Laten we eens kijken hoe een atoom is opgebouwd. Houd er rekening mee dat we het alleen over modellen zullen hebben. In de praktijk zijn atomen een veel complexere structuur. Maar dankzij moderne ontwikkelingen zijn we in staat om de eigenschappen van chemische elementen (zelfs als niet alle) te verklaren en zelfs succesvol te voorspellen. Dus, wat is de structuur van een atoom? Waar is het "gemaakt" van?
Planetair model van het atoom
werd voor het eerst voorgesteld door de Deense natuurkundige N. Bohr in 1913. Dit is de eerste theorie over de structuur van het atoom op basis van wetenschappelijke feiten. Daarnaast legde ze de basis voor moderne thematische terminologie. Daarin produceren elektronendeeltjes rotatiebewegingen rond het atoom op dezelfde manier als de planeten rond de zon. Bohr suggereerde dat ze alleen kunnen bestaan in banen die zich op een strikt gedefinieerde afstand van de kern bevinden. Waarom precies, kon de wetenschapper vanuit de positie van de wetenschap niet verklaren, maar een dergelijk model werd door veel experimenten bevestigd. Gehele getallen werden gebruikt om de banen aan te duiden, te beginnen met de eenheid die het dichtst bij de kern was genummerd. Al deze banen worden ook wel niveaus genoemd. Het waterstofatoom heeft maar één niveau waarop één elektron roteert. Maar complexe atomen hebben meer niveaus. Ze zijn verdeeld in componenten die elektronen verenigen die qua energiepotentieel dicht bij elkaar staan. De tweede heeft dus al twee subniveaus - 2s en 2p. De derde heeft er al drie - 3s, 3p en 3d. Enzovoort. Ten eerste worden de subniveaus die zich dichter bij de kern bevinden "bevolkt", en vervolgens de verre. Elk van hen kan slechts een bepaald aantal elektronen bevatten. Maar dit is niet het einde. Elk subniveau is onderverdeeld in orbitalen. Laten we een vergelijking maken met het gewone leven. De elektronenwolk van een atoom is vergelijkbaar met een stad. Niveaus zijn straten. Subniveau - een woonhuis of appartement. Orbital is een kamer. Elk van hen "leeft" een of twee elektronen. Ze hebben allemaal een specifiek adres. Dit was het eerste diagram van de structuur van het atoom. En tot slot, over de adressen van elektronen: ze worden bepaald door reeksen getallen, die "kwantum" worden genoemd.
Golfmodel van het atoom
Maar in de loop van de tijd is het planetaire model herzien. Een tweede theorie van de structuur van het atoom werd voorgesteld. Het is perfecter en maakt het mogelijk om de resultaten van praktische experimenten te verklaren. Het golfmodel van het atoom, voorgesteld door E. Schrödinger, verving het eerste. Toen stond al vast dat een elektron zich niet alleen als deeltje, maar ook als golf kan manifesteren. Wat deed Schrödinger? Hij paste een vergelijking toe die de beweging van een golf in de driedimensionale ruimte beschrijft. Men kan dus niet de baan van het elektron in het atoom vinden, maar de waarschijnlijkheid van detectie op een bepaald punt. Beide theorieën zijn verenigd door het feit dat elementaire deeltjes zich opspecifieke niveaus, subniveaus en orbitalen. Hier houdt de gelijkenis van de modellen op. Ik zal een voorbeeld geven - in de golftheorie is een orbitaal een gebied waar het mogelijk is om een elektron te vinden met een waarschijnlijkheid van 95%. De rest van de ruimte is goed voor 5%, maar uiteindelijk bleek dat de structurele kenmerken van atomen worden weergegeven met behulp van een golfmodel, ondanks het feit dat de terminologie algemeen wordt gebruikt.
