Определение на атом и молекула. Определение на атома до 1932 г.

От периода на античността до средата на 18-ти век науката е доминирана от идеята, че атомът е частица от материя, която не може да бъде разделена. Английският учен, както и натуралист Д. Далтън дадоха дефиницията на атома като най-малката част от химическия елемент. MV Lomonosov, в своята атомно-молекулярна теория, е способен да дефинира атома и молекулата. Беше сигурен, че молекулите, наречени "корпуси", се състоят от "елементи" - атоми - и са в постоянно движение.

Д. Менделеев вярва, че тази субединица от вещества, които съставят материалния свят, запазва всичките си свойства само ако не премине отделяне. В тази статия ще определим атома като обект на микросвета и ще проучим неговите свойства.

Предпоставките за създаването на теорията за структурата на атома

През 19 век утвърждаването на неделимостта на един атом е общопризнато. Повечето учени вярват, че частиците на един химически елемент не могат при никакви обстоятелства да се превърнат в атоми на друг елемент. Тези представяния служеха като основа, върху която определението на атома се основаваше до 1932 г. В края на XIX век в науката са направени фундаментални открития, които променят тази гледна точка. На първо място, през 1897 г. английският физик Д. Томсън открил един електрон. Този факт коренно промени идеите на учените относно неделимостта на съставната част на химически елемент.

Как да докажете, че атомът е сложен

Още преди това откриване на електрона учените единодушно са съгласни, че атомите нямат такси. След това се установи, че електроните лесно се извличат от всеки химичен елемент. Те могат да бъдат намерени в пламък, те са носители на електрически ток, те се освобождават от вещества по време на рентгеново излъчване.

Но ако електроните са включени във всички атоми без изключение и са отрицателно заредени, тогава все още има някои частици в атома, които задължително имат положителен заряд, иначе атомите няма да бъдат електрически неутрални. За да помогне за разкриването на структурата на атома, подобно физическо явление като радиоактивността е помогнало. Той дава правилната дефиниция на атома във физиката, а след това и в химията.

Невидими лъчи

Френският физик А. Бекверел първо описва явлението излъчване от атоми на определени химически елементи, визуално невидими лъчи. Те йонизират въздуха, преминават през вещества, причиняват почерняване на фотографските плочи. По - късно двойката Кюри и Е. Ръдърфорд че радиоактивните вещества се превръщат в атоми на други химически елементи (например уран до нептуниум).

Радиоактивното излъчване е хетерогенно в състава: алфа частици, бета частици, гама лъчи. По този начин феноменът на радиоактивността потвърждава, че частиците на елементите на периодичната таблица имат сложна структура. Този факт е причината за промените, въведени в дефиницията на атома. От какви частици се състои атомът, ако се вземат под внимание новите научни факти на Ръдърфорд? Отговорът на този въпрос беше ядреният модел на атома, предложен от учения, според който електроните около положително зареденото ядро ​​се въртят.

Противоречия на модела на Ръдърфорд

Теорията на учения, въпреки изключителния й характер, не може обективно да определи атома. Заключенията й противоречат на основните закони на термодинамиката, според които всички електрони, които се въртят около ядрото, губят енергията си и, каквото и да е, рано или късно трябва да падне върху нея. Атомът е унищожен в този случай. Това всъщност не се случва, защото химическите елементи и частици, от които са съставени, съществуват в природата от много дълго време. Това определение за атом, основаващо се на теорията на Ръдърфорд, е необяснимо, както и явлението, което се случва, когато простите вещества с нажежаема жичка преминават през дифракционна решетка. В крайна сметка получените атомни спектри имат линейна форма. Това е в противоречие с модела на атома на Ръдърфорд, според който спектрите трябва да бъдат непрекъснати. Съгласно понятията за квантовата механика, в момента електроните се характеризират в ядрото не като точкови обекти, а като такива, имащи формата на електронен облак.

Неговата най-голяма плътност в определено място на пространството около ядрото се счита за местоположението на частицата в даден момент от времето. Установено е също, че в атома електроните са пластове. Броят на слоевете може да бъде определен, като се знае броя на периода, в който елементът се намира в периодичната таблица на DI Mendeleyev. Например, фосфорният атом съдържа 15 електрона и има 3 енергийни нива. Индикаторът, определящ броя на енергийните нива, се нарича основно квантово число.

Експериментално е установено, че електроните на нивото на енергия, най-близо до ядрото, имат най-ниската енергия. Всеки енергиен плик е разделен на подложки, а те, от своя страна, в орбити. Електроните, разположени на различни орбита, имат еднаква форма на облака (s, p, d, f).

