Von der Antike bis zur Mitte des 18. Jahrhunderts war die Wissenschaft von der Vorstellung geprägt, dass ein Atom ein unteilbares Materieteilchen ist. Der englische Wissenschaftler sowie der Naturforscher D. D alton definierten das Atom als kleinsten Bestandteil eines chemischen Elements. M. V. Lomonosov konnte in seiner Atom- und Molekültheorie das Atom und das Molekül definieren. Er war davon überzeugt, dass die Moleküle, die er „Körperchen“nannte, aus „Elementen“– Atomen – bestehen und sich in ständiger Bewegung befinden.
D. I. Mendeleev glaubte, dass diese Untereinheit von Substanzen, aus denen die materielle Welt besteht, alle ihre Eigenschaften nur dann behält, wenn sie keiner Trennung unterzogen wird. In diesem Artikel werden wir das Atom als Objekt der Mikrowelt definieren und seine Eigenschaften untersuchen.
Voraussetzungen für die Erstellung der Theorie der Struktur des Atoms
Im 19. Jahrhundert war die Aussage über die Unteilbarkeit des Atoms allgemein akzeptiert. Die meisten Wissenschaftler glaubten, dass Teilchen eines chemischen Elements sich unter keinen Umständen in Atome eines anderen Elements verwandeln könnten. Diese Ideen dienten als Grundlage für die Definition des Atoms bis 1932. Ende des 19. Jahrhunderts wurde die Wissenschaft gemachtgrundlegende Entdeckungen, die diese Sichtweise veränderten. Zunächst entdeckte 1897 der englische Physiker J. J. Thomson das Elektron. Diese Tatsache hat die Vorstellungen der Wissenschaftler über die Unteilbarkeit der Bestandteile eines chemischen Elements radikal verändert.
Wie man beweist, dass das Atom komplex ist
Schon vor der Entdeckung des Elektrons waren sich Wissenschaftler einig, dass Atome keine Ladungen haben. Dann wurde festgestellt, dass Elektronen leicht von jedem chemischen Element freigesetzt werden. Sie sind in einer Flamme zu finden, sie sind Träger von elektrischem Strom, sie werden von Substanzen bei Röntgenstrahlung freigesetzt.
Aber wenn Elektronen ausnahmslos zu allen Atomen gehören und negativ geladen sind, dann gibt es im Atom einige andere Teilchen, die zwangsläufig positiv geladen sind, sonst wären die Atome nicht elektrisch neutral. Um die Struktur des Atoms aufzuklären, half ein physikalisches Phänomen wie die Radioaktivität. Es gab die korrekte Definition des Atoms in der Physik und dann in der Chemie.
Unsichtbare Strahlen
Der französische Physiker A. Becquerel beschrieb als Erster das Phänomen der Emission bestimmter chemischer Elemente durch Atome, visuell unsichtbare Strahlen. Sie ionisieren die Luft, passieren Substanzen, verursachen eine Schwärzung von Fotoplatten. Später fanden die Curies und E. Rutherford heraus, dass radioaktive Substanzen in Atome anderer chemischer Elemente umgewandelt werden (zum Beispiel Uran in Neptunium).
Radioaktive Strahlung hat eine inhomogene Zusammensetzung: Alpha-Teilchen, Beta-Teilchen, Gammastrahlen. SoSo bestätigte das Phänomen der Radioaktivität, dass die Teilchen der Elemente des Periodensystems eine komplexe Struktur haben. Diese Tatsache war der Grund für die Änderungen an der Definition des Atoms. Aus welchen Teilchen besteht ein Atom angesichts der neuen wissenschaftlichen Fakten von Rutherford? Die Antwort auf diese Frage war das von dem Wissenschaftler vorgeschlagene Kernmodell des Atoms, wonach Elektronen um einen positiv geladenen Kern kreisen.
Widersprüche des Rutherford-Modells
Die Theorie des Wissenschaftlers konnte trotz ihres herausragenden Charakters das Atom nicht objektiv definieren. Ihre Schlussfolgerungen widersprachen den Grundgesetzen der Thermodynamik, wonach alle Elektronen, die um den Kern kreisen, ihre Energie verlieren und, wie dem auch sei, früher oder später in ihn hineinfallen müssen. Das Atom wird in diesem Fall zerstört. Dies geschieht nicht wirklich, da die chemischen Elemente und die Partikel, aus denen sie bestehen, sehr lange in der Natur existieren. Eine solche Definition des Atoms, basierend auf der Theorie von Rutherford, ist unerklärlich, ebenso wie das Phänomen, das auftritt, wenn heiße einfache Substanzen durch ein Beugungsgitter geleitet werden. Schließlich haben die resultierenden Atomspektren einen linearen Verlauf. Dies stand im Widerspruch zu Rutherfords Atommodell, wonach die Spektren kontinuierlich hätten sein sollen. Nach den Vorstellungen der Quantenmechanik werden Elektronen im Kern derzeit nicht als Punktobjekte, sondern als Elektronenwolken charakterisiert.
