Apskatīsim, kā tiek uzbūvēts atoms. Paturiet prātā, ka mēs runāsim tikai par modeļiem. Praksē atomi ir daudz sarežģītāka struktūra. Bet, pateicoties mūsdienu attīstībai, mēs spējam izskaidrot un pat veiksmīgi prognozēt ķīmisko elementu īpašības (pat ja ne visas). Tātad, kāda ir atoma struktūra? No kā tas ir "izgatavots"?
Atoma planētu modelis
pirmo reizi ierosināja dāņu fiziķis N. Bors 1913. gadā. Šī ir pirmā uz zinātniskiem faktiem balstīta atoma uzbūves teorija. Turklāt viņa lika pamatus mūsdienu tematiskajai terminoloģijai. Tajā elektronu daļiņas rada rotācijas kustības ap atomu tāpat kā planētas ap Sauli. Bors ierosināja, ka tie var pastāvēt tikai orbītās, kas atrodas stingri noteiktā attālumā no kodola. Kāpēc tieši, zinātnieks no zinātnes pozīcijām nevarēja izskaidrot, taču šādu modeli apstiprināja daudzi eksperimenti. Lai apzīmētu orbītas, tika izmantoti veseli skaitļi, sākot ar vienību, kas tika numurēta vistuvāk kodolam. Visas šīs orbītas sauc arī par līmeņiem. Ūdeņraža atomam ir tikai viens līmenis, kurā griežas viens elektrons. Bet sarežģītiem atomiem ir vairāk līmeņu. Tie ir sadalīti komponentos, kas apvieno elektronus, kas ir tuvu enerģijas potenciālam. Tātad otrajā jau ir divi apakšlīmeņi - 2s un 2p. Trešajā jau ir trīs - 3s, 3p un 3d. utt. Pirmkārt, tiek “apdzīvoti” apakšlīmeņi, kas ir tuvāk kodolam, un tad tālākie. Katrs no tiem var saturēt tikai noteiktu skaitu elektronu. Bet tas nav beigas. Katrs apakšlīmenis ir sadalīts orbitālēs. Salīdzināsim ar parasto dzīvi. Atoma elektronu mākonis ir salīdzināms ar pilsētu. Līmeņi ir ielas. Apakšlīmenis - privātmāja vai dzīvoklis. Orbitāla ir telpa. Katrs no tiem "dzīvo" vienu vai divus elektronus. Visām tām ir noteiktas adreses. Šī bija pirmā atoma struktūras diagramma. Un visbeidzot par elektronu adresēm: tās nosaka skaitļu kopas, kuras sauc par "kvantiem".
Atoma viļņu modelis
Bet laika gaitā planētas modelis ir pārskatīts. Tika ierosināta otra teorija par atoma uzbūvi. Tas ir pilnīgāks un ļauj izskaidrot praktisko eksperimentu rezultātus. E. Šrēdingera piedāvātais atoma viļņu modelis aizstāja pirmo. Tad jau tika konstatēts, ka elektrons var izpausties ne tikai kā daļiņa, bet arī kā vilnis. Ko Šrēdingers izdarīja? Viņš izmantoja vienādojumu, kas apraksta viļņa kustību trīsdimensiju telpā. Tādējādi var atrast nevis elektrona trajektoriju atomā, bet gan tā noteikšanas varbūtību noteiktā punktā. Abas teorijas vieno fakts, ka elementārdaļiņas atrodas uzkonkrēti līmeņi, apakšlīmeņi un orbitāles. Šeit arī beidzas modeļu līdzība. Es došu vienu piemēru - viļņu teorijā orbitāle ir apgabals, kurā būs iespējams atrast elektronu ar 95% varbūtību. Pārējā telpa aizņem 5%. Bet beigās izrādījās, ka atomu struktūras iezīmes ir attēlotas, izmantojot viļņu modeli, neskatoties uz to, ka terminoloģija tiek lietota vispārīgi.
