Që nga periudha e antikitetit deri në mesin e shekullit të 18-të, shkenca u dominua nga ideja se një atom është një grimcë e materies që nuk mund të ndahet. Shkencëtari anglez, si dhe natyralisti D. D alton, e përkufizuan atomin si përbërësin më të vogël të një elementi kimik. M. V. Lomonosov në teorinë e tij atomike dhe molekulare ishte në gjendje të përcaktonte atomin dhe molekulën. Ai ishte i bindur se molekulat, të cilat ai i quajti "korpuskula", përbëheshin nga "elemente" - atome - dhe ishin në lëvizje të vazhdueshme.
D. I. Mendeleev besonte se kjo nënnjësi e substancave që përbëjnë botën materiale ruan të gjitha vetitë e saj vetëm nëse nuk i nënshtrohet ndarjes. Në këtë artikull, ne do të përcaktojmë atomin si një objekt të mikrobotës dhe do të studiojmë vetitë e tij.
Parakushtet për krijimin e teorisë së strukturës së atomit
Në shekullin e 19-të, deklarata për pandashmërinë e atomit u pranua përgjithësisht. Shumica e shkencëtarëve besonin se grimcat e një elementi kimik në asnjë rrethanë nuk mund të shndërroheshin në atome të një elementi tjetër. Këto ide shërbyen si bazë mbi të cilën u bazua përkufizimi i atomit deri në vitin 1932. Në fund të shekullit të 19-të, shkenca bërizbulimet themelore që ndryshuan këtë këndvështrim. Para së gjithash, në 1897, fizikani anglez J. J. Thomson zbuloi elektronin. Ky fakt ndryshoi rrënjësisht idetë e shkencëtarëve për pandashmërinë e pjesës përbërëse të një elementi kimik.
Si të vërtetojmë se atomi është kompleks
Edhe para zbulimit të elektronit, shkencëtarët ranë dakord njëzëri se atomet nuk kanë ngarkesë. Pastaj u zbulua se elektronet lirohen lehtësisht nga çdo element kimik. Ato mund të gjenden në flakë, janë bartës të rrymës elektrike, lëshohen nga substanca gjatë emetimit të rrezeve X.
Por nëse elektronet janë pjesë e të gjithë atomeve pa përjashtim dhe janë të ngarkuar negativisht, atëherë në atom ka disa grimca të tjera që domosdoshmërisht kanë një ngarkesë pozitive, përndryshe atomet nuk do të ishin elektrikisht neutralë. Për të ndihmuar në zbulimin e strukturës së atomit, një fenomen i tillë fizik si radioaktiviteti ndihmoi. Ai dha përkufizimin e saktë të atomit në fizikë dhe më pas në kimi.
Rrezet e padukshme
Fizikanti francez A. Becquerel ishte i pari që përshkroi fenomenin e emetimit nga atomet e disa elementeve kimike, rreze të padukshme vizualisht. Ata jonizojnë ajrin, kalojnë nëpër substanca, shkaktojnë nxirje të pllakave fotografike. Më vonë, Curies dhe E. Rutherford zbuluan se substancat radioaktive shndërrohen në atome të elementeve të tjerë kimikë (për shembull, uraniumi në neptunium).
Rrezatimi radioaktiv është johomogjen në përbërje: grimcat alfa, grimcat beta, rrezet gama. Kështu qëKështu, fenomeni i radioaktivitetit konfirmoi se grimcat e elementeve të tabelës periodike kanë një strukturë komplekse. Ky fakt ishte arsyeja e ndryshimeve të bëra në përkufizimin e atomit. Nga cilat grimca përbëhet një atom, duke pasur parasysh faktet e reja shkencore të marra nga Rutherford? Përgjigja për këtë pyetje ishte modeli bërthamor i atomit i propozuar nga shkencëtari, sipas të cilit elektronet rrotullohen rreth një bërthame të ngarkuar pozitivisht.
