Antiikista 1700-luvun puoliväliin saakka tiedettä hallitsi ajatus, että atomi on aineen hiukkanen, jota ei voida jakaa. Englantilainen tiedemies, samoin kuin luonnontieteilijä D. D alton, määrittelivät atomin kemiallisen alkuaineen pienimmäksi komponentiksi. M. V. Lomonosov atomi- ja molekyyliteoriassaan pystyi määrittelemään atomin ja molekyylin. Hän oli vakuuttunut siitä, että molekyylit, joita hän kutsui "soluiksi", koostuivat "elementeistä" - atomeista - ja olivat jatkuvassa liikkeessä.
D. I. Mendelejev uskoi, että tämä aineellisen maailman muodostavien aineiden alayksikkö säilyttää kaikki ominaisuutensa vain, jos sitä ei eroteta. Tässä artikkelissa määrittelemme atomin mikromaailman objektiksi ja tutkimme sen ominaisuuksia.
Edellytykset atomin rakenneteorian luomiselle
1800-luvulla väite atomin jakamattomuudesta hyväksyttiin yleisesti. Useimmat tutkijat uskoivat, että yhden kemiallisen alkuaineen hiukkaset eivät voi missään olosuhteissa muuttua toisen alkuaineen atomeiksi. Nämä ajatukset toimivat perustana, jolle atomin määritelmä perustui vuoteen 1932 asti. 1800-luvun lopulla tiede tekiperustavanlaatuisia löytöjä, jotka muuttivat tämän näkökulman. Ensinnäkin vuonna 1897 englantilainen fyysikko J. J. Thomson löysi elektronin. Tämä tosiasia muutti radikaalisti tutkijoiden käsitykset kemiallisen alkuaineen ainesosan jakamattomuudesta.
Kuinka todistaa, että atomi on monimutkainen
Jo ennen elektronin löytämistä tiedemiehet olivat yksimielisiä siitä, ettei atomeilla ole varauksia. Sitten havaittiin, että elektronit vapautuvat helposti mistä tahansa kemiallisesta alkuaineesta. Ne löytyvät liekistä, ne ovat sähkövirran kantajia, niitä vapautuu aineista röntgensäteilyn aikana.
Mutta jos elektronit ovat osa kaikkia atomeja poikkeuksetta ja ovat negatiivisesti varautuneita, niin atomissa on joitain muita hiukkasia, joilla on välttämättä positiivinen varaus, muuten atomit eivät olisi sähköisesti neutraaleja. Sellainen fysikaalinen ilmiö kuin radioaktiivisuus auttoi atomin rakenteen purkamisessa. Se antoi atomille oikean määritelmän fysiikassa ja sitten kemiassa.
Näkymättömät säteet
Ranskalainen fyysikko A. Becquerel kuvasi ensimmäisenä ilmiön, jonka atomien aiheuttamat päästöt aiheuttavat tiettyjä kemiallisia alkuaineita, visuaalisesti näkymättömiä säteitä. Ne ionisoivat ilmaa, kulkevat aineiden läpi, aiheuttavat valokuvalevyjen mustumista. Myöhemmin Curiet ja E. Rutherford havaitsivat, että radioaktiiviset aineet muuttuvat muiden kemiallisten alkuaineiden atomeiksi (esimerkiksi uraani neptuniumiksi).
Radioaktiivinen säteily on koostumukseltaan epähomogeenista: alfahiukkasia, beetahiukkasia, gammasäteitä. NiinSiten radioaktiivisuusilmiö vahvisti, että jaksollisen järjestelmän elementtien hiukkasilla on monimutkainen rakenne. Tämä tosiasia oli syynä atomin määritelmään tehdyille muutoksille. Mistä hiukkasista atomi koostuu Rutherfordin saamien uusien tieteellisten faktojen perusteella? Vastaus tähän kysymykseen oli tutkijan ehdottama atomin ydinmalli, jonka mukaan elektronit kiertävät positiivisesti varautuneen ytimen.
