קביעת אטומים ומולקולות. הגדרה של אטום עד 1932

החל מהתקופה העתיקה ועד אמצע המאה ה -18, המדע היה בשליטתה של הרעיון כי אטום - חלקיק של חומר שלא ניתן לחלק. מדען וחוקר טבע אנגלי, וד דלטון נתנו הגדרה של האטום כמו החלק הקטן ביותר של יסוד כימי. MV Lomonosov בדוקטרינה אטומית ומולקולרית שלה היה מסוגל לתת הגדרה של האטום מולקולה. הוא היה משוכנע כי המולקולה, שאותו כינה "גופיפים", המורכבת "אלמנטים" - אטומים - ו נמצאים בתנועה מתמדת.

ד י מנדלייב האמין כי חומרים למקטע זה שמרכיב את עולם החומר, שומרים על כל המאפיינים שלו רק אם הוא אינו כפוף חלוקה. במאמר זה, אנו מגדירים אובייקט כמו מיקרוקוסמוס של האטום, וכן לבחון את מאפייניה.

רקע של התיאוריה של מבנה האטום

במאות ה -19, זה זוכה להכרה רחבה כמו ההצהרה על היכולת החלוקה של האטום. רוב המדענים האמינו כי החלקיקים של יסוד כימי אחד בשום פנים ואופן לא ניתן להפוך אטום של יסודות אחרים. רעיונות אלה היו הבסיס שעליו התבסס ההגדרה של אטום עד 1932. במאה ה -19 במדע נעשה תגליות בסיסיות כי שינו את הדעה הזאת. קודם כל, ב 1897 הפיזיקאי הבריטי ג'ג'תומסון גילה את האלקטרון. עובדה זו השתנתה רעיונות המדענים ביסודו על חלק בלתי נפרד של היסוד הכימי.

כיצד להוכיח כי המבנה המורכב מאטום

עוד לפני גילוי האלקטרון , מדענים מסכימים פה אחד כי האטומים חסרי מטען חשמלי. ואז, נמצא כי אלקטרונים נבדלים בקלות מכל יסוד כימי רצוי. הם ניתן למצוא להבה, שהם נשאים של זרם חשמלי, הם משחררים חומרים במהלך קרינת רנטגן.

אבל אם האלקטרונים הם חלק כל ללא יוצא מן הכלל, ועל אטומים טעונים שלילי, ובכך, באטום יש כמה חלקיקים כי הם בטוחים יש מטען חיובי, אחרת אטומים לא יהיו ניטראליים מבחינה חשמלית. כדי לעזור לפענח את המבנה של האטום סייע תופעה פיזית כמו רדיואקטיביות. זה נתן את ההגדרה הנכונה של האטום בפיסיקה, ואז כימיה.

קרני בלתי נראה

הפיזיקאי א צרפתית בקרל היה הראשון לתאר את התופעה של פליטה של אטומים של כמה אלמנטים כימיים, קרני בלתי נראה ויזואלית. הם ליינן את האוויר עוברים דרך החומר, גורמים השחרה של לוחות צילום. מאוחר יותר, קירי ו רתרפורד מצאו כי חומרים רדיואקטיביים הופכים אטומים של יסודות כימיים אחרים (כגון אורניום - נפטוניום).

קרינה רדיואקטיבית היא nonuniform בהרכב: חלקיקי אלפא, בטא חלקיקים, קרני גמא. לפיכך, תופעת הרדיואקטיביות הוכיחה כי הטבלה המחזורית של חלקיקי המרכיבים יש מבנה מורכב. עובדה זו גרמה לשינויים שבוצעו בהגדרה של האטום. מה חלקיקים הוא אטום, שניתן על ידי רתרפורד שהושג עובדות מדעיות חדשות? התשובה לשאלה זו הייתה מודל הגרעין מלומד המוצע של האטום, לפיה ברחבי אלקטרוני הגרעין חיובי טעונים לזוז.

