Definice atomu a molekuly. Definice atomu až do roku 1932

Od doby starověku až do poloviny 18. století dominovala věda, že atom je částice hmoty, kterou nelze rozdělit. Anglický vědec, stejně jako přírodovědec D. Dalton dal definici atomu jako nejmenší část chemického prvku. MV Lomonosov v atomové molekulární teorii dokázal definovat atom a molekulu. Byl si jist, že molekuly, které nazývá "krvinky", se skládají z "prvků" - atomů - a jsou v neustálém pohybu.

DI Mendelejev věřil, že tato podjednotka látek, které tvoří hmotný svět, si zachovává všechny své vlastnosti pouze tehdy, pokud nepodléhá oddělení. V tomto článku budeme atom definovat jako objekt mikrosvěta a budeme studovat jeho vlastnosti.

Předpoklady pro vytvoření teorie struktury atomu

V 19. století bylo všeobecně uznáváno potvrzení nedělitelnosti atomu. Většina vědců věřila, že částice jediného chemického prvku se za žádných okolností nemohou proměnit v atomy jiného prvku. Tyto reprezentace sloužily jako základ, na kterém byla definice atomu založena až do roku 1932. Na konci 19. století došlo k zásadním objevům ve vědě, které změnily tento názor. Nejprve v roce 1897 objevil anglický fyzik D. J. Thomson elektron. Tato skutečnost radikálně změnila představy vědců o nedělitelnosti podstatné části chemického prvku.

Jak dokázat, že je atom komplikovaný

Ještě předtím objev elektronu vědci jednohlasně souhlasili s tím, že atomy nemají žádné poplatky. Pak bylo zjištěno, že elektrony jsou snadno extrahovány z jakéhokoli chemického prvku. Mohou být nalezeny v plameni, jsou nosiči elektrického proudu, uvolňují se látky během rentgenového záření.

Ale jestliže jsou elektrony obsaženy ve všech atomech bez výjimky a jsou negativně nabité, pak jsou v atomu ještě nějaké částice, které nutně mají kladný náboj, jinak by atomy nebyly elektricky neutrální. Aby pomáhal rozptýlit strukturu atomu, takový fyzický jev, jako je radioaktivita, pomohl. To dalo správné vymezení atomu ve fyzice, a pak v chemii.

Neviditelné paprsky

Francouzský fyzik A. Becquerel poprvé popsal fenomén emisí atomů určitých chemických prvků, vizuálně neviditelných paprsků. Ionizují vzduch, procházejí látkami, způsobují zčernalé fotografické desky. Později pár Curie a E. Rutherford že radioaktivní látky jsou přeměněny na atomy jiných chemických prvků (například uran na neptunium).

Radioaktivní záření je heterogenní ve složení: alfa částice, beta částice, záření gama. Takže fenomén radioaktivity potvrdil, že částice prvků periodické tabulky mají složitou strukturu. Tato skutečnost byla příčinou změn zavedených do definice atomu. Jaké částice tvoří atom, pokud jsou vzaty v úvahu nové vědecké fakty Rutherforda? Odpověď na tuto otázku byla jaderný model atomu navržený vědcem, podle něhož se střídají elektrony okolo kladně nabitého jádra.

Protiklady modelu Rutherforda

Teorie vědce, přes její vynikající charakter, nemohla objektivně definovat atom. Její závěry byly v rozporu se základními termodynamickými zákony, podle nichž se všechny elektrony, které se otáčejí kolem jádra, ztrácejí energií a jakkoli to brzy či později musí dopadnout. V tomto případě je atom zničen. To se vlastně nestane, protože chemické prvky a částice, ze kterých jsou složeny, existují v přírodě po velmi dlouhou dobu. Tato definice atomu, založená na Rutherfordově teorii, je nevysvětlitelná, stejně jako fenomén, který nastává, když žhavé jednoduché látky procházejí difrakční mřížkou. Koneckonců, výsledné atomové spektra mají lineární tvar. To bylo v rozporu s Rutherfordovým typem atomu, podle kterého by spektra měla být spojitou. Podle konceptu kvantové mechaniky jsou v současnosti elektrony charakterizovány v jádru ne jako bodové objekty, ale jako elektronové mraky.

Jeho největší hustota na určitém místě prostoru kolem jádra je považována za umístění částice v daném časovém okamžiku. Bylo také zjištěno, že v atomu jsou elektrony vrstvené. Počet vrstev lze určit tím, že znáte číslo období, ve kterém je prvek umístěn v periodické tabulce DI Mendelejeva. Například atom fosforu obsahuje 15 elektronů a má 3 úrovně energie. Indikátor, který určuje počet energetických úrovní, se nazývá hlavní kvantové číslo.

Bylo experimentálně zjištěno, že elektrony nejvyšší úrovně energie k jádru mají nejnižší energii. Každá energetická obálka je rozdělena na podúrovní, a oni zase na orbitály. Elektrony umístěné na různých orbitálech mají stejný tvar mraku (s, p, d, f).

