Атомът в химията е ... Моделът на атома. Структурата на атома

Мисли за същността на цялата среда започнаха да посещават човечеството дълго преди разцъфването на съвременната цивилизация. Отначало хората мислели за съществуването на някои по-висши сили, които, вярваха, предопределиха всичко. Но много скоро философи и духовници започнаха да мислят за това, което всъщност е самата тъкан на това същество. Имаше много теории, но в историческа перспектива атомната се преобрази.

Какво е атом в химията? Това, както и всички свързани теми, ще обсъдим в рамките на тази статия. Надяваме се, че ще намерите отговори на всички ваши въпроси в него.

Основателят на атомната теория

Къде започва първият урок по химия? Структурата на атома е основната тема. Вероятно си спомняте, че думата "атом" се превежда от древногръцкия език като "неделима". Сега много историци смятат, че първият представи теория за някои от най-малките частици, от които всичко е съставено, Демокрит. Той живее през 5 век пр. Хр.

За най-голямо съжаление, практически не се знае нищо за този изключителен мислител. Не е стигнал нито един писмен източник на тези времена. Затова трябва да научим за идеите на най-великия учен на нашето време изключително от произведенията на Аристотел, Платон и други древногръцки мислители.

Така че нашата тема е "Структурата на атома". В химията не всеки имаше високи оценки, но мнозина си спомнят, че всички заключения на древните учени са били изградени единствено на изводи. Демокрит не беше изключение.

Как разумът на Демокрит?

Логиката му беше изключително проста, но в същото време блестяща. Представете си, че имате най-остър нож в целия свят. Взимаш една ябълка, например, и след това да започне да се реже: две половини на четвъртинки, като ги разделят отново ... С една дума, рано или късно ще получите оскъдните парчета с дебелина, които продължават да ги разделят, вече ще бъде невъзможно. Това ще бъде неделим атом. В областта на химията това твърдение се считало за почти до края на 19 век.

От Демокрит до съвременни концепции

Трябва да се отбележи, че само думата "атом" е оцеляла от древногръцките понятия за микросвета. Сега всеки ученик знае, че светът около нас се състои от много по-фундаментални и по-малки частици. Освен това от гледна точка на съвременната наука теорията на Демокрит не е нищо друго освен чисто хипотетична компилация, която изобщо не се подкрепя от никакви доказателства. Обаче в онези дни нямаше електронни микроскопи, за да докажат своя случай по друг начин, мислещият все пак щеше да се провали.

Първите подозрения, че Демокрит всъщност е прав, се появяват в химиците. Те бързо откриха, че много от веществата се разпадат на по-прости компоненти по време на реакциите. Освен това химиците са извадили строгите закони на тези процеси. Затова те забелязали, че за производството на вода осем масови фракции кислород и един водород (Законът на Авогадро).

През Средновековието никакво материалистично преподаване, включително теорията на Демокрит, размножаване и развитие не може да се получи по принцип. И само през XVIII век учени отново се връщат към атомната теория. По времето, химик Лавоазие, нашият велик Ломоносов и талантлив английски физик Г. Далтън (което ще обсъдим отделно), са убедително доказано, че колегите им в реалността на атоми. Трябва да се подчертае, че дори и в просветен атомната теория 18-ти век за дълго време много изключителни умове от онова време сериозно да се обмисли.

Каквото и да е, но дори и тези велики учени все още не са представили теорията за строежа на атома, тъй като той е считан за един и неделим частица, в основата на всичко.

За съжаление, химическите експерименти не можаха ясно да покажат реалността на трансформацията на атомите на някои вещества в други. Но все пак, химията е основната наука в изучаването на структурата на атомите. Атомите и молекулите отдавна са изследвани от един блестящ руски учен, без който човек не може да си представи съвременната наука.

Доктрината на Д. Менделеев

Огромна роля в развитието на атомното обучение играе ДИ Менделеев, който през 1869 г. създава блестящата си периодична система. За първи път на научната общност бе представена теория, която не само не отхвърляше, но разумно допълваше всички предположения на материалистите. Още през 19 век учените са успели да докажат съществуването на електрони. Всички тези изводи доведоха най-добрите умове на 20-ти век до сериозно проучване на атома. В химията този път бе отбелязан и известен брой открития.

