Вызначэнне атама і малекулы. Вызначэнне атама да 1932 гады

Пачынаючы ад перыяду антычнасці і да сярэдзіны 18-га стагоддзя ў навуцы панавалі ўяўленні аб тым, што атам - гэта часціца матэрыі, якую нельга падзяліць. Англійская вучоны, а таксама і прыродазнавец Д. Дальтон даў вызначэнне атама як найменшай складовай часткі хімічнага элемента. М. В. Ламаносаў у сваім атамна-малекулярным вучэнні змог даць вызначэнне атама і малекулы. Ён быў упэўнены ў тым, што малекулы, якія ён называў «корпускул», складаюцца з «элементаў» - атамаў - і знаходзяцца ў пастаянным руху.

Д. І. Мендзялееў лічыў, што гэтая субадзінак рэчываў, якія складаюць матэрыяльны свет, захоўвае ўсе свае ўласцівасці толькі ў выпадку, калі яна не падвяргаецца падзелу. У дадзеным артыкуле мы дамо вызначэнне атама як аб'екта мікрасвету і вывучым яго ўласцівасці.

Перадумовы стварэння тэорыі будовы атама

У 19 стагоддзі агульнапрызнаным лічылася зацвярджэнне аб непадзельнасці атама. Большасць навукоўцаў лічылі, што часціцы аднаго хімічнага элемента ні пры якіх умовах не могуць ператварыцца ў атамы іншага элемента. Гэтыя ўяўленні служылі асновай, на якой грунтавалася вызначэнне атама да 1932 года. У канцы 19 стагоддзя ў навуцы былі зробленыя фундаментальныя адкрыцця, якія змянілі гэты пункт гледжання. Перш за ўсё ў 1897 году ангельскай фізікам Д. Ж. Томсанам быў адкрыты электрон. Гэты факт у корані мяняў ўяўленні навукоўцаў пра непадзельнасці складовай часткі хімічнага элемента.

Як даказаць, што атам складана ўладкованы

Яшчэ да адкрыцця электрона навукоўцы аднадушна сыходзіліся на думцы аб тым, што атамы не маюць зарадаў. Потым было ўстаноўлена, што электроны лёгка вылучаюцца з якога заўгодна хімічнага элемента. Іх можна выявіць у полымя, яны з'яўляюцца пераносчыкамі электрычнага току, іх вылучаюць рэчывы падчас рэнтгенаўскага выпраменьвання.

Але калі электроны ўваходзяць у склад усіх без выключэння атамаў і зараджаныя адмоўна, значыць, у атаме ёсць яшчэ нейкія часціцы, якія абавязкова маюць станоўчы зарад, у адваротным выпадку атамы не былі б электранейтральна. Дапамагчы разгадаць будова атама дапамагло такое фізічная з'ява, як радыеактыўнасць. Яно дало правільна вызначэнне атама ў фізіцы, а затым і ў хіміі.

нябачныя прамяні

Французскім фізікам А. Бекерэлем было ўпершыню апісана з'ява выпускання атамамі некаторых хімічных элементаў, візуальна нябачных промняў. Яны іянізуюць паветра, праходзяць праз рэчывы, выклікаюць почернение фотопластинок. Пазней жонкі Кюры і Э. Радэрфорд ўсталявалі, што радыеактыўныя рэчывы ператвараюцца ў атамы іншых хімічных элементаў (напрыклад, уран - у Няптун).

Радыёактыўнае выпраменьванне неаднастайна па складзе: альфа-часціцы, бэта-часціцы, гама-прамяні. Такім чынам, з'ява радыеактыўнасці пацвердзіла, што часціцы элементаў табліцы Мендзялеева маюць складаны будынак. Гэты факт паслужыў прычынай змяненняў, унесеных у вызначэнне атама. З якіх часціц складаецца атам, калі ўлічваць атрыманыя Резерфордом новыя навуковыя факты? Адказам на гэтае пытанне стала прапанаваная навукоўцам ядзерная мадэль атама, паводле якой вакол станоўча-зараджанага ядра круцяцца электроны.

