Des del període de l'antiguitat fins a mitjans del segle XVIII, la ciència va estar dominada per la idea que un àtom és una partícula de matèria que no es pot dividir. El científic anglès, així com el naturalista D. D alton, van definir l'àtom com el component més petit d'un element químic. M. V. Lomonosov en la seva teoria atòmica i molecular va ser capaç de definir l'àtom i la molècula. Estava convençut que les molècules, que ell anomenava "corpúscles", estaven formades per "elements" -àtoms- i estaven en constant moviment.
D. I. Mendeleiev creia que aquesta subunitat de substàncies que conformen el món material conserva totes les seves propietats només si no està sotmesa a separació. En aquest article, definirem l'àtom com a objecte del micromón i estudiarem les seves propietats.
Requisits previs per a la creació de la teoria de l'estructura de l'àtom
Al segle XIX, l'afirmació sobre la indivisibilitat de l'àtom era generalment acceptada. La majoria dels científics creien que les partícules d'un element químic en cap cas podien convertir-se en àtoms d'un altre element. Aquestes idees van servir de base sobre la qual es va basar la definició de l'àtom fins al 1932. A finals del segle XIX, la ciència va ferdescobriments fonamentals que van canviar aquest punt de vista. En primer lloc, el 1897, el físic anglès J. J. Thomson va descobrir l'electró. Aquest fet va canviar radicalment les idees dels científics sobre la indivisibilitat de la part constitutiva d'un element químic.
Com demostrar que l'àtom és complex
Fins i tot abans del descobriment de l'electró, els científics van acordar per unanimitat que els àtoms no tenen càrrega. Aleshores es va trobar que els electrons s'alliberen fàcilment de qualsevol element químic. Es poden trobar en una flama, són portadors de corrent elèctric, són alliberats per substàncies durant l'emissió de raigs X.
Però si els electrons formen part de tots els àtoms sense excepció i estan carregats negativament, llavors hi ha algunes altres partícules a l'àtom que necessàriament tenen una càrrega positiva, en cas contrari els àtoms no serien elèctricament neutres. Per ajudar a desentranyar l'estructura de l'àtom, va ajudar un fenomen físic com la radioactivitat. Va donar la definició correcta de l'àtom en física i després en química.
Raigs invisibles
El físic francès A. Becquerel va ser el primer a descriure el fenomen d'emissió per àtoms de determinats elements químics, raigs visualment invisibles. Ionitzen l'aire, travessen substàncies, provoquen l'ennegriment de plaques fotogràfiques. Més tard, els Curies i E. Rutherford van descobrir que les substàncies radioactives es converteixen en àtoms d' altres elements químics (per exemple, l'urani en neptuni).
La radiació radioactiva té una composició no homogènia: partícules alfa, partícules beta i raigs gamma. TanAixí, el fenomen de la radioactivitat va confirmar que les partícules dels elements de la taula periòdica tenen una estructura complexa. Aquest fet va ser el motiu dels canvis fets en la definició de l'àtom. De quines partícules està format un àtom, tenint en compte els nous fets científics obtinguts per Rutherford? La resposta a aquesta pregunta va ser el model nuclear de l'àtom proposat pel científic, segons el qual els electrons giren al voltant d'un nucli carregat positivament.
Contradiccions del model de Rutherford
La teoria del científic, malgrat el seu caràcter destacat, no podia definir objectivament l'àtom. Les seves conclusions anaven en contra de les lleis fonamentals de la termodinàmica, segons les quals tots els electrons que giren al voltant del nucli perden la seva energia i, sigui com sigui, tard o d'hora hi hauran de caure. L'àtom es destrueix en aquest cas. Això no passa realment, ja que els elements químics i les partícules que els componen existeixen a la natura des de fa molt de temps. Aquesta definició de l'àtom, basada en la teoria de Rutherford, és inexplicable, així com el fenomen que es produeix quan es fan passar substàncies simples calentes per una xarxa de difracció. Després de tot, els espectres atòmics resultants tenen una forma lineal. Això entrava en conflicte amb el model de l'àtom de Rutherford, segons el qual els espectres haurien d'haver estat continus. Segons els conceptes de la mecànica quàntica, actualment, els electrons del nucli es caracteritzen no com a objectes puntuals, sinó que tenen la forma d'un núvol d'electrons.
La seva densitat més alta en un lloc determinat de l'espai al voltant del nucli iconsiderada com la ubicació de la partícula en un moment determinat. També es va trobar que els electrons de l'àtom estan disposats en capes. El nombre de capes es pot determinar coneixent el nombre del període en què es troba l'element en el sistema periòdic de D. I. Mendeleiev. Per exemple, un àtom de fòsfor conté 15 electrons i té 3 nivells d'energia. L'indicador que determina el nombre de nivells d'energia s'anomena nombre quàntic principal.
S'ha trobat experimentalment que els electrons del nivell d'energia més proper al nucli tenen l'energia més baixa. Cada capa d'energia es divideix en subnivells, i aquests, al seu torn, en orbitals. Els electrons situats en diferents orbitals tenen la mateixa forma de núvol (s, p, d, f).