Z výše uvedeného vyplývá, že tvar elektronového mraku nemůže být libovolný. Je definován podle orbitalu kvantové číslo. Dodáváme také, že stav elektronu v makropartikulu je určen dvěma dalšími hodnotami - magnetickým a spinovým kvantovým číslem. První je založena na Schrodingerově rovnici a charakterizuje prostorovou orientaci elektronového mraku založeného na trojrozměrnosti našeho světa. Druhým parametrem je číslo rotace, určuje rotaci elektronu kolem své osy podél nebo proti směru hodinových ručiček.

Zjišťování neutronů

Díky dílu D. Chadwicka, který vedl v roce 1932, byla dána nová definice atomu v chemii a fyzice. Ve svých experimentech vědec prokázal, že při rozštěpení polonia se generuje záření způsobené částicemi, které nemají náboj, s hmotností 1,008665. Nová elementární částice byla nazývána neutronem. Jeho objev a studium jeho vlastností umožnilo sovětským vědcům V. Gaponovi a D. Ivanenkovi vytvořit novou teorii struktury atomového jádra obsahujícího protony a neutrony.

Podle nové teorie má definice atomu hmoty následující podobu: jedná se o strukturní jednotku chemického prvku, který se skládá z jádra obsahujícího protony a neutrony a elektrony, které se kolem něj pohybují. Počet kladných částic v jádře se vždy rovná pořadovému číslu chemického prvku v periodickém systému.

Později profesor A. Zhdanov ve svých experimentech potvrdil, že pod vlivem tvrdého kosmického záření se atomová jádra dělí na protony a neutrony. Navíc bylo prokázáno, že síly, které drží tyto elementární částice v jádru, jsou extrémně energeticky náročné. Provozují se na velmi krátkých vzdálenostech (řádově 10^-23 cm) a nazývají se jadernými. Jak bylo řečeno dříve, MV Lomonosov dokázal definovat atom a molekulu na základě známých vědeckých poznatků.

V současné době je široce rozpoznán následující model: atom se skládá z jádra a elektronů pohybujících se kolem něj přes přesně definované trajektorie - orbitaly. Elektrony současně vykazují vlastnosti a částice a vlny, které mají dvojí povahu. Téměř veškerá jeho hmotnost je soustředěna v jádru atomu. To se skládá z protónů a neutronů, které jsou spojeny jadernými silami.

Je možné vážit atom

Ukazuje se, že každý atom má hmotnost. Například má obsah vodíku 1,67x10^-24 Je dokonce obtížné si představit, jak malá je tato hodnota. Chcete-li zjistit váhu takového objektu, nepoužívá se rovnováha, ale oscilátor představuje uhlíkových nanotrubiček. Pro výpočet hmotnosti atomu a molekuly je vhodnějším množstvím relativní hmotnost. Ukazuje, kolikrát je hmotnost molekuly nebo atomu větší než 1/12 uhlíkového atomu, což je 1,66x10^-27 kg. Relativní atomová hmotnost jsou indikována v periodickém systému chemických prvků a nemají žádný rozměr.

Vědci dobře vědí, že atomová hmotnost chemického prvku je průměrná hodnota hmotnostních čísel všech jeho izotopů. Ukazuje se, že v přírodě mohou jednotky jednoho chemického prvku mít různé hmoty. Obaly jader takových strukturních částic jsou stejné.

Vědci zjistili, že se izotopy v jádře liší a počet jader v nich je stejný. Například atom chloru s hmotností 35 obsahuje 18 neutronů a 17 protonů a hmotnost 37-20 neutronů a 17 protonů. Mnoho chemických prvků je směs izotopů. Například jednoduché látky, jako je draslík, argon a kyslík, obsahují atomy představující 3 různé izotopy.

Definice atomicity

Má několik výkladů. Zvažte, co se tímto pojmem rozumí v chemii. Pokud jsou atomy chemického prvku schopny existovat odděleně, aniž by se snažily vytvořit složitější částice - molekulu, pak říkají, že takové látky mají atomovou strukturu. Například vícestupňová reakce chlorace methanu. Je široce používán v chemii organické syntézy k získání nejdůležitějších derivátů obsahujících halogen: dichlormethan, chlorid uhličitý. V něm jsou molekuly chloru rozděleny na atomy, které mají vysokou reaktivitu. Zničí sigma vazby v molekule methanu, poskytující řetězovou reakci substituce.

Dalším příkladem chemického procesu, který má velký význam v průmyslu, je použití peroxidu vodíku jako dezinfekčního činidla a bělícího činidla. Stanovení atomového kyslíku jako produktu rozkladu peroxidu vodíku nastává jak v živých buňkách (v působení enzymu katalázy), tak v laboratorních podmínkách. Atomový kyslík kvalitativně stanovená vysokými antioxidačními vlastnostmi, stejně jako schopnost zničit patogenní látky: bakterie, houby a jejich spory.