Rutherford-mallin ristiriidat
Tieteilijan teoria, huolimatta sen erinomaisesta luonteesta, ei kyennyt objektiivisesti määrittelemään atomia. Hänen päätelmänsä olivat vastoin termodynamiikan peruslakeja, joiden mukaan kaikki ytimen ympärillä kiertävät elektronit menettävät energiansa ja, olipa tilanne, ennemmin tai myöhemmin täytyy pudota siihen. Atomi tuhoutuu tässä tapauksessa. Näin ei todellisuudessa tapahdu, koska kemialliset alkuaineet ja hiukkaset, joista ne koostuvat, ovat olemassa luonnossa hyvin pitkään. Sellainen Rutherfordin teoriaan perustuva atomin määritelmä on selittämätön, samoin kuin ilmiö, joka tapahtuu, kun kuumia yksinkertaisia aineita johdetaan diffraktiohilan läpi. Loppujen lopuksi tuloksena olevilla atomispektreillä on lineaarinen muoto. Tämä oli ristiriidassa Rutherfordin atomimallin kanssa, jonka mukaan spektrien olisi pitänyt olla jatkuvia. Kvanttimekaniikan käsitteiden mukaan ytimessä olevia elektroneja ei luonnehdita tällä hetkellä pistekappaleiksi, vaan elektronipilven muotoisiksi.
Sen suurin tiheys tietyssä avaruuden paikassa ytimen ympärillä jatarkoitetaan hiukkasen sijaintia tietyllä hetkellä. Havaittiin myös, että atomissa olevat elektronit ovat järjestäytyneet kerroksiin. Kerrosten lukumäärä voidaan määrittää tietämällä sen ajanjakson numero, jossa elementti sijaitsee D. I. Mendelejevin jaksollisessa järjestelmässä. Esimerkiksi fosforiatomi sisältää 15 elektronia ja sillä on 3 energiatasoa. Indikaattoria, joka määrittää energiatasojen määrän, kutsutaan pääkvanttiluvuksi.
Kokeellisesti havaittiin, että ydintä lähimpänä olevan energiatason elektroneilla on alhaisin energia. Jokainen energiakuori on jaettu alatasoiksi, ja ne puolestaan kiertoradoiksi. Eri kiertoradalla sijaitsevilla elektroneilla on sama pilven muoto (s, p, d, f).
Yllä olevan perusteella seuraa, että elektronipilven muoto ei voi olla mieliv altainen. Se on tiukasti määritelty kiertoradan kvanttiluvun mukaan. Lisäämme myös, että makrohiukkasen elektronin tilan määräävät kaksi muuta arvoa - magneettiset ja spin-kvanttiluvut. Ensimmäinen perustuu Schrödingerin yhtälöön ja luonnehtii elektronipilven avaruudellista orientaatiota maailmamme kolmiulotteisuuden perusteella. Toinen indikaattori on spin-luku, sitä käytetään määrittämään elektronin kierto akselinsa ympäri myötä- tai vastapäivään.
Neutronin löytö
D. Chadwickin vuonna 1932 tekemän työn ansiosta atomille annettiin uusi määritelmä kemiassa ja fysiikassa. Kokeissaan tiedemies osoitti, että poloniumin halkeamisen aikana tapahtuu säteilyä, jonka aiheuttaahiukkaset, joilla ei ole varausta, joiden massa on 1,008665. Uutta alkuainehiukkasta kutsuttiin neutroniksi. Sen löytö ja sen ominaisuuksien tutkiminen antoi neuvostotieteilijöille V. Gaponille ja D. Ivanenkolle mahdollisuuden luoda uuden teorian protoneja ja neutroneja sisältävän atomiytimen rakenteesta.
Uuden teorian mukaan aineen atomin määritelmä oli seuraava: se on kemiallisen alkuaineen rakenneyksikkö, joka koostuu protoneja ja neutroneja sisältävästä ytimestä ja sen ympärillä liikkuvista elektroneista. Positiivisten hiukkasten lukumäärä ytimessä on aina yhtä suuri kuin kemiallisen alkuaineen atomiluku jaksollisessa järjestelmässä.
Myöhemmin professori A. Zhdanov vahvisti kokeissaan, että kovan kosmisen säteilyn vaikutuksesta atomiytimet halkesivat protoneiksi ja neutroneiksi. Lisäksi osoitettiin, että voimat, jotka pitävät näitä alkuainehiukkasia ytimessä, ovat erittäin energiaintensiivisiä. Ne toimivat hyvin lyhyillä etäisyyksillä (noin 10-23 cm) ja niitä kutsutaan ydinvoimaksi. Kuten aiemmin mainittiin, jopa M. V. Lomonosov pystyi antamaan atomin ja molekyylin määritelmän hänen tuntemiinsa tieteellisiin faktoihin perustuen.
Tällä hetkellä yleisesti tunnustetaan seuraava malli: atomi koostuu ytimestä ja sen ympärillä liikkuvista elektroneista tiukasti määriteltyjä lentoratoja pitkin. Elektroneilla on samanaikaisesti sekä hiukkasten että a altojen ominaisuuksia, eli niillä on kaksoisluonne. Lähes kaikki sen massa on keskittynyt atomin ytimeen. Se koostuu protoneista ja neutroneista, joita ydinvoimat sitovat.