A partir de l'anterior, es dedueix que la forma del núvol d'electrons no pot ser arbitrària. Es defineix estrictament segons el nombre quàntic orbital. També afegim que l'estat d'un electró en una macropartícula està determinat per dos valors més: nombres quàntics magnètics i espín. El primer es basa en l'equació de Schrödinger i caracteritza l'orientació espacial del núvol d'electrons en funció de la tridimensionalitat del nostre món. El segon indicador és el número de rotació, s'utilitza per determinar la rotació d'un electró al voltant del seu eix en sentit horari o antihorari.
Descobriment del neutró
Gràcies al treball de D. Chadwick, realitzat per ell l'any 1932, es va donar una nova definició de l'àtom en química i física. En els seus experiments, el científic va demostrar que durant la divisió del poloni es produeix radiació, causada perpartícules que no tenen càrrega, amb una massa d'1,008665. La nova partícula elemental es va anomenar neutró. El seu descobriment i estudi de les seves propietats va permetre als científics soviètics V. Gapon i D. Ivanenko crear una nova teoria de l'estructura del nucli atòmic que conté protons i neutrons.
Segons la nova teoria, la definició d'un àtom de matèria era la següent: és una unitat estructural d'un element químic, formada per un nucli que conté protons i neutrons i electrons que es mouen al seu voltant. El nombre de partícules positives al nucli és sempre igual al nombre atòmic de l'element químic del sistema periòdic.
Més tard, el professor A. Zhdanov va confirmar en els seus experiments que sota la influència de la radiació còsmica dura, els nuclis atòmics es divideixen en protons i neutrons. A més, es va demostrar que les forces que mantenen aquestes partícules elementals al nucli són extremadament intensives en energia. Funcionen a distàncies molt curtes (uns 10-23 cm) i s'anomenen nuclears. Com s'ha esmentat anteriorment, fins i tot M. V. Lomonosov va ser capaç de donar una definició d'un àtom i d'una molècula basada en fets científics coneguts per ell.
En l'actualitat, es reconeix el model següent: un àtom està format per un nucli i electrons que es mouen al seu voltant al llarg de trajectòries estrictament definides: orbitals. Els electrons presenten simultàniament les propietats tant de les partícules com de les ones, és a dir, tenen una naturalesa dual. Gairebé tota la seva massa es concentra al nucli d'un àtom. Està format per protons i neutrons units per forces nuclears.
Es pot pesar un àtom
Resulta que cada àtom témassa. Per exemple, per a l'hidrogen és 1,67x10-24g. Fins i tot és difícil imaginar com de petit és aquest valor. Per trobar el pes d'aquest objecte, no utilitzen bàscules, sinó un oscil·lador, que és un nanotub de carboni. Per calcular el pes d'un àtom i d'una molècula, un valor més convenient és la massa relativa. Mostra quantes vegades el pes d'una molècula o àtom és superior a 1/12 d'un àtom de carboni, que és 1,66x10-27 kg. Les masses atòmiques relatives es donen en el sistema periòdic d'elements químics i no tenen unitats.
Els científics són ben conscients que la massa atòmica d'un element químic és la mitjana dels nombres de massa de tots els seus isòtops. Resulta que a la natura, les unitats d'un element químic poden tenir diferents masses. Al mateix temps, les càrregues dels nuclis d'aquestes partícules estructurals són les mateixes.
Els científics han descobert que els isòtops difereixen en el nombre de neutrons al nucli i la càrrega dels seus nuclis és la mateixa. Per exemple, un àtom de clor amb una massa de 35 conté 18 neutrons i 17 protons, i amb una massa de 37 - 20 neutrons i 17 protons. Molts elements químics són mescles d'isòtops. Per exemple, substàncies tan simples com el potassi, l'argó i l'oxigen contenen àtoms que representen 3 isòtops diferents.
Definició de l'atomicitat
Té diverses interpretacions. Considereu què vol dir aquest terme en química. Si els àtoms de qualsevol element químic poden existir per separat almenys durant un temps curt, sense esforçar-se per formar una partícula més complexa, una molècula, llavors diuen que aquestes substàncies tenenestructura atòmica. Per exemple, una reacció de cloració de metà multietapa. S'utilitza àmpliament en la química de la síntesi orgànica per obtenir els derivats més importants que contenen halogens: diclorometà, tetraclorur de carboni. Divideix les molècules de clor en àtoms altament reactius. Trenquen els enllaços sigma de la molècula de metà, proporcionant una reacció en cadena de substitució.
Un altre exemple de procés químic de gran importància en la indústria és l'ús del peròxid d'hidrogen com a desinfectant i lleixiu. La determinació de l'oxigen atòmic, com a producte de la descomposició del peròxid d'hidrogen, es produeix tant a les cèl·lules vives (sota l'acció de l'enzim catalasa) com en condicions de laboratori. L'oxigen atòmic està determinat qualitativament per les seves altes propietats antioxidants, així com per la seva capacitat per destruir agents patògens: bacteris, fongs i les seves espores.
