Dari zaman purba hingga pertengahan abad ke-18, sains dikuasai oleh idea bahawa atom ialah zarah jirim yang tidak boleh dibahagikan. Saintis Inggeris, serta naturalis D. D alton, mendefinisikan atom sebagai komponen terkecil unsur kimia. M. V. Lomonosov dalam teori atom dan molekulnya dapat mentakrifkan atom dan molekul. Dia yakin bahawa molekul-molekul itu, yang dipanggilnya "korpuskel", terdiri daripada "elemen" - atom - dan sentiasa bergerak.
D. I. Mendeleev percaya bahawa subunit bahan yang membentuk dunia material ini mengekalkan semua sifatnya hanya jika ia tidak tertakluk kepada pemisahan. Dalam artikel ini, kami akan mentakrifkan atom sebagai objek dunia mikro dan mengkaji sifatnya.
Prasyarat untuk penciptaan teori struktur atom
Pada abad ke-19, pernyataan tentang ketakbolehbahagiaan atom telah diterima umum. Kebanyakan saintis percaya bahawa zarah satu unsur kimia dalam apa jua keadaan tidak boleh bertukar menjadi atom unsur lain. Idea-idea ini menjadi asas di mana takrifan atom berdasarkan sehingga tahun 1932. Pada akhir abad ke-19, sains membuatpenemuan asas yang mengubah sudut pandangan ini. Pertama sekali, pada tahun 1897, ahli fizik Inggeris J. J. Thomson menemui elektron. Fakta ini secara radikal mengubah idea saintis tentang ketakbolehbahagiaan bahagian konstituen unsur kimia.
Bagaimana untuk membuktikan bahawa atom adalah kompleks
Malah sebelum penemuan elektron, saintis sebulat suara bersetuju bahawa atom tidak mempunyai cas. Kemudian didapati bahawa elektron mudah dibebaskan daripada sebarang unsur kimia. Ia boleh ditemui dalam nyalaan, ia adalah pembawa arus elektrik, ia dilepaskan oleh bahan semasa pancaran sinar-X.
Tetapi jika elektron adalah sebahagian daripada semua atom tanpa pengecualian dan bercas negatif, maka terdapat beberapa zarah lain dalam atom yang semestinya mempunyai cas positif, jika tidak, atom tidak akan neutral secara elektrik. Untuk membantu membongkar struktur atom, fenomena fizikal seperti radioaktiviti telah membantu. Ia memberikan takrifan atom yang betul dalam fizik dan kemudian dalam kimia.
Sinar tidak kelihatan
Ahli fizik Perancis A. Becquerel ialah orang pertama yang menerangkan fenomena pelepasan oleh atom unsur kimia tertentu, sinar yang tidak kelihatan secara visual. Mereka mengionkan udara, melalui bahan, menyebabkan plat fotografi menjadi hitam. Kemudian, Curies dan E. Rutherford mendapati bahawa bahan radioaktif ditukar kepada atom unsur kimia lain (contohnya, uranium kepada neptunium).
Sinaran radioaktif tidak homogen dalam komposisi: zarah alfa, zarah beta, sinar gamma. JadiOleh itu, fenomena radioaktiviti mengesahkan bahawa zarah unsur-unsur jadual berkala mempunyai struktur yang kompleks. Fakta ini adalah sebab kepada perubahan yang dibuat kepada takrifan atom. Apakah zarah yang terdiri daripada atom, memandangkan fakta saintifik baru yang diperoleh oleh Rutherford? Jawapan kepada soalan ini ialah model nuklear atom yang dicadangkan oleh saintis, mengikut mana elektron berputar mengelilingi nukleus bercas positif.
