Determinació d'àtoms i molècules. Definició d'un àtom fins a 1932

A partir de l'època antiga fins a la meitat del segle 18, la ciència estava dominada per la idea que l'àtom - una partícula de matèria que no pot ser dividit. Anglès científic i naturalista, i D. Dalton van donar una definició d'àtom com la part més petita d'un element químic. MV Lomonosov en la seva doctrina atòmica i molecular va ser capaç de donar una definició de l'àtom i molècula. Estava convençut que la molècula, al que va cridar "corpuscles", compost per "elements" - - àtoms i estan en constant moviment.

D. I. Mendeleiev creu que aquesta subunitat substàncies que componen el món material, conserva totes les seves propietats només si no està subjecta a la divisió. En aquest article, es defineix un objecte com un microcosmos de l'àtom, i estudiar-ne les propietats.

Antecedents de la teoria de l'estructura atòmica

Al segle 19, és àmpliament reconeguda com la declaració sobre la indivisibilitat de l'àtom. La majoria dels científics creuen que les partícules d'un element químic en qualsevol circumstància no poden ser transformats en àtoms d'altres elements. Aquestes idees van ser la base sobre la qual es basa la definició d'un àtom fins a 1932. A la fi del segle 19 a la ciència s'han fet descobriments fonamentals que van canviar aquest punt de vista. En primer lloc, el 1897 el físic britànic Joseph John Thomson va descobrir l'electró. Aquest fet es canvia fonamentalment idees dels científics sobre la part indivisible de l'element químic.

Com demostrar que l'estructura complexa àtom

Fins i tot abans del descobriment de l'electró , científics estan d'acord per unanimitat que els àtoms no tenen càrrega. Llavors, es va trobar que els electrons es distingeixen fàcilment de qualsevol element químic desitjat. Es poden trobar en una flama, que són portadores de corrent elèctric, alliberen substàncies durant la radiació de rajos x.

Però si els electrons són part de tots, sense excepció, i els àtoms amb càrrega negativa, per tant, en un àtom hi ha algunes partícules que estan segurs de tenir una càrrega positiva, en cas contrari no serien àtoms elèctricament neutres. Per ajudar a desentranyar l'estructura de l'àtom ha ajudat a un fenomen físic com radioactivitat. Es va donar la definició correcta de l'àtom en la física, i després la química.

Els raigs invisibles

Francès físic A. Becquerel va ser el primer a descriure el fenomen de l'emissió d'àtoms d'alguns elements químics, raigs visualment invisibles. Ells ionitzen l'aire passi a través del material, causant ennegriment de plaques fotogràfiques. Més tard, els Curie i Rutherford va trobar que les substàncies radioactives es transformen en àtoms d'altres elements químics (com l'urani - neptuni).

radioactiva de la radiació no és uniforme en composició: partícules alfa, partícules beta, raigs gamma. Per tant, el fenomen de la radioactivitat demostrat que la taula periòdica de partícules elements tenen una estructura complexa. Aquest fet va provocar que els canvis realitzats en la definició de l'àtom. El partícules és un àtom, donada per Rutherford va obtenir nous fets científics? La resposta a aquesta pregunta va ser el model acadèmic nuclear proposat l'àtom, segons el qual al voltant dels electrons nucli carregat positivament es mouen.

contradiccions model de Rutherford

La teoria del científic, malgrat el seu caràcter excepcional, no podia definir objectivament l'àtom. Els seus resultats van ser contraris a les lleis fonamentals de la termodinàmica, segons la qual tots els electrons que orbiten al voltant dels nuclis perden la seva energia i, com pot ser, tard o d'hora ha de caure sobre ell. Àtom en aquest cas destruït. Això no és realment el cas, ja que els productes químics i les partícules dels que estan fets, existeixen en la naturalesa per un llarg temps. Inexplicablement àtom d'aquesta determinació basada en la teoria de Rutherford, així com el fenomen que es produeix en passar substàncies simples calents a través d'una reixa de difracció. Després dels espectres atòmics format al mateix temps tenir una forma lineal. Aquest conflicte amb el model de Rutherford de l'àtom, segons la qual tindria l'espectre sigui continu. D'acord amb els conceptes de la mecànica quàntica, els electrons presents en el nucli no es caracteritzen com a objectes de punt, així com tenir la forma del núvol d'electrons.

La major part de la seva densitat en un cert locus de l'espai al voltant del nucli, i es considera que és la localització d'una partícula en un moment donat. A més, es va trobar que l'àtom, els electrons estan disposats en capes. El nombre de capes es pot determinar coneixent el nombre del període en què l'element en el D. Sistema Mendeleeva I. Periòdica. Per exemple, l'àtom de fòsfor conté 15 electrons i té tres nivells d'energia. L'indicador, que determina el nombre de nivells d'energia es diu el nombre quàntic principal.

