Od období starověku do poloviny 18. století dominovala vědě myšlenka, že atom je částice hmoty, kterou nelze rozdělit. Anglický vědec, stejně jako přírodovědec D. D alton, definovali atom jako nejmenší složku chemického prvku. M. V. Lomonosov ve své atomové a molekulární teorii dokázal definovat atom a molekulu. Byl přesvědčen, že molekuly, které nazval „tělísky“, se skládají z „prvků“– atomů – a jsou v neustálém pohybu.
D. I. Mendělejev věřil, že tato podjednotka látek, které tvoří hmotný svět, si zachovává všechny své vlastnosti pouze tehdy, není-li podrobena separaci. V tomto článku budeme definovat atom jako objekt mikrosvěta a studovat jeho vlastnosti.
Předpoklady pro vytvoření teorie struktury atomu
V 19. století bylo tvrzení o nedělitelnosti atomu všeobecně přijímáno. Většina vědců věřila, že částice jednoho chemického prvku se za žádných okolností nemohou změnit na atomy jiného prvku. Tyto myšlenky sloužily jako základ, na kterém byla založena definice atomu až do roku 1932. Na konci 19. století věda dělalazásadní objevy, které tento úhel pohledu změnily. Nejprve v roce 1897 anglický fyzik J. J. Thomson objevil elektron. Tato skutečnost radikálně změnila představy vědců o nedělitelnosti součásti chemického prvku.
Jak dokázat, že atom je složitý
Ještě před objevem elektronu se vědci jednomyslně shodli, že atomy nemají žádné náboje. Poté bylo zjištěno, že elektrony se snadno uvolňují z jakéhokoli chemického prvku. Lze je nalézt v plameni, jsou nositeli elektrického proudu, uvolňují je látky při emisi rentgenového záření.
Pokud jsou ale elektrony součástí všech atomů bez výjimky a jsou záporně nabité, pak jsou v atomu nějaké další částice, které nutně mají kladný náboj, jinak by atomy nebyly elektricky neutrální. Aby pomohl rozluštit strukturu atomu, pomohl takový fyzikální jev, jako je radioaktivita. Poskytlo správnou definici atomu ve fyzice a poté v chemii.
Neviditelné paprsky
Francouzský fyzik A. Becquerel jako první popsal jev emise atomů určitých chemických prvků, vizuálně neviditelných paprsků. Ionizují vzduch, procházejí látkami, způsobují zčernání fotografických desek. Později Curies a E. Rutherford zjistili, že radioaktivní látky se přeměňují na atomy jiných chemických prvků (například uranu na neptunium).
Radioaktivní záření má nehomogenní složení: částice alfa, částice beta, záření gama. TakFenomén radioaktivity tedy potvrdil, že částice prvků periodické tabulky mají složitou strukturu. Tato skutečnost byla důvodem změn provedených v definici atomu. Z jakých částic se skládá atom vzhledem k novým vědeckým faktům získaným Rutherfordem? Odpovědí na tuto otázku byl nukleární model atomu navržený vědcem, podle kterého elektrony obíhají kolem kladně nabitého jádra.
Rozpory s Rutherfordovým modelem
Teorie vědce, navzdory svému výjimečnému charakteru, nedokázala objektivně definovat atom. Její závěry šly proti základním termodynamickým zákonům, podle kterých všechny elektrony obíhající kolem jádra ztrácejí svou energii a ať je to jak chce, dříve nebo později do ní musí spadnout. Atom je v tomto případě zničen. To se ve skutečnosti neděje, protože chemické prvky a částice, z nichž se skládají, existují v přírodě velmi dlouhou dobu. Taková definice atomu, založená na Rutherfordově teorii, je nevysvětlitelná, stejně jako jev, ke kterému dochází, když horké jednoduché látky procházejí difrakční mřížkou. Výsledná atomová spektra mají totiž lineární tvar. To bylo v rozporu s Rutherfordovým modelem atomu, podle kterého měla být spektra spojitá. Podle konceptů kvantové mechaniky jsou v současnosti elektrony v jádře charakterizovány nikoli jako bodové objekty, ale jako elektrony ve formě elektronového mraku.
Jeho nejvyšší hustota v určitém místě prostoru kolem jádra apovažováno za umístění částice v daném časovém okamžiku. Bylo také zjištěno, že elektrony v atomu jsou uspořádány ve vrstvách. Počet vrstev lze určit pomocí znalosti čísla období, ve kterém se prvek nachází v periodickém systému D. I. Mendělejeva. Například atom fosforu obsahuje 15 elektronů a má 3 energetické úrovně. Indikátor, který určuje počet úrovní energie, se nazývá hlavní kvantové číslo.
Experimentálně bylo zjištěno, že elektrony na energetické úrovni nejblíže jádru mají nejnižší energii. Každý energetický obal je rozdělen na podúrovně a ty zase na orbitaly. Elektrony umístěné v různých orbitalech mají stejný tvar oblaku (s, p, d, f).
