از دوران باستان تا اواسط قرن هجدهم، علم تحت سلطه این ایده بود که اتم ذره ای از ماده است که قابل تقسیم نیست. دانشمند انگلیسی و همچنین طبیعت‌شناس D. D alton، اتم را به عنوان کوچکترین جزء یک عنصر شیمیایی تعریف کردند. M. V. Lomonosov در نظریه اتمی و مولکولی خود توانست اتم و مولکول را تعریف کند. او متقاعد شده بود که مولکول هایی که او آنها را "جسم" می نامید، از "عنصر" - اتم - تشکیل شده اند و در حرکت ثابت هستند.
D. I. مندلیف معتقد بود که این زیرواحد از مواد تشکیل دهنده جهان مادی تنها در صورتی که در معرض جدایی قرار نگیرد، تمام خواص خود را حفظ می کند. در این مقاله به تعریف اتم به عنوان یک شیء جهان خرد و بررسی خواص آن می پردازیم.
پیش نیازهای ایجاد نظریه ساختار اتم
در قرن نوزدهم، بیانیه درباره تقسیم ناپذیری اتم به طور کلی پذیرفته شد. اکثر دانشمندان معتقد بودند که ذرات یک عنصر شیمیایی تحت هیچ شرایطی نمی توانند به اتم های یک عنصر دیگر تبدیل شوند. این ایده ها تا سال 1932 مبنایی بود که تعریف اتم بر آن استوار بود. در پایان قرن نوزدهم، علم ساخته شداکتشافات اساسی که این دیدگاه را تغییر داد. اول از همه، در سال 1897، فیزیکدان انگلیسی J. J. Thomson الکترون را کشف کرد. این واقعیت به طور اساسی ایده های دانشمندان را در مورد تقسیم ناپذیری بخش تشکیل دهنده یک عنصر شیمیایی تغییر داد.
چگونه ثابت کنیم که اتم پیچیده است
حتی قبل از کشف الکترون، دانشمندان به اتفاق آرا توافق کردند که اتم ها بار ندارند. سپس مشخص شد که الکترون ها به راحتی از هر عنصر شیمیایی آزاد می شوند. آنها را می توان در شعله یافت، آنها حامل جریان الکتریکی هستند، آنها توسط مواد در طول انتشار اشعه ایکس آزاد می شوند.
اما اگر الکترون‌ها بدون استثنا بخشی از همه اتم‌ها باشند و بار منفی داشته باشند، ذرات دیگری در اتم وجود دارند که لزوماً بار مثبت دارند، در غیر این صورت اتم‌ها از نظر الکتریکی خنثی نخواهند بود. برای کمک به کشف ساختار اتم، پدیده فیزیکی مانند رادیواکتیویته کمک کرد. این تعریف درستی از اتم در فیزیک و سپس در شیمی ارائه کرد.
پرتوهای نامرئی
فیزیکدان فرانسوی A. Becquerel اولین کسی بود که پدیده گسیل توسط اتم های برخی عناصر شیمیایی، پرتوهای بصری نامرئی را توصیف کرد. آنها هوا را یونیزه می کنند، از مواد عبور می کنند، باعث سیاه شدن صفحات عکاسی می شوند. بعدها، کوری ها و ای. رادرفورد دریافتند که مواد رادیواکتیو به اتم های عناصر شیمیایی دیگر (مثلاً اورانیوم به نپتونیوم) تبدیل می شوند.
تشعشعات رادیواکتیو از نظر ترکیب ناهمگن هستند: ذرات آلفا، ذرات بتا، پرتوهای گاما. بنابراینبنابراین، پدیده رادیواکتیویته تایید کرد که ذرات عناصر جدول تناوبی ساختار پیچیده ای دارند. این واقعیت دلیل تغییراتی بود که در تعریف اتم ایجاد شد. با توجه به حقایق علمی جدید به دست آمده توسط رادرفورد، یک اتم از چه ذراتی تشکیل شده است؟ پاسخ به این سوال مدل هسته ای اتم بود که توسط دانشمند پیشنهاد شده بود که بر اساس آن الکترون ها به دور یک هسته با بار مثبت می چرخند.