Voidaanko atomi punnita
Kävitään, että jokaisella atomilla onmassa. Esimerkiksi vedylle se on 1,67x10-24g. On jopa vaikea kuvitella kuinka pieni tämä arvo on. Sellaisen esineen painon selvittämiseksi he eivät käytä vaakoja, vaan oskillaattoria, joka on hiilinanoputki. Atomin ja molekyylin painon laskemiseksi sopivampi arvo on suhteellinen massa. Se näyttää kuinka monta kertaa molekyylin tai atomin paino on suurempi kuin 1/12 hiiliatomista, mikä on 1,66x10-27 kg. Suhteelliset atomimassat on annettu kemiallisten alkuaineiden jaksollisessa järjestelmässä, eikä niillä ole yksikköä.
Tutkijat tietävät hyvin, että kemiallisen alkuaineen atomimassa on kaikkien sen isotooppien massalukujen keskiarvo. Osoittautuu, että luonnossa yhden kemiallisen alkuaineen yksiköillä voi olla eri massat. Samaan aikaan tällaisten rakenteellisten hiukkasten ytimien varaukset ovat samat.
Tutkijat ovat havainneet, että isotoopit eroavat ytimessä olevien neutronien lukumäärästä ja niiden ytimien varaus on sama. Esimerkiksi klooriatomi, jonka massa on 35, sisältää 18 neutronia ja 17 protonia ja massa 37 - 20 neutronia ja 17 protonia. Monet kemialliset alkuaineet ovat isotooppien seoksia. Esimerkiksi sellaiset yksinkertaiset aineet kuten kalium, argon ja happi sisältävät atomeja, jotka edustavat kolmea eri isotooppia.
Atomiteetin määrittely
Sillä on useita tulkintoja. Mieti, mitä tämä termi tarkoittaa kemiassa. Jos minkä tahansa kemiallisen alkuaineen atomit voivat olla olemassa erikseen ainakin lyhyen ajan pyrkimättä muodostamaan monimutkaisempaa hiukkasta - molekyyliä, he sanovat, että tällaisilla aineilla onatomirakenne. Esimerkiksi monivaiheinen metaanin kloorausreaktio. Sitä käytetään laaj alti orgaanisen synteesin kemiassa tärkeimpien halogeenipitoisten johdannaisten saamiseksi: dikloorimetaani, hiilitetrakloridi. Se jakaa kloorimolekyylit erittäin reaktiivisiksi atomeiksi. Ne katkaisevat metaanimolekyylin sigmasidoksia, jolloin saadaan aikaan substituutioketjureaktio.
Toinen esimerkki teollisuudessa erittäin tärkeästä kemiallisesta prosessista on vetyperoksidin käyttö desinfiointi- ja valkaisuaineena. Atomihappi määritetään vetyperoksidin hajoamisen tuotteena sekä elävissä soluissa (katalaasientsyymin vaikutuksesta) että laboratorio-olosuhteissa. Atomihappi määräytyvät laadullisesti sen korkeiden antioksidanttiominaisuuksien sekä sen kyvyn tuhota taudinaiheuttajia: bakteereja, sieniä ja niiden itiöitä.
Miten atomikuori toimii
Olemme jo aiemmin havainneet, että kemiallisen alkuaineen rakenneyksiköllä on monimutkainen rakenne. Elektronit kiertävät positiivisesti varautuneen ytimen. Nobel-palkinnon voittaja Niels Bohr loi valon kvanttiteoriaan pohjautuvan oppinsa, jossa atomin ominaisuudet ja määritelmä ovat seuraavat: elektronit liikkuvat ytimessä vain tiettyjä stationaarisia liikeratoja pitkin, kun taas ne eivät säteile energiaa. Bohrin oppi osoitti, että mikrokosmoksen hiukkaset, jotka sisältävät atomeja ja molekyylejä, eivät noudata lakeja, jotka ovat oikeudenmukaisiasuurille kappaleille - makrokosmiset kohteet.
Makrohiukkasten elektronikuorten rakennetta tutkivat kvanttifysiikan teoksissa sellaiset tiedemiehet kuin Hund, Pauli ja Klechkovsky. Joten tuli tiedoksi, että elektronit tekevät pyörimisliikkeitä ytimen ympärillä ei satunnaisesti, vaan tiettyjä kiinteitä liikeratoja pitkin. Pauli havaitsi, että yhdellä energiatasolla kullakin sen s, p, d, f kiertoradalla elektronisista kennoista löytyy korkeintaan kaksi negatiivisesti varautunutta hiukkasta, joilla on vastakkaiset spinit + ½ ja - ½.