Jak je uspořádán atomový plášť

Již dříve jsme objasnili, že strukturní jednotka chemického prvku má složitou strukturu. Elektrický záporný částic se otáčí okolo kladně nabitého jádra. Nobelova cena Bohr, založené na kvantové teorie světla, vytvořil učení, přičemž charakterizace a identifikace atomů, jsou následující: elektrony pohybující se kolem jádra jen v určitých pevných drah v tomto případě nevyzařují energii. Bohr, vědci prokázali, že částice mikrosvěta, které zahrnují atomy a molekuly neřídí zákony platné pro velké orgány - objekty makrokosmu.

Struktura elektronových vrstev z částic byl zkoumán v rámci prací o kvantové fyzice vědců, jako Hund, Pauli Klechkovskii. Takže bylo známo, že elektrony dělají rotační pohyby kolem jádra ne chaoticky, ale na určitých stacionárních trajektoriích. Pauli zjištěno, že v rámci jedné úrovně energie na každém z jeho orbitalů S, P, D, F v elektronických buněk může být více než dvě negativně nabité částice opačnou hodnotu spin + frac12- a - frac12-.

Hundovo pravidlo vysvětlovalo, jak se orbitaly se stejnou úrovní energie řádně naplní elektrony.

Pravidlo Klechkovského, nazývané také pravidlo n + 1, vysvětluje, jak se plní orbitály mnoha atomů elektronu (prvky 5, 6, 7 period). Všechny výše uvedené zákony sloužily jako teoretický základ systému chemických prvků, který vytvořil Dmitrij Mendelejev.

Stupeň oxidace

Je to základní pojetí v chemii a charakterizuje stav atomu v molekule. Moderní definice stupně oxidace atomů je následující: je to podmíněný náboj atomu v molekule, který je počítán z myšlenky, že molekula má pouze iontovou kompozici.

Stupeň oxidace může být vyjádřen jako celé nebo částečné číslo s kladnou, zápornou nebo nulovou hodnotou. Nejčastěji atomy chemických prvků mají několik stupňů oxidace. Například pro dusík to je -3, -2, 0, +1, +2, +3, +4, +5. Ale takový chemický prvek jako fluor ve všech jeho sloučeninách má pouze jeden stupeň oxidace, který se rovná -1. Pokud je reprezentován jednoduchou látkou, pak její stupeň oxidace je nulový. Tato chemická hodnota je vhodná pro klasifikaci látek a pro popis jejich vlastností. Nejčastěji je stupeň oxidace atomu používán v chemii při sestavování rovnic oxidačních-redukčních reakcí.

Vlastnosti atomů

Díky objevům kvantové fyziky je moderní definice atomu, založená na teorii D. Ivanenka a E. Gapona, doplněna o následující vědecké fakty. Struktura atomového jádra se během chemických reakcí nemění. Pouze stacionární elektronické orbitály mohou být změněny. Jejich struktura může vysvětlovat spoustu fyzikálních a chemických vlastností látek. Pokud elektron opouští stacionární orbitu a prochází do orbitální sítě s vyšším energetickým indexem, takový atom se nazývá vzrušený.

Mělo by být poznamenáno, že elektrony nemohou zůstat na takových orbitech, které jsou pro ně po dlouhou dobu neobvyklé. Návrat k jeho stacionární oběžné dráze, elektron emise energie kvantum. Studium těchto charakteristik strukturních jednotek chemických prvků, jako elektronová afinita, elektronegativita, ionizační energie, umožnilo vědcům nejen definovat atom, který je základním mikrosvěta částic, ale také jim umožnilo vysvětlit schopnost atomů k vytvoření stabilní a energeticky příznivější molekulární skupenství, možný důsledek vytvářet jakýkoli typ stabilních chemických vazeb: iontovou, kovalentní-polárních a nepolárních, donor-akceptorové (jako kovalentních vazebných druhů) a m kovové. Tato látka určuje nejdůležitější fyzikální a chemické vlastnosti všech kovů.

Bylo experimentálně zjištěno, že velikost atomu se může lišit. Vše závisí na tom, která molekula vstupuje. Díky rentgenové difrakční analýze je možné vypočítat vzdálenost mezi atomy v chemické sloučenině a určit poloměr konstrukční jednotky prvku. Vlastníme vzory variace v poloměru atomů vstupujících do období nebo do skupiny chemických prvků, lze předpovědět jejich fyzikální a chemické vlastnosti. Například v obdobích s nárůstem náboje jádra atomů se jejich poloměry snižují ("komprese atomů"), takže kovové vlastnosti sloučenin oslabují a nekovové vlastnosti jsou posíleny.

Znalost struktury atomu umožňuje přesně stanovit fyzikální a chemické vlastnosti všech prvků, které tvoří periodický systém Mendelejev.