Dal periodo dell'antichità alla metà del 18° secolo, la scienza è stata dominata dall'idea che un atomo è una particella di materia che non può essere divisa. Lo scienziato inglese, così come il naturalista D. D alton, definì l'atomo come il più piccolo componente di un elemento chimico. M. V. Lomonosov nella sua teoria atomica e molecolare è stato in grado di definire l'atomo e la molecola. Era convinto che le molecole, che chiamava "corpuscoli", fossero costituite da "elementi" - atomi - e fossero in continuo movimento.
D. I. Mendeleev credeva che questa subunità di sostanze che compongono il mondo materiale conservasse tutte le sue proprietà solo se non è soggetta a separazione. In questo articolo definiremo l'atomo come un oggetto del micromondo e ne studieremo le proprietà.
Prerequisiti per la creazione della teoria della struttura dell'atomo
Nel 19° secolo, l'affermazione sull'indivisibilità dell'atomo era generalmente accettata. La maggior parte degli scienziati credeva che le particelle di un elemento chimico in nessun caso potessero trasformarsi in atomi di un altro elemento. Queste idee servirono come base su cui si basava la definizione dell'atomo fino al 1932. Alla fine del 19° secolo, la scienza ha fattoscoperte fondamentali che hanno cambiato questo punto di vista. Innanzitutto, nel 1897, il fisico inglese J. J. Thomson scoprì l'elettrone. Questo fatto ha cambiato radicalmente le idee degli scienziati sull'indivisibilità della parte costituente di un elemento chimico.
Come dimostrare che l'atomo è complesso
Anche prima della scoperta dell'elettrone, gli scienziati concordavano all'unanimità che gli atomi non hanno cariche. Quindi si è scoperto che gli elettroni vengono facilmente rilasciati da qualsiasi elemento chimico. Si trovano in una fiamma, sono portatori di corrente elettrica, vengono rilasciati da sostanze durante l'emissione di raggi X.
Ma se gli elettroni fanno parte di tutti gli atomi senza eccezioni e sono caricati negativamente, allora ci sono alcune altre particelle nell'atomo che hanno necessariamente una carica positiva, altrimenti gli atomi non sarebbero elettricamente neutri. Per aiutare a svelare la struttura dell'atomo, un fenomeno fisico come la radioattività ha aiutato. Ha dato la corretta definizione dell'atomo in fisica e poi in chimica.
Raggi invisibili
Il fisico francese A. Becquerel è stato il primo a descrivere il fenomeno dell'emissione da parte di atomi di determinati elementi chimici, raggi visivamente invisibili. Ionizzano l'aria, attraversano sostanze, provocano l'annerimento delle lastre fotografiche. Successivamente, i Curies ed E. Rutherford scoprirono che le sostanze radioattive vengono convertite in atomi di altri elementi chimici (ad esempio, l'uranio in nettunio).
Le radiazioni radioattive hanno una composizione disomogenea: particelle alfa, particelle beta, raggi gamma. CosìPertanto, il fenomeno della radioattività ha confermato che le particelle degli elementi della tavola periodica hanno una struttura complessa. Questo fatto è stato il motivo delle modifiche apportate alla definizione di atomo. Da quali particelle è costituito un atomo, dati i nuovi dati scientifici ottenuti da Rutherford? La risposta a questa domanda è stata il modello nucleare dell'atomo proposto dallo scienziato, secondo il quale gli elettroni ruotano attorno a un nucleo carico positivamente.
