No senatnes perioda līdz 18. gadsimta vidum zinātnē dominēja ideja, ka atoms ir matērijas daļiņa, kuru nevar sadalīt. Angļu zinātnieks, kā arī dabaszinātnieks D. D altons definēja atomu kā mazāko ķīmiskā elementa sastāvdaļu. M. V. Lomonosovs savā atomu un molekulārajā teorijā spēja definēt atomu un molekulu. Viņš bija pārliecināts, ka molekulas, kuras viņš sauca par "ķermenīšiem", sastāv no "elementiem" - atomiem - un atrodas pastāvīgā kustībā.
D. I. Mendeļejevs uzskatīja, ka šī vielu apakšvienība, kas veido materiālo pasauli, saglabā visas savas īpašības tikai tad, ja tā netiek pakļauta atdalīšanai. Šajā rakstā mēs definēsim atomu kā mikropasaules objektu un pētīsim tā īpašības.
Priekšnoteikumi atoma uzbūves teorijas izveidei
19. gadsimtā apgalvojums par atoma nedalāmību bija vispārpieņemts. Lielākā daļa zinātnieku uzskatīja, ka viena ķīmiskā elementa daļiņas nekādā gadījumā nevar pārvērsties par cita elementa atomiem. Šīs idejas kalpoja par pamatu, uz kura balstījās atoma definīcija līdz 1932. gadam. 19. gadsimta beigās zinātne radījafundamentāli atklājumi, kas mainīja šo skatījumu. Pirmkārt, 1897. gadā angļu fiziķis J. J. Tomsons atklāja elektronu. Šis fakts radikāli mainīja zinātnieku priekšstatus par ķīmiskā elementa sastāvdaļas nedalāmību.
Kā pierādīt, ka atoms ir sarežģīts
Pat pirms elektrona atklāšanas zinātnieki vienbalsīgi vienojās, ka atomiem nav lādiņu. Tad tika atklāts, ka elektroni viegli atbrīvojas no jebkura ķīmiskā elementa. Tos var atrast liesmās, tie ir elektriskās strāvas nesēji, tos izdala vielas rentgena emisijas laikā.
Bet, ja elektroni ir daļa no visiem atomiem bez izņēmuma un ir negatīvi lādēti, tad atomā ir dažas citas daļiņas, kurām obligāti ir pozitīvs lādiņš, pretējā gadījumā atomi nebūtu elektriski neitrāli. Lai palīdzētu atšķetināt atoma struktūru, palīdzēja tāda fiziska parādība kā radioaktivitāte. Tā sniedza pareizu atoma definīciju fizikā un pēc tam arī ķīmijā.
Neredzamie stari
Franču fiziķis A. Bekerels bija pirmais, kurš aprakstīja atsevišķu ķīmisko elementu, vizuāli neredzamo staru, atomu emisijas fenomenu. Tie jonizē gaisu, iziet cauri vielām, izraisa fotoplāksnīšu nomelnošanu. Vēlāk Kirī un E. Rezerfords atklāja, ka radioaktīvās vielas tiek pārvērstas citu ķīmisko elementu atomos (piemēram, urāns par neptūniju).
Radioaktīvais starojums pēc sastāva ir neviendabīgs: alfa daļiņas, beta daļiņas, gamma stari. TātadTādējādi radioaktivitātes fenomens apstiprināja, ka periodiskās tabulas elementu daļiņām ir sarežģīta struktūra. Šis fakts bija iemesls izmaiņām atoma definīcijā. No kādām daļiņām sastāv atoms, ņemot vērā Raterforda iegūtos jaunos zinātniskos faktus? Atbilde uz šo jautājumu bija zinātnieka piedāvātais atoma kodolmodelis, saskaņā ar kuru elektroni griežas ap pozitīvi lādētu kodolu.
