Definiția unui atom și a unei molecule. Definiția atomului până în 1932

Din perioada antichității până la mijlocul secolului al XVIII-lea, știința a fost dominată de noțiunea că un atom este o particulă de materie care nu poate fi împărțită. Engleză om de știință, precum și naturalist D. Dalton a dat definiția atomului ca cea mai mică parte a elementului chimic. MV Lomonosov, în teoria sa moleculară atomică, a fost capabil să definească atomul și molecula. El era sigur că moleculele pe care le numește "corpuscul" constau în "elemente" - atomi - și sunt în mișcare constantă.

DI Mendeleyev a crezut că această subunitate de substanțe care alcătuiesc lumea materială își păstrează toate proprietățile numai dacă nu este supusă separării. În acest articol vom defini atomul ca un obiect al microproiectului și vom studia proprietățile acestuia.

Condițiile prealabile pentru crearea teoriei structurii atomului

În secolul al XIX-lea, afirmarea indivizibilității unui atom a fost în general recunoscută. Majoritatea oamenilor de știință au crezut că particulele unui singur element chimic nu pot în nici un caz să se transforme în atomi ai altui element. Aceste reprezentări au servit drept bază pe care sa bazat definiția atomului până în 1932. La sfârșitul secolului al XIX-lea, descoperirile fundamentale au fost făcute în știință care au schimbat acest punct de vedere. În primul rând, în 1897, fizicianul englez D. J. Thomson a descoperit un electron. Acest fapt a schimbat radical ideile oamenilor de știință cu privire la indivizibilitatea părții constitutive a unui element chimic.

Cum de a dovedi că un atom este complicat

Chiar și înainte descoperirea unui electron oamenii de știință au fost de acord în unanimitate că atomii nu au acuzații. Apoi sa stabilit că electronii sunt ușor extrași din orice element chimic. Ele pot fi găsite într-o flacără, sunt purtătoare de curent electric, sunt eliberate de substanțe în timpul radiației cu raze X.

Dar dacă electronii sunt incluși în toți atomii fără excepție și sunt încărcați negativ, atunci mai există încă unele particule în atom care necesită o sarcină pozitivă, în caz contrar atomii nu ar fi neutri din punct de vedere electric. Pentru a ajuta la descifrarea structurii atomului, un astfel de fenomen fizic ca radioactivitatea a ajutat. A dat definiția corectă a atomului în fizică și apoi în chimie.

Razele invizibile

Fecicianul francez A. Becquerel a descris mai întâi fenomenul emisiei de atomi de anumite elemente chimice, raze vizuale invizibile. Ele ionizează aerul, trec prin substanțe, provoacă înnegrirea plăcilor fotografice. Mai târziu, cuplul Curie și E. Rutherford au stabilit că substanțele radioactive sunt transformate în atomi ai altor elemente chimice (de exemplu, uraniu la neptuniu).

Radiația radioactivă este compozițională eterogenă: particule alfa, particule beta, raze gamma. Astfel, fenomenul radioactivității a confirmat că particulele elementelor din tabelul periodic au o structură complexă. Acest fapt a fost motivul schimbărilor introduse în definirea atomului. Din ce particule se compune atomul, dacă se iau în considerare noile fapte științifice ale lui Rutherford? Răspunsul la această întrebare a fost modelul nuclear al atomului propus de omul de știință, conform căruia electronii din jurul nucleului încărcat cu efect pozitiv se rotesc.

