Atomu un molekulas definīcija. Atēnas definīcija līdz 1932. gadam

No senatnes līdz 18. gadsimta vidum zinātnē dominēja jēdziens, ka atoms ir tāda materiāla daļiņa, kuru nevar sadalīt. Angļu zinātnieks, kā arī dabaszinātne D. Daltons noteica atomu kā mazākā ķīmiskā elementa sastāvdaļu. MV Lomonosov savā atomu-molekulārajā teorijā spēja definēt atomu un molekulu. Viņš bija pārliecināts, ka molekulas, ko viņš sauc par "asinsķermenīšiem", sastāv no "elementiem" (atomiem) un pastāvīgi kustās.

DI Menendejevs uzskatīja, ka šīs vielas, kas veido materiālo pasauli, apakšvienība saglabā visas tās īpašības tikai tad, ja tā nav pakļauta atšķiršanai. Šajā rakstā mēs definēsim atomu kā mikroviļņu objektu un izpētīsim tā īpašības.

Atomu struktūras teorijas fons

19. gadsimtā pieņēmums par atomeņa nedalāmību tika pieņemts vispār. Lielākā daļa zinātnieku uzskatīja, ka viena ķīmiskā elementa daļiņas nekādā gadījumā nevar pārvērsties par citu elementu atomiem. Šīs atziņas kalpoja par pamatu, pēc kura atoma definīcija tika pamatota līdz 1932. gadam. 19. gadsimta beigās zinātnē tika veikti būtiski atklājumi, kas mainīja šo viedokli. Pirmkārt, 1897. gadā angļu fiziķis D. J. Tomsons atklāja elektronu. Šis fakts radikāli mainīja zinātnieku idejas par ķīmiskā elementa sastāvdaļas nedalāmību.

Kā pierādīt, ka atoms ir sarežģīts

Pat pirms elektronu atklāšanas zinātnieki vienprātīgi vienojās, ka atomiem nav maksu. Tad tika noteikts, ka elektronus viegli var iegūt no jebkura ķīmiskā elementa. Tos var atrasties liesmā, tie ir elektriskās strāvas nesēji, tie tiek atbrīvoti no vielām rentgena starojuma laikā.

Bet, ja elektroni ir bez izņēmuma iekļauti visos atomos un ir negatīvi uzlādēti, tad atomā joprojām ir dažas daļiņas, kurām obligāti jābūt pozitīvam lādiņam, citādi atomi nebūtu elektriski neitrāli. Palīdzība izpratni par atoma struktūru palīdzēja ar tādu fizisku parādību kā radioaktivitāte. Tas deva pareizi definēt atomu fizikā un pēc tam ķīmijā.

Neredzami stari

Franču fiziķis A. Bekerels vispirms aprakstīja dažu ķīmisko elementu, vizuāli neredzamo staru emisijas emisiju fenomenu. Viņi jonizē gaisu, iziet cauri vielām, izraisa fotoattēlu plēvīti. Vēlāk Curie pāris un E. Rutherford konstatēja, ka radioaktīvās vielas tiek pārveidotas par citu ķīmisko elementu (piemēram, urāna un neptūna) atomus.

Radioaktīvā starojuma sastāvs ir neviendabīgs: alfa daļiņas, beta daļiņas, gamma stari. Tādējādi radioaktivitātes parādība apstiprināja, ka periodiskās tabulas elementu daļiņām ir sarežģīta struktūra. Šis fakts bija iemesls izmaiņām, kas tika ieviestas atoma definīcijā. Kādas daļiņas atomu veido, ņemot vērā Rutherforda jaunos zinātniskos faktus? Atbilde uz šo jautājumu bija zinātnes ierosinātā atomu kodolmodelis, saskaņā ar kuru rotē elektronus ap pozitīvi uzlādētu kodolu.