Contradizioni del modello Rutherford
La teoria dello scienziato, nonostante il suo carattere eccezionale, non poteva definire oggettivamente l'atomo. Le sue conclusioni andavano contro le leggi fondamentali della termodinamica, secondo cui tutti gli elettroni che ruotano attorno al nucleo perdono la loro energia e, comunque sia, prima o poi devono cadervi dentro. L'atomo viene distrutto in questo caso. Questo in re altà non accade, poiché gli elementi chimici e le particelle di cui sono composti esistono in natura da molto tempo. Una tale definizione dell'atomo, basata sulla teoria di Rutherford, è inspiegabile, così come il fenomeno che si verifica quando sostanze semplici calde vengono fatte passare attraverso un reticolo di diffrazione. Dopotutto, gli spettri atomici risultanti hanno una forma lineare. Ciò era in conflitto con il modello dell'atomo di Rutherford, secondo il quale gli spettri avrebbero dovuto essere continui. Secondo i concetti della meccanica quantistica, attualmente, gli elettroni nel nucleo sono caratterizzati non come oggetti puntiformi, ma come aventi la forma di una nuvola di elettroni.
La sua più alta densità in un certo luogo di spazio attorno al nucleo econsiderata la posizione della particella in un dato momento. È stato anche scoperto che gli elettroni nell'atomo sono disposti a strati. Il numero di strati può essere determinato conoscendo il numero del periodo in cui si trova l'elemento nel sistema periodico di D. I. Mendeleev. Ad esempio, un atomo di fosforo contiene 15 elettroni e ha 3 livelli di energia. L'indicatore che determina il numero di livelli di energia è chiamato numero quantico principale.
Sperimentalmente è stato scoperto che gli elettroni del livello di energia più vicino al nucleo hanno l'energia più bassa. Ogni guscio di energia è diviso in sottolivelli e, a loro volta, in orbitali. Gli elettroni situati in orbitali diversi hanno la stessa forma della nuvola (s, p, d, f).
In base a quanto sopra, ne consegue che la forma della nuvola di elettroni non può essere arbitraria. È rigorosamente definito in base al numero quantico orbitale. Aggiungiamo anche che lo stato di un elettrone in una macroparticella è determinato da altri due valori: numeri quantici magnetici e di spin. Il primo si basa sull'equazione di Schrödinger e caratterizza l'orientamento spaziale della nuvola di elettroni in base alla tridimensionalità del nostro mondo. Il secondo indicatore è il numero di spin, viene utilizzato per determinare la rotazione di un elettrone attorno al proprio asse in senso orario o antiorario.
Scoperta del neutrone
Grazie al lavoro di D. Chadwick, da lui svolto nel 1932, fu data una nuova definizione dell'atomo in chimica e fisica. Nei suoi esperimenti, lo scienziato ha dimostrato che durante la scissione del polonio si verificano radiazioni causate daparticelle che non hanno una carica, con una massa di 1.008665. La nuova particella elementare è stata chiamata neutrone. La sua scoperta e lo studio delle sue proprietà permisero agli scienziati sovietici V. Gapon e D. Ivanenko di creare una nuova teoria della struttura del nucleo atomico contenente protoni e neutroni.
Secondo la nuova teoria, la definizione di atomo di materia era la seguente: è un'unità strutturale di un elemento chimico, costituito da un nucleo contenente protoni e neutroni ed elettroni che si muovono attorno ad esso. Il numero di particelle positive nel nucleo è sempre uguale al numero atomico dell'elemento chimico nel sistema periodico.
Più tardi, il professor A. Zhdanov confermò nei suoi esperimenti che sotto l'influenza di forti radiazioni cosmiche, i nuclei atomici si divisero in protoni e neutroni. Inoltre, è stato dimostrato che le forze che trattengono queste particelle elementari nel nucleo sono estremamente ad alta intensità energetica. Operano a distanze molto brevi (circa 10-23 cm) e sono chiamati nucleari. Come accennato in precedenza, anche M. V. Lomonosov è stato in grado di dare una definizione di atomo e molecola sulla base di fatti scientifici a lui noti.
Attualmente, è generalmente riconosciuto il seguente modello: un atomo è costituito da un nucleo ed elettroni che si muovono attorno ad esso lungo traiettorie rigorosamente definite - orbitali. Gli elettroni mostrano simultaneamente le proprietà sia delle particelle che delle onde, cioè hanno una doppia natura. Quasi tutta la sua massa è concentrata nel nucleo di un atomo. È composto da protoni e neutroni legati da forze nucleari.