Contradicțiile modelului Rutherford

Teoria cercetătorului, în ciuda caracterului său remarcabil, nu a putut defini în mod obiectiv atomul. Descoperirile sale au fost contrare legilor fundamentale ale termodinamicii, potrivit căreia toate electronii orbiteaza nucleele își pierd energia și, deoarece poate fi, mai devreme sau mai târziu trebuie să cadă pe el. Atomul este distrus în acest caz. Acest lucru nu se întâmplă de fapt, deoarece elementele chimice și particulele din care ele sunt compuse există în natură pentru o perioadă foarte lungă de timp. Inexplicabil atom o astfel de determinare pe baza teoriei lui Rutherford, precum fenomenul care apare atunci când trecerea substanțelor fierbinți simple, printr-o rețea de difracție. La urma urmei, spectrele atomice rezultate au o formă liniară. Acest lucru era în conflict cu modelul lui Rutherford al atomului, conform căruia spectrele ar trebui să fie continue. Conform conceptelor mecanicii cuantice, electronii prezenți în nucleul nu sunt caracterizate ca obiecte punctiforme precum și având forma de nor de electroni.

Densitatea cea mai mare la un anumit loc al spațiului din jurul nucleului este considerată a fi locația particulei într-o anumită clipă de timp. De asemenea, sa constatat că în atomul de electroni sunt stratificate. Numărul de straturi poate fi determinat prin cunoașterea numărului perioadei în care elementul este localizat în tabelul periodic al DI Mendeleyev. De exemplu, un atom de fosfor conține 15 electroni și are 3 niveluri de energie. Indicatorul care determină numărul de niveluri de energie se numește numărul cuantumului principal.

S-a stabilit experimental faptul că electronii celui mai apropiat de cel al nucleului au cea mai mică energie. Fiecare plic energetic este împărțit în subsoluri, iar ele, la rândul lor, în orbite. Electronii situați pe orbite diferite au aceeași formă a norului (s, p, d, f).

Plecând de la cele de mai sus, rezultă că forma norului de electroni nu poate fi arbitrară. Este strict definită în funcție de orbitală cuantic. De asemenea, adăugăm că starea unui electron într-o macroparticulă este determinată de alte două valori - numerele magnetice și spin quantum. Primul se bazează pe ecuația lui Schrodinger și caracterizează orientarea spațială a norului de electroni pe baza tridimensionalității lumii noastre. Al doilea parametru este numărul de spin, determină rotația electronului în jurul axei sale de-a lungul sau în sens invers acelor de ceasornic.

Descoperirea de neutroni

Datorită lucrării lui D. Chadwick, condusă de el în 1932, a fost dată o nouă definiție a atomului din chimie și fizică. În experimentele sale, omul de știință a demonstrat că, în timpul divizării poloniului, se generează radiații cauzate de particule care nu au încărcătură, cu o masă de 1,008665. O nouă particulă elementară a fost numită neutron. Descoperirea și studierea proprietăților sale au permis oamenilor de știință sovietici V. Gapon și D. Ivanenko să creeze o nouă teorie a structurii unui nucleu atomic care conține protoni și neutroni.

Conform noii teorii, determinarea substanței a avut forma următorul atom o unitate structurală a elementului chimic, constând dintr-un miez conținând protoni, neutroni și electroni care se deplasează în jurul acestuia. Numărul de particule pozitive din nucleu este întotdeauna egal cu numărul ordinal al elementului chimic din sistemul periodic.

Ulterior, profesorul A. Zhdanov, în experimentele sale, a confirmat că, sub influența radiației cosmice dure, nucleele atomice se împart în protoni și neutroni. În plus, sa demonstrat că forțele care dețin aceste particule elementare în miez sunt extrem de energetic. Ei operează la distanțe foarte scurte (de ordinul 10^-23 cm) și se numesc nucleare. După cum sa spus mai devreme, MV Lomonosov a putut să definească atomul și molecula pe baza unor fapte științifice cunoscute.

În prezent, următorul model este recunoscut pe scară largă: atomul constă dintr-un nucleu și electroni care se deplasează în jurul acestuia pe traiectorii strict definite - orbite. Electronii prezintă simultan proprietăți și particule și valuri, care au o natură duală. Aproape toată masa sa este concentrată în nucleul atomului. Se compune din protoni și neutroni, legați de forțele nucleare.

