Antik çağdan 18. yüzyılın ortalarına kadar, bilime atomun bölünemeyen bir madde parçacığı olduğu fikri hakimdi. İngiliz bilim adamı ve doğa bilimci D. D alton, atomu kimyasal bir elementin en küçük bileşeni olarak tanımladı. M. V. Lomonosov atom ve moleküler teorisinde atomu ve molekülü tanımlayabildi. "Ceset" adını verdiği moleküllerin "elementlerden" - atomlardan - oluştuğuna ve sürekli hareket halinde olduklarına ikna olmuştu.
D. I. Mendeleev, maddi dünyayı oluşturan maddelerin bu alt biriminin, ancak ayrılmaya maruz kalmadığında tüm özelliklerini koruduğuna inanıyordu. Bu yazımızda atomu mikro dünyanın bir nesnesi olarak tanımlayacağız ve özelliklerini inceleyeceğiz.
Atomun yapısı teorisinin oluşturulması için önkoşullar
19. yüzyılda atomun bölünmezliği ile ilgili ifade genel olarak kabul edildi. Çoğu bilim adamı, bir kimyasal elementin parçacıklarının hiçbir koşulda başka bir elementin atomlarına dönüşemeyeceğine inanıyordu. Bu fikirler, 1932 yılına kadar atom tanımının dayandığı temel olarak hizmet etti. 19. yüzyılın sonunda bilim,bu bakış açısını değiştiren temel keşifler. Her şeyden önce, 1897'de İngiliz fizikçi J. J. Thomson elektronu keşfetti. Bu gerçek, bilim adamlarının bir kimyasal elementi oluşturan parçanın bölünmezliği hakkındaki fikirlerini kökten değiştirdi.
Atomun karmaşık olduğu nasıl kanıtlanır
Elektronun keşfinden önce bile bilim adamları, atomların hiçbir yükü olmadığı konusunda hemfikirdiler. Daha sonra elektronların herhangi bir kimyasal elementten kolayca salındığı bulundu. Alevde bulunabilirler, elektrik akımının taşıyıcılarıdırlar, X-ışını emisyonu sırasında maddeler tarafından salınırlar.
Fakat elektronlar istisnasız tüm atomların bir parçasıysa ve negatif yüklüyse, atomda mutlaka pozitif yüklü başka parçacıklar da vardır, aksi takdirde atomlar elektriksel olarak nötr olmazlardı. Atomun yapısını çözmeye yardımcı olmak için radyoaktivite gibi fiziksel bir fenomen yardımcı oldu. Fizikte ve sonra kimyada atomun doğru tanımını verdi.
Görünmez ışınlar
Fransız fizikçi A. Becquerel, belirli kimyasal elementlerin, görsel olarak görünmeyen ışınların atomları tarafından emisyon fenomenini tanımlayan ilk kişiydi. Havayı iyonize ederler, maddelerden geçerler, fotoğraf plakalarının kararmasına neden olurlar. Daha sonra, Curies ve E. Rutherford, radyoaktif maddelerin diğer kimyasal elementlerin atomlarına (örneğin, uranyumdan neptünyuma) dönüştürüldüğünü buldular.
Radyoaktif radyasyonun bileşimi homojen değildir: alfa parçacıkları, beta parçacıkları, gama ışınları. BöyleBöylece radyoaktivite olgusu, periyodik tablonun elementlerinin parçacıklarının karmaşık bir yapıya sahip olduğunu doğruladı. Bu gerçek, atomun tanımında yapılan değişikliklerin nedeniydi. Rutherford tarafından elde edilen yeni bilimsel gerçekler göz önüne alındığında, bir atom hangi parçacıklardan oluşur? Bu sorunun cevabı, bilim adamının önerdiği, elektronların pozitif yüklü bir çekirdeğin etrafında döndüğü atomun nükleer modeliydi.
Rutherford modelinin çelişkileri
Bilim adamının teorisi, olağanüstü karakterine rağmen, atomu nesnel olarak tanımlayamadı. Vardığı sonuçlar, çekirdeğin etrafında dönen tüm elektronların enerjilerini kaybettiği ve er ya da geç onun içine düşmesi gerektiği şeklindeki termodinamiğin temel yasalarına aykırıydı. Bu durumda atom yok edilir. Bu aslında gerçekleşmez, çünkü kimyasal elementler ve onları oluşturan parçacıklar doğada çok uzun süredir var olmaktadır. Rutherford'un teorisine dayanan böyle bir atom tanımı, sıcak basit maddeler bir kırınım ızgarasından geçirildiğinde meydana gelen fenomenin yanı sıra açıklanamaz. Sonuçta, ortaya çıkan atomik spektrumlar doğrusal bir şekle sahiptir. Bu, spektrumların sürekli olması gerektiğine göre Rutherford'un atom modeliyle çelişiyordu. Kuantum mekaniği kavramlarına göre, şu anda çekirdekteki elektronlar nokta nesneler olarak değil, bir elektron bulutu biçimindedir.