Na základě výše uvedeného vyplývá, že tvar elektronového mraku nemůže být libovolný. Je přísně definováno podle orbitálního kvantového čísla. Dodáváme také, že stav elektronu v makročástici je určen dalšími dvěma hodnotami - magnetickým a spinovým kvantovým číslem. První vychází ze Schrödingerovy rovnice a charakterizuje prostorovou orientaci elektronového oblaku na základě trojrozměrnosti našeho světa. Druhým indikátorem je spinové číslo, které se používá k určení rotace elektronu kolem jeho osy ve směru nebo proti směru hodinových ručiček.
Objev neutronu
Díky práci D. Chadwicka, kterou provedl v roce 1932, byla dána nová definice atomu v chemii a fyzice. Vědec ve svých experimentech dokázal, že při štěpení polonia dochází k radiaci, způsobenéčástice, které nemají náboj, o hmotnosti 1,008665. Nová elementární částice se nazývala neutron. Jeho objev a studium jeho vlastností umožnilo sovětským vědcům V. Gaponovi a D. Ivaněnkovi vytvořit novou teorii struktury atomového jádra obsahujícího protony a neutrony.
Podle nové teorie byla definice atomu hmoty následující: je to strukturní jednotka chemického prvku, skládající se z jádra obsahujícího protony a neutrony a kolem něj se pohybující elektrony. Počet kladných částic v jádře se vždy rovná atomovému číslu chemického prvku v periodické soustavě.
Později profesor A. Ždanov ve svých experimentech potvrdil, že pod vlivem tvrdého kosmického záření se atomová jádra štěpí na protony a neutrony. Navíc bylo prokázáno, že síly držící tyto elementární částice v jádře jsou extrémně energeticky náročné. Pracují na velmi krátké vzdálenosti (asi 10-23 cm) a nazývají se jaderné. Jak již bylo zmíněno dříve, dokonce i M. V. Lomonosov byl schopen poskytnout definici atomu a molekuly na základě vědeckých faktů, které jsou mu známé.
V současnosti je obecně uznáván následující model: atom se skládá z jádra a elektronů, které se kolem něj pohybují po přesně definovaných trajektoriích – orbitalech. Elektrony současně vykazují vlastnosti jak částic, tak vlnění, to znamená, že mají dvojí povahu. Téměř veškerá jeho hmota je soustředěna v jádře atomu. Skládá se z protonů a neutronů vázaných jadernými silami.
Lze atom zvážit
Ukazuje se, že každý atom máHmotnost. Například pro vodík je to 1,67x10-24g. Je dokonce těžké si představit, jak malá tato hodnota je. Pro zjištění hmotnosti takového předmětu nepoužívají váhy, ale oscilátor, což je uhlíková nanotrubice. Pro výpočet hmotnosti atomu a molekuly je vhodnější hodnota relativní hmotnost. Ukazuje, kolikrát je hmotnost molekuly nebo atomu větší než 1/12 atomu uhlíku, což je 1,66x10-27 kg. Relativní atomové hmotnosti jsou uvedeny v periodické soustavě chemických prvků a nemají žádné jednotky.
Vědci si dobře uvědomují, že atomová hmotnost chemického prvku je průměrem hmotnostních čísel všech jeho izotopů. Ukazuje se, že v přírodě mohou mít jednotky jednoho chemického prvku různé hmotnosti. Zároveň jsou náboje jader takových strukturních částic stejné.
Vědci zjistili, že izotopy se liší v počtu neutronů v jádře a náboj jejich jader je stejný. Například atom chloru o hmotnosti 35 obsahuje 18 neutronů a 17 protonů a o hmotnosti 37 - 20 neutronů a 17 protonů. Mnoho chemických prvků je směsí izotopů. Například takové jednoduché látky jako draslík, argon, kyslík obsahují atomy představující 3 různé izotopy.
Definování atomicity
Má několik výkladů. Zvažte, co se pod tímto pojmem rozumí v chemii. Pokud jsou atomy jakéhokoli chemického prvku schopny existovat odděleně alespoň po krátkou dobu, aniž by usilovaly o vytvoření složitější částice - molekuly, pak říkají, že takové látky majíatomová struktura. Například vícestupňová reakce chlorace metanu. Je široce používán v chemii organické syntézy k získání nejdůležitějších derivátů obsahujících halogen: dichlormethanu, tetrachlormethanu. Rozkládá molekuly chloru na vysoce reaktivní atomy. Přerušují sigma vazby v molekule metanu a poskytují substituční řetězovou reakci.
Dalším příkladem chemického procesu velkého významu v průmyslu je použití peroxidu vodíku jako dezinfekčního prostředku a bělidla. Stanovení atomárního kyslíku, jako produktu rozkladu peroxidu vodíku, probíhá jak v živých buňkách (působením enzymu katalázy), tak v laboratorních podmínkách. Atomový kyslík je kvalitativně určen svými vysokými antioxidačními vlastnostmi a také schopností ničit patogenní agens: bakterie, houby a jejich spory.