Este posibil să cântărim un atom

Se pare că fiecare atom are o masă. De exemplu, acesta are un conținut de hidrogen de 1,67x10^-24 Este chiar dificil să ne imaginăm cât de mică este această valoare. Pentru a găsi greutatea unui astfel de obiect, nu este folosit un echilibru, ci un oscilator reprezentând carbon nanotub. Pentru a calcula greutatea unui atom și a unei molecule, o cantitate mai convenabilă este masa relativă. Se arată de câte ori greutatea unei molecule sau a unui atom este mai mare decât 1/12 din atomul de carbon, care este de 1,66x10^-27 kg. Masele atomice relative sunt indicate în sistemul periodic al elementelor chimice și nu au nici o dimensiune.

Oamenii de știință știu bine că masa atomică a unui element chimic este valoarea medie a numărului de masă al tuturor izotopilor. Se pare că, în natură, unitățile unui singur element chimic pot avea diferite mase. Acuzele nucleelor ​​unor astfel de particule structurale sunt aceleași.

Oamenii de stiinta au stabilit ca izotopii difera in numarul de neutroni din nucleu, iar sarcina nucleelor ​​din ele este aceeasi. De exemplu, un atom de clor având o masă de 35 conține 18 neutroni și 17 protoni și o masă de 37-20 neutroni și 17 protoni. Multe elemente chimice sunt amestecuri de izotopi. De exemplu, substanțe simple cum ar fi potasiu, argon și oxigen conțin atomi reprezentând 3 izotopi diferiți.

Definiția atomicity

Are câteva interpretări. Luați în considerare ce se înțelege prin acest termen în chimie. Dacă atomii unui element chimic poate exista cel puțin pentru moment, în mod izolat, nu tinde să formeze particule mai complexe - molecule, atunci spunem că aceste substanțe au o structură atomică. De exemplu, reacția în mai multe etape a clorării metanului. Este utilizat pe scară largă în chimia sintezei organice pentru a obține cei mai importanți derivați de halogen: diclormetan, tetraclorură de carbon. În el, moleculele de clor se împart în atomi care au o reactivitate ridicată. Ei distrug legăturile sigma din molecula de metan, oferind o reacție în lanț a substituției.

Un alt exemplu de procedeu chimic de mare importanță în industrie îl reprezintă utilizarea peroxidului de hidrogen ca dezinfectant și agent de înălbire. Determinarea oxigenului atomic, ca produs al descompunerii peroxidului de hidrogen, apare atât în ​​celulele vii (sub acțiunea enzimei catalază), cât și în condițiile de laborator. Atomic oxigen determinată calitativ prin proprietățile sale antioxidante ridicate, precum și prin capacitatea de a distruge agenții patogeni: bacterii, fungi și sporii lor.

Cum este aranjată carcasa atomică

Am clarificat deja mai devreme că unitatea structurală a unui element chimic are o structură complexă. Un electron negativ-particule se rotește în jurul nucleului cu încărcare pozitivă. Premiul Nobel Niels Bohr, bazat pe teoria cuantică a luminii, a creat o învățătură, în care caracterizarea și identificarea atomilor sunt după cum urmează: electronii se deplasează în jurul nucleului doar la anumite trasee fixe, în acest caz, nu radiază energie. Bohr, oamenii de știință au demonstrat că particulele de Microworld, care includ atomi și molecule nu se supun legilor valabile pentru corpuri mari - obiecte macrocosmos.

Structura cojilor de electroni ai particulelor a fost studiată în lucrări despre fizica cuantică a unor oameni de știință precum Hund, Pauli, Klechkovsky. Deci a devenit cunoscut faptul că electronii fac mișcări de rotație în jurul nucleului nu haotic, ci pe anumite traiectorii staționare. Pauli a constatat că într-un singur nivel de energie la fiecare dintre orbitali sale s, p, d, f in celulele electronice pot fi nu mai mult de două încărcate negativ particule de valoare de spin opus + frac12- și - frac12-.