Percanggahan model Rutherford
Teori saintis, walaupun wataknya yang luar biasa, tidak dapat mentakrifkan atom secara objektif. Kesimpulannya bertentangan dengan undang-undang asas termodinamik, mengikut mana semua elektron yang beredar mengelilingi nukleus kehilangan tenaga mereka dan, walau bagaimanapun, lambat laun mesti jatuh ke dalamnya. Atom dimusnahkan dalam kes ini. Ini sebenarnya tidak berlaku, kerana unsur-unsur kimia dan zarah-zarah yang terdiri daripadanya wujud dalam alam semula jadi untuk masa yang sangat lama. Takrifan atom sedemikian, berdasarkan teori Rutherford, tidak dapat diterangkan, serta fenomena yang berlaku apabila bahan mudah panas dilalui melalui kisi pembelauan. Lagipun, spektrum atom yang terhasil mempunyai bentuk linear. Ini bercanggah dengan model atom Rutherford, yang menurutnya spektrum sepatutnya berterusan. Menurut konsep mekanik kuantum, pada masa ini, elektron dalam nukleus dicirikan bukan sebagai objek titik, tetapi mempunyai bentuk awan elektron.
Ketumpatan tertinggi dalam lokus ruang tertentu di sekeliling nukleus dandianggap sebagai lokasi zarah pada masa tertentu. Didapati juga bahawa elektron dalam atom tersusun dalam lapisan. Bilangan lapisan boleh ditentukan dengan mengetahui bilangan tempoh di mana unsur itu terletak dalam sistem berkala D. I. Mendeleev. Sebagai contoh, atom fosforus mengandungi 15 elektron dan mempunyai 3 tahap tenaga. Penunjuk yang menentukan bilangan aras tenaga dipanggil nombor kuantum utama.
Telah didapati secara eksperimen bahawa elektron paras tenaga yang paling hampir dengan nukleus mempunyai tenaga yang paling rendah. Setiap cengkerang tenaga dibahagikan kepada subperingkat, dan mereka pula, menjadi orbital. Elektron yang terletak dalam orbital berbeza mempunyai bentuk awan yang sama (s, p, d, f).
Berdasarkan perkara di atas, ia menunjukkan bahawa bentuk awan elektron tidak boleh sewenang-wenangnya. Ia ditakrifkan dengan ketat mengikut nombor kuantum orbital. Kami juga menambah bahawa keadaan elektron dalam makrozarah ditentukan oleh dua lagi nilai - nombor kuantum magnet dan putaran. Yang pertama adalah berdasarkan persamaan Schrödinger dan mencirikan orientasi spatial awan elektron berdasarkan tiga dimensi dunia kita. Penunjuk kedua ialah nombor putaran, ia digunakan untuk menentukan putaran elektron di sekeliling paksinya mengikut arah jam atau lawan jam.
Penemuan neutron
Terima kasih kepada kerja D. Chadwick, yang dijalankan olehnya pada tahun 1932, definisi baharu atom dalam kimia dan fizik telah diberikan. Dalam eksperimennya, saintis membuktikan bahawa semasa pemisahan polonium, radiasi berlaku, disebabkan olehzarah yang tidak mempunyai cas, dengan jisim 1.008665. Zarah asas baru dipanggil neutron. Penemuan dan kajian sifatnya membolehkan saintis Soviet V. Gapon dan D. Ivanenko mencipta teori baharu tentang struktur nukleus atom yang mengandungi proton dan neutron.
Menurut teori baru, takrifan atom jirim adalah seperti berikut: ia adalah unit struktur unsur kimia, terdiri daripada nukleus yang mengandungi proton dan neutron dan elektron yang bergerak di sekelilingnya. Bilangan zarah positif dalam nukleus sentiasa sama dengan nombor atom unsur kimia dalam sistem berkala.
Kemudian, Profesor A. Zhdanov mengesahkan dalam eksperimennya bahawa di bawah pengaruh sinaran kosmik keras, nukleus atom berpecah kepada proton dan neutron. Di samping itu, telah terbukti bahawa daya yang menahan zarah asas ini dalam nukleus adalah sangat intensif tenaga. Ia beroperasi pada jarak yang sangat dekat (kira-kira 10-23 cm) dan dipanggil nuklear. Seperti yang dinyatakan sebelum ini, walaupun M. V. Lomonosov dapat memberikan definisi atom dan molekul berdasarkan fakta saintifik yang diketahuinya.
Pada masa ini, model berikut secara amnya dikenali: atom terdiri daripada nukleus dan elektron yang bergerak mengelilinginya sepanjang trajektori yang ditetapkan dengan ketat - orbital. Elektron pada masa yang sama mempamerkan sifat kedua-dua zarah dan gelombang, iaitu, ia mempunyai sifat dwi. Hampir semua jisimnya tertumpu dalam nukleus atom. Ia terdiri daripada proton dan neutron yang diikat oleh daya nuklear.