Raterforda modeļa pretrunas
Zinātnieka teorija, neskatoties uz tās izcilo raksturu, nevarēja objektīvi definēt atomu. Viņas secinājumi bija pretrunā termodinamikas pamatlikumiem, saskaņā ar kuriem visi elektroni, kas griežas ap kodolu, zaudē savu enerģiju un, lai kā arī būtu, agrāk vai vēlāk tajā jāiekrīt. Atoms šajā gadījumā tiek iznīcināts. Tas patiesībā nenotiek, jo ķīmiskie elementi un daļiņas, no kurām tie sastāv, dabā pastāv ļoti ilgu laiku. Šāda atoma definīcija, kas balstīta uz Raterforda teoriju, ir neizskaidrojama, kā arī parādība, kas rodas, karstām vienkāršām vielām izlaižot caur difrakcijas režģi. Galu galā iegūtajiem atomu spektriem ir lineāra forma. Tas bija pretrunā ar Rezerforda atoma modeli, saskaņā ar kuru spektriem bija jābūt nepārtrauktiem. Saskaņā ar kvantu mehānikas jēdzieniem pašlaik elektronus kodolā raksturo nevis kā punktveida objektus, bet gan kā elektronu mākoņa formu.
Tā lielākais blīvums noteiktā telpas lokusā ap kodolu untiek uzskatīta par daļiņas atrašanās vietu noteiktā laika brīdī. Tika arī konstatēts, ka elektroni atomā ir sakārtoti slāņos. Slāņu skaitu var noteikt, zinot perioda numuru, kurā elements atrodas D. I. Mendeļejeva periodiskajā sistēmā. Piemēram, fosfora atoms satur 15 elektronus un tam ir 3 enerģijas līmeņi. Rādītāju, kas nosaka enerģijas līmeņu skaitu, sauc par galveno kvantu skaitli.
Eksperimentāli tika konstatēts, ka kodolam vistuvāk esošā enerģijas līmeņa elektroniem ir viszemākā enerģija. Katrs enerģijas apvalks ir sadalīts apakšlīmeņos, un tie, savukārt, ir orbitāles. Elektroniem, kas atrodas dažādās orbitālēs, ir vienāda mākoņa forma (s, p, d, f).
Pamatojoties uz iepriekš minēto, no tā izriet, ka elektronu mākoņa forma nevar būt patvaļīga. Tas ir stingri noteikts saskaņā ar orbītas kvantu skaitli. Mēs arī piebilstam, ka elektrona stāvokli makrodaļiņā nosaka vēl divas vērtības - magnētiskie un spina kvantu skaitļi. Pirmais ir balstīts uz Šrēdingera vienādojumu un raksturo elektronu mākoņa telpisko orientāciju, pamatojoties uz mūsu pasaules trīsdimensiju. Otrais indikators ir griešanās skaitlis, to izmanto, lai noteiktu elektrona griešanos ap savu asi pulksteņrādītāja virzienā vai pretēji pulksteņrādītāja virzienam.
Neitrona atklāšana
Pateicoties D. Čedvika darbam, ko viņš veica 1932. gadā, tika dota jauna atoma definīcija ķīmijā un fizikā. Savos eksperimentos zinātnieks pierādīja, ka polonija šķelšanās laikā rodas starojums, ko izraisadaļiņas, kurām nav lādiņa, ar masu 1,008665. Jauno elementārdaļiņu sauca par neitronu. Tā atklāšana un īpašību izpēte ļāva padomju zinātniekiem V. Gaponam un D. Ivanenko izveidot jaunu teoriju par protonus un neitronus saturoša atoma kodola uzbūvi.
Saskaņā ar jauno teoriju matērijas atoma definīcija bija šāda: tā ir ķīmiskā elementa struktūrvienība, kas sastāv no kodola, kurā atrodas protoni un neitroni un elektroni, kas pārvietojas ap to. Pozitīvo daļiņu skaits kodolā vienmēr ir vienāds ar ķīmiskā elementa atomskaitli periodiskajā sistēmā.
Vēlāk profesors A. Ždanovs savos eksperimentos apstiprināja, ka cietā kosmiskā starojuma ietekmē atomu kodoli sadalās protonos un neitronos. Turklāt tika pierādīts, ka spēki, kas satur šīs elementārdaļiņas kodolā, ir ārkārtīgi energoietilpīgi. Tie darbojas ļoti nelielos attālumos (apmēram 10-23 cm) un tiek saukti par kodolenerģiju. Kā minēts iepriekš, pat M. V. Lomonosovs spēja dot atoma un molekulas definīciju, pamatojoties uz viņam zināmiem zinātniskiem faktiem.
Šobrīd vispāratzīts ir šāds modelis: atoms sastāv no kodola un elektroniem, kas tam pārvietojas pa stingri noteiktām trajektorijām – orbitālēm. Elektroniem vienlaikus piemīt gan daļiņu, gan viļņu īpašības, tas ir, tiem ir divējāda daba. Gandrīz visa tā masa ir koncentrēta atoma kodolā. To veido protoni un neitroni, kurus saista kodolspēki.