Супярэчнасці мадэлі Рэзерфорда

Тэорыя вучонага, нягледзячы на яе выбітны характар, не змагла аб'ектыўна даць вызначэнне атама. Яе высновы ішлі насуперак з фундаментальнымі законамі тэрмадынамікі, паводле якіх усе электроны, якія верцяцца вакол ядра, губляюць сваю энергію і, як бы там ні было, рана ці позна павінны ўпасці на яго. Атам у гэтым выпадку руйнуецца. Гэтага на самай справе не адбываецца, так як хімічныя элементы і часціцы, з якіх яны складаюцца, існуюць у прыродзе вельмі доўга. Невытлумачальна такое вызначэнне атама, якія базуюцца на тэорыі Рэзерфорда, роўна як і праявы, якое ўзнікае пры прапусканні распаленых простых рэчываў праз дыфракцыйную краты. Бо якія ўтвараюцца пры гэтым атамныя спектры маюць лінейную форму. Гэта ўступала ў супярэчнасць з резерфордовской мадэллю атама, паводле якой спектры павінны былі б быць суцэльнымі. Згодна з уяўленнямі квантавай механікі, у цяперашні час электроны характарызуюцца ў ядры не як кропкавыя аб'екты, а як якія маюць від электроннага аблокі.

Найбольшая яго шчыльнасць ў пэўным локуса прасторы вакол ядра і лічыцца месцазнаходжаннем часціцы ў дадзены момант часу. Таксама было высветлена, што ў атаме электроны размешчаны папластова. Колькасць слаёў можна вызначыць, ведаючы нумар перыяду, у якім знаходзіцца элемент у перыядычнай сістэме Д. І. Мендзялеева. Напрыклад, атам фосфару змяшчае 15 электронам і мае 3 энергетычных ўзроўню. Паказчык, які вызначае колькасць энергетычных узроўняў, называюць галоўным квантавым лікам.

Эксперыментальна было ўстаноўлена, што электроны энергетычнага ўзроўню, размешчанага бліжэй усіх да ядра, маюць найменшую энергію. Кожная энергетычная абалонка дзеліцца на подуровней, а яны, у сваю чаргу, на арбіталь. Электроны, размешчаныя на розных арбіталей, маюць роўную форму аблокі (s, p, d, f).

Зыходзячы з вышэйсказанага вынікае, што форма электроннага воблака не можа быць адвольнай. Яна строга вызначана згодна арбітальнага квантавага ліку. Дадамо яшчэ і тое, што стан электрона ў макрочастице вызначаецца яшчэ двума значэннямі - магнітным і спінавай квантавымі лікамі. Першае грунтуецца на раўнанні Шредингера і характарызуе прасторавую арыентацыю электроннага аблокі зыходзячы з трохвымернасці нашага свету. Другі паказчык - спінавай лік, па ім вызначаюць кручэнне электрона вакол сваёй восі па або супраць гадзінны стрэлкі.

адкрыццё нейтрона

Дзякуючы працам Д. Чедвика, праведзеным ім ў 1932 годзе, было дадзена новае вызначэнне атама ў хіміі і фізіцы. У сваіх досведах навуковец даказаў, што пры расшчапленні палонія ўзнікае выпраменьванне, выкліканае часціцамі, якія не маюць зарада, з масай 1,008665. Новая элементарная часціца была названая нейтрона. Яе адкрыццё і вывучэнне яе уласцівасцяў дазволіла савецкім навукоўцам В. Гапонаў і Д. Іваненка стварыць новую тэорыю будынка атамнага ядра, які змяшчае пратоны і нейтроны.

Згодна з новай тэорыі, вызначэнне атама рэчывы мела наступны выгляд: гэта структурная адзінка хімічнага элемента, якая складаецца з ядра, які змяшчае пратоны і нейтроны і электронаў, якія рухаюцца вакол яго. Лік станоўчых часціц у ядры заўсёды роўна парадкаваму нумару хімічнага элемента ў перыядычнай сістэме.

У далейшым прафесар А. Жданаў ў сваіх досведах пацвердзіў, што пад уплывам жорсткага касмічнага выпраменьвання атамныя ядра расшчапляюцца на пратоны і нейтроны. Акрамя гэтага, было даказана, што сілы, ўтрымлівальныя гэтыя элементарныя часціцы ў ядры, надзвычай энергаёмістыя. Яны дзейнічаюць на вельмі кароткіх адлегласцях (парадку 10 ^-23 см) і называюцца ядзернымі. Як было сказана раней, яшчэ М. В. Ламаносаў змог даць вызначэнне атама і малекулы зыходзячы з вядомых яму навуковых фактаў.

У цяперашні час агульнапрызнанай лічаць наступную мадэль: атам складаецца з ядра і электронаў, якія рухаюцца вакол яго па строга вызначаным траекторыях - арбіталей. Электроны адначасова праяўляюць ўласцівасці і часціцы, і хвалі, гэта значыць, маюць дуального прыроду. У ядры атама сканцэнтраваная практычна ўся яго маса. Яна складаецца з пратонаў і нейтронаў, звязаных ядзернымі сіламі.