تضادهای مدل رادرفورد
نظریه دانشمند، با وجود ویژگی برجسته اش، نمی تواند اتم را به طور عینی تعریف کند. نتیجه‌گیری‌های او برخلاف قوانین بنیادی ترمودینامیک بود که طبق آن همه الکترون‌هایی که به دور هسته می‌چرخند انرژی خود را از دست می‌دهند و هر چند دیر یا زود باید در آن سقوط کنند. اتم در این حالت از بین می رود. این در واقع اتفاق نمی افتد، زیرا عناصر شیمیایی و ذراتی که آنها از آنها تشکیل شده اند برای مدت بسیار طولانی در طبیعت وجود دارند. چنین تعریفی از اتم، بر اساس نظریه رادرفورد، غیرقابل توضیح است، و همچنین پدیده ای که هنگام عبور مواد ساده داغ از یک توری پراش رخ می دهد، غیرقابل توضیح است. از این گذشته، طیف های اتمی حاصل شکلی خطی دارند. این در تضاد با مدل رادرفورد از اتم بود که طبق آن طیف باید پیوسته باشد. با توجه به مفاهیم مکانیک کوانتومی، در حال حاضر، الکترون‌های هسته را نه به عنوان اجسام نقطه‌ای، بلکه دارای شکل ابر الکترونی می‌دانند.
بیشترین چگالی آن در مکان خاصی از فضای اطراف هسته وبه عنوان مکان ذره در یک نقطه زمانی معین در نظر گرفته می شود. همچنین مشخص شد که الکترون‌های اتم در لایه‌هایی قرار گرفته‌اند. تعداد لایه ها را می توان با دانستن تعداد دوره ای که عنصر در سیستم تناوبی D. I. Mendeleev در آن قرار دارد تعیین کرد. به عنوان مثال، یک اتم فسفر حاوی 15 الکترون و دارای 3 سطح انرژی است. شاخصی که تعداد سطوح انرژی را تعیین می کند، عدد کوانتومی اصلی نامیده می شود.
به طور تجربی مشخص شد که الکترون های نزدیکترین سطح انرژی به هسته کمترین انرژی را دارند. هر پوسته انرژی به سطوح فرعی تقسیم می شود و آنها نیز به نوبه خود به اوربیتال ها تقسیم می شوند. الکترون های واقع در اوربیتال های مختلف شکل ابر یکسانی دارند (s, p, d, f).
بر اساس موارد فوق، نتیجه می شود که شکل ابر الکترونی نمی تواند دلخواه باشد. کاملاً بر اساس عدد کوانتومی مداری تعریف می شود. همچنین اضافه می کنیم که وضعیت یک الکترون در یک ذره بزرگ با دو مقدار دیگر - اعداد کوانتومی مغناطیسی و اسپینی تعیین می شود. اولین مورد بر اساس معادله شرودینگر است و جهت گیری فضایی ابر الکترونی را بر اساس سه بعدی بودن جهان ما مشخص می کند. دومین نشانگر عدد اسپین است که برای تعیین چرخش یک الکترون حول محور خود در جهت عقربه‌های ساعت یا خلاف جهت عقربه‌های ساعت استفاده می‌شود.
کشف نوترون
به لطف کار D. Chadwick که توسط او در سال 1932 انجام شد، تعریف جدیدی از اتم در شیمی و فیزیک ارائه شد. این دانشمند در آزمایشات خود ثابت کرد که در هنگام شکافتن پلونیوم، تشعشعات ناشی ازذراتی که بار ندارند، با جرم 1.008665. ذره بنیادی جدید نوترون نام داشت. کشف و مطالعه خواص آن به دانشمندان شوروی V. Gapon و D. Ivanenko اجازه داد تا نظریه جدیدی در مورد ساختار هسته اتم حاوی پروتون و نوترون ایجاد کنند.
طبق نظریه جدید، تعریف اتم ماده به این صورت بود: واحد ساختاری یک عنصر شیمیایی، متشکل از هسته ای حاوی پروتون ها و نوترون ها و الکترون هایی که در اطراف آن حرکت می کنند. تعداد ذرات مثبت در هسته همیشه برابر با عدد اتمی عنصر شیمیایی در سیستم تناوبی است.
بعدها، پروفسور ا. علاوه بر این، ثابت شد که نیروهای نگهدارنده این ذرات بنیادی در هسته بسیار انرژی بر هستند. آنها در فواصل بسیار کوتاه (حدود 10-23 سانتی متر) عمل می کنند و هسته ای نامیده می شوند. همانطور که قبلاً ذکر شد، حتی M. V. Lomonosov نیز توانست بر اساس حقایق علمی شناخته شده خود تعریفی از اتم و یک مولکول ارائه دهد.
در حال حاضر، مدل زیر به طور کلی شناخته شده است: یک اتم شامل یک هسته و الکترون هایی است که در طول مسیرهای کاملاً مشخص - اوربیتال ها در اطراف آن حرکت می کنند. الکترون ها به طور همزمان خواص ذرات و امواج را نشان می دهند، یعنی ماهیتی دوگانه دارند. تقریباً تمام جرم آن در هسته یک اتم متمرکز است. از پروتون‌ها و نوترون‌هایی تشکیل شده است که توسط نیروهای هسته‌ای محدود شده‌اند.