Bolehkah atom ditimbang
Ternyata setiap atom mempunyaijisim. Contohnya, untuk hidrogen ialah 1.67x10-24g. Malah sukar untuk membayangkan betapa kecilnya nilai ini. Untuk mencari berat objek sedemikian, mereka tidak menggunakan penimbang, tetapi pengayun, iaitu tiub nano karbon. Untuk mengira berat atom dan molekul, nilai yang lebih mudah ialah jisim relatif. Ia menunjukkan bilangan kali berat molekul atau atom lebih besar daripada 1/12 atom karbon, iaitu 1.66x10-27 kg. Jisim atom relatif diberikan dalam sistem berkala unsur kimia, dan ia tidak mempunyai unit.
Para saintis sedar bahawa jisim atom unsur kimia ialah purata nombor jisim semua isotopnya. Ternyata secara semula jadi, unit satu unsur kimia boleh mempunyai jisim yang berbeza. Pada masa yang sama, cas nukleus zarah struktur tersebut adalah sama.
Para saintis telah mendapati bahawa isotop berbeza dalam bilangan neutron dalam nukleus, dan cas nukleusnya adalah sama. Contohnya, atom klorin dengan jisim 35 mengandungi 18 neutron dan 17 proton, dan dengan jisim 37 - 20 neutron dan 17 proton. Banyak unsur kimia adalah campuran isotop. Contohnya, bahan mudah seperti kalium, argon, oksigen mengandungi atom yang mewakili 3 isotop berbeza.
Mentakrifkan atomicity
Ia mempunyai beberapa tafsiran. Pertimbangkan apa yang dimaksudkan dengan istilah ini dalam kimia. Jika atom mana-mana unsur kimia dapat wujud secara berasingan sekurang-kurangnya untuk masa yang singkat, tanpa berusaha untuk membentuk zarah yang lebih kompleks - molekul, maka mereka mengatakan bahawa bahan tersebut mempunyaistruktur atom. Contohnya, tindak balas pengklorinan metana berbilang peringkat. Ia digunakan secara meluas dalam kimia sintesis organik untuk mendapatkan derivatif yang mengandungi halogen yang paling penting: diklorometana, karbon tetraklorida. Ia memecahkan molekul klorin kepada atom yang sangat reaktif. Mereka memecahkan ikatan sigma dalam molekul metana, memberikan tindak balas rantai penggantian.
Contoh lain proses kimia yang sangat penting dalam industri ialah penggunaan hidrogen peroksida sebagai pembasmi kuman dan peluntur. Penentuan oksigen atom, sebagai hasil pemecahan hidrogen peroksida, berlaku dalam kedua-dua sel hidup (di bawah tindakan enzim katalase) dan dalam keadaan makmal. Oksigen atom ditentukan secara kualitatif oleh sifat antioksidannya yang tinggi, serta oleh keupayaannya untuk memusnahkan agen patogen: bakteria, kulat dan sporanya.
Cara cangkang atom berfungsi
Kami telah mengetahui lebih awal bahawa unit struktur unsur kimia mempunyai struktur yang kompleks. Elektron berputar mengelilingi nukleus bercas positif. Pemenang Hadiah Nobel Niels Bohr, berdasarkan teori kuantum cahaya, mencipta doktrinnya, di mana ciri-ciri dan definisi atom adalah seperti berikut: elektron bergerak mengelilingi nukleus hanya di sepanjang lintasan pegun tertentu, sementara ia tidak memancarkan tenaga. Doktrin Bohr membuktikan bahawa zarah-zarah mikrokosmos, yang termasuk atom dan molekul, tidak mematuhi undang-undang yang adiluntuk badan besar - objek makrokosmik.
Struktur kulit elektron makrozarah telah dikaji dalam kerja-kerja fizik kuantum oleh saintis seperti Hund, Pauli, Klechkovsky. Jadi diketahui bahawa elektron membuat pergerakan putaran di sekeliling nukleus bukan secara rawak, tetapi di sepanjang lintasan pegun tertentu. Pauli mendapati bahawa dalam satu aras tenaga pada setiap orbital s, p, d, fnya, tidak lebih daripada dua zarah bercas negatif dengan putaran bertentangan + ½ dan - ½ boleh ditemui dalam sel elektronik.
