Od obdobia staroveku do polovice 18. storočia vládla veda myšlienka, že atóm je častica hmoty, ktorú nemožno rozdeliť. Anglický vedec, ale aj prírodovedec D. D alton definovali atóm ako najmenšiu zložku chemického prvku. M. V. Lomonosov vo svojej atómovej a molekulárnej teórii dokázal definovať atóm a molekulu. Bol presvedčený, že molekuly, ktoré nazýval „telieska“, sa skladajú z „prvkov“– atómov – a sú v neustálom pohybe.
D. I. Mendelejev veril, že táto podjednotka látok, ktoré tvoria hmotný svet, si zachováva všetky svoje vlastnosti len vtedy, ak nie je podrobená separácii. V tomto článku budeme definovať atóm ako objekt mikrosveta a študovať jeho vlastnosti.
Predpoklady pre vytvorenie teórie štruktúry atómu
V 19. storočí bol výrok o nedeliteľnosti atómu všeobecne akceptovaný. Väčšina vedcov verila, že častice jedného chemického prvku sa za žiadnych okolností nemôžu zmeniť na atómy iného prvku. Tieto myšlienky slúžili ako základ, na ktorom bola založená definícia atómu až do roku 1932. Koncom 19. storočia urobila vedazásadné objavy, ktoré zmenili tento uhol pohľadu. Po prvé, v roku 1897 anglický fyzik J. J. Thomson objavil elektrón. Táto skutočnosť radikálne zmenila predstavy vedcov o nedeliteľnosti základnej časti chemického prvku.
Ako dokázať, že atóm je zložitý
Ešte pred objavom elektrónu sa vedci jednomyseľne zhodli, že atómy nemajú náboje. Potom sa zistilo, že elektróny sa ľahko uvoľňujú z akéhokoľvek chemického prvku. Možno ich nájsť v plameni, sú nosičmi elektrického prúdu, uvoľňujú ich látky pri emisii röntgenového žiarenia.
Ak sú však elektróny súčasťou všetkých atómov bez výnimky a sú negatívne nabité, potom sú v atóme nejaké ďalšie častice, ktoré musia mať nevyhnutne kladný náboj, inak by atómy neboli elektricky neutrálne. Na pomoc pri objasňovaní štruktúry atómu pomohol taký fyzikálny jav, akým je rádioaktivita. Poskytla správnu definíciu atómu vo fyzike a potom v chémii.
Neviditeľné lúče
Francúzsky fyzik A. Becquerel ako prvý opísal jav atómovej emisie určitých chemických prvkov, vizuálne neviditeľných lúčov. Ionizujú vzduch, prechádzajú látkami, spôsobujú sčernanie fotografických platní. Neskôr Curies a E. Rutherford zistili, že rádioaktívne látky sa premieňajú na atómy iných chemických prvkov (napríklad urán na neptúnium).
Rádioaktívne žiarenie má nehomogénne zloženie: alfa častice, beta častice, gama lúče. TakžeFenomén rádioaktivity teda potvrdil, že častice prvkov periodickej tabuľky majú zložitú štruktúru. Táto skutočnosť bola dôvodom zmien v definícii atómu. Z akých častíc pozostáva atóm vzhľadom na nové vedecké fakty získané Rutherfordom? Odpoveďou na túto otázku bol jadrový model atómu navrhnutý vedcom, podľa ktorého elektróny obiehajú okolo kladne nabitého jadra.
Rozpory s modelom Rutherford
Teória vedca napriek jej vynikajúcemu charakteru nedokázala objektívne definovať atóm. Jej závery boli v rozpore so základnými zákonmi termodynamiky, podľa ktorých všetky elektróny otáčajúce sa okolo jadra strácajú svoju energiu a nech je to akokoľvek, skôr či neskôr do nej musia spadnúť. Atóm je v tomto prípade zničený. To sa v skutočnosti nedeje, keďže chemické prvky a častice, z ktorých sa skladajú, existujú v prírode veľmi dlho. Takáto definícia atómu na základe Rutherfordovej teórie je nevysvetliteľná, rovnako ako jav, ktorý nastáva, keď horúce jednoduché látky prechádzajú cez difrakčnú mriežku. Výsledné atómové spektrá majú totiž lineárny tvar. To bolo v rozpore s Rutherfordovým modelom atómu, podľa ktorého mali byť spektrá spojité. Podľa konceptov kvantovej mechaniky sú v súčasnosti elektróny v jadre charakterizované nie ako bodové objekty, ale ako elektrónové oblaky.