آیا می توان یک اتم را وزن کرد
معلوم شد که هر اتمی داردجرم. به عنوان مثال، برای هیدروژن 1.67x10-24 گرم است. حتی تصور اینکه این مقدار چقدر کوچک است دشوار است. برای یافتن وزن چنین جسمی از ترازو استفاده نمی کنند، بلکه از یک نوسانگر که یک نانولوله کربنی است استفاده می کنند. برای محاسبه وزن یک اتم و یک مولکول، مقدار مناسب تر جرم نسبی است. این نشان می دهد که چند برابر وزن یک مولکول یا اتم بزرگتر از 1/12 اتم کربن است که برابر با 1.66x10-27 کیلوگرم است. جرم اتمی نسبی در سیستم تناوبی عناصر شیمیایی داده شده است، و آنها هیچ واحدی ندارند.
دانشمندان به خوبی می دانند که جرم اتمی یک عنصر شیمیایی میانگین اعداد جرمی همه ایزوتوپ های آن است. معلوم می شود که در طبیعت، واحدهای یک عنصر شیمیایی می توانند جرم های متفاوتی داشته باشند. در عین حال، بارهای هسته چنین ذرات ساختاری یکسان است.
دانشمندان دریافته‌اند که ایزوتوپ‌ها از نظر تعداد نوترون‌های هسته متفاوت هستند و بار هسته‌های آنها یکسان است. به عنوان مثال، یک اتم کلر با جرم 35 حاوی 18 نوترون و 17 پروتون و با جرم 37 - 20 نوترون و 17 پروتون است. بسیاری از عناصر شیمیایی مخلوطی از ایزوتوپ ها هستند. برای مثال، مواد ساده ای مانند پتاسیم، آرگون، اکسیژن حاوی اتم هایی هستند که 3 ایزوتوپ مختلف را نشان می دهند.
تعریف اتمی
تعبیرهای متعددی دارد. در نظر بگیرید که منظور از این اصطلاح در شیمی چیست. اگر اتم های هر عنصر شیمیایی بتوانند حداقل برای مدت کوتاهی به طور جداگانه وجود داشته باشند، بدون تلاش برای تشکیل ذره پیچیده تر - یک مولکول، آنگاه می گویند که چنین موادیساختار اتمی. به عنوان مثال، یک واکنش کلرزنی متان چند مرحله ای. به طور گسترده ای در شیمی سنتز آلی برای به دست آوردن مهم ترین مشتقات حاوی هالوژن استفاده می شود: دی کلرومتان، تتراکلرید کربن. مولکول های کلر را به اتم های بسیار واکنش پذیر تقسیم می کند. آنها پیوندهای سیگما را در مولکول متان می شکنند و یک واکنش زنجیره ای جایگزینی ایجاد می کنند.
یک مثال دیگر از فرآیندهای شیمیایی که در صنعت اهمیت زیادی دارد، استفاده از پراکسید هیدروژن به عنوان ضدعفونی کننده و سفید کننده است. تعیین اکسیژن اتمی، به عنوان محصول تجزیه پراکسید هیدروژن، هم در سلول های زنده (تحت عمل آنزیم کاتالاز) و هم در شرایط آزمایشگاهی اتفاق می افتد. اکسیژن اتمی از نظر کیفی با خواص آنتی اکسیدانی بالای آن و همچنین توانایی آن در از بین بردن عوامل بیماری زا: باکتری ها، قارچ ها و هاگ های آنها تعیین می شود.
چگونه پوسته اتمی کار می کند
قبلاً متوجه شدیم که واحد ساختاری یک عنصر شیمیایی ساختار پیچیده ای دارد. الکترون ها حول یک هسته با بار مثبت می چرخند. برنده جایزه نوبل، نیلز بور، بر اساس نظریه کوانتومی نور، دکترین خود را ایجاد کرد که در آن ویژگی ها و تعریف اتم به شرح زیر است: الکترون ها فقط در طول مسیرهای ثابت خاصی در اطراف هسته حرکت می کنند، در حالی که انرژی تابش نمی کنند. دکترین بور ثابت کرد که ذرات عالم کوچک که شامل اتم ها و مولکول ها می شود، از قوانین منصفانه تبعیت نمی کنند.برای اجسام بزرگ - اجرام ماکرو کیهانی.
ساختار لایه های الکترونی ذرات درشت در کارهایی در زمینه فیزیک کوانتومی توسط دانشمندانی مانند هاند، پاولی، کلچکوفسکی مورد مطالعه قرار گرفت. بنابراین مشخص شد که الکترون ها نه به طور تصادفی، بلکه در طول مسیرهای ثابت خاصی، حرکات چرخشی در اطراف هسته انجام می دهند. پائولی دریافت که در یک سطح انرژی در هر یک از اوربیتال‌های s، p، d، f، بیش از دو ذره با بار منفی با اسپین‌های مخالف + ½ و - ½ نمی‌توان در سلول‌های الکترونیکی یافت.