Но учението на Менделеев е ценно не само за това. Досега не е ясно как са се образували атомите на различни химически елементи. Но великият руски учен е успял убедително да докаже, че всички от тях, без изключение, са тясно свързани помежду си.

Откритието на Далтон

Но за да може да се интерпретират множество разнородни данни, можеше само Джон Далтън, чието име е завинаги отпечатано в самия закон. Обикновено ученият изследва само поведението на газовете, но неговият обхват на интереси е много по-широк. През 1808 г. започва да публикува своята нова фундаментална работа.

Далтън е предположил, че всеки химически елемент съответства на определен атом. Но ученът, подобно на Демокрит от много векове преди него, все още вярва, че те са напълно неделими. В своите чертежи има много схеми, в които атомите са представени под формата на прости топки. Тази идея, създадена преди повече от 2500 години, съществуваше почти до наши дни! Но съвсем наскоро беше открита наистина дълбока структура на атома. Химията (9 клас по-специално) до днес се ръководи до голяма степен от идеи, които бяха изразени за първи път през 18 век.

Експериментално потвърждение на делимостта на атомите

До края на XIX в. Почти всички учени вярват, че атомът - границата, отвъд която няма нищо. Те смятаха, че основата на цялата вселена е той. Това е било улеснено от най-различни експерименти: каквото може да се каже, но това, което се променя, е само на молекулата, а скоростта с атомите на веществото не се случи абсолютно нищо, което не може да се обясни просто химия. Структурата на въглеродния атом, например, остава напълно непроменена дори в различни алотропни състояния.

Накратко, дълго време няма абсолютно никакви експериментални данни, които поне индиректно потвърдиха подозренията на някои учени, че има някои по-фундаментални частици. Едва през 19 век (не на последно място благодарение на експериментите на двойката Кюри) се доказва, че при определени условия атомите на някои елементи могат да бъдат трансформирани в други. Тези открития формират основата за съвременните идеи за света около нас.

Стафиди и пудинги

През 1897 г. американският физик Дж. Томсън открил, че във всеки атом има определено количество отрицателно заредени частици, които нарича "електрони". Още през 1904 г. учените създават първия атомен модел, по-известен като "пудинг със стафиди". Името точно отразява същността. Съдейки по теорията на Томсън, един атом в химията е един вид "съд" с еднакво разпределени заряди и електрони в него.

Имайте предвид, че такъв модел е разпространен дори през 20-ти век. По-късно се оказа, че е напълно погрешна. Но все пак това е първият съзнателен опит на човек (и на научна основа) да пресъздаде околния микрокосмос, предлагайки атомен модел, който е прост и ясен.

Експериментите на Кюри

Обикновено се смята, че двойката Пиер и Мария Кюри полага основите на атомната физика. Разбира се, приносът на тези блестящи хора, които действително са пожертвали своето здраве и живот, не може да бъде подценен, но експериментите им бяха много по-важни. Почти едновременно с Ръдърфорд те доказват, че атомът е много по-сложна и хетерогенна структура. Самият феномен на радиоактивност, който са изследвали, е точно това, което каза това.

Още в началото на 1898 г. Мария публикува първата статия, посветена на радиацията. Скоро Мария и Пиер Кюри доказват, че в сместа от хлорни съединения на уран и радий започват да се появяват други вещества, в чието съществуване официалната химия се съмняваше. Оттогава структурата на атома започва да се изследва отблизо.

"Планетарен" подход

И накрая, Ръдърфорд реши да бомбардира атомите на тежки метали алфа частици (напълно йонизиран хелий). Учените незабавно са предположили, че светлинните електрони не могат по никакъв начин да променят траекторията на движението на частиците. Съответно, разсейването може да предизвика само по-тежки елементи, които могат да се съдържат в ядрото на атома. Само имайте предвид, че първоначално Ръдърфорд не се преструва, че променя теорията за "пудинг". Този модел на атома се смята за непостижим.

Така че, когато почти всички частици преминаха през тънък слой сребро без проблеми, не го изненада. Но скоро става ясно, че някои хелиеви атоми се отклоняват незабавно с 30 °. Всъщност не беше онова, за което химията говореше по онова време. Съставът на атома според Thomson приема унифицирано разпределение на електроните. Но това очевидно противоречи на наблюдаваните явления.