Jak funguje atomový obal
Už dříve jsme zjistili, že strukturní jednotka chemického prvku má složitou strukturu. Elektrony obíhají kolem kladně nabitého jádra. Nositel Nobelovy ceny Niels Bohr na základě kvantové teorie světla vytvořil svou doktrínu, ve které jsou charakteristiky a definice atomu následující: elektrony se pohybují kolem jádra pouze po určitých stacionárních trajektoriích, přičemž energii nevyzařují. Bohrova doktrína dokázala, že částice mikrokosmu, které zahrnují atomy a molekuly, se neřídí zákony, které jsou spravedlivé.pro velká tělesa – makrokosmické objekty.
Struktura elektronových obalů makročástic byla studována v pracích o kvantové fyzice vědci jako Hund, Pauli, Klechkovsky. Bylo tedy známo, že elektrony nedělají rotační pohyby kolem jádra náhodně, ale po určitých stacionárních trajektoriích. Pauli zjistil, že v rámci jedné energetické hladiny na každém z jejích orbitalů s, p, d, f nelze v elektronických buňkách nalézt více než dvě záporně nabité částice s opačnými spiny + ½ a - ½.
Hundovo pravidlo vysvětlilo, jak jsou orbitaly se stejnou energetickou hladinou správně vyplněny elektrony.
Klechkovského pravidlo, nazývané také pravidlo n+l, vysvětlilo, jak se zaplňují orbitaly multielektronových atomů (prvky 5, 6, 7 period). Všechny výše uvedené vzorce sloužily jako teoretické zdůvodnění systému chemických prvků vytvořeného Dmitrijem Mendělejevem.
Oxidační stav
Je to základní pojem v chemii a charakterizuje stav atomu v molekule. Moderní definice oxidačního stavu atomů je následující: jedná se o podmíněný náboj atomu v molekule, který se vypočítává na základě představy, že molekula má pouze iontové složení.
Stupeň oxidace může být vyjádřen jako celé číslo nebo zlomkové číslo, s kladnými, zápornými nebo nulovými hodnotami. Nejčastěji mají atomy chemických prvků několik oxidačních stavů. Například dusík má -3, -2, 0, +1, +2, +3, +4, +5. Ale takový chemický prvek, jako je fluor, ve všemsloučeniny mají pouze jeden oxidační stav, rovný -1. Pokud je reprezentován jednoduchou látkou, pak je její oxidační stav nulový. Tuto chemickou veličinu je vhodné použít pro klasifikaci látek a pro popis jejich vlastností. Nejčastěji se oxidační stav atomu používá v chemii při sestavování rovnic pro redoxní reakce.
Vlastnosti atomů
Díky objevům kvantové fyziky je moderní definice atomu, založená na teorii D. Ivanenka a E. Gapona, doplněna o následující vědecká fakta. Struktura jádra atomu se během chemických reakcí nemění. Pouze stacionární elektronové orbitaly podléhají změnám. Jejich struktura může vysvětlit mnoho fyzikálních a chemických vlastností látek. Pokud elektron opustí stacionární dráhu a přejde na dráhu s vyšším energetickým indexem, nazývá se takový atom excitovaný.
Je třeba poznamenat, že elektrony nemohou zůstat v tak neobvyklých orbitalech dlouhou dobu. Při návratu na svou stacionární dráhu elektron vyzáří kvanta energie. Studium takových charakteristik strukturních jednotek chemických prvků, jako je elektronová afinita, elektronegativita, ionizační energie, umožnilo vědcům nejen definovat atom jako nejdůležitější částici mikrokosmu, ale také jim umožnilo vysvětlit schopnost atomů tvořit stabilní a energeticky výhodnější molekulární stav hmoty, možný díky vytvoření různých typů stabilních chemických vazeb: iontové, kovalentnípolární a nepolární, donor-akceptor (jako druh kovalentní vazby) a kovové. Ten určuje nejdůležitější fyzikální a chemické vlastnosti všech kovů.
Experimentálně bylo zjištěno, že velikost atomu se může měnit. Vše bude záviset na tom, ve které molekule je obsažen. Díky rentgenové difrakční analýze je možné vypočítat vzdálenost mezi atomy v chemické sloučenině a také zjistit poloměr strukturní jednotky prvku. Když známe vzorce změn poloměrů atomů zahrnutých v období nebo skupině chemických prvků, je možné předpovědět jejich fyzikální a chemické vlastnosti. Například v obdobích s nárůstem náboje jádra atomů se jejich poloměry zmenšují („stlačení atomu“), takže kovové vlastnosti sloučenin slábnou a ty nekovové se zvyšují.
Znalost struktury atomu nám tedy umožňuje přesně určit fyzikální a chemické vlastnosti všech prvků zahrnutých v periodickém systému Mendělejeva.