Çekirdek etrafındaki belirli bir uzay lokusundaki en yüksek yoğunluğu veparçacığın zaman içinde belirli bir noktadaki konumu olarak kabul edilir. Atomdaki elektronların katmanlar halinde düzenlendiği de bulundu. Katman sayısı, D. I. Mendeleev'in periyodik sisteminde elemanın bulunduğu periyodun sayısı bilinerek belirlenebilir. Örneğin, bir fosfor atomu 15 elektron içerir ve 3 enerji düzeyine sahiptir. Enerji seviyelerinin sayısını belirleyen göstergeye ana kuantum sayısı denir.
Çekirdeğe en yakın enerji seviyesindeki elektronların en düşük enerjiye sahip olduğu deneysel olarak bulundu. Her enerji kabuğu alt seviyelere ayrılır ve bunlar da yörüngelere ayrılır. Farklı yörüngelerde bulunan elektronlar aynı bulut şekline sahiptir (s, p, d, f).
Yukarıdakilere dayanarak, elektron bulutunun şeklinin keyfi olamayacağı sonucu çıkar. Kesinlikle yörünge kuantum sayısına göre tanımlanır. Ayrıca, bir makroparçacıktaki bir elektronun durumunun iki değer daha tarafından belirlendiğini ekliyoruz - manyetik ve spin kuantum sayıları. Birincisi Schrödinger denklemine dayanır ve dünyamızın üç boyutluluğuna dayalı olarak elektron bulutunun uzaysal yönelimini karakterize eder. İkinci gösterge spin sayısıdır, bir elektronun kendi ekseni etrafında saat yönünde veya saat yönünün tersine dönüşünü belirlemek için kullanılır.
nötronun keşfi
D. Chadwick'in 1932 yılında yaptığı çalışma sayesinde atomun kimya ve fizikte yeni bir tanımı yapılmıştır. Bilim adamı deneylerinde, polonyumun bölünmesi sırasında radyasyonun neden olduğunu kanıtladı. Kütlesi 1.008665 olan, yükü olmayan parçacıklar. Yeni temel parçacık, nötron olarak adlandırıldı. Özelliklerinin keşfi ve incelenmesi, Sovyet bilim adamları V. Gapon ve D. Ivanenko'nun atom çekirdeğinin proton ve nötronları içeren yapısı hakkında yeni bir teori oluşturmasına izin verdi.
Yeni teoriye göre, maddenin atomunun tanımı şu şekildeydi: bir kimyasal elementin, proton ve nötronları içeren bir çekirdek ve çevresinde hareket eden elektronlardan oluşan yapısal bir birimidir. Çekirdekteki pozitif parçacıkların sayısı her zaman periyodik sistemdeki kimyasal elementin atom numarasına eşittir.
Daha sonra Profesör A. Zhdanov, yaptığı deneylerde sert kozmik radyasyonun etkisi altında atom çekirdeklerinin protonlara ve nötronlara bölündüğünü doğruladı. Ek olarak, bu temel parçacıkları çekirdekte tutan kuvvetlerin aşırı derecede enerji yoğun olduğu kanıtlandı. Çok kısa mesafelerde (yaklaşık 10-23 cm) çalışırlar ve nükleer olarak adlandırılırlar. Daha önce bahsedildiği gibi, M. V. Lomonosov bile bildiği bilimsel gerçeklere dayalı olarak bir atom ve molekülün tanımını verebildi.
Şu anda, genel olarak şu model kabul edilmektedir: bir atom, bir çekirdek ve onun etrafında kesin olarak tanımlanmış yörüngeler - orbitaller boyunca hareket eden elektronlardan oluşur. Elektronlar aynı anda hem parçacıkların hem de dalgaların özelliklerini sergiler, yani ikili bir yapıya sahiptirler. Kütlesinin neredeyse tamamı bir atomun çekirdeğinde yoğunlaşmıştır. Nükleer kuvvetlerle bağlanmış proton ve nötronlardan oluşur.