Kontradiktat e modelit të Rutherford
Teoria e shkencëtarit, pavarësisht karakterit të saj të jashtëzakonshëm, nuk mund ta përcaktonte në mënyrë objektive atomin. Përfundimet e saj shkuan kundër ligjeve themelore të termodinamikës, sipas të cilave të gjitha elektronet që rrotullohen rreth bërthamës humbasin energjinë e tyre dhe, sido që të jetë, herët a vonë duhet të bien në të. Atomi shkatërrohet në këtë rast. Kjo në fakt nuk ndodh, pasi elementët kimikë dhe grimcat nga të cilat ato përbëhen ekzistojnë në natyrë për një kohë shumë të gjatë. Një përkufizim i tillë i atomit, i bazuar në teorinë e Radhërfordit, është i pashpjegueshëm, si dhe fenomeni që ndodh kur substancat e thjeshta të nxehta kalohen nëpër një grilë difraksioni. Në fund të fundit, spektrat atomike që rezultojnë kanë një formë lineare. Kjo ishte në kundërshtim me modelin e atomit të Radhërfordit, sipas të cilit spektri duhej të ishte i vazhdueshëm. Sipas koncepteve të mekanikës kuantike, aktualisht elektronet në bërthamë nuk karakterizohen si objekte pikësore, por që kanë formën e një reje elektronike.
Densiteti i tij më i lartë në një vend të caktuar hapësire rreth bërthamës dhekonsiderohet të jetë vendndodhja e grimcave në një moment të caktuar kohor. U zbulua gjithashtu se elektronet në atom janë të rregulluar në shtresa. Numri i shtresave mund të përcaktohet duke ditur numrin e periudhës në të cilën elementi ndodhet në sistemin periodik të D. I. Mendeleev. Për shembull, një atom fosfori përmban 15 elektrone dhe ka 3 nivele energjie. Treguesi që përcakton numrin e niveleve të energjisë quhet numri kuantik kryesor.
Ekperimentalisht u zbulua se elektronet e nivelit të energjisë më afër bërthamës kanë energjinë më të ulët. Çdo guaskë energjie është e ndarë në nënnivele, dhe ato, nga ana tjetër, në orbitale. Elektronet e vendosura në orbitale të ndryshme kanë të njëjtën formë reje (s, p, d, f).
Bazuar në sa më sipër, rezulton se forma e resë elektronike nuk mund të jetë arbitrare. Ai përcaktohet rreptësisht sipas numrit kuantik orbital. Shtojmë gjithashtu se gjendja e një elektroni në një makrogrimcë përcaktohet nga dy vlera të tjera - numrat kuantikë magnetikë dhe spin. E para bazohet në ekuacionin e Shrodingerit dhe karakterizon orientimin hapësinor të resë elektronike bazuar në tredimensionalitetin e botës sonë. Treguesi i dytë është numri i rrotullimit, ai përdoret për të përcaktuar rrotullimin e një elektroni rreth boshtit të tij në drejtim të akrepave të orës ose në të kundërt.
Zbulimi i neutronit
Falë punës së D. Chadwick, të kryer prej tij në 1932, u dha një përkufizim i ri i atomit në kimi dhe fizikë. Në eksperimentet e tij, shkencëtari vërtetoi se gjatë ndarjes së poloniumit, ndodh rrezatimi, i shkaktuar ngagrimcat që nuk kanë ngarkesë, me masë 1.008665. Grimca e re elementare u quajt neutron. Zbulimi i tij dhe studimi i vetive të tij i lejoi shkencëtarët sovjetikë V. Gapon dhe D. Ivanenko të krijonin një teori të re të strukturës së bërthamës atomike që përmban protone dhe neutrone.
Sipas teorisë së re, përkufizimi i një atomi të materies ishte si vijon: ai është një njësi strukturore e një elementi kimik, i përbërë nga një bërthamë që përmban protone dhe neutrone dhe elektrone që lëvizin rreth tij. Numri i grimcave pozitive në bërthamë është gjithmonë i barabartë me numrin atomik të elementit kimik në sistemin periodik.
Më vonë, profesor A. Zhdanov konfirmoi në eksperimentet e tij se nën ndikimin e rrezatimit të fortë kozmik, bërthamat atomike u ndanë në protone dhe neutrone. Për më tepër, u vërtetua se forcat që mbajnë këto grimca elementare në bërthamë janë jashtëzakonisht intensive për energji. Ato veprojnë në distanca shumë të shkurtra (rreth 10-23 cm) dhe quhen bërthamore. Siç u përmend më herët, edhe M. V. Lomonosov ishte në gjendje të jepte një përkufizim të një atomi dhe një molekule bazuar në fakte shkencore të njohura prej tij.
Për momentin, modeli i mëposhtëm njihet përgjithësisht: një atom përbëhet nga një bërthamë dhe elektrone që lëvizin rreth tij përgjatë trajektoreve të përcaktuara rreptësisht - orbitaleve. Elektronet shfaqin njëkohësisht vetitë e grimcave dhe valëve, domethënë ato kanë një natyrë të dyfishtë. Pothuajse e gjithë masa e tij është e përqendruar në bërthamën e një atomi. Ai përbëhet nga protone dhe neutrone të lidhura nga forcat bërthamore.
