вчений довів, що при розщепленні полонію виникає випромінювання, викликане частинками, які не мають заряду, з масою 1,008665. Нова елементарна частинка була названа нейтроном. Її відкриття та вивчення її властивостей дозволило радянським ученим В. Гапону і Д. Іваненко створити нову теорію будови атомного ядра, що містить протони і нейтрони.
Відео: Атом. Битва титанів (1 серія з 3)
Згідно нової теорії, визначення атома речовини мало такий вигляд: це структурна одиниця хімічного елемента, що складається з ядра, що містить протони і нейтрони і електронів, що рухаються навколо нього. Число позитивних частинок в ядрі завжди дорівнює порядковому номеру хімічного елемента в періодичній системі.
Надалі професор А. Жданов в своїх дослідах підтвердив, що під впливом жорсткого космічного випромінювання атомні ядра розщеплюються на протони і нейтрони. Крім цього, було доведено, що сили, які утримують ці елементарні частинки в ядрі, надзвичайно енергоємні. Вони діють на дуже коротких відстанях (порядку 10-23 см) і називаються ядерними. Як було сказано раніше, ще М. В. Ломоносов зміг дати визначення атома і молекули виходячи з відомих йому наукових фактів.
В даний час загальновизнаною вважають таку модель: атом складається з ядра і електронів, що рухаються навколо нього по строго певних траєкторіях - орбиталям. Електрони одночасно виявляють властивості і частки, і хвилі, тобто, мають дуальну природу. В ядрі атома зосереджена практично вся його маса. Вона складається з протонів і нейтронів, пов`язаних ядерними силами.
Чи можна зважити атом
Виявляється, кожен атом має масу. Наприклад, у гідрогену вона дорівнює 1,67х10-24 м Навіть важко уявити наскільки мала ця величина. Щоб знайти вага такого об`єкта, використовують не ваги, а осцилятор, який представляє собою вуглецеву нанотрубку. Для розрахунку ваги атома і молекули більш зручною величиною є відносна маса. Вона показує, у скільки разів вага молекули або атома більше ніж 1/12 частина атома карбону, яка становить 1,66х10-27 кг. Відносні атомні маси вказані в періодичній системі хімічних елементів, і вони не мають розмірності.
Вчені добре знають, що атомна маса хімічного елемента - це середня величина масових чисел всіх його ізотопів. Виявляється, в природі одиниці одного хімічного елемента можуть мати різні маси. При цьому заряди ядер таких структурних частинок однакові.
Вченими встановлено, що ізотопи відрізняються між собою кількістю нейтронів в ядрі, а заряд ядер у них однаковий. Наприклад, у атома хлору, що має масу 35 міститься 18 нейтронів і 17 протонів, а з масою 37 - 20 нейтронів і 17 протонів. Багато хімічні елементи являють собою суміші ізотопів. Наприклад, такі прості речовини, як калій, аргон, кисень містять в своєму складі атоми, що представляють 3 різних ізотопу.
визначення атомарности
Воно має кілька трактувань. Розглянемо, що розуміють під цим терміном в хімії. Якщо атоми будь-якого хімічного елемента здатні хоча б на короткий час існувати відокремлено, не прагнучи до утворення більш складної частинки - молекули, то кажуть, що такі речовини мають атомарний будову. Наприклад, многостадийная реакція хлорування метану. Вона широко застосовується в хімії органічного синтезу для отримання найважливіших галогеносодержащих похідних: дихлорметана, чотирихлористого вуглецю. У ній відбувається розщеплення молекул хлору на атоми, що володіють високою реакційною здатністю. Вони руйнують сигма-зв`язку в молекулі метану, забезпечуючи ланцюгову реакцію заміщення.
Ще один приклад хімічного процесу, що має велике значення в промисловості - використання пероксиду водню в якості дезинфікуючого і відбілюючого кошти. Визначення атомарного кисню, як продукту розщеплення перекису водню, відбувається як в живих клітинах (під дією ферменту каталази), так і в лабораторних умовах. атомарний кисень якісно визначають по його високим антиоксидантним властивостям, а також по можливості руйнувати патогенні агенти: бактерії, гриби і їх спори.