סתירות רתרפורד מודל

התיאוריה של המדען, למרות אופיו מצטיינים, לא יכול אובייקטיבי להגדיר את האטום. ממצאיה היו בניגוד לחוקי היסוד של התרמודינמיקה, לפיה כל האלקטרונים המקיפים את גרעין לאבד אנרגיה שלהם, ככל שיהיה, במוקדם או במאוחר צריך ליפול עליו. Atom במקרה הזה נהרס. זהו בעצם לא במקרה, מאז כימיקלים וחלקיקים שממנו הם עשויים, קיימים בטבע במשך זמן רב. באופן לא מוסבר נחישות אטום כזה מבוסס על התאוריה של רתרפורד, כמו גם את התופעה המתרחשת כאשר עוברים חומרים פשוטים חמים דרך עקיף צורמת. לאחר ספקטרום אטומי נוצר באותו הזמן יש צורה ליניארית. זה מסוכסך עם המודל הפלנטרי של האטום, לפיה הספקטרום יצטרך להיות רציף. על פי המושגים של מכניקת קוונטים, אלקטרונים הנמצאים בגרעין אינם מתאפיינים כאובייקטים נקודים וכן בעל הצורה של ענן האלקטרונים.

רוב הצפיפות שלה לוקוס מסוים של מרחב סביב הגרעין, והוא נחשב המיקום של חלקיק בזמן נתון. כמו כן, נמצא כי האטום, אלקטרונים מסודרים בשכבות. מספר שכבות יכולים להיקבע על ידי לדעת את המספר של התקופה בה האלמנט במערכת Mendeleeva התקופתי ד א. לדוגמא, אטום זרחן מכיל 15 אלקטרונים ויש לו שלוש רמות אנרגיה. המחוון, אשר קובע את מספר רמות האנרגיה נקרא מספר הקוונטים המנהל.

היא הוקמה באופן ניסיוני כי רמת האנרגיה של אלקטרונים, הממוקמת קרוב לליבה, יש את האנרגיה הנמוכה ביותר. כל פגז אנרגיה מחולק רמות משנה, והם, בתורם, על אורביטלים. אלקטרונים נמצאים אורביטלים שונים בעלי אותו ענני הטופס (ים, עמ ', ד, ו).

בהתבסס על האמור לעיל, המסקנה היא כי צורת ענן אלקטרונים לא יכול להיות שרירותי. היא נקבעת אך ורק על פי מסלולית מספר הקוונטים. אנו מוסיפים גם כי המדינה של האלקטרון אל החלקיקים נקבעת גם על ידי שני ערכים - מגנט ספין מספרי קוונטים. הראשונה מבוססת על משוואת שרדינגר ומאפיינת את האוריינטציה המרחבית של ענן האלקטרונים על בסיס תלת-ממדיות של עולמנו. המדד השני - מספר הספין עליו לקבוע את הסיבוב של האלקטרון סביב צירו או נגד כיוון השעון.

הגילוי של נויטרונים

דרך העבודה של ד צ'דוויק, ומחזיק אותם 1932, ניתן לה הגדרה חדשה של האטום בכימיה ופיסיקה. בניסויים המדעיים שלהם הוא הוכיח כי המחשוף מתרחש קרינת פולוניום הנגרמת על ידי החלקיקים שיש ללא תשלום, המסה 1.008665. חלקיק יסודי חדש נקרא הנויטרונים. גילוי במחקרה על תכונותיו איפשר למדענים המועצות V. Gapon ו Ivanenko ליצור תיאוריה חדשה של מבנה של גרעין האטום, המכיל פרוטונים ונויטרונים.

על פי התאוריה החדשה, בקביעת מהותן הייתה האטום הבא מהווה יחידה מבנית של היסוד הכימי, המורכבת מליבה המכיל פרוטונים, ניטרונים ואלקטרונים הנעים סביבו. מספר החלקיקים החיוביים בגרעין הוא תמיד שווה למספר הסידורי של האלמנט הכימי במערכת המחזורית.

בהמשך פרופ ז'דאנוב בניסויים שלו אישר כי תחת השפעת קרינה קוסמית קשה, גרעין האטום מחולקים פרוטונים ונויטרונים. בנוסף, הוכיח כי הכוחות מחזיקים חלקיקים יסודיים אלה בגרעין, זה מאוד עתיר אנרגיה. הם פועלים על מרחקים קצרים מאוד (בסדר גודל של 10 ^-23 ס"מ), גרעיני שנקרא. כפי שהוזכר קודם לכן, על ידי MV Lomonosov היה מסוגל לתת הגדרה של אטום לבין מולקולה על בסיס עובדות מדעיות ידוע לו.