A mund të peshohet një atom
Rezulton se çdo atom kamasë. Për shembull, për hidrogjenin është 1,67x10-24g. Është madje e vështirë të imagjinohet se sa e vogël është kjo vlerë. Për të gjetur peshën e një objekti të tillë, ata nuk përdorin peshore, por një oshilator, i cili është një nanotub karboni. Për të llogaritur peshën e një atomi dhe një molekule, një vlerë më e përshtatshme është masa relative. Tregon sa herë pesha e një molekule ose atomi është më e madhe se 1/12 e një atomi karboni, që është 1,66x10-27 kg. Masat atomike relative jepen në sistemin periodik të elementeve kimike dhe ato nuk kanë njësi.
Shkencëtarët janë të vetëdijshëm se masa atomike e një elementi kimik është mesatarja e numrit të masës së të gjithë izotopeve të tij. Rezulton se në natyrë, njësitë e një elementi kimik mund të kenë masa të ndryshme. Në të njëjtën kohë, ngarkesat e bërthamave të grimcave të tilla strukturore janë të njëjta.
Shkencëtarët kanë zbuluar se izotopet ndryshojnë në numrin e neutroneve në bërthamë dhe ngarkesa e bërthamave të tyre është e njëjtë. Për shembull, një atom klori me një masë prej 35 përmban 18 neutrone dhe 17 protone, dhe me një masë prej 37 - 20 neutrone dhe 17 protone. Shumë elementë kimikë janë përzierje izotopësh. Për shembull, substanca të tilla të thjeshta si kaliumi, argoni, oksigjeni përmbajnë atome që përfaqësojnë 3 izotope të ndryshëm.
Përcaktimi i atomicitetit
Ka disa interpretime. Konsideroni se çfarë nënkuptohet me këtë term në kimi. Nëse atomet e ndonjë elementi kimik janë në gjendje të ekzistojnë veçmas të paktën për një kohë të shkurtër, pa u përpjekur të formojnë një grimcë më komplekse - një molekulë, atëherë ata thonë se substanca të tilla kanëstruktura atomike. Për shembull, një reaksion shumëfazor i klorifikimit të metanit. Përdoret gjerësisht në kiminë e sintezës organike për të marrë derivatet më të rëndësishme që përmbajnë halogjen: diklormetani, tetrakloridi i karbonit. Ajo ndan molekulat e klorit në atome shumë reaktive. Ata thyejnë lidhjet sigma në molekulën e metanit, duke siguruar një reaksion zinxhir zëvendësimi.
Një shembull tjetër i një procesi kimik me rëndësi të madhe në industri është përdorimi i peroksidit të hidrogjenit si dezinfektues dhe zbardhues. Përcaktimi i oksigjenit atomik, si produkt i zbërthimit të peroksidit të hidrogjenit, ndodh si në qelizat e gjalla (nën veprimin e enzimës katalazë), ashtu edhe në kushte laboratorike. Oksigjeni atomik përcaktohet në mënyrë cilësore nga vetitë e tij të larta antioksiduese, si dhe nga aftësia për të shkatërruar agjentët patogjenë: bakteret, kërpudhat dhe sporet e tyre.
Si funksionon guaska atomike
Ne kemi zbuluar tashmë më herët se njësia strukturore e një elementi kimik ka një strukturë komplekse. Elektronet rrotullohen rreth një bërthame të ngarkuar pozitivisht. Fituesi i çmimit Nobel, Niels Bohr, bazuar në teorinë kuantike të dritës, krijoi doktrinën e tij, në të cilën karakteristikat dhe përkufizimi i një atomi janë si më poshtë: elektronet lëvizin rreth bërthamës vetëm përgjatë trajektoreve të caktuara të palëvizshme, ndërsa ato nuk rrezatojnë energji. Doktrina e Bohr-it vërtetoi se grimcat e mikrokozmosit, të cilat përfshijnë atomet dhe molekulat, nuk u binden ligjeve që janë të drejta.për trupa të mëdhenj - objekte makrokozmike.
Struktura e predhave elektronike të makrogrimcave u studiua në punimet mbi fizikën kuantike nga shkencëtarë të tillë si Hund, Pauli, Klechkovsky. Kështu u bë e ditur se elektronet bëjnë lëvizje rrotulluese rreth bërthamës jo rastësisht, por përgjatë trajektoreve të caktuara të palëvizshme. Pauli zbuloi se brenda një niveli energjie në secilën prej orbitaleve të tij s, p, d, f, jo më shumë se dy grimca të ngarkuara negativisht me rrotullime të kundërta + ½ dhe - ½ mund të gjenden në qelizat elektronike.