Varbūtības jēdziens šajā gadījumā
Kāpēc tika lietots šis termins? Heizenbergs 1927. gadā formulēja nenoteiktības principu, ko tagad izmanto, lai aprakstītu mikrodaļiņu kustību. Tā pamatā ir to būtiskā atšķirība no parastajiem fiziskajiem ķermeņiem. Kas tas ir? Klasiskā mehānika pieņēma, ka cilvēks var novērot parādības, tās neietekmējot (debesu ķermeņu novērošana). Pamatojoties uz saņemtajiem datiem, ir iespējams aprēķināt, kur objekts atradīsies noteiktā laika brīdī. Bet mikrokosmosā lietas noteikti ir atšķirīgas. Tā, piemēram, elektronu novērot, neietekmējot, tagad nav iespējams, jo instrumenta un daļiņas enerģijas ir nesalīdzināmas. Tas noved pie tā, ka mainās tās elementārdaļiņas atrašanās vieta, stāvoklis, virziens, kustības ātrums un citi parametri. Un nav jēgas runāt par precīzām īpašībām. Pats nenoteiktības princips mums saka, ka nav iespējams aprēķināt precīzu elektrona trajektoriju ap kodolu. Varat norādīt tikai daļiņas atrašanas varbūtību noteiktā apgabalātelpa. Tā ir ķīmisko elementu atomu struktūras īpatnība. Bet tas ir jāņem vērā tikai zinātniekiem praktiskajos eksperimentos.
Atoma sastāvs
Bet koncentrēsimies uz visu tēmu. Tātad, papildus labi pārdomātajam elektronu apvalkam, atoma otrā sastāvdaļa ir kodols. Tas sastāv no pozitīvi lādētiem protoniem un neitrāliem neitroniem. Mēs visi esam pazīstami ar periodisko tabulu. Katra elementa skaits atbilst tajā esošo protonu skaitam. Neitronu skaits ir vienāds ar starpību starp atoma masu un tā protonu skaitu. Var būt novirzes no šī noteikuma. Tad viņi saka, ka ir klāt elementa izotops. Atoma struktūra ir tāda, ka to "ieskauj" elektronu apvalks. Elektronu skaits parasti ir vienāds ar protonu skaitu. Pēdējā masa ir aptuveni 1840 reizes lielāka nekā pirmā un ir aptuveni vienāda ar neitrona svaru. Kodola rādiuss ir aptuveni 1/200 000 no atoma diametra. Viņam pašam ir sfēriska forma. Tā kopumā ir ķīmisko elementu atomu struktūra. Neskatoties uz masas un īpašību atšķirībām, tie izskatās aptuveni vienādi.
Orbītas
Runājot par to, kāda ir atoma uzbūves shēma, par tiem nevar klusēt. Tātad ir šādi veidi:
- s. Tie ir sfēriski.
- lpp. Tie izskatās kā apjomīgi astotnieki vai vārpstas.
- d un f. Tiem ir sarežģīta forma, ko ir grūti aprakstīt formālā valodā.
Teritorijā var atrast katra veida elektronu ar 95% varbūtībuatbilstošā orbitāle. Iesniegtā informācija ir jāuztver mierīgi, jo tas drīzāk ir abstrakts matemātisks modelis, nevis fiziski reāls lietu stāvoklis. Bet ar visu to tam ir laba prognozēšanas spēja attiecībā uz atomu un pat molekulu ķīmiskajām īpašībām. Jo tālāk no kodola atrodas līmenis, jo vairāk elektronu uz tā var novietot. Tātad, orbitāļu skaitu var aprēķināt, izmantojot īpašu formulu: x2. Šeit x ir vienāds ar līmeņu skaitu. Un tā kā uz orbitāles var novietot līdz diviem elektroniem, to skaitliskās meklēšanas galīgā formula izskatīsies šādi: 2x2.