Jeho najvyššia hustota v určitom mieste priestoru okolo jadra asa považuje za umiestnenie častice v danom časovom bode. Zistilo sa tiež, že elektróny v atóme sú usporiadané vo vrstvách. Počet vrstiev možno určiť tak, že poznáme číslo periódy, v ktorej sa prvok nachádza v periodickom systéme D. I. Mendelejeva. Napríklad atóm fosforu obsahuje 15 elektrónov a má 3 energetické úrovne. Indikátor, ktorý určuje počet úrovní energie, sa nazýva hlavné kvantové číslo.
Experimentálne sa zistilo, že elektróny na energetickej úrovni najbližšie k jadru majú najnižšiu energiu. Každý energetický obal je rozdelený na podúrovne a tie zase na orbitály. Elektróny umiestnené v rôznych orbitáloch majú rovnaký tvar oblaku (s, p, d, f).
Na základe vyššie uvedeného vyplýva, že tvar elektrónového oblaku nemôže byť ľubovoľný. Je striktne definovaný podľa orbitálneho kvantového čísla. Dodávame tiež, že stav elektrónu v makročastici určujú ďalšie dve hodnoty - magnetické a spinové kvantové čísla. Prvá je založená na Schrödingerovej rovnici a charakterizuje priestorovú orientáciu elektrónového oblaku na základe trojrozmernosti nášho sveta. Druhým indikátorom je spinové číslo, ktoré sa používa na určenie rotácie elektrónu okolo svojej osi v smere alebo proti smeru hodinových ručičiek.
Objav neutrónu
Vďaka práci D. Chadwicka, ktorú vykonal v roku 1932, bola daná nová definícia atómu v chémii a fyzike. Vo svojich experimentoch vedec dokázal, že pri štiepení polónia dochádza k žiareniu spôsobenémučastice, ktoré nemajú náboj, s hmotnosťou 1,008 665. Nová elementárna častica sa nazývala neutrón. Jeho objav a štúdium jeho vlastností umožnilo sovietskym vedcom V. Gaponovi a D. Ivanenkovi vytvoriť novú teóriu štruktúry atómového jadra obsahujúceho protóny a neutróny.
Podľa novej teórie bola definícia atómu hmoty nasledovná: je to štruktúrna jednotka chemického prvku, pozostávajúca z jadra obsahujúceho protóny a neutróny a okolo neho sa pohybujúce elektróny. Počet kladných častíc v jadre sa vždy rovná atómovému číslu chemického prvku v periodickom systéme.
Neskôr profesor A. Ždanov vo svojich experimentoch potvrdil, že vplyvom tvrdého kozmického žiarenia sa atómové jadrá štiepia na protóny a neutróny. Okrem toho sa dokázalo, že sily držiace tieto elementárne častice v jadre sú mimoriadne energeticky náročné. Operujú na veľmi krátke vzdialenosti (asi 10-23 cm) a nazývajú sa jadrové. Ako už bolo spomenuté, dokonca aj M. V. Lomonosov bol schopný poskytnúť definíciu atómu a molekuly na základe vedeckých faktov, ktoré sú mu známe.
V súčasnosti je všeobecne uznávaný nasledujúci model: atóm pozostáva z jadra a elektrónov, ktoré sa okolo neho pohybujú po presne definovaných trajektóriách – orbitáloch. Elektróny súčasne vykazujú vlastnosti častíc aj vĺn, to znamená, že majú duálnu povahu. Takmer všetka jeho hmota je sústredená v jadre atómu. Pozostáva z protónov a neutrónov viazaných jadrovými silami.