Seine höchste Dichte an einem bestimmten Ort des Raums um den Kern herum undals Ort des Teilchens zu einem bestimmten Zeitpunkt betrachtet. Es wurde auch festgestellt, dass die Elektronen im Atom in Schichten angeordnet sind. Die Anzahl der Schichten kann bestimmt werden, indem die Nummer der Periode bekannt ist, in der sich das Element im Periodensystem von D. I. Mendeleev befindet. Zum Beispiel enthält ein Phosphoratom 15 Elektronen und hat 3 Energieniveaus. Der Indikator, der die Anzahl der Energieniveaus bestimmt, wird Hauptquantenzahl genannt.
Experimentell wurde festgestellt, dass die Elektronen des Energieniveaus, das dem Kern am nächsten ist, die niedrigste Energie haben. Jede Energiehülle ist in Unterebenen unterteilt und diese wiederum in Orbitale. Elektronen in verschiedenen Orbitalen haben die gleiche Wolkenform (s, p, d, f).
Auf der Grundlage des Obigen folgt, dass die Form der Elektronenwolke nicht beliebig sein kann. Sie ist streng nach der Bahnquantenzahl definiert. Wir fügen auch hinzu, dass der Zustand eines Elektrons in einem Makropartikel durch zwei weitere Werte bestimmt wird - Magnet- und Spinquantenzahlen. Die erste basiert auf der Schrödinger-Gleichung und charakterisiert die räumliche Orientierung der Elektronenwolke anhand der Dreidimensionalität unserer Welt. Der zweite Indikator ist die Spinzahl, sie wird verwendet, um die Drehung eines Elektrons um seine Achse im oder gegen den Uhrzeigersinn zu bestimmen.
Entdeckung des Neutrons
Dank der Arbeit von D. Chadwick, die 1932 von ihm durchgeführt wurde, wurde eine neue Definition des Atoms in Chemie und Physik gegeben. In seinen Experimenten wies der Wissenschaftler nach, dass bei der Sp altung von Polonium Strahlung entsteht, verursacht durchTeilchen, die keine Ladung haben, mit einer Masse von 1,008665 Das neue Elementarteilchen wurde Neutron genannt. Seine Entdeckung und Untersuchung seiner Eigenschaften ermöglichte es den sowjetischen Wissenschaftlern V. Gapon und D. Ivanenko, eine neue Theorie über die Struktur des Atomkerns zu erstellen, der Protonen und Neutronen enthält.
Nach der neuen Theorie war die Definition eines Materieatoms wie folgt: Es ist eine strukturelle Einheit eines chemischen Elements, bestehend aus einem Kern, der Protonen und Neutronen enthält, und Elektronen, die sich um ihn herum bewegen. Die Zahl der positiven Teilchen im Atomkern ist immer gleich der Ordnungszahl des chemischen Elements im Periodensystem.
Später bestätigte Professor A. Zhdanov in seinen Experimenten, dass sich Atomkerne unter dem Einfluss harter kosmischer Strahlung in Protonen und Neutronen aufsp alten. Außerdem wurde nachgewiesen, dass die Kräfte, die diese Elementarteilchen im Kern h alten, extrem energieintensiv sind. Sie arbeiten auf sehr kurzen Distanzen (etwa 10-23 cm) und werden als nuklear bezeichnet. Wie bereits erwähnt, war sogar M. V. Lomonosov in der Lage, eine Definition eines Atoms und eines Moleküls auf der Grundlage der ihm bekannten wissenschaftlichen Fakten zu geben.
Gegenwärtig ist folgendes Modell allgemein anerkannt: Ein Atom besteht aus einem Kern und Elektronen, die sich um ihn herum auf fest definierten Bahnen - Orbitalen - bewegen. Elektronen weisen gleichzeitig die Eigenschaften von Teilchen und Wellen auf, das heißt, sie haben eine duale Natur. Fast seine gesamte Masse ist im Kern eines Atoms konzentriert. Es besteht aus Protonen und Neutronen, die durch Kernkräfte gebunden sind.