Vai atomu var nosvērt
Izrādās, ka katram atomam irmasa. Piemēram, ūdeņradim tas ir 1,67x10-24g. Pat grūti iedomāties, cik šī vērtība ir maza. Lai atrastu šāda objekta svaru, viņi neizmanto svarus, bet gan oscilatoru, kas ir oglekļa nanocaurule. Lai aprēķinātu atoma un molekulas svaru, ērtāka vērtība ir relatīvā masa. Tas parāda, cik reižu molekulas vai atoma svars ir lielāks par 1/12 oglekļa atoma, kas ir 1,66x10-27 kg. Relatīvās atomu masas ir norādītas ķīmisko elementu periodiskajā sistēmā, un tām nav vienību.
Zinātnieki labi apzinās, ka ķīmiskā elementa atomu masa ir visu tā izotopu masu skaitļu vidējā vērtība. Izrādās, ka dabā viena ķīmiskā elementa vienībām var būt dažādas masas. Tajā pašā laikā šādu strukturālo daļiņu kodolu lādiņi ir vienādi.
Zinātnieki ir atklājuši, ka izotopi atšķiras pēc neitronu skaita kodolā, un to kodolu lādiņš ir vienāds. Piemēram, hlora atoms ar masu 35 satur 18 neitronus un 17 protonus, bet ar masu 37 - 20 neitronus un 17 protonus. Daudzi ķīmiskie elementi ir izotopu maisījumi. Piemēram, tādas vienkāršas vielas kā kālijs, argons, skābeklis satur atomus, kas pārstāv 3 dažādus izotopus.
Atomitātes definēšana
Tam ir vairākas interpretācijas. Apsveriet, ko šis termins nozīmē ķīmijā. Ja jebkura ķīmiskā elementa atomi vismaz īsu laiku spēj pastāvēt atsevišķi, necenšoties veidot sarežģītāku daļiņu - molekulu, tad viņi saka, ka šādām vielām iratomu struktūra. Piemēram, daudzpakāpju metāna hlorēšanas reakcija. To plaši izmanto organiskās sintēzes ķīmijā, lai iegūtu svarīgākos halogēnus saturošos atvasinājumus: dihlormetānu, tetrahloroglekli. Tas sadala hlora molekulas ļoti reaģējošos atomos. Tie sarauj sigma saites metāna molekulā, nodrošinot aizstāšanas ķēdes reakciju.
Cits rūpniecībā ļoti nozīmīga ķīmiskā procesa piemērs ir ūdeņraža peroksīda izmantošana kā dezinfekcijas un balinātāja. Atomiskā skābekļa kā ūdeņraža peroksīda sadalīšanās produkta noteikšana notiek gan dzīvās šūnās (katalāzes enzīma iedarbībā), gan laboratorijas apstākļos. Atomu skābekli kvalitatīvi nosaka tā augstās antioksidanta īpašības, kā arī spēja iznīcināt patogēnus: baktērijas, sēnītes un to sporas.
Kā darbojas atoma apvalks
Jau iepriekš noskaidrojām, ka ķīmiskā elementa struktūrvienībai ir sarežģīta struktūra. Elektroni riņķo ap pozitīvi lādētu kodolu. Nobela prēmijas laureāts Nīls Bors, balstoties uz gaismas kvantu teoriju, radīja savu doktrīnu, kurā atoma īpašības un definīcija ir šāda: elektroni pārvietojas ap kodolu tikai pa noteiktām stacionārām trajektorijām, kamēr tie neizstaro enerģiju. Bora doktrīna pierādīja, ka mikrokosmosa daļiņas, kas ietver atomus un molekulas, nepakļaujas likumiem, kas ir taisnīgilieliem ķermeņiem - makrokosmiskiem objektiem.
Makrodaļiņu elektronu apvalku uzbūvi kvantu fizikas darbos pētīja tādi zinātnieki kā Hunds, Pauli, Klečkovskis. Tātad kļuva zināms, ka elektroni veic rotācijas kustības ap kodolu nevis nejauši, bet gan pa noteiktām stacionārām trajektorijām. Pauli atklāja, ka vienā enerģijas līmenī uz katras tā s, p, d, f orbitāles elektroniskajās šūnās var atrast ne vairāk kā divas negatīvi lādētas daļiņas ar pretējiem spiniem + ½ un - ½.