Rregulli i Hundit shpjegoi se si orbitalet me të njëjtin nivel energjie mbushen saktë me elektrone.
Rregulli
Klechkovsky, i quajtur edhe rregulli n+l, shpjegoi se si mbushen orbitalet e atomeve të shumëelektroneve (elemente me perioda 5, 6, 7). Të gjitha modelet e mësipërme shërbyen si një justifikim teorik për sistemin e elementeve kimike të krijuar nga Dmitry Mendeleev.
Gjendja e oksidimit
Është një koncept themelor në kimi dhe karakterizon gjendjen e një atomi në një molekulë. Përkufizimi modern i gjendjes së oksidimit të atomeve është si vijon: kjo është ngarkesa e kushtëzuar e një atomi në një molekulë, e cila llogaritet bazuar në nocionin se molekula ka vetëm një përbërje jonike.
Shkalla e oksidimit mund të shprehet si numër i plotë ose thyesor, me vlera pozitive, negative ose zero. Më shpesh, atomet e elementeve kimike kanë disa gjendje oksidimi. Për shembull, azoti ka -3, -2, 0, +1, +2, +3, +4, +5. Por një element i tillë kimik si fluori, në tërësikomponimet kanë vetëm një gjendje oksidimi, të barabartë me -1. Nëse përfaqësohet nga një substancë e thjeshtë, atëherë gjendja e tij e oksidimit është zero. Kjo sasi kimike është e përshtatshme për t'u përdorur për klasifikimin e substancave dhe për përshkrimin e vetive të tyre. Më shpesh, gjendja e oksidimit të një atomi përdoret në kimi kur përpilohen ekuacione për reaksionet redoks.
Vetitë e atomeve
Falë zbulimeve të fizikës kuantike, përkufizimi modern i atomit, i bazuar në teorinë e D. Ivanenko dhe E. Gapon, plotësohet nga faktet shkencore të mëposhtme. Struktura e bërthamës së një atomi nuk ndryshon gjatë reaksioneve kimike. Vetëm orbitalet e palëvizshme të elektroneve janë subjekt i ndryshimit. Struktura e tyre mund të shpjegojë shumë veti fizike dhe kimike të substancave. Nëse një elektron lë një orbitë të palëvizshme dhe shkon në një orbitë me një indeks më të lartë energjie, një atom i tillë quhet i ngacmuar.
Duhet të theksohet se elektronet nuk mund të qëndrojnë në orbitale të tilla të pazakonta për një kohë të gjatë. Duke u kthyer në orbitën e tij të palëvizshme, elektroni lëshon një sasi energjie. Studimi i karakteristikave të tilla të njësive strukturore të elementeve kimike si afiniteti i elektroneve, elektronegativiteti, energjia e jonizimit, i lejoi shkencëtarët jo vetëm të përcaktojnë atomin si grimcën më të rëndësishme të mikrokozmosit, por gjithashtu i lejoi ata të shpjegojnë aftësinë e atomeve për të formuar një gjendje molekulare e qëndrueshme dhe energjikisht më e favorshme e materies, e mundur për shkak të krijimit të llojeve të ndryshme të lidhjeve kimike të qëndrueshme: jonike, kovalentepolare dhe jopolare, dhurues-pranues (si një lloj lidhjeje kovalente) dhe metalike. Kjo e fundit përcakton vetitë fizike dhe kimike më të rëndësishme të të gjitha metaleve.
Është vërtetuar eksperimentalisht se madhësia e një atomi mund të ndryshojë. Gjithçka do të varet nga cila molekulë përfshihet. Falë analizës së difraksionit me rreze X, është e mundur të llogaritet distanca midis atomeve në një përbërje kimike, si dhe të zbulohet rrezja e njësisë strukturore të elementit. Duke ditur modelet e ndryshimit në rrezet e atomeve të përfshira në një periudhë ose grup elementësh kimikë, është e mundur të parashikohen vetitë e tyre fizike dhe kimike. Për shembull, në periudhat me një rritje të ngarkesës së bërthamës së atomeve, rrezet e tyre zvogëlohen (“ngjeshja e atomit”), kështu që vetitë metalike të përbërjeve dobësohen dhe ato jometalike rriten.
Kështu, njohja e strukturës së atomit na lejon të përcaktojmë me saktësi vetitë fizike dhe kimike të të gjithë elementëve të përfshirë në sistemin periodik të Mendelejevit.