Peraturan Hund menerangkan cara orbital dengan tahap tenaga yang sama diisi dengan elektron dengan betul.
Pemerintahan Klechkovsky, juga dipanggil petua n+l, menjelaskan bagaimana orbital atom berbilang elektron (unsur 5, 6, 7 tempoh) diisi. Semua corak di atas berfungsi sebagai justifikasi teori untuk sistem unsur kimia yang dicipta oleh Dmitry Mendeleev.
Keadaan pengoksidaan
Ia adalah konsep asas dalam kimia dan mencirikan keadaan atom dalam molekul. Takrif moden bagi keadaan pengoksidaan atom adalah seperti berikut: ini ialah caj bersyarat bagi atom dalam molekul, yang dikira berdasarkan tanggapan bahawa molekul itu hanya mempunyai komposisi ion.
Tahap pengoksidaan boleh dinyatakan sebagai integer atau nombor pecahan, dengan nilai positif, negatif atau sifar. Selalunya, atom unsur kimia mempunyai beberapa keadaan pengoksidaan. Sebagai contoh, nitrogen mempunyai -3, -2, 0, +1, +2, +3, +4, +5. Tetapi unsur kimia seperti fluorin, dalam semuasebatian hanya mempunyai satu keadaan pengoksidaan, sama dengan -1. Jika ia diwakili oleh bahan ringkas, maka keadaan pengoksidaannya adalah sifar. Kuantiti kimia ini mudah digunakan untuk pengelasan bahan dan untuk menerangkan sifatnya. Selalunya, keadaan pengoksidaan atom digunakan dalam kimia apabila menyusun persamaan untuk tindak balas redoks.
Sifat atom
Terima kasih kepada penemuan fizik kuantum, definisi moden atom, berdasarkan teori D. Ivanenko dan E. Gapon, ditambah dengan fakta saintifik berikut. Struktur nukleus atom tidak berubah semasa tindak balas kimia. Hanya orbital elektron pegun tertakluk kepada perubahan. Struktur mereka boleh menerangkan banyak sifat fizikal dan kimia bahan. Jika elektron meninggalkan orbit pegun dan pergi ke orbit dengan indeks tenaga yang lebih tinggi, atom sedemikian dipanggil teruja.
Perlu diingatkan bahawa elektron tidak boleh tinggal dalam orbital luar biasa sedemikian untuk masa yang lama. Kembali ke orbit pegunnya, elektron memancarkan kuantum tenaga. Kajian tentang ciri-ciri unit struktur unsur kimia seperti pertalian elektron, keelektronegatifan, tenaga pengionan, membolehkan saintis bukan sahaja mentakrifkan atom sebagai zarah terpenting mikrokosmos, tetapi juga membenarkan mereka menerangkan keupayaan atom untuk membentuk. keadaan molekul jirim yang stabil dan lebih bertenaga, mungkin disebabkan oleh penciptaan pelbagai jenis ikatan kimia yang stabil: ionik, kovalenpolar dan bukan kutub, penerima penderma (sebagai sejenis ikatan kovalen) dan logam. Yang terakhir menentukan sifat fizikal dan kimia yang paling penting bagi semua logam.
Telah terbukti secara eksperimen bahawa saiz atom boleh berubah. Segala-galanya bergantung pada molekul mana ia termasuk. Terima kasih kepada analisis pembelauan sinar-X, adalah mungkin untuk mengira jarak antara atom dalam sebatian kimia, serta untuk mengetahui jejari unit struktur unsur. Mengetahui corak perubahan dalam jejari atom yang termasuk dalam tempoh atau kumpulan unsur kimia, adalah mungkin untuk meramalkan sifat fizikal dan kimianya. Contohnya, dalam tempoh dengan peningkatan cas nukleus atom, jejarinya berkurangan (“mampatan atom”), jadi sifat logam sebatian menjadi lemah, dan bukan logam meningkat.
Oleh itu, pengetahuan tentang struktur atom membolehkan kita menentukan dengan tepat sifat fizikal dan kimia semua unsur yang termasuk dalam sistem berkala Mendeleev.