Het concept van waarschijnlijkheid in dit geval
Waarom werd deze term gebruikt? Heisenberg formuleerde in 1927 het onzekerheidsprincipe, dat nu wordt gebruikt om de beweging van microdeeltjes te beschrijven. Het is gebaseerd op hun fundamentele verschil met gewone fysieke lichamen. Wat is het? Klassieke mechanica ging ervan uit dat een persoon verschijnselen kan waarnemen zonder ze te beïnvloeden (waarneming van hemellichamen). Op basis van de ontvangen gegevens kan worden berekend waar het object zich op een bepaald moment zal bevinden. Maar in de microkosmos zijn de dingen noodzakelijkerwijs anders. Dus om bijvoorbeeld een elektron te observeren zonder te beïnvloeden is het nu niet mogelijk vanwege het feit dat de energieën van het instrument en het deeltje onvergelijkbaar zijn. Dit leidt ertoe dat de locatie van een elementair deeltje, toestand, richting, bewegingssnelheid en andere parameters veranderen. En het heeft geen zin om over de exacte kenmerken te praten. Het onzekerheidsprincipe zelf vertelt ons dat het onmogelijk is om de exacte baan van het elektron rond de kern te berekenen. Je kunt alleen de kans specificeren dat je een deeltje in een bepaald gebied vindtruimte. Dit is de eigenaardigheid van de structuur van atomen van chemische elementen. Maar hiermee mogen uitsluitend wetenschappers rekening houden bij praktische experimenten.
Samenstelling van een atoom
Maar laten we ons concentreren op het hele onderwerp. Dus naast de weloverwogen elektronenschil is de tweede component van het atoom de kern. Het bestaat uit positief geladen protonen en neutrale neutronen. We kennen allemaal het periodiek systeem. Het aantal van elk element komt overeen met het aantal protonen dat het heeft. Het aantal neutronen is gelijk aan het verschil tussen de massa van een atoom en het aantal protonen. Er kunnen afwijkingen van deze regel zijn. Dan zeggen ze dat er een isotoop van het element aanwezig is. De structuur van een atoom is zodanig dat het wordt "omgeven" door een elektronenschil. Het aantal elektronen is meestal gelijk aan het aantal protonen. De massa van de laatste is ongeveer 1840 keer groter dan die van de eerste en is ongeveer gelijk aan het gewicht van het neutron. De straal van de kern is ongeveer 1/200.000 van de diameter van een atoom. Hij heeft zelf een bolvorm. Dit is in het algemeen de structuur van atomen van chemische elementen. Ondanks het verschil in massa en eigenschappen zien ze er ongeveer hetzelfde uit.
Baanbanen
Over het schema van de structuur van het atoom gesproken, men kan er niet over zwijgen. Er zijn dus deze typen:
- s. Ze zijn bolvormig.
- p. Ze zien eruit als volumineuze achtjes of spindels.
- d en f. Ze hebben een complexe vorm die moeilijk te beschrijven is in formele taal.
Elektronen van elk type zijn te vinden met een waarschijnlijkheid van 95% in het gebiedovereenkomstige orbitaal. De gepresenteerde informatie moet rustig worden opgevat, aangezien het eerder een abstract wiskundig model is dan een fysieke reële stand van zaken. Maar met dit alles heeft het een goede voorspellende kracht met betrekking tot de chemische eigenschappen van atomen en zelfs moleculen. Hoe verder het niveau van de kern verwijderd is, hoe meer elektronen erop geplaatst kunnen worden. Het aantal orbitalen kan dus worden berekend met een speciale formule: x2. Hierbij is x gelijk aan het aantal niveaus. En aangezien er maximaal twee elektronen op de orbitaal kunnen worden geplaatst, ziet de uiteindelijke formule voor hun numerieke zoekopdracht er als volgt uit: 2x2.
