Van de oudheid tot het midden van de 18e eeuw werd de wetenschap gedomineerd door het idee dat een atoom een deeltje is van materie dat niet kan worden gedeeld. De Engelse wetenschapper, evenals de natuuronderzoeker D. D alton, definieerden het atoom als het kleinste bestanddeel van een chemisch element. M. V. Lomonosov was in zijn atoom- en moleculaire theorie in staat om het atoom en het molecuul te definiëren. Hij was ervan overtuigd dat de moleculen, die hij "lichaampjes" noemde, waren samengesteld uit "elementen" - atomen - en constant in beweging waren.
D. I. Mendelejev geloofde dat deze subeenheid van stoffen waaruit de materiële wereld bestaat, alleen al zijn eigenschappen behoudt als deze niet wordt gescheiden. In dit artikel zullen we het atoom definiëren als een object van de microwereld en de eigenschappen ervan bestuderen.
Vereisten voor het maken van de theorie van de structuur van het atoom
In de 19e eeuw werd de uitspraak over de ondeelbaarheid van het atoom algemeen aanvaard. De meeste wetenschappers geloofden dat deeltjes van een chemisch element onder geen enkele omstandigheid in atomen van een ander element konden veranderen. Deze ideeën vormden tot 1932 de basis waarop de definitie van het atoom was gebaseerd. Aan het einde van de 19e eeuw maakte de wetenschapfundamentele ontdekkingen die dit standpunt veranderden. Allereerst ontdekte de Engelse natuurkundige J. J. Thomson in 1897 het elektron. Dit feit veranderde radicaal de ideeën van wetenschappers over de ondeelbaarheid van het samenstellende deel van een chemisch element.
Hoe te bewijzen dat het atoom complex is
Zelfs vóór de ontdekking van het elektron waren wetenschappers het er unaniem over eens dat atomen geen lading hebben. Toen werd ontdekt dat elektronen gemakkelijk uit elk chemisch element kunnen worden vrijgemaakt. Ze zijn te vinden in een vlam, ze zijn dragers van elektrische stroom, ze komen vrij door stoffen tijdens röntgenstraling.
Maar als elektronen zonder uitzondering deel uitmaken van alle atomen en negatief geladen zijn, dan zijn er enkele andere deeltjes in het atoom die noodzakelijkerwijs een positieve lading hebben, anders zouden de atomen niet elektrisch neutraal zijn. Om de structuur van het atoom te helpen ontrafelen, hielp een fysiek fenomeen als radioactiviteit. Het gaf de juiste definitie van het atoom in de natuurkunde en daarna in de scheikunde.
Onzichtbare stralen
De Franse natuurkundige A. Becquerel was de eerste die het fenomeen van emissie door atomen van bepaalde chemische elementen, visueel onzichtbare stralen, beschreef. Ze ioniseren de lucht, gaan door stoffen heen en veroorzaken zwart worden van fotografische platen. Later ontdekten de Curies en E. Rutherford dat radioactieve stoffen worden omgezet in atomen van andere chemische elementen (bijvoorbeeld uranium in neptunium).
Radioactieve straling is inhomogeen van samenstelling: alfadeeltjes, bètadeeltjes, gammastralen. DusHet fenomeen radioactiviteit bevestigde dus dat de deeltjes van de elementen van het periodiek systeem een complexe structuur hebben. Dit feit was de reden voor de wijzigingen in de definitie van het atoom. Uit welke deeltjes bestaat een atoom, gegeven de nieuwe wetenschappelijke feiten die door Rutherford zijn verkregen? Het antwoord op deze vraag was het door de wetenschapper voorgestelde nucleaire model van het atoom, volgens welke elektronen rond een positief geladen kern draaien.