Com funciona la capa atòmica
Ja hem descobert abans que la unitat estructural d'un element químic té una estructura complexa. Els electrons giren al voltant d'un nucli carregat positivament. El premi Nobel Niels Bohr, basat en la teoria quàntica de la llum, va crear la seva doctrina, en la qual les característiques i la definició d'un àtom són les següents: els electrons es mouen al voltant del nucli només al llarg de determinades trajectòries estacionàries, mentre que no irradien energia. La doctrina de Bohr va demostrar que les partícules del microcosmos, que inclouen àtoms i molècules, no obeeixen lleis justes.per a cossos grans: objectes macrocòsmics.
L'estructura de les capes d'electrons de les macropartícules va ser estudiada en treballs de física quàntica per científics com Hund, Pauli i Klechkovsky. Així es va saber que els electrons fan moviments de rotació al voltant del nucli no de manera aleatòria, sinó al llarg de certes trajectòries estacionàries. Pauli va trobar que dins d'un nivell d'energia en cadascun dels seus orbitals s, p, d, f, no es poden trobar més de dues partícules carregades negativament amb espins oposats + ½ i - ½ a les cèl·lules electròniques.
La regla de Hund explicava com s'omplen correctament d'electrons els orbitals amb el mateix nivell d'energia.
La regla de Klechkovsky, també anomenada regla n+l, explicava com s'omplen els orbitals dels àtoms multielectrònics (elements de 5, 6, 7 períodes). Tots els patrons anteriors van servir com a justificació teòrica del sistema d'elements químics creat per Dmitry Mendeleiev.
Estat d'oxidació
És un concepte fonamental en química i caracteritza l'estat d'un àtom en una molècula. La definició moderna de l'estat d'oxidació dels àtoms és la següent: aquesta és la càrrega condicional d'un àtom en una molècula, que es calcula a partir de la noció que la molècula només té una composició iònica.
El grau d'oxidació es pot expressar com un nombre enter o fraccionari, amb valors positius, negatius o zero. Molt sovint, els àtoms dels elements químics tenen diversos estats d'oxidació. Per exemple, el nitrogen té -3, -2, 0, +1, +2, +3, +4, +5. Però un element químic com el fluor, en tot el seuEls compostos només tenen un estat d'oxidació, igual a -1. Si es representa per una substància simple, aleshores el seu estat d'oxidació és zero. Aquesta quantitat química és convenient d'utilitzar per a la classificació de substàncies i per descriure les seves propietats. Molt sovint, l'estat d'oxidació d'un àtom s'utilitza en química quan es compilen equacions per a reaccions redox.
Propietats dels àtoms
Gràcies als descobriments de la física quàntica, la definició moderna de l'àtom, basada en la teoria de D. Ivanenko i E. Gapon, es complementa amb els següents fets científics. L'estructura del nucli d'un àtom no canvia durant les reaccions químiques. Només els orbitals d'electrons estacionaris estan subjectes a canvis. La seva estructura pot explicar moltes propietats físiques i químiques de les substàncies. Si un electró surt d'una òrbita estacionària i va a una òrbita amb un índex d'energia més alt, aquest àtom s'anomena excitat.
Cal tenir en compte que els electrons no poden romandre en orbitals tan inusuals durant molt de temps. Tornant a la seva òrbita estacionària, l'electró emet una quantitat d'energia. L'estudi de les característiques de les unitats estructurals dels elements químics com l'afinitat electrònica, l'electronegativitat, l'energia d'ionització, va permetre als científics no només definir l'àtom com la partícula més important del microcosmos, sinó que també els va permetre explicar la capacitat dels àtoms per formar-se. un estat molecular estable i energèticament més favorable de la matèria, possible a causa de la creació de diversos tipus d'enllaços químics estables: iònics, covalentspolar i no polar, donant-acceptador (com una mena d'enllaç covalent) i metàl·lic. Aquest últim determina les propietats físiques i químiques més importants de tots els metalls.
S'ha establert experimentalment que la mida d'un àtom pot canviar. Tot dependrà de quina molècula estigui inclosa. Gràcies a l'anàlisi de difracció de raigs X, és possible calcular la distància entre àtoms d'un compost químic, així com esbrinar el radi de la unitat estructural de l'element. Coneixent els patrons de canvi en els radis dels àtoms inclosos en un període o grup d'elements químics, és possible predir-ne les propietats físiques i químiques. Per exemple, en períodes amb augment de la càrrega del nucli dels àtoms, els seus radis disminueixen (“compressió de l'àtom”), de manera que les propietats metàl·liques dels compostos es debiliten, i les no metàl·liques augmenten.
Així, el coneixement de l'estructura de l'àtom ens permet determinar amb precisió les propietats físiques i químiques de tots els elements inclosos en el sistema periòdic de Mendeleiev.