Bir atom tartılabilir mi
Görünüşe göre her atomunkitle. Örneğin, hidrojen için 1.67x10-24g'dir. Bu değerin ne kadar küçük olduğunu hayal etmek bile zor. Böyle bir cismin ağırlığını bulmak için terazi değil, karbon nanotüp olan bir osilatör kullanırlar. Bir atomun ve bir molekülün ağırlığını hesaplamak için daha uygun bir değer bağıl kütledir. Bir molekülün veya atomun ağırlığının, bir karbon atomunun 1/12'sinden, yani 1.66x10-27 kg'dan kaç kez daha büyük olduğunu gösterir. Göreli atom kütleleri kimyasal elementlerin periyodik sisteminde verilmiştir ve birimleri yoktur.
Bilim adamları, bir kimyasal elementin atom kütlesinin, tüm izotoplarının kütle numaralarının ortalaması olduğunun çok iyi farkındadır. Doğada, bir kimyasal elementin birimlerinin farklı kütlelere sahip olabileceği ortaya çıktı. Aynı zamanda, bu tür yapısal parçacıkların çekirdeklerinin yükleri aynıdır.
Bilim adamları, izotopların çekirdekteki nötron sayılarının farklı olduğunu ve çekirdeklerinin yükünün aynı olduğunu buldular. Örneğin, kütlesi 35 olan bir klor atomu, 18 nötron ve 17 proton ve 37 - 20 nötron ve 17 proton kütlesi içerir. Birçok kimyasal element, izotopların karışımlarıdır. Örneğin potasyum, argon, oksijen gibi basit maddeler 3 farklı izotopu temsil eden atomlar içerir.
Atomikliği tanımlama
Birkaç yorumu var. Kimyada bu terimin ne anlama geldiğini düşünün. Herhangi bir kimyasal elementin atomları, daha karmaşık bir parçacık - bir molekül oluşturmaya çalışmadan, en azından kısa bir süre ayrı ayrı var olabiliyorsa, o zaman bu tür maddelerin var olduğunu söylerler.atomik yapı. Örneğin, çok aşamalı bir metan klorlama reaksiyonu. En önemli halojen içeren türevleri elde etmek için organik sentez kimyasında yaygın olarak kullanılır: diklorometan, karbon tetraklorür. Klor moleküllerini oldukça reaktif atomlara böler. Metan molekülündeki sigma bağlarını kırarak bir ikame zincir reaksiyonu sağlarlar.
Endüstride büyük öneme sahip bir kimyasal prosese başka bir örnek de dezenfektan ve ağartıcı olarak hidrojen peroksitin kullanılmasıdır. Hidrojen peroksitin parçalanmasının bir ürünü olarak atomik oksijenin belirlenmesi, hem canlı hücrelerde (katalaz enziminin etkisi altında) hem de laboratuvar koşullarında gerçekleşir. Atomik oksijen, yüksek antioksidan özelliklerinin yanı sıra patojenik ajanları yok etme yeteneği ile niteliksel olarak belirlenir: bakteri, mantar ve sporları.
Atom kabuğu nasıl çalışır
Bir kimyasal elementin yapısal biriminin karmaşık bir yapıya sahip olduğunu daha önce öğrenmiştik. Elektronlar, pozitif yüklü bir çekirdeğin etrafında döner. Nobel Ödülü sahibi Niels Bohr, ışığın kuantum teorisine dayanarak, bir atomun özelliklerinin ve tanımının aşağıdaki gibi olduğu doktrinini yarattı: elektronlar, enerji yaymazken, çekirdeğin etrafında yalnızca belirli sabit yörüngeler boyunca hareket eder. Bohr'un doktrini, atomları ve molekülleri içeren mikro kozmosun parçacıklarının adil yasalara uymadığını kanıtladı.büyük bedenler için - makrokozmik nesneler.
Makropartiküllerin elektron kabuklarının yapısı, Hund, Pauli, Klechkovsky gibi bilim adamları tarafından kuantum fiziği üzerine yapılan çalışmalarda incelenmiştir. Böylece elektronların çekirdek çevresinde rastgele değil, belirli sabit yörüngeler boyunca dönme hareketleri yaptıkları biliniyordu. Pauli, s, p, d, f orbitallerinin her birinde bir enerji seviyesinde, elektronik hücrelerde zıt dönüşlü + ½ ve - ½ negatif yüklü ikiden fazla parçacığın bulunamayacağını buldu.