Rutherforda modeļa pretrunas

Zinātnes teorija, neskatoties uz viņas izcilu raksturu, objektīvi nevarēja definēt atomu. Viņas secinājumi bija pretrunā ar termodinamiskajiem pamatlikumiem, saskaņā ar kuriem visi elektroni, kas rotē ap kodolu, zaudē savu enerģiju un, lai arī kāds tas būtu, agrāk vai vēlāk tam jāatstāj. Šajā gadījumā atoms tiek iznīcināts. Tas faktiski nenotiek, jo ķīmiskie elementi un daļiņas, no kurām tie ir veidoti, pastāv dabā ļoti ilgu laiku. Šī atoma definīcija, kuras pamatā ir Rutherforda teorija, ir neizskaidrojama, tāpat kā parādība, kas rodas, kad kvēlspuldzes vienkāršas vielas šķērso difrakcijas režģi. Galu galā iegūtie atomu spektri ir lineāras formas. Tas bija pretrunā Atēnas Rutherforda modelim, saskaņā ar kuru spektram vajadzētu būt nepārtrauktai. Saskaņā ar kvantu mehānikas koncepcijām mūsdienās elektroni kodolā tiek raksturoti nevis kā punkta objekti, bet gan kā elektronu mākonis.

Tās lielākais blīvums noteiktā kosmosa lokā ap kodolu tiek uzskatīts par daļiņas atrašanās vietu noteiktā laika momentā. Tika arī atklāts, ka atomā elektroni ir slāņoti. Slāņu skaitu var noteikt, zinot perioda skaitu, kurā elements atrodas DI Mendeleyev periodiskajā tabulā. Piemēram, fosfora atoms satur 15 elektronus un ir 3 enerģijas līmeņi. Indikatoru, kas nosaka enerģijas līmeņu skaitu, sauc par galveno kvantu skaitli.

Eksperimentāli ir konstatēts, ka enerģētiskā līmeņa elektroni, kas atrodas tuvāk kodolam, ir viszemākā enerģija. Katrs enerģijas aploksne ir sadalīta apakšlīmeņos, un tie, savukārt, ir orbītas. Elektroniem, kas atrodas dažādos orbitālos, ir tāda pati mākoņa forma (s, p, d, f).

Tādējādi, ņemot vērā iepriekš minēto, elektronu mākoņa forma nevar būt patvaļīga. Tas ir stingri noteikts atbilstoši orbītas kvantu skaitam. Mēs arī piebilst, ka elektronu stāvokli makrodaļiņā nosaka ar vēl divām vērtībām - magnētisko un spinālo kvantu skaitļiem. Pirmais ir balstīts uz Schrodinger vienādojumu un raksturo elektroniskā mākoņa telpisko orientāciju, balstoties uz mūsu pasaules trīsdimensiju. Otrais parametrs ir griešanās skaitlis, tas nosaka elektrona rotāciju ap tā asi gar vai pretēji pulksteņa rādītāju kustības virzienam.

Neitronu atklāšana

Pateicoties D. Chadwick darbam, kuru viņš veica 1932. gadā, tika dota jauna atomu definīcija ķīmijā un fizikā. Savos eksperimentos zinātnieks ir pierādījis, ka polonija sadalīšanās rada starojumu, ko rada daļiņas, kurām nav uzlādes, ar masu 1,008665. Jaunu elementāru daļiņu sauca par neitronu. Tās atklāšana un tās īpašību izpēte ļāva padomju zinātniekiem V. Gaponam un D. Ivanenkoim izveidot jaunu teoriju par atomu kodolu, kas satur protonus un neitronus.

Saskaņā ar jauno teoriju vielas atoma definīcijai bija šāda forma: tā ir ķīmiskā elementa struktūrvienība, kas sastāv no kodoliem, kas satur protonus un neitronus un elektronus, kas pārvietojas pa to. Pozitīvo daļiņu skaits kodolā vienmēr ir vienāds ar ķīmiskā elementa kārtas numuru periodiskajā sistēmā.

Vēlāk profesors A. Ždanovs savos eksperimentos apstiprināja, ka smagā kosmiskā starojuma ietekmē atomu kodi sadalās protonos un neitronos. Turklāt tika pierādīts, ka spēki, kas satur šīs elementārās daļiņas kodolā, ir ļoti energoietilpīgi. Tie darbojas ļoti īsos attālumos (apmēram 10 ^-23 cm), un tos sauc par kodolieročiem. Kā jau teica iepriekš, MV Lomonosovs varēja definēt atomu un molekulu, pamatojoties uz viņam zināmiem zinātniskiem faktiem.

Šobrīd plaši atzīts šāds modelis: atoms sastāv no kodola un elektroniem, kas pārvietojas pa to, stingri definējot trajektorijas - orbitālus. Elektroni vienlaikus izpaužas īpašības un daļiņas, un viļņi, tas ir, ir divējāda rakstura. Gandrīz visa tā masa ir koncentrēta atoma kodolā. Tas sastāv no protoniem un neitroniem, kurus saista kodolieroči.