Può essere pesato un atomo
Si scopre che ogni atomo hamassa. Ad esempio, per l'idrogeno è 1,67x10-24g. È persino difficile immaginare quanto sia piccolo questo valore. Per trovare il peso di un tale oggetto, non usano bilance, ma un oscillatore, che è un nanotubo di carbonio. Per calcolare il peso di un atomo e di una molecola, un valore più conveniente è la massa relativa. Mostra quante volte il peso di una molecola o di un atomo è maggiore di 1/12 di un atomo di carbonio, che è 1,66x10-27 kg. Le masse atomiche relative sono date nel sistema periodico degli elementi chimici e non hanno unità.
Gli scienziati sanno bene che la massa atomica di un elemento chimico è la media dei numeri di massa di tutti i suoi isotopi. Si scopre che in natura le unità di un elemento chimico possono avere masse diverse. Allo stesso tempo, le cariche dei nuclei di tali particelle strutturali sono le stesse.
Gli scienziati hanno scoperto che gli isotopi differiscono per il numero di neutroni nel nucleo e la carica dei loro nuclei è la stessa. Ad esempio, un atomo di cloro con una massa di 35 contiene 18 neutroni e 17 protoni e con una massa di 37 - 20 neutroni e 17 protoni. Molti elementi chimici sono miscele di isotopi. Ad esempio, sostanze semplici come potassio, argon e ossigeno contengono atomi che rappresentano 3 diversi isotopi.
Definizione dell'atomicità
Ha diverse interpretazioni. Considera cosa si intende con questo termine in chimica. Se gli atomi di qualsiasi elemento chimico sono in grado di esistere separatamente almeno per un breve periodo, senza sforzarsi di formare una particella più complessa - una molecola, allora dicono che tali sostanze hannostruttura atomica. Ad esempio, una reazione di clorurazione del metano multistadio. Trova largo impiego nella chimica della sintesi organica per ottenere i più importanti derivati contenenti alogeni: diclorometano, tetracloruro di carbonio. Divide le molecole di cloro in atomi altamente reattivi. Rompono i legami sigma nella molecola di metano, fornendo una reazione a catena di sostituzione.
Un altro esempio di processo chimico di grande importanza nell'industria è l'uso del perossido di idrogeno come disinfettante e candeggina. La determinazione dell'ossigeno atomico, come prodotto della scomposizione del perossido di idrogeno, avviene sia nelle cellule viventi (sotto l'azione dell'enzima catalasi) che in condizioni di laboratorio. L'ossigeno atomico è qualitativamente determinato dalle sue elevate proprietà antiossidanti, nonché dalla sua capacità di distruggere gli agenti patogeni: batteri, funghi e le loro spore.
Come funziona la shell atomica
Abbiamo già scoperto in precedenza che l'unità strutturale di un elemento chimico ha una struttura complessa. Gli elettroni ruotano attorno a un nucleo carico positivamente. Il premio Nobel Niels Bohr, basandosi sulla teoria quantistica della luce, ha creato la sua dottrina, in cui le caratteristiche e la definizione di un atomo sono le seguenti: gli elettroni si muovono attorno al nucleo solo lungo determinate traiettorie stazionarie, mentre non irradiano energia. La dottrina di Bohr ha dimostrato che le particelle del microcosmo, che includono atomi e molecole, non obbediscono a leggi giusteper grandi corpi - oggetti macrocosmici.
La struttura dei gusci di elettroni delle macroparticelle è stata studiata in lavori sulla fisica quantistica da scienziati come Hund, Pauli, Klechkovsky. Così si è scoperto che gli elettroni compiono movimenti di rotazione attorno al nucleo non in modo casuale, ma lungo determinate traiettorie stazionarie. Pauli ha scoperto che entro un livello di energia su ciascuno dei suoi orbitali s, p, d, f, nelle celle elettroniche non si possono trovare più di due particelle cariche negativamente con spin opposti + ½ e - ½.