Kann man ein Atom wiegen
Es stellt sich heraus, dass jedes Atom hatMasse. Für Wasserstoff ist es beispielsweise 1,67x10-24g. Es ist sogar schwer vorstellbar, wie gering dieser Wert ist. Um das Gewicht eines solchen Objekts zu ermitteln, verwenden sie keine Waage, sondern einen Oszillator, bei dem es sich um eine Kohlenstoffnanoröhre handelt. Um das Gewicht eines Atoms und eines Moleküls zu berechnen, ist die relative Masse ein bequemerer Wert. Es zeigt, wie oft das Gewicht eines Moleküls oder Atoms größer ist als 1/12 eines Kohlenstoffatoms, was 1,66 x 10-27 kg entspricht. Relative Atommassen werden im Periodensystem der chemischen Elemente angegeben und haben keine Einheit.
Wissenschaftler sind sich bewusst, dass die Atommasse eines chemischen Elements der Durchschnitt der Massenzahlen aller seiner Isotope ist. Es stellt sich heraus, dass Einheiten eines chemischen Elements in der Natur unterschiedliche Massen haben können. Gleichzeitig sind die Ladungen der Kerne solcher Strukturteilchen gleich.
Wissenschaftler haben herausgefunden, dass sich Isotope in der Anzahl der Neutronen im Kern unterscheiden und die Ladung ihrer Kerne gleich ist. Beispielsweise enthält ein Chloratom mit einer Masse von 35 18 Neutronen und 17 Protonen und mit einer Masse von 37 - 20 Neutronen und 17 Protonen. Viele chemische Elemente sind Isotopengemische. Zum Beispiel enth alten so einfache Substanzen wie Kalium, Argon, Sauerstoff Atome, die 3 verschiedene Isotope darstellen.
Atomizität definieren
Es gibt mehrere Interpretationen. Überlegen Sie, was mit diesem Begriff in der Chemie gemeint ist. Wenn die Atome eines chemischen Elements zumindest für kurze Zeit getrennt existieren können, ohne danach zu streben, ein komplexeres Teilchen - ein Molekül - zu bilden, dann sagen sie, dass solche Substanzen dies habenatomare Struktur. Beispielsweise eine mehrstufige Methanchlorierungsreaktion. Es wird häufig in der Chemie der organischen Synthese verwendet, um die wichtigsten halogenh altigen Derivate zu erh alten: Dichlormethan, Tetrachlorkohlenstoff. Es sp altet Chlormoleküle in hochreaktive Atome. Sie brechen die Sigma-Bindungen im Methanmolekül und sorgen für eine Substitutionskettenreaktion.
Ein weiteres Beispiel für einen chemischen Prozess von großer Bedeutung in der Industrie ist die Verwendung von Wasserstoffperoxid als Desinfektions- und Bleichmittel. Die Bestimmung von atomarem Sauerstoff als Abbauprodukt von Wasserstoffperoxid erfolgt sowohl in lebenden Zellen (unter Einwirkung des Enzyms Katalase) als auch unter Laborbedingungen. Atomarer Sauerstoff wird qualitativ durch seine hohen antioxidativen Eigenschaften bestimmt, sowie durch seine Fähigkeit, Krankheitserreger zu zerstören: Bakterien, Pilze und ihre Sporen.
Wie die Atomhülle funktioniert
Wir haben bereits früher herausgefunden, dass die Struktureinheit eines chemischen Elements eine komplexe Struktur hat. Elektronen kreisen um einen positiv geladenen Kern. Der Nobelpreisträger Niels Bohr hat auf der Grundlage der Quantentheorie des Lichts seine Lehre geschaffen, in der die Eigenschaften und die Definition eines Atoms wie folgt lauten: Elektronen bewegen sich nur auf bestimmten stationären Bahnen um den Kern, während sie keine Energie abstrahlen. Bohrs Lehre bewies, dass die Teilchen des Mikrokosmos, zu denen Atome und Moleküle gehören, keinen gerechten Gesetzen gehorchenfür große Körper - makrokosmische Objekte.
Die Struktur der Elektronenhüllen von Makroteilchen wurde in Arbeiten zur Quantenphysik von Wissenschaftlern wie Hund, Pauli, Klechkovsky untersucht. So wurde bekannt, dass Elektronen Rotationsbewegungen um den Kern nicht zufällig ausführen, sondern entlang bestimmter stationärer Bahnen. Pauli fand heraus, dass in elektronischen Zellen innerhalb eines Energieniveaus auf jedem seiner s-, p-, d-, f-Orbitale nicht mehr als zwei negativ geladene Teilchen mit entgegengesetztem Spin +½ und -½ zu finden sind.