Изключително рядко, но все още някои частици летяха под ъгъл дори 180 °. Ръдърфорд беше в най-дълбоката смут. В крайна сметка това рязко противоречи на "пудинг", таксата, в която се предполагаше, че е (според теорията на Томсън) разпределена равномерно. Следователно, неравномерно заредени секции, които биха могли да отблъснат йонизирания хелий, би трябвало да отсъстват.

На какви изводи дойде Ръдърфорд?

Тези обстоятелства подтикнаха учения да мисли, че атомът е практически празен и само в центъра има някакво образуване с положителен заряд - ядрото. Така че имаше планетен модел на атома, чийто постулати са следните:

• Както вече казахме, в централната част се намира ядрото и неговият обем (спрямо размера на самия атом) е незначително.
• Почти цялата атомна маса, както и цялата положителна заряд, са в ядрото.
• Електроните се въртят около него. Важно е броят им да е равен на стойността на положителната такса.

Парадоксът на теорията

Всичко би било наред, но този атомен модел не обяснява невероятната си стабилност по никакъв начин. Трябва да се помни, че електроните се движат в орбитите си с огромно ускорение. Съгласно всички закони на електродинамиката, такъв обект трябва да губи своето зареждане с течение на времето. Ако вземете предвид постулатите на Нютон и Максуел, то тогава електроните трябва да се излеят върху сърцевината, като градушка на земята.

Разбира се, нищо подобно не се случва в действителност. Всеки атом е не само напълно стабилен, но може да има абсолютно неограничено време и никакво излъчване от него няма да изчезне. Това несъответствие се дължи на факта, че се опитваме да прилагаме закони към микросвета, които са валидни само по отношение на класическата механика. Те, както се оказа, са напълно неприложими към явления от атомен мащаб. И тъй като структурата на атома (химията, клас 11), авторите на учебниците се опитват да обяснят колкото е възможно по-прости думи.

Доктрината на Бор

Датски физик Нилс Бор е доказано, че в микрокосмоса не може да бъде предмет на същите закони, разпоредбите на които са валидни за макроскопски обекти. Той е собственик на идеята, че микрокосмосът се "ръководи" изключително от квантовите закони. Разбира се, тогава не е имало самата квантова теория, но Бор всъщност започва да я предшественик, като изрази мислите си под формата на три постулата, че "спасен" атомните то неминуемо ще се убива, ако той "живее" в съответствие с теорията на Ръдърфорд. Това беше тази теория на Дейн, която формира основата на цялата квантова механика.

Постерата на Бора

• Първият от тях казва: всяка атомна система може да бъде само в специални атомни състояния и за всяка от тях е характерна определена стойност на енергията (Е). Ако състоянието на атома е неподвижно (спокойно), тогава то не може да излъчва.
• Вторият постулат казва, че излъчването на светлинна енергия възниква само в случай на преход от състояние с по-висока енергия към по-умерена. Съответно освободената енергия е равна на разликата в стойностите между две стационарни състояния.

Модел на атома Niels Bohr

Тази полукласическа теория е предложена от учения през 1913 година. Трябва да се отбележи, че се основава на планетарния модел на Ръдърфорд, който малко преди него описва атома на материята. Вече казахме, че класическата механика е в противоречие с изчисленията на Ръдърфорд: изхождайки от него, се предполагаше, че с времето електронът трябва непременно да падне върху повърхността на атома.

За да "преодолее" това противоречие, ученият представи специално допускане. Нейната същност е, че за излъчване на енергия (която трябва да доведе до тяхното падане), електроните могат да се движат само на някои специфични орбити. Докато ги преместват по други траектории, твърденията за химически атоми остават в пасивно състояние. Според теорията на Бор тези орбити са онези, чийто количествен импулс е равен на константите на Планк.

Квантова теория на атомната структура

Както вече казахме, квантовата теория за структурата на атома понастоящем е в ход. Химията от последните години се ръководи изключително от нея. Тя се основава на четири основни аксиома.

1. Първо, двойствеността (корпускуларна вълна) на самия електронен. Просто казано, тази частица се държи като материален обект (корпус) и като вълна. Като частица, тя има определен заряд и маса. Способността за дифракция е свързана с електрони с класически вълни. Дължината на тази много вълна (ламбда) и скоростта на частицата (v) могат да бъдат свързани един с друг чрез специална връзка на Broglie: ламбда- = h / mv. Както може да предположите, m е масата на самия електронен.