Vai ir iespējams nosvērt atomu

Izrādās, ka katram atometim ir masa. Piemēram, tas satur ūdeņraža saturu 1,67x10 ^-24 g. Ir pat grūti iedomāties, cik šī vērtība ir maza. Lai atrastu šāda objekta svaru, netiek izmantots līdzsvars, bet oscilators, kas ir oglekļa nanocaurlaidība. Lai aprēķinātu atoma un molekulas svaru, ērtāk ir relatīvā masa. Tas parāda, cik daudz reizes molekulas vai atoma masa ir lielāka par 1/12 no oglekļa atoma, kas ir 1,66x10 ^-27 kg. Relatīvās atomu masas ir norādītas periodiskajā ķīmisko elementu sistēmā, un tām nav nekādas dimensijas.

Zinātnieki labi zina, ka ķīmiskā elementa atomu masa ir visu tā izotopu masas skaitļu vidējā vērtība. Izrādās, ka dabā vienas ķīmiskās vielas vienības var būt dažādas masas. Šādu strukturālu daļiņu kodolu maksājumi ir vienādi.

Zinātnieki ir pierādījuši, ka izotopi atšķiras no kodolā esošo neitronu skaita un to kodolu uzlādes līmenis ir vienāds. Piemēram, hlora atoms ar masu 35 satur 18 neitronus un 17 protonus, un ar masu 37-20 neitronu un 17 protonus. Daudzi ķīmiskie elementi ir izotopu maisījumi. Piemēram, vienkāršām vielām, piemēram, kāliju, argonu un skābekli, ir atomi, kas attēlo 3 dažādus izotopus.

Atomicitātes definīcija

Tai ir vairākas interpretācijas. Apsveriet, ko ar šo terminu nozīmē ķīmija. Ja ķīmiskā elementa atomi spēj vismaz īsu laiku eksistēt atsevišķi, nemēģinot veidot sarežģītāku daļiņu - molekulu, tad viņi saka, ka šādām vielām ir atomu struktūra. Piemēram, daudzpakāpju metāna hlorēšanas reakcija. To plaši izmanto organiskās sintēzes ķīmijā, lai iegūtu vissvarīgākos halogēnus saturošos atvasinājumus: dihlormetānu, tetrahloroglekli. Tajā hlora molekulas sadalās augsts reaktivitātes atoms. Viņi iznīcina sigmas saites metāna molekulā, nodrošinot aizstāšanas ķēdes reakciju.

Cits ķīmiska procesa piemērs, kam ir liela nozīme rūpniecībā, ir ūdeņraža peroksīda kā dezinfekcijas un balināšanas līdzekļa izmantošana. Atomu skābekļa kā ūdeņraža peroksīda šķelšanās produkta noteikšana notiek gan dzīvās šūnās (saskaņā ar katalāzes fermentu), gan laboratorijas apstākļos. Atomisko skābekli kvalitatīvi nosaka tā augstās antioksidanta īpašības, kā arī spēja iznīcināt patogēnos līdzekļus: baktērijas, sēnītes un to sporas.

Kā notiek atomu apvalks

Mēs jau iepriekš esam precizējuši, ka ķīmiskā elementa struktūrvienībai ir sarežģīta struktūra. Par pozitīvi uzlādētu kodolu negatīvās daļiņas ir rotējošie elektroni. Nobela prēmijas laureāts Niels Bohr, pamatojoties uz kvantu gaismas teoriju, izveidoja savu doktrīnu, kurā atoma raksturojums un definīcija ir šāda forma: elektroni pārvietojas pa kodolu tikai pa dažām stacionārām trajektorijām, neizdodot enerģiju. Bohras doktrīna pierādīja, ka mikroviļņu daļiņas, kurām pieder atomi un molekulas, nepakļaujas likumiem, kas ir spēkā lielām ķermeņiem - makrokosma objektiem.

Makrodaļiņu elektronu apvalku struktūra tika pētīta tādos zinātņu pētījumos kā Hunds, Pauls, Klečkovska kvantu fizikā. Tātad kļuva zināms, ka elektroni rotācijas virzienos ap kodolu nav haotiski, bet gan uz dažām stacionārām trajektorijām. Pauli konstatēja, ka vienā no enerģijas līmeņiem katrā no tā orbitālēs s, p, d, f elektroniskajās šūnās var būt ne vairāk kā divas negatīvi lādētas daļiņas ar pretējo spin + 1 un -1.