La regola di Hund spiegava come gli orbitali con lo stesso livello di energia vengono riempiti correttamente di elettroni.
La regola di Klechkovsky, chiamata anche regola n+l, spiegava come vengono riempiti gli orbitali degli atomi multielettronici (elementi di 5, 6, 7 periodi). Tutti i modelli di cui sopra sono serviti come giustificazione teorica per il sistema di elementi chimici creato da Dmitry Mendeleev.
Stato di ossidazione
È un concetto fondamentale in chimica e caratterizza lo stato di un atomo in una molecola. La definizione moderna dello stato di ossidazione degli atomi è la seguente: questa è la carica condizionale di un atomo in una molecola, che viene calcolata sulla base dell'idea che la molecola abbia solo una composizione ionica.
Il grado di ossidazione può essere espresso come numero intero o frazionario, con valori positivi, negativi o zero. Molto spesso, gli atomi degli elementi chimici hanno diversi stati di ossidazione. Ad esempio, l'azoto ha -3, -2, 0, +1, +2, +3, +4, +5. Ma un elemento chimico come il fluoro, in tutto e per tuttocomposti ha un solo stato di ossidazione, pari a -1. Se è rappresentato da una sostanza semplice, il suo stato di ossidazione è zero. Questa quantità chimica è conveniente da usare per la classificazione delle sostanze e per descriverne le proprietà. Molto spesso, lo stato di ossidazione di un atomo viene utilizzato in chimica quando si compilano equazioni per le reazioni redox.
Proprietà degli atomi
Grazie alle scoperte della fisica quantistica, la moderna definizione di atomo, basata sulla teoria di D. Ivanenko e E. Gapon, è integrata dai seguenti fatti scientifici. La struttura del nucleo di un atomo non cambia durante le reazioni chimiche. Solo gli orbitali elettronici stazionari sono soggetti a modifiche. La loro struttura può spiegare molte proprietà fisiche e chimiche delle sostanze. Se un elettrone lascia un'orbita stazionaria e va in un'orbita con un indice di energia più alto, un tale atomo è chiamato eccitato.
Va notato che gli elettroni non possono rimanere in orbitali così insoliti per molto tempo. Tornando alla sua orbita stazionaria, l'elettrone emette un quanto di energia. Lo studio di tali caratteristiche delle unità strutturali degli elementi chimici come affinità elettronica, elettronegatività, energia di ionizzazione, ha permesso agli scienziati non solo di definire l'atomo come la particella più importante del microcosmo, ma ha anche permesso loro di spiegare la capacità degli atomi di formarsi uno stato molecolare della materia stabile ed energeticamente più favorevole, possibile grazie alla creazione di vari tipi di legami chimici stabili: ionici, covalentipolare e non polare, donatore-accettore (come una sorta di legame covalente) e metallico. Quest'ultimo determina le proprietà fisiche e chimiche più importanti di tutti i metalli.
È stato stabilito sperimentalmente che la dimensione di un atomo può cambiare. Tutto dipenderà dalla molecola in cui è incluso. Grazie all'analisi di diffrazione dei raggi X, è possibile calcolare la distanza tra gli atomi in un composto chimico, nonché scoprire il raggio dell'unità strutturale dell'elemento. Conoscendo i modelli di cambiamento nei raggi degli atomi inclusi in un periodo o gruppo di elementi chimici, è possibile prevederne le proprietà fisiche e chimiche. Ad esempio, nei periodi con un aumento della carica del nucleo degli atomi, i loro raggi diminuiscono ("compressione dell'atomo"), quindi le proprietà metalliche dei composti si indeboliscono e aumentano quelle non metalliche.
Così, la conoscenza della struttura dell'atomo ci permette di determinare con precisione le proprietà fisiche e chimiche di tutti gli elementi inclusi nel sistema periodico di Mendeleev.