Ці можна ўзважыць атам

Аказваецца, кожны атам мае масу. Напрыклад, у гидрогена яна роўная 1,67х10 ^-24 г. Нават цяжка ўявіць наколькі малая гэтая велічыня. Каб знайсці вага такога аб'екта, выкарыстоўваюць не шалі, а асцылятар, які ўяўляе сабой вугляродныя нанатрубкі. Для разліку вагі атама і малекулы больш зручнай велічынёй з'яўляецца адносная маса. Яна паказвае, у колькі разоў вага малекулы або атама больш чым 1/12 частка атама карбону, якая складае 1,66х10 ^-27 кг. Адносныя атамныя масы пазначаны ў перыядычнай сістэме хімічных элементаў, і яны не маюць памернасці.

Навукоўцы добра ведаюць, што атамная маса хімічнага элемента - гэта сярэдняя велічыня масавых лікаў ўсіх яго ізатопаў. Аказваецца, у прыродзе адзінкі аднаго хімічнага элемента могуць мець розныя масы. Пры гэтым зарады ядраў такіх структурных часціц аднолькавыя.

Навукоўцамі ўстаноўлена, што ізатопы адрозніваюцца паміж сабой колькасцю нейтронаў у ядры, а зарад ядраў у іх аднолькавы. Напрыклад, у атама хлору, які мае масу 35 утрымліваецца 18 нейтронаў і 17 пратонаў, а з масай 37 - 20 нейтронаў і 17 пратонаў. Многія хімічныя элементы ўяўляюць сабой сумесі ізатопаў. Напрыклад, такія простыя рэчывы, як калій, аргон, кісларод ўтрымліваюць у сваім складзе атамы, якія прадстаўляюць 3 розных ізатопа.

вызначэнне атамарнага

Яно мае некалькі трактовак. Разгледзім, што разумеюць пад гэтым тэрмінам у хіміі. Калі атамы якога-небудзь хімічнага элемента здольныя хаця б кароткачасова існаваць адасоблена, не імкнучыся да адукацыі больш складанай часціцы - малекулы, то кажуць, што такія рэчывы маюць атамарнага будынак. Напрыклад, многастадыйныя рэакцыя хларавання метану. Яна шырока ўжываецца ў хіміі арганічнага сінтэзу для атрымання найважнейшых галогеносодержащих вытворных: дихлорметана, четыреххлористого вугляроду. У ёй адбываецца расшчапленне малекул хлору на атамы, якія валодаюць высокай рэакцыйнай здольнасцю. Яны руйнуюць сігма-сувязі ў малекуле метану, забяспечваючы ланцуговую рэакцыю замяшчэння.

Яшчэ адзін прыклад хімічнага працэсу, які мае вялікае значэнне ў прамысловасці - выкарыстанне пераксіду вадароду ў якасці дэзінфікуе і які адбельвае сродкі. Вызначэнне атамарнага кіслароду, як прадукта расшчаплення перакісу вадароду, адбываецца як у жывых клетках (пад дзеяннем фермента каталазы), так і ў лабараторных умовах. Атамарным кісларод якасна вызначаюць па яго высокім антіоксідантным уласцівасцях, а таксама па здольнасці разбураць патагенныя агенты: бактэрыі, грыбы і іх спрэчкі.

Як уладкованая атамная абалонка

Намі было ўжо высветлена раней, што структурная адзінка хімічнага элемента мае складаную будову. Вакол станоўча-зараджанага ядра круцяцца адмоўныя часціцы электроны. Лаўрэат Нобелеўскай прэміі Нільс Бор, грунтуючыся на квантавай тэорыі святла, стварыў сваё вучэнне, у якім характарыстыка і вызначэнне атама маюць наступны выгляд: электроны рухаюцца вакол ядра толькі па пэўных стацыянарным траекторыях, пры гэтым не выпраменьваюць энергію. Вучэнне Бора даказала, што часціцы мікрасвету, да якіх ставяцца атамы і малекулы, ня падпарадкоўваюцца законам, справядлівым для вялікіх тэл - аб'ектаў макрокосмоса.

Будынак электронных абалонак макрочастиц было вывучана ў працах па квантавай фізіцы такіх навукоўцаў, як Хунд, Паўлі, Клечковский. Так стала вядома, што электроны робяць круцільныя руху вакол ядра не хаатычна, а па пэўных стацыянарным траекторыях. Паўлі усталяваў, што ў межах аднаго энергетычнага ўзроўню на кожнай з яго арбіталей s, p, d, f ў электронных вочках можа знаходзіцца не больш за два адмоўна зараджаных часціц з процілеглым значэннем спіна + ½ і - ½.