Dá sa atóm odvážiť
Ukazuje sa, že každý atóm máomša. Napríklad pre vodík je to 1,67 x 10-24g. Je dokonca ťažké si predstaviť, aká malá je táto hodnota. Na zistenie hmotnosti takéhoto predmetu nepoužívajú váhy, ale oscilátor, ktorým je uhlíková nanorúrka. Na výpočet hmotnosti atómu a molekuly je vhodnejšia hodnota relatívna hmotnosť. Ukazuje, koľkokrát je hmotnosť molekuly alebo atómu väčšia ako 1/12 atómu uhlíka, čo je 1,66x10-27 kg. Relatívne atómové hmotnosti sú dané v periodickom systéme chemických prvkov a nemajú jednotky.
Vedci si dobre uvedomujú, že atómová hmotnosť chemického prvku je priemerom hmotnostných čísel všetkých jeho izotopov. Ukazuje sa, že v prírode môžu mať jednotky jedného chemického prvku rôzne hmotnosti. Zároveň sú náboje jadier takýchto štruktúrnych častíc rovnaké.
Vedci zistili, že izotopy sa líšia v počte neutrónov v jadre a náboj ich jadier je rovnaký. Napríklad atóm chlóru s hmotnosťou 35 obsahuje 18 neutrónov a 17 protónov a s hmotnosťou 37 - 20 neutrónov a 17 protónov. Mnohé chemické prvky sú zmesou izotopov. Napríklad také jednoduché látky ako draslík, argón, kyslík obsahujú atómy predstavujúce 3 rôzne izotopy.
Definovanie atomicity
Má niekoľko výkladov. Zvážte, čo znamená tento výraz v chémii. Ak sú atómy akéhokoľvek chemického prvku schopné aspoň krátky čas existovať oddelene, bez snahy o vytvorenie zložitejšej častice - molekuly, potom hovoria, že takéto látky majúatómová štruktúra. Napríklad viacstupňová reakcia chlorácie metánu. Je široko používaný v chémii organickej syntézy na získanie najdôležitejších derivátov obsahujúcich halogén: dichlórmetán, tetrachlórmetán. Rozdeľuje molekuly chlóru na vysoko reaktívne atómy. Prerušujú sigma väzby v molekule metánu a poskytujú substitučnú reťazovú reakciu.
Ďalším príkladom chemického procesu veľkého významu v priemysle je použitie peroxidu vodíka ako dezinfekčného a bieliaceho prostriedku. Stanovenie atómového kyslíka ako produktu rozkladu peroxidu vodíka prebieha tak v živých bunkách (pôsobením enzýmu katalázy), ako aj v laboratórnych podmienkach. Atómový kyslík je kvalitatívne určený svojimi vysokými antioxidačnými vlastnosťami, ako aj schopnosťou ničiť patogény: baktérie, huby a ich spóry.
Ako funguje atómový obal
Už skôr sme zistili, že štruktúrna jednotka chemického prvku má zložitú štruktúru. Elektróny obiehajú okolo kladne nabitého jadra. Nositeľ Nobelovej ceny Niels Bohr na základe kvantovej teórie svetla vytvoril svoju doktrínu, v ktorej sú charakteristiky a definícia atómu nasledovné: elektróny sa pohybujú okolo jadra len po určitých stacionárnych trajektóriách, pričom energiu nevyžarujú. Bohrova doktrína dokázala, že častice mikrokozmu, ktoré zahŕňajú atómy a molekuly, sa neriadia zákonmi, ktoré sú spravodlivé.pre veľké telesá – makrokozmické objekty.
Štruktúra elektrónových obalov makročastíc bola študovaná v prácach o kvantovej fyzike takými vedcami ako Hund, Pauli, Klechkovsky. Tak sa stalo známe, že elektróny robia rotačné pohyby okolo jadra nie náhodne, ale pozdĺž určitých stacionárnych trajektórií. Pauli zistil, že v rámci jednej energetickej hladiny na každom z jej orbitálov s, p, d, f nemožno v elektronických článkoch nájsť viac ako dve záporne nabité častice s opačnými spinmi + ½ a - ½.