Hunda noteikums paskaidroja, kā orbitali ar tādu pašu enerģijas līmeni labi piepilda ar elektroniem.

Klečkovska likums, ko sauc arī par noteikumu n + 1, paskaidroja, kā tiek piepildīti daudzu elektronu atomu (5, 6, 7 periodu elementi) orbītas. Visi iepriekš minētie likumi kalpoja par teorētisku pamatu Dmitrija Mendelejeva izveidotajai ķīmisko elementu sistēmai.

Oksidācijas pakāpe

Tas ir pamatjēdziens ķīmijā un raksturo atomu stāvokli molekulā. Modernā atomu oksidācijas pakāpes definīcija ir šāda: tā ir nosacīta molekulas atoma piepildīšana, ko aprēķina no jēdziena, ka molekulam ir tikai jonu kompozīcija.

Oksidācijas pakāpi var izteikt kā veselu vai frakcionētu skaitli ar pozitīvu, negatīvu vai nulles vērtību. Visbiežāk ķīmisko elementu atomi ir vairākos oksidācijas līmeņos. Piemēram, slāpekļa gadījumā tas ir -3, -2, 0, +1, +2, +3, +4, +5. Bet tādam ķīmiskajam elementam kā fluoram visos tā savienojumos ir tikai viena oksidēšanās pakāpe, kas ir vienāda ar -1. Ja to pārstāv vienkārša viela, tad tā oksidācijas pakāpe ir nulle. Šo ķīmisko vērtību ir ērti izmantot vielu klasifikācijai un to īpašību aprakstam. Visbiežāk atomu oksidēšanās pakāpi ķimiski izmanto, veidojot oksidācijas-reducēšanas reakciju vienādojumus.

Atomu īpašības

Pateicoties kvantu fizikas atklājumiem, mūsdienu atoma definīciju, kas pamatojas uz D. Ivanenko un E. Gapona teoriju, papildina šādi zinātniskie fakti. Atomu kodola struktūra nemainās ķīmisko reakciju laikā. Tikai stacionārie elektroniskie orbitāli var tikt mainīti. To struktūra var izskaidrot daudzas fizikālās un ķīmiskās vielas īpašības. Ja elektrons atstāj stacionāru orbītu un iet uz orbitālu ar augstāku enerģijas indeksu, šāds atoms saucas sajūsmā.

Jāatzīmē, ka elektroni nevar palikt uz tādiem orbitāliem, kas tiem ir neparasti ilgstoši. Atgriežoties pie savas stacionārās orbītas, elektrons izstaro enerģijas kvantu. Ķīmisko elementu strukturālo vienību raksturlielumu izpēte, piemēram, elektronu afinitāte, elektroenerģetilitāte, jonizācijas enerģija, ļāva zinātniekiem ne tikai definēt atomu kā viskozīmīgāko mikroviļņu daļiņu, bet arī ļāva viņiem izskaidrot atomu spēju veidot stabilu un enerģētiski labvēlīgāku molekulāro vielas stāvokli, Dažādu stabilu ķīmisko saišu veidošana: jonu, kovalento-polāro un nepolāru, donoru-akceptoru (kā sava veida kovalento saiti) un m Metālisks Pēdējais nosaka vissvarīgākās visu metālu fizikālās un ķīmiskās īpašības.

Eksperimentāli ir konstatēts, ka atoma izmērs var atšķirties. Viss būs atkarīgs no tā, kura molekula tā ieiet. Pateicoties rentgenstaru analīzei, ir iespējams aprēķināt attālumu starp atomiem ķīmiskajā savienojumā, kā arī noteikt elementa struktūrvienības rādiusu. Ievērojot likumus, kas attiecas uz periodu vai ķīmisko elementu grupas atomu izmaiņām, var prognozēt to fizikālās un ķīmiskās īpašības. Piemēram, periodos, kuros palielinās atomu kodola uzlādes līmenis, to rādiuss samazinās ("atomu saspiešana"), tādēļ savienojumu metāliskās īpašības mazinās un nemetāliskās īpašības tiek pastiprinātas.

Tādējādi zināšanas par atoma struktūru ļauj precīzi noteikt visu elementu fizikālās un ķīmiskās īpašības, kas veido Mendelejeva periodisko sistēmu.