Contradicties van het Rutherford-model
De theorie van de wetenschapper kon, ondanks zijn uitstekende karakter, het atoom niet objectief definiëren. Haar conclusies gingen in tegen de fundamentele wetten van de thermodynamica, volgens welke alle elektronen die rond de kern draaien hun energie verliezen en hoe het ook zij, er vroeg of laat in moeten vallen. Het atoom wordt in dit geval vernietigd. Dit gebeurt niet echt, omdat de chemische elementen en de deeltjes waaruit ze zijn samengesteld, al heel lang in de natuur bestaan. Een dergelijke definitie van het atoom, gebaseerd op de theorie van Rutherford, is onverklaarbaar, evenals het fenomeen dat optreedt wanneer hete eenvoudige stoffen door een diffractierooster worden geleid. De resulterende atoomspectra hebben immers een lineaire vorm. Dit was in strijd met Rutherfords model van het atoom, volgens welke de spectra continu hadden moeten zijn. Volgens de concepten van de kwantummechanica worden elektronen in de kern momenteel niet gekarakteriseerd als puntobjecten, maar in de vorm van een elektronenwolk.
De hoogste dichtheid in een bepaalde ruimte rond de kern enbeschouwd als de locatie van het deeltje op een bepaald tijdstip. Ook bleek dat de elektronen in het atoom in lagen zijn gerangschikt. Het aantal lagen kan worden bepaald door het nummer van de periode te kennen waarin het element zich in het periodieke systeem van D. I. Mendelejev bevindt. Een fosforatoom bevat bijvoorbeeld 15 elektronen en heeft 3 energieniveaus. De indicator die het aantal energieniveaus bepa alt, wordt het hoofdkwantumgetal genoemd.
Er is experimenteel gevonden dat de elektronen van het energieniveau dat zich het dichtst bij de kern bevindt, de laagste energie hebben. Elke energieschil is verdeeld in subniveaus, en zij, op hun beurt, in orbitalen. Elektronen in verschillende orbitalen hebben dezelfde wolkvorm (s, p, d, f).
Op basis van het bovenstaande volgt dat de vorm van de elektronenwolk niet willekeurig kan zijn. Het is strikt gedefinieerd volgens het orbitale kwantumgetal. We voegen er ook aan toe dat de toestand van een elektron in een macrodeeltje wordt bepaald door nog twee waarden - magnetische en spinkwantumgetallen. De eerste is gebaseerd op de Schrödingervergelijking en karakteriseert de ruimtelijke oriëntatie van de elektronenwolk op basis van de driedimensionaliteit van onze wereld. De tweede indicator is het spingetal, het wordt gebruikt om de rotatie van een elektron rond zijn as met de klok mee of tegen de klok in te bepalen.
Ontdekking van het neutron
Dankzij het werk van D. Chadwick, door hem uitgevoerd in 1932, werd een nieuwe definitie van het atoom in de scheikunde en natuurkunde gegeven. In zijn experimenten bewees de wetenschapper dat tijdens de splitsing van polonium straling optreedt, veroorzaakt door:deeltjes die geen lading hebben, met een massa van 1,008665. Het nieuwe elementaire deeltje werd het neutron genoemd. De ontdekking en studie van de eigenschappen ervan stelden de Sovjetwetenschappers V. Gapon en D. Ivanenko in staat een nieuwe theorie te ontwikkelen over de structuur van de atoomkern die protonen en neutronen bevat.
Volgens de nieuwe theorie was de definitie van een atoom van materie als volgt: het is een structurele eenheid van een chemisch element, bestaande uit een kern die protonen en neutronen bevat en elektronen die eromheen bewegen. Het aantal positieve deeltjes in de kern is altijd gelijk aan het atoomnummer van het chemische element in het periodiek systeem.
Later bevestigde professor A. Zhdanov in zijn experimenten dat onder invloed van harde kosmische straling atoomkernen zich splitsen in protonen en neutronen. Bovendien werd bewezen dat de krachten die deze elementaire deeltjes in de kern vasthouden extreem energie-intensief zijn. Ze opereren op zeer korte afstanden (ongeveer 10-23 cm) en worden nucleair genoemd. Zoals eerder vermeld, was zelfs M. V. Lomonosov in staat om een definitie te geven van een atoom en een molecuul op basis van wetenschappelijke feiten die hem bekend waren.
Op dit moment wordt het volgende model algemeen erkend: een atoom bestaat uit een kern en elektronen die eromheen bewegen langs strikt gedefinieerde banen - orbitalen. Elektronen vertonen tegelijkertijd de eigenschappen van zowel deeltjes als golven, dat wil zeggen dat ze een tweeledig karakter hebben. Bijna al zijn massa is geconcentreerd in de kern van een atoom. Het bestaat uit protonen en neutronen gebonden door kernkrachten.