2. Изключително невъзможно е да се измери координатите и скоростта на частиците с абсолютна точност. Колкото по-точно е определена координатната стойност, толкова по-висока е несигурността в скоростта. Както обаче и обратно. Това явление се нарича Хайзенбергска несигурност, която може да се изрази като следната връзка: Δx ∙ m ∙ Δv> ¼ / 2. Делта Х (Δx) изразява неопределеността на позицията на координатите в пространството. Съответно делта V (Δv) показва грешките на скоростта.

3. Противно на всички предишни преобладаващи мнения, електроните не преминават в строго определени орбити, като влакове по релсите. Квантовата теория казва, че един електронен може да бъде навсякъде в космоса, но вероятността за това е различна за всеки сегмент.

Тази част от пространството около атомното ядро, в което тази вероятност е максимална, се нарича орбитал. Съвременната химия изследва структурата на електронните черупки на атомите от тази гледна точка. Разбира се, училищата преподават правилното разпределение на електроните по нива, но очевидно в действителност те се различават съвсем различно.

4. Ядрото на атома се състои от нуклеони (протони и неутрони). Серийният номер на елемент в периодичната система показва броя на протоните в нейното ядро, а сумата от протоните и неутроните е равна на атомната маса. Така химия на модерността обяснява структурата на ядрото на атома.

Основателите на квантовата механика

Нека да обърнем внимание на онези учени, които допринесоха най-много за развитието на такава важна индустрия: френският физик Льо де Броли, немският W. Heisenberg, австрийският E. Schrödinger, Англичанин П. Дирак. Всички тези хора впоследствие получиха Нобелова награда.

Докъде отиваше химията? Структурата на атома повечето химици от тези години се смяташе за съвсем проста: мнозина едва през 1947 г. най-накрая разпознаха реалността на съществуването на елементарни частици.

Някои заключения

По принцип създаването на квантова теория не е без математиците, тъй като всички тези процеси могат да се изчисляват само с помощта на сложни изчисления. Но основното затруднение не е това. Тези процеси, които са описани в тази теория, не са достъпни не само за нашите сетива, въпреки съвременната научна техника, но и за въображението.

Никой дори не може да си представи дори процесите в микрокосмоса, тъй като те напълно не се различават от всички явления, които наблюдаваме в макрокосмоса. Само си помислете: последните открития пораждат предположението, че кварките, неутрините и други фундаментални частици съществуват в деветмерно (!) Измерение. Как може човек, живеещ в триизмерно пространство, да описва грубо тяхното поведение?

В момента можем да разчитаме само на математиката и силата на съвременните компютри, които може би ще бъдат използвани за моделиране на микрокосмоса. Химическата химия също помага: структурата на атома със сигурност ще бъде преосмислена, след като наскоро учени, работещи в тази област, съобщиха за откриването на нов тип химическа връзка.

Съвременна концепция за структурата на атома

Ако внимателно прочетете всичко по-горе, то със сигурност вие сами можете да разберете каква е сегашната представа за структурата на атомите на веществата. Но все пак ще обясним: това е малко по-модифицирана теория за Ръдърфорд, допълнена от безценни постулати на Нилс Бор. Просто казано, днес се смята, че електроните се движат по хаотични, дифузни траектории близо до ядрото, което се състои от неутрони и протони. Тази част от пространството около него, в което най-вероятно е появата на електрона, се нарича орбитал.

Още не е възможно да се каже точно как нашите идеи за структурата на атома ще се променят в бъдеще. Всеки ден учените работят върху проникването в тайните на микросвета: LHC (Големият андронен колайдер), Нобеловите награди по физика - всичко това е резултат от тези изследвания.

Но дори и сега ние дори не представяме приблизителна картина на това, което атомите все още се крият. Ясно е само, че самият атом в мащаба на микросвета е огромна жилищна сграда, в която разгледахме само първия етаж и дори не съвсем. Почти всяка година има съобщения за възможността да се откриват все повече и повече елементарни частици. Когато процесът на изучаване на атомите ще бъде напълно завършен, никой днес не може да предвиди.

Достатъчно е да се каже, че нашите идеи за тях започнаха да се променят едва от 1947 г., когато бяха открити така наречените V-частици. Преди това хората само малко по-дълбоко задълбочиха теориите, на които се основаваше химията от 19-ти век. Структурата на атома е очарователна загадка, най-добрите умове на човечеството се занимават с решаването му.