Изхождайки от горното, следва, че формата на електронния облак не може да бъде произволна. Тя е строго дефинирана според орбитата квантово число. Също така добавяме, че състоянието на електрона в макрочастица се определя от още две стойности - магнитното и квантовото число на въртене. Първото се основава на уравнението на Шрьодингер и характеризира пространствената ориентация на електронния облак въз основа на триизмерността на нашия свят. Вторият параметър е spin number, той определя въртенето на електрона около неговата ос по посока на часовниковата стрелка или обратно на часовниковата стрелка.

Откриване на неутрони

Чрез работата на Г. Чадуик, да ги проведе през 1932 г., тя бе дадена нова дефиниция на атома по химия и физика. В своите научни експерименти той се оказа, че в разцепването настъпва полоний радиация, причинени от частиците, имащи без заплащане, масата 1,008665. Нова елементарна частица се нарича неутрон. Нейното откриване и изследване на свойствата му позволи съветските учени V. Gapon и Иваненко създават нова теория за структурата на атомното ядро, съдържащо протони и неутрони.

Според новата теория дефиницията на атома на материята има следната форма: тя е структурна единица на химически елемент, състоящ се от ядро, съдържащо протони и неутрони и електрони, движещи се около него. Броят на положителните частици в ядрото винаги е равен на номерата на химическия елемент в периодичната система.

По-късно професор А. Жданов в експериментите си потвърждава, че под влияние на твърдото космическо излъчване атомните ядра се разделят на протони и неутрони. Освен това беше доказано, че силите, които държат тези елементарни частици в сърцевината, са изключително енергийно интензивни. Те работят на много кратки разстояния (от порядъка на 10^-23 cm) и се наричат ​​ядрени. Както беше казано по-рано, М. В. Ломоносов успя да определи атома и молекулата въз основа на научни факти, които са му известни.

Понастоящем широко се признава следният модел: атомът се състои от ядро ​​и електрони, движещи се около него по стриктно определени траектории - орбитални. Електроните едновременно проявяват свойства и частици и вълни, т.е. имат двойно естество. Почти цялата му маса се концентрира в ядрото на атома. Състои се от протони и неутрони, свързани с ядрени сили.

Възможно ли е да се претегли атом

Оказва се, че всеки атом има маса. Например, съдържанието на водород е 1,67х10^-24 Дори е трудно да си представим колко малка е тази стойност. За да се намери теглото на такъв обект, не се използва баланс, а осцилатор, който представлява въглеродна нанотръба. За да се изчисли теглото на атома и молекулата, по-удобно количество е относителната маса. Показва колко пъти теглото на една молекула или атом е по-голямо от 1/12 от въглеродния атом, което е 1,66х10^-27 кг. Относителните атомни маси са посочени в периодичната система на химичните елементи и те нямат измерение.

Учените знаят добре, че атомната маса на химичния елемент е средната стойност на масовия брой на всички негови изотопи. Оказва се, че в природата единиците на един химически елемент могат да имат различни маси. Зарядите на ядрата на такива структурни частици са еднакви.

Учените са установили, че изотопите се различават в броя на неутроните в ядрото, а зарядът на ядрата в тях е еднакъв. Например, хлорен атом с маса 35 съдържа 18 неутрона и 17 протона и с маса от 37-20 неутрона и 17 протона. Много химически елементи са смеси от изотопи. Например, прости вещества като калий, аргон и кислород съдържат атоми, представляващи 3 различни изотопа.

Определение на атомността

Има няколко интерпретации. Помислете какво означава този термин в областта на химията. Ако атомите на химически елемент са способни поне за кратко време да съществуват отделно, без да се стремят да образуват по-сложна частица - молекула, тогава казват, че такива вещества имат атомна структура. Например, многоетапна реакция на хлорирането на метан. Той се използва широко в химията на органичния синтез, за ​​да се получат най-важните халоген-съдържащи производни: дихлорометан, тетрахлорметан. В него молекулите на хлора се разделят на атоми, които имат висока реактивност. Те разрушават сигматичните връзки в метановата молекула, като осигуряват верижна реакция на заместване.

Друг пример на химически процес, който има голямо значение в индустрията - използването на водороден пероксид като дезинфектант и избелващ агент. Определяне на атомен кислород като продукт на разцепване на водороден пероксид се среща и в двете живите клетки (от ензима каталаза), и в лабораторията. Атомен кислород качествено определено от високите си антиоксидантни свойства, както и от способността да унищожават патогенните агенти: бактерии, гъбички и техните спори.