Kan een atoom gewogen worden
Het blijkt dat elk atoom heeftmassa. Voor waterstof is dat bijvoorbeeld 1,67x10-24g. Het is zelfs moeilijk voor te stellen hoe klein deze waarde is. Om het gewicht van zo'n object te bepalen, gebruiken ze geen weegschalen, maar een oscillator, een koolstofnanobuisje. Om het gewicht van een atoom en een molecuul te berekenen, is de relatieve massa een handiger waarde. Het laat zien hoe vaak het gewicht van een molecuul of atoom groter is dan 1/12 van een koolstofatoom, dat is 1,66x10-27 kg. Relatieve atomaire massa's worden gegeven in het periodiek systeem van chemische elementen, en ze hebben geen eenheden.
Wetenschappers weten heel goed dat de atomaire massa van een chemisch element het gemiddelde is van de massagetalen van al zijn isotopen. Het blijkt dat in de natuur eenheden van één chemisch element verschillende massa's kunnen hebben. Tegelijkertijd zijn de ladingen van de kernen van dergelijke structurele deeltjes hetzelfde.
Wetenschappers hebben ontdekt dat isotopen verschillen in het aantal neutronen in de kern, en dat de lading van hun kernen hetzelfde is. Zo bevat een chlooratoom met een massa van 35 18 neutronen en 17 protonen, en met een massa van 37 - 20 neutronen en 17 protonen. Veel chemische elementen zijn mengsels van isotopen. Eenvoudige stoffen zoals kalium, argon en zuurstof bevatten bijvoorbeeld atomen die 3 verschillende isotopen vertegenwoordigen.
Definiëren van atomiciteit
Het heeft verschillende interpretaties. Bedenk wat er in de scheikunde met deze term wordt bedoeld. Als de atomen van een chemisch element afzonderlijk kunnen bestaan, althans voor een korte tijd, zonder ernaar te streven een complexer deeltje te vormen - een molecuul, dan zeggen ze dat dergelijke stoffenatoom structuur. Bijvoorbeeld een meertraps methaanchloreringsreactie. Het wordt veel gebruikt in de chemie van organische synthese om de belangrijkste halogeenbevattende derivaten te verkrijgen: dichloormethaan, koolstoftetrachloride. Het splitst chloormoleculen in zeer reactieve atomen. Ze verbreken de sigmabindingen in het methaanmolecuul en zorgen voor een substitutiekettingreactie.
Een ander voorbeeld van een chemisch proces van groot belang in de industrie is het gebruik van waterstofperoxide als ontsmettingsmiddel en bleekmiddel. De bepaling van atomaire zuurstof, als product van de afbraak van waterstofperoxide, vindt zowel plaats in levende cellen (onder invloed van het katalase-enzym) als in laboratoriumomstandigheden. Atoomzuurstof wordt kwalitatief bepaald door zijn hoge antioxiderende eigenschappen, evenals door zijn vermogen om ziekteverwekkers te vernietigen: bacteriën, schimmels en hun sporen.
Hoe de atomaire schaal werkt
We hebben al eerder ontdekt dat de structurele eenheid van een chemisch element een complexe structuur heeft. Elektronen draaien om een positief geladen kern. De Nobelprijswinnaar Niels Bohr, gebaseerd op de kwantumtheorie van licht, creëerde zijn doctrine, waarin de kenmerken en definitie van een atoom als volgt zijn: elektronen bewegen alleen langs bepaalde stationaire banen rond de kern, terwijl ze geen energie uitstralen. De doctrine van Bohr bewees dat de deeltjes van de microkosmos, waaronder atomen en moleculen, niet aan eerlijke wetten gehoorzamenvoor grote lichamen - macrokosmische objecten.
De structuur van de elektronenschillen van macrodeeltjes werd bestudeerd in werken over kwantumfysica door wetenschappers als Hund, Pauli, Klechkovsky. Zo werd bekend dat elektronen rotatiebewegingen rond de kern maken, niet willekeurig, maar langs bepaalde stationaire banen. Pauli ontdekte dat binnen één energieniveau op elk van zijn s, p, d, f orbitalen, niet meer dan twee negatief geladen deeltjes met tegengestelde spins + ½ en - in elektronische cellen kunnen worden gevonden.