Norma lui Hund a explicat cum orbitele cu același nivel de energie se umple corespunzător cu electronii.

Principiul Aufbau, numit, de asemenea, regula n + l, explică modul în care orbitalii umplut multielectron atomi (elemente 5, 6, 7 cicluri). Toate legile de mai sus au servit ca bază teoretică pentru sistemul de elemente chimice create de Dmitri Mendeleyev.

Grad de oxidare

Este un concept fundamental în chimie și caracterizează starea unui atom într-o moleculă. Definiția modernă a gradului de oxidare a atomilor este după cum urmează: este o sarcină condiționată a unui atom dintr-o moleculă, calculată din noțiunea că o moleculă are doar o compoziție ionică.

Gradul de oxidare poate fi exprimat ca număr întreg sau fracționat, cu o valoare pozitivă, negativă sau zero. Cel mai des, atomii de elemente chimice au mai multe grade de oxidare. De exemplu, pentru azot, acesta este -3, -2, 0, +1, +2, +3, +4, +5. Dar un astfel de element chimic ca fluor în toți compușii săi are doar un grad de oxidare egal cu -1. Dacă este reprezentată de o substanță simplă, atunci gradul său de oxidare este zero. Această valoare chimică este convenabilă pentru clasificarea substanțelor și pentru descrierea proprietăților acestora. Cel mai adesea, gradul de oxidare a unui atom este folosit în chimie atunci când se compun ecuațiile reacțiilor de reducere a oxidării.

Proprietățile atomilor

Datorită descoperirilor fizicii cuantice, definiția modernă a atomului, bazată pe teoria lui D. Ivanenko și a lui E. Gapon, este completată de următoarele fapte științifice. Structura nucleului atomic nu se modifică în timpul reacțiilor chimice. Numai orbitele electronice staționare pot fi modificate. Structura lor poate explica o mulțime de proprietăți fizice și chimice ale substanțelor. Dacă un electron părăsește o orbită staționară și trece pe o orbită cu un indice de energie mai mare, un astfel de atom este numit excitat.

Trebuie remarcat faptul că electronii nu pot rămâne pe orbite care sunt neobișnuite pentru ei de multă vreme. Revenind la orbita sa staționară, electronul emite un cuantum de energie. Studiul acestor caracteristici ale unităților structurale ale elementelor chimice ca afinitate de electroni, electronegativitate, energia de ionizare, a permis oamenilor de știință nu numai pentru a defini atomul ca un microcosm esențial particulă, dar, de asemenea, le-a permis să explice capacitatea atomilor de a forma o stare moleculară stabilă și energetic mai favorabilă a materiei, o posibilă consecință a crearea oricărui tip de legături chimice stabile: ionice, covalente-polar și nepolar, donor-acceptor (ca specie covalente de legătură) și m etallicheskoy. Acesta din urmă determină cele mai importante proprietăți fizice și chimice ale tuturor metalelor.

S-a stabilit experimental că mărimea unui atom poate varia. Totul va depinde de molecula pe care o introduce. Datorită analizei de difracție cu raze X, este posibil să se calculeze distanța dintre atomii dintr-un compus chimic, precum și să se determine raza unității structurale a elementului. Deținând modelele de variație în razele atomilor care intră în perioada respectivă sau într-un grup de elemente chimice, se pot prezice proprietățile lor fizice și chimice. De exemplu, în perioadele cu creșterea nucleului atomic taxa scăderea lor raze ( „atom de compresie“) și, prin urmare, slăbirea proprietăților metalice ale compușilor, și nemetalic amplificat.

Astfel, cunoașterea structurii atomului face posibilă determinarea cu acuratețe a proprietăților fizice și chimice ale tuturor elementelor care alcătuiesc sistemul periodic al lui Mendeleev.