נכון לעכשיו מוכר לשקול את הדגם הבא: האטום מורכב גרעין אלקטרונים הנעים סביבו בתוך נתיבים מוגדרים בקפדנות - אורביטלים. אלקטרונים באותו זמן להפגין את המאפיינים של שני חלקיקים או גלים, כלומר, יש אופי כפול. גרעין אטום מרוכז כמעט כל המסה שלו. הוא מורכב הפרוטונים והנויטרונים הקשורים כוחות גרעיניים.

בין אם זה אפשרי לשקול אטום

מתברר כי כל אטום יש מסה. לדוגמה, הוא מימן 1,67h10 ^-24 היה קשה אפילו לדמיין כמה קטן ערך זה. כדי למצוא את המשקל של האובייקט, לא להשתמש המאזניים, ואת מתנד, שהינה ננו-צינורות פחמן. כדי לחשב את המשקל של האטום לבין המולקולה יותר כמות נוחה הוא המשקל היחסי. זה מראה כמה פעמים את המשקל של מולקולה או אטום יותר 1/12 של אטום הפחמן, שהוא 1,66h10 ^-27 ק"ג. המונים אטומיים יחסית ניתנים בטבלה המחזורית של יסודות כימיים, ואין להם שום ממד.

מדענים מודעים היטב לכך את המשקל האטומי של יסוד כימי - הוא מספר המונית הממוצע של איזוטופים. נראה, באופי יחידה אחת של יסוד כימי יכול להיות מסות שונות. לכן ההאשמות של גרעיני חלקיקים מבניים כגון אותה.

מדענים גילו כי איזוטופים שונים זה מזה במספר הנויטרונים בגרעין גרעינים לחייב אותם זהים. לדוגמה, אטום כלור, בעל מסה 35 הכיל 18 נויטרונים 17 פרוטונים, ועם מסה של 37 - 20 פרוטונים ו 17 נויטרונים. יסודות כימיים רבים הם תערובות של איזוטופים. לדוגמא, חומרים פשוטים כגון אשלגן, ארגון, חמצן כלול אטומי הרכבו מייצגי 3 איזוטופ שונים.

קביעה אטומית

יש לו פרשנויות שונות. קח מה הכוונה במונח זה כימיה. אם האטומים של יסוד כימי יכולים לפחות להתקיים לרגע בבידוד, לא נוטה ליצור חלקיקים מורכבים יותר - מולקולות, אז אנחנו אומרים כי חומרים כאלה יש מבנה אטום. לדוגמא, תגובת הכלרה רב שלבית של מתאן. זה נעשה שימוש נרחב בכימיה סינטתית אורגנית עבור נגזרי ההלוגן העיקריים: dichloromethane, פחמן טטרא. הוא לפצל מולקולות כלור לאטומים שיש תגובתיות גבוהה. הם הורסים קשר סיגמא במולקולה מתאן, מתן תגובת התמרה שרשרת.

דוגמא נוספת של תהליך כימי שיש חשיבות רבה בתעשייה - השימוש של מי חמצן כסוכן חיטוי ולבן. קביעת חמצן אטום כמוצר מחשוף של מי חמצן מתרחשת בשני תאי החיים (על ידי האנזים קטלאז), ובמעבדה. חמצן אטומי קבע באופן איכותי על ידי תכונות נוגדות חמצון גבוה ויכולתי להרוס גורמים פתוגניים: חיידקים, פטריות הנבגים שלהם.

איך המעטפה הגרעינית

מצאנו בעבר כי היחידה המבנית של יסוד כימי יש מבנה מורכב. מסביב לחלקיקי גרעין חיובי טיעונים סובבים אלקטרונים שליליים. פרס נובל נילס בוהר, המבוסס על תורת קוונטים של אור, יצר הוראה, שבו לאפיון וזיהוי של אטומים הם כדלקמן: אלקטרונים נעים סביב הגרעין רק בנתיבים קבועים מסוימים במקרה זה לא מקרינים אנרגיה. בוהר, מדענים הראו כי החלקיקים של המיקרו, הכוללים אטומים ומולקולות לא לציית לחוקים תקפים גופים גדולים - אובייקטים המקרוקוסמוס.

המבנה של קליפת אלקטרונים של חלקיקים נחקרה מאמרים על מדענים לפיזיקה קוונטית כגון הונט, פאולי Klechkovskii. מאז נודע כי האלקטרונים לעשות את התנועה הסיבובית סביב הגרעין אינה כאוטי, אבל על שבילים קבועים מסוימים. פאולים נמצאים שתוך רמת אנרגיה אחת בכל אחת של אורביטלים שלה, עמ ', ד', ו בתאים אלקטרוניים עשויים להיות לא יותר משני חלקיקים טעונים שלילי של ערך ספין הפוך + ½ ו - ½.