Va ser establert experimentalment que el nivell d'energia dels electrons, que es troba més proper al nucli, té l'energia més baixa. Cada capa d'energia està dividit en subnivells, i que, al seu torn, en els orbitals. Els electrons estan situats en diferents orbitals tenen la mateixa forma núvols (s, p, d, f).

Basant-se en l'anterior, es dedueix que la forma del núvol d'electrons no pot ser arbitrària. Es determina estrictament d'acord amb l'orbital nombre quàntic. Cal afegir que l'estat de l'electró a les partícules també està determinat per dos valors - magnètic i girar nombres quàntics. La primera es basa en l'equació de Schrödinger i caracteritza l'orientació espacial del núvol d'electrons sobre la base de la tridimensionalitat del nostre món. El segon indicador - el nombre de tornada a ella determinar la rotació de l'electró al voltant del seu eix o en sentit antihorari.

El descobriment del neutró

A través de l'obra de D. Chadwick, ells celebrada el 1932, se li va donar una nova definició d'àtom en química i física. En els seus experiments científics va demostrar que l'escissió es produeix la radiació de poloni causada per les partícules que no tenen càrrega, la massa 1.008665. Una nova partícula elemental va ser nomenat el neutró. El seu descobriment i l'estudi de les seves propietats van permetre als científics soviètics V. Gapon i Ivanenko crear una nova teoria de l'estructura del nucli atòmic, que conté protons i neutrons.

D'acord amb la nova teoria, la determinació de la substància tenia el següent àtom de formar una unitat estructural de l'element químic, que consta d'un nucli que conté protons, neutrons i electrons que es mouen al seu voltant. El nombre de partícules positives en el nucli és sempre igual al nombre ordinal de l'element químic en el sistema periòdic.

Més tard, el professor Zhdanov en els seus experiments va confirmar que sota la influència de la radiació còsmica dur, els nuclis atòmics es divideixen en protons i neutrons. A més, s'ha demostrat que les forces que mantenen aquestes partícules elementals en el nucli, és extremadament intensiu en energia. Actuen sobre distàncies molt curtes (de l'ordre de 10 ^-23 cm), anomenada nuclears. Com es va esmentar anteriorment, per MV Lomonosov va ser capaç de donar una definició de l'àtom i la molècula sobre la base dels fets científics coneguts per ell.

Actualment reconegut considerar el següent model: àtom consisteix en un nucli i electrons que es mouen al seu voltant en un camins estrictament definides - orbitals. Els electrons, al mateix temps exhibeixen les propietats de tant les partícules i les ones, és a dir, tenir una naturalesa dual. El nucli d'un àtom es concentra gairebé tota la seva massa. Es compon de protons i neutrons associats amb les forces nuclears.

Si és possible tot i àtom

Resulta que cada àtom té massa. Per exemple, és d'hidrogen 1,67h10 ^-24 fins i tot va ser difícil imaginar com aquest valor petit. Per trobar el pes de l'objecte, no utilitzi les escales, i l'oscil·lador, que és un nanotub de carboni. Per calcular el pes de l'àtom i la molècula quantitat més convenient és el pes relatiu. Es mostra el nombre de vegades el pes d'una molècula o un àtom més de 1/12 de l'àtom de carboni, que és 1,66h10 ^-27 kg. masses atòmiques relatives es donen en la taula periòdica dels elements químics, i no tenen cap dimensió.

Els científics saben molt bé que el pes atòmic d'un element químic - és el nombre mitjà de massa d'isòtops. Que apareix, en la naturalesa d'una unitat d'un element químic poden tenir diferents masses. Així, les càrregues dels nuclis de tals partícules estructural mateixos.

Els científics han descobert que els isòtops difereixen en el nombre de neutrons en el nucli i els nuclis ells cobren idèntics. Per exemple, un àtom de clor, que té una massa 35 contenia 18 neutrons i 17 protons, i amb una massa de 37-20 protons i 17 neutrons. Molts elements químics són mescles d'isòtops. Per exemple, les substàncies simples, com ara el potassi, argó, oxigen contingut en els seus àtoms de composició que representen 3 isòtop diferent.

Determinació de l'atomicidad

Té diverses interpretacions. Penseu el que s'entén per aquest terme en química. Si els àtoms d'un element químic poden existir almenys momentàniament en l'aïllament, no tendeix a formar partícules més complexes - molècules, llavors es diu que aquestes substàncies tenen una estructura atòmica. Per exemple, reacció de cloració multi-etapa de metà. És àmpliament utilitzat en la química orgànica sintètica per als principals derivats d'halogen: diclorometà, tetraclorur de carboni. Es divideix molècules de clor a àtoms que tenen alta reactivitat. Ells destrueixen enllaços sigma en la molècula de metà, proporcionant una reacció de substitució de cadena.