Hunda noteikums izskaidro, kā orbitāles ar vienādu enerģijas līmeni ir pareizi piepildītas ar elektroniem.
Kļečkovska noteikums, saukts arī par n+l likumu, paskaidroja, kā tiek aizpildītas daudzelektronu atomu orbitāles (5, 6, 7 periodu elementi). Visi iepriekš minētie modeļi kalpoja kā teorētisks pamatojums Dmitrija Mendeļejeva izveidotajai ķīmisko elementu sistēmai.
Oksidācijas stāvoklis
Tas ir fundamentāls jēdziens ķīmijā un raksturo atoma stāvokli molekulā. Mūsdienu atomu oksidācijas pakāpes definīcija ir šāda: tas ir nosacīts atoma lādiņš molekulā, ko aprēķina, pamatojoties uz priekšstatu, ka molekulai ir tikai jonu sastāvs.
Oksidācijas pakāpi var izteikt kā veselu vai daļskaitli ar pozitīvām, negatīvām vai nulles vērtībām. Visbiežāk ķīmisko elementu atomiem ir vairāki oksidācijas stāvokļi. Piemēram, slāpeklim ir -3, -2, 0, +1, +2, +3, +4, +5. Bet tāds ķīmiskais elements kā fluors, visā tāsavienojumiem ir tikai viens oksidācijas stāvoklis, kas vienāds ar -1. Ja to attēlo vienkārša viela, tad tās oksidācijas pakāpe ir nulle. Šo ķīmisko daudzumu ir ērti izmantot vielu klasificēšanai un to īpašību aprakstīšanai. Visbiežāk atoma oksidācijas pakāpi izmanto ķīmijā, sastādot vienādojumus redoksreakcijām.
Atomu īpašības
Pateicoties kvantu fizikas atklājumiem, mūsdienu atoma definīcija, kas balstīta uz D. Ivanenko un E. Gapona teoriju, tiek papildināta ar šādiem zinātniskiem faktiem. Atoma kodola struktūra ķīmisko reakciju laikā nemainās. Tikai stacionāras elektronu orbitāles var mainīties. To struktūra var izskaidrot daudzas vielu fizikālās un ķīmiskās īpašības. Ja elektrons atstāj stacionāru orbītu un dodas uz orbītu ar augstāku enerģijas indeksu, šādu atomu sauc par ierosinātu.
Jāatzīmē, ka elektroni nevar ilgstoši uzturēties tik neparastās orbitālēs. Atgriežoties savā stacionārajā orbītā, elektrons izstaro enerģijas kvantu. Tādu ķīmisko elementu strukturālo vienību īpašību kā elektronu afinitāte, elektronegativitāte, jonizācijas enerģija izpēte ļāva zinātniekiem ne tikai definēt atomu kā vissvarīgāko mikrokosmosa daļiņu, bet arī izskaidrot atomu spēju veidoties. stabils un enerģētiski labvēlīgāks vielas molekulārais stāvoklis, iespējams, veidojot dažāda veida stabilas ķīmiskās saites: jonu, kovalentopolārais un nepolārais, donors-akceptors (kā sava veida kovalentā saite) un metālisks. Pēdējais nosaka visu metālu svarīgākās fizikālās un ķīmiskās īpašības.
Eksperimentāli ir noskaidrots, ka atoma izmērs var mainīties. Viss būs atkarīgs no tā, kurā molekulā tas ir iekļauts. Pateicoties rentgenstaru difrakcijas analīzei, ir iespējams aprēķināt attālumu starp atomiem ķīmiskajā savienojumā, kā arī noskaidrot elementa struktūrvienības rādiusu. Zinot ķīmisko elementu periodā vai grupā iekļauto atomu rādiusu izmaiņu modeļus, iespējams paredzēt to fizikālās un ķīmiskās īpašības. Piemēram, periodos, kad palielinās atomu kodola lādiņš, to rādiusi samazinās (“atoma saspiešana”), līdz ar to savienojumu metāliskās īpašības vājinās, bet nemetālisko – palielinās.
Tādējādi zināšanas par atoma uzbūvi ļauj precīzi noteikt visu Mendeļejeva periodiskajā sistēmā iekļauto elementu fizikālās un ķīmiskās īpašības.