Как е подредена атомната обвивка

Вече стана ясно, че структурната единица на химически елемент има сложна структура. Електронът на отрицателните частици се върти около положително зареденото ядро. Нобелова награда Нилс Бор, въз основа на квантовата теория на светлината, създаден учение, където характеристиката и идентификацията на атома са както следва: електрони, които се движат около ядрото само в определени фиксирани пътеки в този случай не излъчва енергия. Бор, учените са показали, че частиците на микросвета, които включват атоми и молекули не се подчиняват на законите, валидни за големи организации - предмети макрокосмоса.

Структурата на електронните черупки от частици се изследва в статии за квантовата физика на такива учени като Хун, Паули, Клечковски. Така стана известно, че електроните вършат ротационните движения около ядрото не хаотично, а на определени стационарни траектории. Паули установи, че в едно енергийно ниво на всяка от неговите орбитали s, p, d, f в електронни клетки не могат да има повече от две отрицателно заредени частици с обратна въртене + frac12- и - frac12-.

Правилото на Хунд обяснява как орбиталите със същото ниво на енергия се запълват правилно с електроните.

Правилото на Клечковски, наречено също правило n + 1, обяснява как се запълват орбитите на множество електронни атоми (елементи от 5, 6, 7 периоди). Всички горепосочени закони служат като теоретична основа за системата от химически елементи, създадена от Дмитрий Менделеев.

Степен на окисление

Това е фундаментално понятие в химията и характеризира състоянието на атома в молекулата. Съвременната дефиниция на степента на окисление на атомите е следната: това е условно зареждане на атом в молекула, което се изчислява от представата, че молекулата има само йонен състав.

Степента на окисление може да бъде изразена като цяло или частично число с положителна, отрицателна или нулева стойност. Най-често атомите на химическите елементи имат няколко степени на окисляване. Например за азота това е -3, -2, 0, +1, +2, +3, +4, +5. Но такъв химически елемент като флуор във всичките му съединения има само една степен на окисление, равна на -1. Ако то е представено от просто вещество, тогава неговата степен на окисляване е нула. Тази химическа стойност е удобна за използване при класифицирането на веществата и за описването на техните свойства. Най-често степента на окисление на един атом се използва в химията при съставянето на уравненията на окислително-редукционните реакции.

Свойства на атомите

Благодарение на откритията на квантовата физика модерната дефиниция на атома, основана на теорията на Д. Иванченко и Е. Гапон, се допълва от следните научни факти. Структурата на атомното ядро ​​не се променя по време на химическите реакции. Само стационарните електронни орбитали подлежат на промяна. Тяхната структура може да обясни много физични и химични свойства на веществата. Ако един електронен напусне стационарна орбита и преминава към орбитал с по-висок енергиен индекс, такъв атом се нарича развълнуван.

Трябва да се отбележи, че електроните не могат да останат на такива орбитали, които са необичайни за тях за дълго време. Връщайки се към стационарната си орбита, електронът излъчва квантова енергия. Изследването на тези характеристики на структурните звена на химични елементи като електрон афинитет, Електроотрицателност, йонизационна енергия, позволява учени не само да определят атом като основен микросредата на частиците, но също така позволява да се обясни способността на атоми за образуване на стабилен и енергично по-благоприятно молекулно състояние на материята, възможно вследствие на създаване на всякакъв вид стабилни химични връзки: йонни, ковалентно-полярен и неполярен, донор-акцептор (като ковалентно свързване видове) и m etallicheskoy. Последното определя най-важните физични и химични свойства на всички метали.

Експериментално е установено, че размерът на един атом може да варира. Всичко ще зависи от това коя молекула навлиза. Благодарение на рентгенов дифракционен анализ е възможно да се изчисли разстоянието между атомите в химичното съединение, както и да се определи радиуса на структурната единица на елемента. Притежаването на моделите на изменение в радиусите на атомите, влизащи в периода или в група от химически елементи, може да предвиди техните физични и химични свойства. Например, в периоди с повишаване на заряда на ядрото на атомите, техните радиуси намаляват ("компресия на атомите"), така че металните свойства на съединенията отслабват и неметалните свойства се засилват.

По този начин, познаването на структурата на атома прави възможно точното определяне на физичните и химичните свойства на всички елементи, които съставят периодичната система на Менделеев.