הכלל של הונט הסביר כיצד למלא אורביטלים אלקטרונים עם אותה רמת אנרגיה.

Aufbau העיקרון, המכונה גם שלטון n + L, להסביר איך אורביטלים מולא multielectron אטומים (אלמנטים 5, 6, 7 מחזורים). כל סדירויות מעל שימש כבסיס תיאורטי של יסודות כימיים שנוצרו על ידי Dmitriem Mendeleevym.

תואר חמצון

זהו קונספט יסוד בכימיה ומתאר מצב אטום במולקולה. ההגדרה המודרנית של מידת החמצון של האטומים היא כדלקמן: התשלום מותנה אטומים במולקולה, אשר מחושבות על בסיס המושגים כי מולקולה בעלת הרכב היוני בלבד.

החמצון יכול לבוא לידי ביטוי על ידי מספר שלם או מספר שבר, ערכים חיוביים, שליליים או אפס. ברוב האטומים של יסודות כימיים יש כמה מדינות חמצון. לדוגמא, חנקן הוא -3, -2, 0, 1, 2, 3, 4, 5. אבל כזה אלמנט, כגון פלואור, בכל ותרכובותיו יש רק מדינה אחת חמצון שווה -1. אם הוא מוצג חומר פשוט, מצב החמצון של אפס. כמויות חומר כימי זה נוח לשימוש עבור הסיווג של חומרים כדי לתאר את הנכסים שלהם. ברוב המקרים, את מידת החמצון של הכימיה השתמשה בהקמת תגובות חיזור משוואות.

המאפיינים של אטומים

בזכות התגליות של פיזיקת קוונטים, ההגדרה המודרנית של האטום, אשר מבוסס על התאוריה Ivanenko ו Gapon E, בתוספת העובדות המדעיות הבאות. המבנה של גרעין האטום אינו משתנה במהלך תגובות כימיות. השינוי משפיע רק האורביטלים האלקטרונים הנייחים. המבנה שלהם ניתן לייחס הרבה תכונות פיסיקליות וכימיות של חומרים. אם האלקטרון משאיר במסלול נייח וממשיך מסלולית עם אטום כגון אנרגיה גבוהה נקרא נרגש.

יצוין כי האלקטרונים לא יכולים להיות זמן רב על אורביטלים שאינם בליבה אלה. חוזר למסלול הנייח שלה, אלקטרון פולט הקוונטים של אנרגיה. המחקר של מאפיינים כאלה של היחידות המבניות של יסודות כימיים כמו זיקה אלקטרונית, אלקטרושליליות, אנרגית יינון, אפשר למדענים לא רק להגדיר את האטום בתור מיקרוקוסמוס חלקיקים חיוני, אלא גם אפשר להם להסביר את היכולת של אטומים להיוצר מצב מולקולרי יציב אנרגטי יותר נוח של עניין, תוצאה אפשרית של ליצירת כל סוג של קשרים כימיים יציבים: יונית, קוולנטי קוטבי-קוטבי, acceptor תורם (כמו מינים מליטים קוולנטיים) ו- m etallicheskoy. זה האחרון קובע את התכונות פיסיקליות וכימיות החשובות ביותר של מתכות.

היא הוקמה באופן ניסיוני כי הגודל אטום יכול להשתנות. כל יהיה תלוי המולקולה שבה הוא נכלל. באמצעות ניתוח עקיף רנטגן יכול לחשב את המרחק בין אטומי תרכובת כימית, כמו גם ללמוד רדיוס יחידת אלמנט מבני. בעלות דפוסי השינוי של רדיוס של האטומים כלולים בתקופה או בקבוצה של יסודות כימיים, אפשר לנבא את התכונות הפיסיקליות וכימיות שלהם. לדוגמא, בתקופות עם הגדלת גרעין אטום לחייב ירידת הרדיוס שלהם ( "אטום דחיסה"), ועל כן להחליש את המאפיינים המתכתיים של המתחמים, אל מתכתי מוגבר.

לפיכך, הידע של מבנה האטום יכול לקבוע במדויק את התכונות הפיסיקליות והכימיות של כל האלמנטים הכלולים במערכת המחזורית של היסודות.