Як влаштована атомна оболонка
Нами було вже з`ясовано раніше, що структурна одиниця хімічного елемента має складну будову. Навколо позитивно-зарядженого ядра обертаються негативні частинки електрони. Лауреат Нобелівської премії Нільс Бор, грунтуючись на квантової теорії світла, створив своє вчення, в якому характеристика та визначення атома мають такий вигляд: електрони рухаються навколо ядра тільки по певних стаціонарним траєкторіях, при цьому не випромінюють енергію. Вчення Бора довело, що частинки мікросвіту, до яких відносяться атоми і молекули, що не підпадають під дію законів, справедливим для великих тіл - об`єктів макрокосмосу.
Будова електронних оболонок макрочасток було вивчено в роботах по квантовій фізиці таких вчених, як Хунд, Паулі, Клечковского. Так стало відомо, що електрони роблять обертальні рухи навколо ядра не хаотично, а за певними стаціонарним траєкторіях. Паулі встановив, що в межах одного енергетичного рівня на кожній з його орбіталей s, p, d, f в електронних осередках може перебувати не більше двох негативно заряджених частинок з протилежним значенням спина + ½- і - ½-.
Правила Гунда пояснило, як правильно заповнюються електронами орбіталі з однаковим рівнем енергії.
Правило Клечковского, яку ще називають правилом n + l, пояснило, як заповнюються орбіталі багатоелектронних атомів (елементів 5, 6, 7 періодів). Всі перераховані вище закономірності послужили теоретичним обгрунтуванням системи хімічних елементів, створеної Дмитром Менделєєвим.
Ступінь окислення
Вона є фундаментальним поняттям в хімії і характеризує стан атома в молекулі. Сучасне визначення ступеня окислення атомів звучить наступним чином: це умовний заряд атома в молекулі, який розраховують виходячи з уявлень, що молекула має тільки іонний склад.
Ступінь окислювання може виражатися цілим або дробовим числом, з позитивним, негативним або нульовим значеннями. Найчастіше атоми хімічних елементів мають кілька ступенів окислення. Наприклад, у азоту це -3, -2, 0, +1, +2, +3, +4, +5. А ось такий хімічний елемент, як фтор, у всіх своїх сполуках має тільки одну ступінь окислення, рівну -1. Якщо він представлений простим речовиною, то його ступінь окислення дорівнює нулю. Цією хімічної величиною зручно користуватися для класифікації речовин і для опису їх властивостей. Найчастіше ступенем окислення атома користуються в хімії при складанні рівнянь окисно-відновних реакцій.
властивості атомів
Завдяки відкриттям квантової фізики, сучасне визначення атома, що базується на теорії Д. Іваненко і Е. Гапона, доповнюється такими науковими фактами. Будова ядра атома не змінюється під час хімічних реакцій. Зміні піддаються тільки стаціонарні електронні орбіталі. Їх будовою можна пояснити дуже багато фізичних і хімічних властивостей речовин. Якщо електрон залишає стаціонарну орбіту і переходить на орбіталь з більш високим показником енергії, такий атом називається збудженим.
Потрібно відзначити, що електрони не можуть тривалий час перебувати на таких невластивих їм орбиталях. Повертаючись на свою стаціонарну орбіту, електрон випромінює квант енергії. Вивчення таких характеристик структурних одиниць хімічних елементів, як спорідненість до електрона, електронегативність, енергія іонізації, дозволило вченим не тільки дати визначення атома, як найважливішої частці мікросвіту, але також дозволило їм пояснити здатність атомів утворювати стійке і енергетично більш вигідне молекулярне стан матерії, можливе внаслідок створення різних типів стійкою хімічного зв`язку: іонної, ковалентно-полярної і неполярний, донорно-акцепторної (як різновиду ковалентного зв`язку) і металевої. Остання обумовлює найважливіші фізичні і хімічні властивості всіх металів.
Експериментально встановлено, що розмір атома може змінюватися. Все буде залежати від того, в яку молекулу він входить. Завдяки рентгеноструктурному аналізу можна розрахувати відстань між атомами в хімічній сполуці, а також дізнатися радіус структурної одиниці елемента. Володіючи закономірностями зміни радіусів атомів, що входять в період або в групу хімічних елементів, можна спрогнозувати їх фізичні та хімічні властивості. Наприклад, в періодах зі збільшенням заряду ядра атомів їх радіуси зменшуються ( «стиснення атома»), тому металеві властивості з`єднань слабшають, а неметалічні посилюються.
Таким чином, знання про будову атома дозволяють точно визначити фізичні і хімічні властивості всіх елементів, що входять в періодичну систему Менделєєва.