Hundovo pravidlo vysvetlilo, ako sú orbitály s rovnakou energetickou hladinou správne naplnené elektrónmi.
Klechkovského pravidlo, nazývané aj pravidlo n+l, vysvetlilo, ako sú vyplnené orbitály multielektrónových atómov (prvky s 5, 6, 7 periódami). Všetky vyššie uvedené vzorce slúžili ako teoretické zdôvodnenie systému chemických prvkov, ktorý vytvoril Dmitrij Mendelejev.
Oxidačný stav
Je to základný pojem v chémii a charakterizuje stav atómu v molekule. Moderná definícia oxidačného stavu atómov je nasledovná: ide o podmienený náboj atómu v molekule, ktorý sa vypočíta na základe predstavy, že molekula má iba iónové zloženie.
Stupeň oxidácie môže byť vyjadrený ako celé číslo alebo zlomkové číslo s kladnými, zápornými alebo nulovými hodnotami. Atómy chemických prvkov majú najčastejšie niekoľko oxidačných stavov. Napríklad dusík má -3, -2, 0, +1, +2, +3, +4, +5. Ale taký chemický prvok, ako je fluór, vo všetkomzlúčeniny majú iba jeden oxidačný stav, rovný -1. Ak je reprezentovaný jednoduchou látkou, potom jej oxidačný stav je nulový. Túto chemickú veličinu je vhodné použiť na klasifikáciu látok a na opis ich vlastností. Najčastejšie sa oxidačný stav atómu používa v chémii pri zostavovaní rovníc pre redoxné reakcie.
Vlastnosti atómov
Vďaka objavom kvantovej fyziky je moderná definícia atómu založená na teórii D. Ivanenka a E. Gapona doplnená o nasledujúce vedecké fakty. Štruktúra jadra atómu sa počas chemických reakcií nemení. Len stacionárne elektrónové orbitály podliehajú zmenám. Ich štruktúra môže vysvetliť veľa fyzikálnych a chemických vlastností látok. Ak elektrón opustí stacionárnu dráhu a dostane sa na dráhu s vyšším energetickým indexom, takýto atóm sa nazýva excitovaný.
Treba poznamenať, že elektróny nemôžu zostať v takýchto neobvyklých orbitáloch dlhú dobu. Po návrate na svoju stacionárnu dráhu vyžaruje elektrón kvantum energie. Štúdium takých charakteristík štruktúrnych jednotiek chemických prvkov, ako je elektrónová afinita, elektronegativita, ionizačná energia, umožnilo vedcom nielen definovať atóm ako najdôležitejšiu časticu mikrokozmu, ale tiež im umožnilo vysvetliť schopnosť atómov tvoriť. stabilný a energeticky priaznivejší molekulárny stav hmoty, možný vytvorením rôznych typov stabilných chemických väzieb: iónové, kovalentnépolárne a nepolárne, donor-akceptor (ako druh kovalentnej väzby) a kovové. Ten určuje najdôležitejšie fyzikálne a chemické vlastnosti všetkých kovov.
Experimentálne sa zistilo, že veľkosť atómu sa môže meniť. Všetko bude závisieť od toho, v ktorej molekule je zahrnutý. Vďaka röntgenovej difrakčnej analýze je možné vypočítať vzdialenosť medzi atómami v chemickej zlúčenine, ako aj zistiť polomer štruktúrnej jednotky prvku. Poznaním vzorcov zmien v polomeroch atómov zahrnutých v období alebo skupine chemických prvkov je možné predpovedať ich fyzikálne a chemické vlastnosti. Napríklad v obdobiach s nárastom náboja jadra atómov sa ich polomery zmenšujú („stlačenie atómu“), takže kovové vlastnosti zlúčenín sa oslabujú a nekovové sa zvyšujú.
Znalosť štruktúry atómu nám teda umožňuje presne určiť fyzikálne a chemické vlastnosti všetkých prvkov zahrnutých v periodickom systéme Mendelejeva.