De regel van Hund legde uit hoe orbitalen met hetzelfde energieniveau correct worden gevuld met elektronen.
Klechkovsky's regel, ook wel de n+l-regel genoemd, legde uit hoe de orbitalen van multi-elektronatomen (elementen van 5, 6, 7 perioden) worden gevuld. Alle bovenstaande patronen dienden als een theoretische rechtvaardiging voor het systeem van chemische elementen gecreëerd door Dmitry Mendelejev.
Oxidatietoestand
Het is een fundamenteel concept in de chemie en karakteriseert de toestand van een atoom in een molecuul. De moderne definitie van de oxidatietoestand van atomen is als volgt: dit is de voorwaardelijke lading van een atoom in een molecuul, die wordt berekend op basis van het idee dat het molecuul alleen een ionische samenstelling heeft.
De mate van oxidatie kan worden uitgedrukt als een geheel getal of een fractioneel getal, met positieve, negatieve of nulwaarden. Meestal hebben atomen van chemische elementen verschillende oxidatietoestanden. Stikstof heeft bijvoorbeeld -3, -2, 0, +1, +2, +3, +4, +5. Maar zo'n scheikundig element als fluor, in al zijnverbindingen heeft slechts één oxidatietoestand, gelijk aan -1. Als het wordt weergegeven door een eenvoudige stof, is de oxidatietoestand nul. Deze chemische hoeveelheid is handig om te gebruiken voor de classificatie van stoffen en voor het beschrijven van hun eigenschappen. Meestal wordt de oxidatietoestand van een atoom in de chemie gebruikt bij het opstellen van vergelijkingen voor redoxreacties.
Eigenschappen van atomen
Dankzij de ontdekkingen van de kwantumfysica wordt de moderne definitie van het atoom, gebaseerd op de theorie van D. Ivanenko en E. Gapon, aangevuld met de volgende wetenschappelijke feiten. De structuur van de kern van een atoom verandert niet tijdens chemische reacties. Alleen stationaire elektronenorbitalen zijn aan verandering onderhevig. Hun structuur kan veel fysische en chemische eigenschappen van stoffen verklaren. Als een elektron een stationaire baan verlaat en naar een baan met een hogere energie-index gaat, wordt zo'n atoom aangeslagen.
Opgemerkt moet worden dat elektronen niet lang in zulke ongebruikelijke orbitalen kunnen blijven. Terugkerend naar zijn stationaire baan, zendt het elektron een hoeveelheid energie uit. De studie van dergelijke kenmerken van de structurele eenheden van chemische elementen zoals elektronenaffiniteit, elektronegativiteit, ionisatie-energie, stelde wetenschappers niet alleen in staat om het atoom te definiëren als het belangrijkste deeltje van de microkosmos, maar stelde hen ook in staat om het vermogen van atomen om te vormen te verklaren een stabiele en energetisch gunstigere moleculaire toestand van materie, mogelijk door het creëren van verschillende soorten stabiele chemische bindingen: ionisch, covalentpolair en niet-polair, donor-acceptor (als een soort covalente binding) en metallisch. Dit laatste bepa alt de belangrijkste fysische en chemische eigenschappen van alle metalen.
Er is experimenteel vastgesteld dat de grootte van een atoom kan veranderen. Alles zal afhangen van in welk molecuul het is opgenomen. Dankzij röntgendiffractieanalyse is het mogelijk om de afstand tussen atomen in een chemische verbinding te berekenen en de straal van de structurele eenheid van het element te achterhalen. Als we de veranderingspatronen kennen in de stralen van atomen die deel uitmaken van een periode of groep van chemische elementen, is het mogelijk om hun fysische en chemische eigenschappen te voorspellen. Bijvoorbeeld, in perioden met een toename van de lading van de atoomkern, nemen hun stralen af ("compressie van het atoom"), zodat de metallische eigenschappen van de verbindingen verzwakken en de niet-metalen toenemen.
De kennis van de structuur van het atoom stelt ons dus in staat om nauwkeurig de fysische en chemische eigenschappen te bepalen van alle elementen in het periodiek systeem van Mendelejev.