Hunds Regel erklärt, wie Orbitale mit dem gleichen Energieniveau korrekt mit Elektronen gefüllt werden.
Die Klechkovsky-Regel, auch n+l-Regel genannt, erklärte, wie die Orbitale von Mehrelektronenatomen (Elemente mit 5, 6, 7 Perioden) gefüllt werden. Alle oben genannten Muster dienten als theoretische Rechtfertigung für das von Dmitri Mendelejew geschaffene System der chemischen Elemente.
Oxidationszustand
Es ist ein grundlegendes Konzept in der Chemie und charakterisiert den Zustand eines Atoms in einem Molekül. Die moderne Definition des Oxidationszustands von Atomen lautet wie folgt: Dies ist die bedingte Ladung eines Atoms in einem Molekül, die auf der Grundlage der Vorstellung berechnet wird, dass das Molekül nur eine ionische Zusammensetzung hat.
Der Oxidationsgrad kann als ganze oder gebrochene Zahl mit positiven, negativen oder Nullwerten ausgedrückt werden. Am häufigsten haben Atome chemischer Elemente mehrere Oxidationsstufen. Zum Beispiel hat Stickstoff -3, -2, 0, +1, +2, +3, +4, +5. Aber ein solches chemisches Element wie Fluor in all seinen FacettenVerbindungen hat nur eine Oxidationsstufe, gleich -1. Wenn es durch eine einfache Substanz dargestellt wird, ist seine Oxidationsstufe Null. Diese chemische Größe lässt sich bequem zur Einstufung von Stoffen und zur Beschreibung ihrer Eigenschaften verwenden. Am häufigsten wird die Oxidationsstufe eines Atoms in der Chemie verwendet, wenn Gleichungen für Redoxreaktionen erstellt werden.
Eigenschaften von Atomen
Dank der Entdeckungen der Quantenphysik wird die moderne Definition des Atoms, basierend auf der Theorie von D. Ivanenko und E. Gapon, durch die folgenden wissenschaftlichen Fakten ergänzt. Die Struktur des Kerns eines Atoms ändert sich während chemischer Reaktionen nicht. Nur stationäre Elektronenorbitale können sich ändern. Ihre Struktur kann viele physikalische und chemische Eigenschaften von Substanzen erklären. Wenn ein Elektron eine stationäre Umlaufbahn verlässt und auf eine Umlaufbahn mit einem höheren Energieindex geht, wird ein solches Atom als angeregt bezeichnet.
Es sei darauf hingewiesen, dass Elektronen nicht lange in solch ungewöhnlichen Orbitalen bleiben können. Bei der Rückkehr auf seine stationäre Umlaufbahn gibt das Elektron ein Energiequantum ab. Das Studium solcher Eigenschaften der Struktureinheiten chemischer Elemente wie Elektronenaffinität, Elektronegativität, Ionisierungsenergie ermöglichte es den Wissenschaftlern, das Atom nicht nur als das wichtigste Teilchen des Mikrokosmos zu definieren, sondern auch die Bildungsfähigkeit von Atomen zu erklären ein stabiler und energetisch günstigerer molekularer Zustand der Materie, der durch die Bildung verschiedener Arten stabiler chemischer Bindungen möglich ist: ionisch, kovalentpolar und unpolar, Donor-Akzeptor (als eine Art kovalente Bindung) und metallisch. Letztere bestimmt die wichtigsten physikalischen und chemischen Eigenschaften aller Metalle.
Experimentell wurde festgestellt, dass sich die Größe eines Atoms ändern kann. Alles hängt davon ab, in welchem Molekül es enth alten ist. Dank der Röntgenbeugungsanalyse ist es möglich, den Abstand zwischen Atomen in einer chemischen Verbindung zu berechnen und den Radius der Struktureinheit des Elements herauszufinden. Wenn man die Änderungsmuster der Radien von Atomen kennt, die in einer Periode oder Gruppe chemischer Elemente enth alten sind, ist es möglich, ihre physikalischen und chemischen Eigenschaften vorherzusagen. Beispielsweise nehmen in Perioden mit zunehmender Ladung des Atomkerns ihre Radien ab („Kompression des Atoms“), sodass die metallischen Eigenschaften der Verbindungen schwächer werden und die nichtmetallischen zunehmen.
Die Kenntnis der Struktur des Atoms ermöglicht es uns also, die physikalischen und chemischen Eigenschaften aller Elemente des Periodensystems von Mendelejew genau zu bestimmen.