Hundin sääntö selitti kuinka samalla energiatasolla olevat kiertoradat täytetään oikein elektroneilla.
Kletshkovskyn sääntö, jota kutsutaan myös n+l-säännöksi, selitti, kuinka monielektroniatomien (5, 6, 7 jakson elementit) kiertoradat täytetään. Kaikki yllä olevat mallit toimivat teoreettisina perusteluina Dmitri Mendelejevin luomalle kemiallisten alkuaineiden järjestelmälle.
Hapetustila
Se on kemian peruskäsite ja luonnehtii atomin tilaa molekyylissä. Nykyaikainen määritelmä atomien hapetusasteesta on seuraava: tämä on molekyylissä olevan atomin ehdollinen varaus, joka lasketaan sen käsityksen perusteella, että molekyylillä on vain ioninen koostumus.
Hapettumisaste voidaan ilmaista kokonais- tai murtolukuna, positiivisilla, negatiivisilla tai nolla-arvoilla. Useimmiten kemiallisten alkuaineiden atomeilla on useita hapetustiloja. Esimerkiksi typellä on -3, -2, 0, +1, +2, +3, +4, +5. Mutta sellainen kemiallinen alkuaine kuin fluori, kaikessayhdisteillä on vain yksi hapetusaste, yhtä suuri kuin -1. Jos sitä edustaa yksinkertainen aine, sen hapetusaste on nolla. Tätä kemiallista määrää on kätevä käyttää aineiden luokittelussa ja niiden ominaisuuksien kuvauksessa. Useimmiten atomin hapetusastetta käytetään kemiassa, kun laaditaan yhtälöitä redox-reaktioista.
Atomien ominaisuudet
Kvanttifysiikan löytöjen ansiosta nykyaikainen atomin määritelmä, joka perustuu D. Ivanenkon ja E. Gaponin teoriaan, on täydennetty seuraavilla tieteellisillä tosiasioilla. Atomin ytimen rakenne ei muutu kemiallisten reaktioiden aikana. Vain kiinteät elektroniradat voivat muuttua. Niiden rakenne voi selittää monia aineiden fysikaalisia ja kemiallisia ominaisuuksia. Jos elektroni jättää kiinteän kiertoradan ja siirtyy kiertoradalle, jolla on korkeampi energiaindeksi, tällaista atomia kutsutaan virittyneeksi.
On huomattava, että elektronit eivät voi pysyä näin epätavallisilla kiertoradalla pitkään. Palattuaan kiinteälle kiertoradalle elektroni emittoi energiakvantin. Tällaisten kemiallisten elementtien rakenneyksiköiden ominaisuuksien, kuten elektroniaffiniteetti, elektronegatiivisuus, ionisaatioenergia, tutkiminen antoi tutkijoille mahdollisuuden paitsi määritellä atomin mikrokosmoksen tärkeimmäksi hiukkaseksi, vaan myös selittää atomien kykyä muodostua. aineen stabiili ja energeettisesti suotuisampi molekyylitila, joka on mahdollista erityyppisten pysyvien kemiallisten sidosten muodostumisen ansiosta: ioninen, kovalenttinenpolaarinen ja ei-polaarinen, luovuttaja-akseptori (eräänlaisena kovalenttisena sidoksena) ja metalli. Jälkimmäinen määrittää kaikkien metallien tärkeimmät fysikaaliset ja kemialliset ominaisuudet.
On kokeellisesti osoitettu, että atomin koko voi muuttua. Kaikki riippuu siitä, mihin molekyyliin se sisältyy. Röntgendiffraktioanalyysin ansiosta on mahdollista laskea kemiallisen yhdisteen atomien välinen etäisyys sekä saada selville elementin rakenneyksikön säde. Tietäen kemiallisten alkuaineiden jaksoon tai ryhmään sisältyvien atomien säteiden muutoskuviot, on mahdollista ennustaa niiden fysikaaliset ja kemialliset ominaisuudet. Esimerkiksi jaksoissa, jolloin atomiytimen varaus kasvaa, niiden säteet pienenevät ("atomin puristuminen"), joten yhdisteiden metalliset ominaisuudet heikkenevät ja ei-metallisten ominaisuudet lisääntyvät.
Siksi atomin rakenteen tunteminen antaa meille mahdollisuuden määrittää tarkasti kaikkien Mendelejevin jaksolliseen järjestelmään sisältyvien alkuaineiden fysikaaliset ja kemialliset ominaisuudet.