Правіла Хунда патлумачыла, як правільна запаўняюцца электронамі арбіталь з аднолькавым узроўнем энергіі.

Правіла Клечковского, званае яшчэ правілам n + l, патлумачыла, як запаўняюцца арбіталь многоэлектронных атамаў (элементаў 5, 6, 7 перыядаў). Усе вышэйпералічаныя заканамернасці паслужылі тэарэтычным абгрунтаваннем сістэмы хімічных элементаў, створанай Дзмітрыем Мендзялеевым.

ступень акіслення

Яна з'яўляецца фундаментальным паняццем ў хіміі і характарызуе стан атама ў малекуле. Сучаснае вызначэнне ступені акіслення атамаў гучыць наступным чынам: гэта ўмоўны зарад атама ў малекуле, які разлічваюць зыходзячы з паданняў, што малекула мае толькі іённы склад.

Ступень акіслення можа выяўляцца цэлым або дробавым лікам, са станоўчым, адмоўным або нулявым значэннямі. Часцей за ўсё атамы хімічных элементаў маюць некалькі ступеняў акіслення. Напрыклад, у азоту гэта -3, -2, 0, +1, +2, +3, 4, +5. А вось такі хімічны элемент, як фтор, ва ўсіх сваіх злучэннях мае толькі адну ступень акіслення, роўную -1. Калі ён прадстаўлены простым рэчывам, то яго ступень акіслення роўная нулю. Гэтай хімічнай велічынёй зручна карыстацца для класіфікацыі рэчываў і для апісання іх уласцівасцяў. Часцей за ўсё ступенню акіслення атама карыстаюцца ў хіміі пры складанні раўнанняў акісляльна-аднаўленчых рэакцый.

ўласцівасці атамаў

Дзякуючы адкрыццяў квантавай фізікі, сучаснае вызначэнне атама, якое базуецца на тэорыі Д. Іваненка і Е. Гапона, дапаўняецца наступнымі навуковымі фактамі. Будынак ядра атама не змяняецца падчас хімічных рэакцый. Змене падвяргаюцца толькі стацыянарныя электронныя арбіталь. Іх будынкам можна растлумачыць вельмі шмат фізічных і хімічных уласцівасцяў рэчываў. Калі электрон пакідае стацыянарную арбіту і пераходзіць на арбіталей з больш высокім паказьнікам энергіі, такі атам называецца ўзбуджаных.

Трэба адзначыць, што электроны не могуць працяглы час знаходзіцца на такіх неўласцівых ім арбіталей. Вяртаючыся на сваю стацыянарную арбіту, электрон выпраменьвае квант энергіі. Вывучэнне такіх характарыстык структурных адзінак хімічных элементаў, як сродство да электронных, Электраадмо, энергія іянізацыі, дазволіла навукоўцам не толькі даць вызначэнне атама, як найважнейшай частачцы мікрасвету, але таксама дазволіла ім растлумачыць здольнасць атамаў ўтвараць ўстойлівае і энергетычна больш выгаднае малекулярнае стан матэрыі, магчымае з прычыны стварэння розных тыпаў ўстойлівай хімічнай сувязі: іоннай, кавалентна-палярнай і непалярныя, донорно-акцэптарных (як разнавіднасці кавалентнай сувязі) і м еталлической. Апошняя абумоўлівае найважнейшыя фізічныя і хімічныя ўласцівасці ўсіх металаў.

Эксперыментальна ўстаноўлена, што памер атама можа змяняцца. Усё будзе залежаць ад таго, у які малекулу ён уваходзіць. Дзякуючы рэнтгенаструктурны аналізу можна разлічыць адлегласць паміж атамамі ў хімічным злучэнні, а таксама даведацца радыус структурнай адзінкі элемента. Валодаючы заканамернасцямі змены радыусаў атамаў, якія ўваходзяць у перыяд або ў групу хімічных элементаў, можна спрагназаваць іх фізічныя і хімічныя ўласцівасці. Напрыклад, у перыядах з павелічэннем зарада ядра атамаў іх радыусы памяншаюцца ( «сціск атама»), таму металічныя ўласцівасці злучэнняў слабеюць, а неметалічныя узмацняюцца.

Такім чынам, веды пра будову атама дазваляюць дакладна вызначыць фізічныя і хімічныя ўласцівасці ўсіх элементаў, якія ўваходзяць у перыядычную сістэму Мендзялеева.