Hund kuralı, aynı enerji seviyesine sahip orbitallerin elektronlarla nasıl doğru şekilde doldurulduğunu açıkladı.
n+l kuralı olarak da adlandırılan
Klechkovsky kuralı, çok elektronlu atomların (5, 6, 7 periyotlu elementler) yörüngelerinin nasıl doldurulduğunu açıkladı. Yukarıdaki modellerin tümü, Dmitry Mendeleev tarafından oluşturulan kimyasal elementler sistemi için teorik bir gerekçe işlevi gördü.
Oksidasyon durumu
Kimyada temel bir kavramdır ve bir moleküldeki atomun durumunu karakterize eder. Atomların oksidasyon durumunun modern tanımı şu şekildedir: Bu, bir moleküldeki bir atomun koşullu yüküdür ve molekülün yalnızca iyonik bir bileşime sahip olduğu fikrine dayalı olarak hesaplanır.
Oksidasyon derecesi, pozitif, negatif veya sıfır değerlerle bir tamsayı veya kesirli sayı olarak ifade edilebilir. Çoğu zaman, kimyasal elementlerin atomlarının birkaç oksidasyon durumu vardır. Örneğin nitrojende -3, -2, 0, +1, +2, +3, +4, +5 bulunur. Ancak flor gibi kimyasal bir element, tümbileşikler, -1'e eşit olan yalnızca bir oksidasyon durumuna sahiptir. Basit bir madde ile temsil ediliyorsa, oksidasyon durumu sıfırdır. Bu kimyasal miktar, maddelerin sınıflandırılması ve özelliklerinin tanımlanması için kullanıma uygundur. Çoğu zaman, bir atomun oksidasyon durumu kimyada redoks reaksiyonları için denklemler derlenirken kullanılır.
Atomların özellikleri
Kuantum fiziğinin keşifleri sayesinde, atomun D. Ivanenko ve E. Gapon teorisine dayanan modern tanımı, aşağıdaki bilimsel gerçeklerle desteklenmektedir. Bir atomun çekirdeğinin yapısı kimyasal reaksiyonlar sırasında değişmez. Yalnızca durağan elektron orbitalleri değişebilir. Yapıları, maddelerin birçok fiziksel ve kimyasal özelliğini açıklayabilir. Bir elektron durağan bir yörüngeden çıkıp daha yüksek bir enerji indeksine sahip bir yörüngeye giderse, böyle bir atom uyarılmış olarak adlandırılır.
Elektronların böyle sıra dışı yörüngelerde uzun süre kalamayacağına dikkat edilmelidir. Sabit yörüngesine dönen elektron, bir miktar enerji yayar. Elektron afinitesi, elektronegatiflik, iyonlaşma enerjisi gibi kimyasal elementlerin yapısal birimlerinin bu tür özelliklerinin incelenmesi, bilim adamlarının sadece atomu mikro kozmosun en önemli parçacığı olarak tanımlamasına değil, aynı zamanda atomların oluşturma yeteneğini açıklamalarına da izin verdi. çeşitli kararlı kimyasal bağların yaratılması nedeniyle mümkün olan, maddenin kararlı ve enerjik olarak daha uygun moleküler hali: iyonik, kovalentpolar ve polar olmayan, verici-alıcı (bir tür kovalent bağ olarak) ve metalik. İkincisi, tüm metallerin en önemli fiziksel ve kimyasal özelliklerini belirler.
Bir atomun boyutunun değişebileceği deneysel olarak kanıtlanmıştır. Her şey hangi moleküle dahil olduğuna bağlı olacaktır. X-ışını kırınım analizi sayesinde, kimyasal bir bileşikteki atomlar arasındaki mesafeyi hesaplamak ve ayrıca elementin yapısal biriminin yarıçapını bulmak mümkündür. Bir kimyasal element grubuna veya periyoduna dahil olan atomların yarıçaplarındaki değişim modellerini bilerek, fiziksel ve kimyasal özelliklerini tahmin etmek mümkündür. Örneğin, atom çekirdeğinin yükünün arttığı dönemlerde yarıçapları azalır (“atomun sıkışması”), dolayısıyla bileşiklerin metalik özellikleri zayıflar ve metalik olmayanlar artar.
Böylece atomun yapısı bilgisi, Mendeleev'in periyodik sistemine dahil olan tüm elementlerin fiziksel ve kimyasal özelliklerini doğru bir şekilde belirlememizi sağlar.