Baan: technische gegevens
Als we het hebben over de structuur van het fluoratoom, zal het drie orbitalen hebben. Ze zullen allemaal worden ingevuld. De energie van orbitalen binnen hetzelfde subniveau is hetzelfde. Om ze aan te duiden, voegt u het laagnummer toe: 2s, 4p, 6d. We keren terug naar het gesprek over de structuur van het fluoratoom. Het zal twee s- en één p-subniveau hebben. Het heeft negen protonen en hetzelfde aantal elektronen. Eerste een s-niveau. Dit zijn twee elektronen. Dan het tweede s-niveau. Nog twee elektronen. En 5 vult het p-niveau. Hier is zijn structuur. Na het lezen van de volgende subkop, kunt u zelf de nodige acties ondernemen en het zelf zien. Als we het hebben over de fysieke eigenschappen van halogenen, waaronder fluor, moet worden opgemerkt dat ze, hoewel in dezelfde groep, volledig verschillen in hun kenmerken. Dus hun kookpunt varieert van -188 tot 309graden Celcius. Dus waarom zijn ze samengevoegd? Allemaal dankzij de chemische eigenschappen. Alle halogenen, en voor het grootste deel fluor, hebben het hoogste oxiderende vermogen. Ze reageren met metalen en kunnen zonder problemen spontaan ontbranden bij kamertemperatuur.
Hoe worden banen gevuld?
Volgens welke regels en principes zijn elektronen gerangschikt? We raden u aan om uzelf vertrouwd te maken met de drie belangrijkste, waarvan de formulering is vereenvoudigd voor een beter begrip:
- Principe van de minste energie. Elektronen hebben de neiging om orbitalen te vullen in volgorde van toenemende energie.
- Pauli-principe. Een orbitaal kan niet meer dan twee elektronen bevatten.
- Hunds regel. Binnen één subniveau vullen elektronen eerst vrije orbitalen, en pas daarna vormen ze paren.
Het periodieke systeem van Mendelejev zal helpen bij het vullen, en de structuur van het atoom zal in dit geval begrijpelijker worden in termen van het beeld. Daarom is het bij praktisch werk met de constructie van circuits van elementen noodzakelijk om het bij de hand te houden.
Voorbeeld
Om alles wat in het artikel is gezegd samen te vatten, kun je een voorbeeld maken van hoe de elektronen van een atoom zijn verdeeld over hun niveaus, subniveaus en orbitalen (dat wil zeggen, wat is de niveauconfiguratie). Het kan worden weergegeven als een formule, een energiediagram of als een lagendiagram. Er zijn hier zeer goede illustraties die, bij nauwkeurig onderzoek, helpen om de structuur van het atoom te begrijpen. Het eerste niveau wordt dus als eerste gevuld. Het heeftslechts één subniveau, waarin er slechts één orbitaal is. Alle niveaus worden opeenvolgend gevuld, te beginnen met de kleinste. Ten eerste wordt binnen één subniveau één elektron in elke orbitaal geplaatst. Dan worden er paren gemaakt. En als er gratis zijn, schakelt het over naar een ander vullend onderwerp. En nu kun je onafhankelijk achterhalen wat de structuur is van het stikstof- of fluoratoom (dat eerder werd overwogen). Het kan in het begin wat lastig zijn, maar je kunt navigeren door naar de foto's te kijken. Laten we voor de duidelijkheid eens kijken naar de structuur van het stikstofatoom. Het heeft 7 protonen (samen met neutronen die de kern vormen) en hetzelfde aantal elektronen (die de elektronenschil vormen). Het eerste s-niveau wordt als eerste gevuld. Het heeft 2 elektronen. Dan komt het tweede s-niveau. Het heeft ook 2 elektronen. En de andere drie zijn op het p-niveau geplaatst, waar elk van hen één orbitaal inneemt.
Conclusie
Zoals je kunt zien, is de structuur van het atoom niet zo'n moeilijk onderwerp (als je het natuurlijk benadert vanuit het perspectief van een scheikundecursus op school). En het is niet moeilijk om dit onderwerp te begrijpen. Tot slot wil ik u nog informeren over enkele features. Als we het bijvoorbeeld hebben over de structuur van het zuurstofatoom, weten we dat het acht protonen en 8-10 neutronen heeft. En aangezien alles in de natuur de neiging heeft om in evenwicht te zijn, vormen twee zuurstofatomen een molecuul, waar twee ongepaarde elektronen een covalente binding vormen. Evenzo wordt een ander stabiel zuurstofmolecuul gevormd - ozon (O3). Als we de structuur van het zuurstofatoom kennen, is het mogelijk om oxidatiereacties correct te formuleren, inwaarbij de meest voorkomende stof op aarde is betrokken.