Un altre exemple d'un procés químic que té una gran importància en la indústria - l'ús de peròxid d'hidrogen com a agent desinfectant i de blanqueig. Determinació d'oxigen atòmic com un producte d'escissió de peròxid d'hidrogen es produeix tant en les cèl·lules vives (per l'enzim catalasa), i al laboratori. L'oxigen atòmic va determinar qualitativament per les seves altes propietats antioxidants i la seva capacitat per destruir els agents patògens: bacteris, fongs i les seves espores.

Com l'embolcall nuclear

Hem trobat prèviament que la unitat estructural d'un element químic té una estructura complexa. Al voltant de les partícules nucli carregat positivament-girar electrons negatius. El Premi Nobel Niels Bohr, basat en la teoria quàntica de la llum, crea un ensenyament, en el qual la caracterització i identificació dels àtoms que diuen així: electrons que es mouen al voltant del nucli només en certs camins fixos en aquest cas no irradiar energia. Bohr, els científics han demostrat que les partícules de la MicroWorld, que inclouen àtoms i molècules no obeeixen les lleis vàlids per a cossos grans - Objectes macrocosmos.

L'estructura de les capes d'electrons de partícules s'ha estudiat en treballs sobre els científics de la física quàntica com Hund, Pauli Klechkovskii. Atès que es va saber que els electrons fan que el moviment de rotació al voltant del nucli no és caòtica, però en certes rutes fixes. Pauli va trobar que d'aquí a un sol nivell d'energia en cadascun dels seus orbitals s, p, d, f en cèl·lules electrònics pot ser no més de dues partícules amb càrrega negativa de valor spin oposat + ½ i - ½.

la regla de Hund explica com omplir orbitals electrònics amb el mateix nivell d'energia.

principi Aufbau, també crida l'regla n + l, expliquen com orbitals plens multielectrònics àtoms (elements 5, 6, 7 cicles). Totes les regularitats anteriors van servir com la base teòrica dels elements químics creats per Dmitriem Mendeleevym.

grau d'oxidació

És un concepte fonamental en química i descriu l'estat d'un àtom en una molècula. La definició moderna del grau d'oxidació dels àtoms és com segueix: la càrrega està condicionada àtoms en la molècula, que es calcula basant-se en els conceptes que una molècula només té la composició iònica.

L'oxidació pot ser expressat per un nombre enter o un nombre fraccionari, a valors positius, negatius o zero. En la majoria dels àtoms dels elements químics tenir diversos estats d'oxidació. Per exemple, el nitrogen és -3, -2, 0, +1, +2, +3, +4, +5. Però un element tal, tal com fluor, en totes les seves compostos només té un estat d'oxidació igual a -1. Si es presenta una substància simple, el seu estat d'oxidació de zero. Aquest quantitats químiques convenient utilitzar per a la classificació de substàncies i descriure les seves propietats. En la majoria dels casos, el grau d'oxidació de la química utilitzada en la creació de reaccions equacions redox.

Les propietats dels àtoms

Gràcies als descobriments de la física quàntica, la definició moderna de l'àtom, que es basa en la teoria Ivanenko i Gapon I, complementada amb els següents fets científics. L'estructura d'un nucli atòmic no es canvia durant les reaccions químiques. El canvi afecta només els orbitals electrònics estacionaris. La seva estructura es pot atribuir a una gran quantitat de propietats físiques i químiques de les substàncies. Si l'electró deixa una òrbita estacionària i procedeix a orbital amb una major energia tals àtom es diu excitat.

Cal assenyalar que els electrons no poden estar molt temps en aquests orbitals no bàsics. Tornant a la seva òrbita estacionària, l'electró emet el quantum d'energia. L'estudi d'aquestes característiques de les unitats estructurals dels elements químics com afinitat electrònica, electronegativitat, energia d'ionització, ha permès als científics no només per definir l'àtom com un microcosmos de partícula essencial, però també permès que expliquen la capacitat dels àtoms per formar un estat molecular estable i energèticament més favorable de la matèria, una possible conseqüència de crear qualsevol tipus d'enllaços químics estables: iònic, covalent polar i apolar, donant-acceptor (com espècies d'unió covalent) i m etallicheskoy. Aquest últim determina les propietats físiques i químiques més importants de metalls.

Va ser establert experimentalment que la mida d'un àtom pot variar. Tot dependrà de la molècula en la qual està inclòs. A través d'anàlisis de raigs X de difracció pot calcular la distància entre els àtoms en un compost químic, així com aprendre ràdio unitat element estructural. Ser propietari de patrons de canvi dels radis dels àtoms continguts en el període o el grup dels elements químics, és possible predir les seves propietats físiques i químiques. Per exemple, en períodes amb l'augment de nucli atòmic cobren la seva disminució ràdios ( "àtom de compressió"), i per tant es debiliten les propietats metàl·liques dels compostos, i no metàl·lic amplifiquen.

Així, el coneixement de l'estructura de l'àtom pot determinar amb precisió les propietats físiques i químiques de tots els elements inclosos en el sistema periòdic d'elements.