قانون هاند توضیح می دهد که چگونه اوربیتال هایی با سطح انرژی یکسان به درستی با الکترون پر می شوند.
قانون
کلچکوفسکی که قانون n+l نیز نامیده می شود، چگونگی پر شدن اوربیتال های اتم های چند الکترون (عناصر 5، 6، 7 دوره) را توضیح می دهد. همه الگوهای فوق به عنوان یک توجیه نظری برای سیستم عناصر شیمیایی ایجاد شده توسط دیمیتری مندلیف عمل کردند.
وضعیت اکسیداسیون
این یک مفهوم اساسی در شیمی است و وضعیت یک اتم را در یک مولکول مشخص می کند. تعریف مدرن از حالت اکسیداسیون اتم ها به شرح زیر است: این بار شرطی یک اتم در یک مولکول است که بر اساس این تصور محاسبه می شود که مولکول فقط ترکیب یونی دارد.
درجه اکسیداسیون را می توان به صورت یک عدد صحیح یا کسری با مقادیر مثبت، منفی یا صفر بیان کرد. اغلب، اتم های عناصر شیمیایی چندین حالت اکسیداسیون دارند. به عنوان مثال، نیتروژن دارای -3، -2، 0، +1، +2، +3، +4، +5 است. اما چنین عنصر شیمیایی مانند فلوئور، با تمام وجودترکیبات تنها یک حالت اکسیداسیون دارند که برابر با 1- است. اگر با یک ماده ساده نشان داده شود، آنگاه حالت اکسیداسیون آن صفر است. این مقدار شیمیایی برای طبقه بندی مواد و برای توصیف خواص آنها مناسب است. بیشتر اوقات، حالت اکسیداسیون یک اتم در شیمی هنگام تنظیم معادلات برای واکنش های ردوکس استفاده می شود.
خواص اتم
به لطف اکتشافات فیزیک کوانتومی، تعریف مدرن اتم، بر اساس نظریه D. Ivanenko و E. Gapon، با حقایق علمی زیر تکمیل شده است. ساختار هسته یک اتم در طی واکنش های شیمیایی تغییر نمی کند. فقط اوربیتال های الکترون ساکن در معرض تغییر هستند. ساختار آنها می تواند بسیاری از خواص فیزیکی و شیمیایی مواد را توضیح دهد. اگر یک الکترون از مدار ثابتی خارج شود و به مداری با شاخص انرژی بالاتر برود، چنین اتمی برانگیخته نامیده می شود.
لازم به ذکر است که الکترون ها نمی توانند برای مدت طولانی در چنین اوربیتال های غیرعادی بمانند. با بازگشت به مدار ثابت خود، الکترون یک کوانتوم انرژی ساطع می کند. مطالعه چنین ویژگی هایی از واحدهای ساختاری عناصر شیمیایی مانند میل ترکیبی الکترون، الکترونگاتیوی، انرژی یونیزاسیون، به دانشمندان اجازه داد نه تنها اتم را به عنوان مهم ترین ذره کیهان خرد تعریف کنند، بلکه به آنها اجازه داد توانایی اتم ها را برای تشکیل توضیح دهند. حالت مولکولی پایدار و از نظر انرژی مطلوب تر ماده که به دلیل ایجاد انواع مختلف پیوندهای شیمیایی پایدار امکان پذیر است: یونی، کووالانسیقطبی و غیر قطبی، گیرنده دهنده (به عنوان نوعی پیوند کووالانسی) و فلزی. دومی مهمترین خواص فیزیکی و شیمیایی همه فلزات را تعیین می کند.
به طور تجربی ثابت شده است که اندازه یک اتم می تواند تغییر کند. همه چیز بستگی به این دارد که در کدام مولکول قرار گیرد. به لطف تجزیه و تحلیل پراش اشعه ایکس، می توان فاصله بین اتم ها را در یک ترکیب شیمیایی محاسبه کرد و همچنین شعاع واحد ساختاری عنصر را یافت. با دانستن الگوهای تغییر در شعاع اتم های موجود در یک دوره یا گروهی از عناصر شیمیایی، می توان خواص فیزیکی و شیمیایی آنها را پیش بینی کرد. به عنوان مثال، در دوره‌هایی که بار هسته اتم‌ها افزایش می‌یابد، شعاع آنها کاهش می‌یابد ("فشرده شدن اتم")، بنابراین خواص فلزی ترکیبات ضعیف می‌شود و خواص غیرفلزی افزایش می‌یابد.
بنابراین، دانش ساختار اتم به ما اجازه می دهد تا به طور دقیق خواص فیزیکی و شیمیایی همه عناصر موجود در سیستم تناوبی مندلیف را تعیین کنیم.