Orbītas: tehniskie dati
Ja runājam par fluora atoma uzbūvi, tam būs trīs orbitāles. Tie visi tiks aizpildīti. Orbitāļu enerģija tajā pašā apakšlīmenī ir vienāda. Lai tos apzīmētu, pievienojiet slāņa numuru: 2s, 4p, 6d. Mēs atgriežamies pie sarunas par fluora atoma uzbūvi. Tam būs divi s- un viens p-apakšlīmenis. Tajā ir deviņi protoni un tikpat daudz elektronu. Pirmais s-līmenis. Tie ir divi elektroni. Tad otrais s-līmenis. Vēl divi elektroni. Un 5 aizpilda p-līmeni. Šeit ir viņa struktūra. Izlasot šo apakšvirsrakstu, jūs pats varat veikt nepieciešamās darbības un pārliecināties par to. Ja mēs runājam par halogēnu fizikālajām īpašībām, kas ietver fluoru, tad jāatzīmē, ka tie, lai arī ir vienā grupā, pilnībā atšķiras pēc to īpašībām. Tātad to viršanas temperatūra svārstās no -188 līdz 309grādi pēc Celsija. Tātad, kāpēc tie ir apvienoti? Tas viss, pateicoties ķīmiskajām īpašībām. Visiem halogēniem un lielākā mērā fluoram ir visaugstākā oksidēšanas spēja. Tie reaģē ar metāliem un var spontāni aizdegties istabas temperatūrā bez jebkādām problēmām.
Kā tiek aizpildītas orbītas?
Pēc kādiem noteikumiem un principiem tiek sakārtoti elektroni? Mēs iesakām iepazīties ar trim galvenajām, kuru formulējums ir vienkāršots labākai izpratnei:
- Mazākās enerģijas princips. Elektroniem ir tendence aizpildīt orbitāles enerģijas pieauguma secībā.
- Pauli princips. Viena orbitāle nevar saturēt vairāk par diviem elektroniem.
- Hunda noteikums. Vienā apakšlīmenī elektroni vispirms aizpilda brīvās orbitāles un tikai pēc tam veido pārus.
Aizpildīšanā palīdzēs Mendeļejeva periodiskā sistēma, un atoma uzbūve šajā gadījumā kļūs saprotamāka attēla ziņā. Tāpēc praktiskajā darbā ar elementu ķēžu konstruēšanu nepieciešams turēt pie rokas.
Piemērs
Lai apkopotu visu rakstā teikto, varat izveidot paraugu, kā atoma elektroni tiek sadalīti pa līmeņiem, apakšlīmeņiem un orbitālēm (tas ir, kāda ir līmeņa konfigurācija). To var parādīt kā formulu, enerģijas diagrammu vai kā slāņu diagrammu. Šeit ir ļoti labas ilustrācijas, kuras, rūpīgi izpētot, palīdz izprast atoma uzbūvi. Tātad pirmais līmenis ir aizpildīts. Tā irtikai viens apakšlīmenis, kurā ir tikai viena orbitāle. Visi līmeņi tiek aizpildīti secīgi, sākot ar mazāko. Pirmkārt, vienā apakšlīmenī katrā orbitālē tiek ievietots viens elektrons. Pēc tam tiek izveidoti pāri. Un, ja ir brīvas, tas pārslēdzas uz citu aizpildīšanas priekšmetu. Un tagad jūs varat patstāvīgi uzzināt, kāda ir slāpekļa vai fluora atoma struktūra (kas tika uzskatīts iepriekš). Sākumā tas var būt nedaudz sarežģīts, taču varat pārvietoties, skatoties attēlus. Skaidrības labad apskatīsim slāpekļa atoma struktūru. Tajā ir 7 protoni (kopā ar neitroniem, kas veido kodolu) un tikpat daudz elektronu (kas veido elektronu apvalku). Vispirms tiek aizpildīts pirmais s līmenis. Tam ir 2 elektroni. Tad nāk otrais s-līmenis. Tam ir arī 2 elektroni. Un pārējās trīs ir novietotas p līmenī, kur katrs no tiem aizņem vienu orbitāli.
Secinājums
Kā redzat, atoma uzbūve nav nemaz tik grūts temats (ja tam pieiet no skolas ķīmijas kursa skatpunkta, protams). Un saprast šo tēmu nav grūti. Visbeidzot, es vēlētos jūs informēt par dažām funkcijām. Piemēram, runājot par skābekļa atoma struktūru, mēs zinām, ka tajā ir astoņi protoni un 8-10 neitroni. Un tā kā dabā visam ir tendence līdzsvarot, divi skābekļa atomi veido molekulu, kur divi nepāra elektroni veido kovalento saiti. Līdzīgi veidojas vēl viena stabila skābekļa molekula - ozons (O3). Zinot skābekļa atoma struktūru, ir iespējams pareizi formulēt oksidācijas reakcijas, inkas ietver visizplatītāko vielu uz Zemes.
