Kuanzia enzi za kale hadi katikati ya karne ya 18, sayansi ilitawaliwa na wazo kwamba atomu ni chembe ya maada isiyoweza kugawanywa. Mwanasayansi wa Kiingereza, pamoja na mwanasayansi wa asili D. D alton, alifafanua atomi kama sehemu ndogo zaidi ya kipengele cha kemikali. M. V. Lomonosov katika nadharia yake ya atomiki na molekuli aliweza kufafanua atomi na molekuli. Alikuwa na hakika kwamba molekuli, alizoziita "corpuscles", ziliundwa na "elementi" - atomi - na zilikuwa katika mwendo wa kudumu.
D. I. Mendeleev aliamini kwamba subunit hii ya vitu vinavyounda ulimwengu wa nyenzo huhifadhi mali zake zote tu ikiwa haijatengwa. Katika makala haya, tutafafanua atomi kama kitu cha ulimwengu mdogo na kusoma sifa zake.
Masharti ya uundaji wa nadharia ya muundo wa atomi
Katika karne ya 19, taarifa kuhusu kugawanyika kwa atomi ilikubaliwa kwa ujumla. Wanasayansi wengi waliamini kwamba chembe za kipengele kimoja cha kemikali chini ya hali yoyote hazingeweza kugeuka kuwa atomi za kipengele kingine. Mawazo haya yalitumika kama msingi ambao ufafanuzi wa atomi ulikuwa msingi hadi 1932. Mwisho wa karne ya 19, sayansi ilifanyauvumbuzi wa kimsingi ambao ulibadilisha mtazamo huu. Kwanza kabisa, mnamo 1897, mwanafizikia wa Kiingereza J. J. Thomson aligundua elektroni. Ukweli huu ulibadilisha kwa kiasi kikubwa mawazo ya wanasayansi kuhusu kugawanyika kwa sehemu kuu ya kipengele cha kemikali.
Jinsi ya kuthibitisha kuwa atomi ni changamano
Hata kabla ya ugunduzi wa elektroni, wanasayansi walikubaliana kwa kauli moja kuwa atomi hazina chaji. Kisha iligundua kuwa elektroni hutolewa kwa urahisi kutoka kwa kipengele chochote cha kemikali. Wanaweza kupatikana katika mwali wa moto, ni wabebaji wa mkondo wa umeme, hutolewa na dutu wakati wa utoaji wa X-ray.
Lakini ikiwa elektroni ni sehemu ya atomi zote bila ubaguzi na zimechajiwa hasi, basi kuna baadhi ya chembe nyingine kwenye atomi ambazo lazima ziwe na chaji chanya, vinginevyo atomi hazitakuwa na upande wowote wa kielektroniki. Ili kusaidia kufunua muundo wa atomi, jambo la kimwili kama mionzi lilisaidia. Ilitoa ufafanuzi sahihi wa atomi katika fizikia na kisha katika kemia.
Miale isiyoonekana
Mwanafizikia wa Kifaransa A. Becquerel alikuwa wa kwanza kuelezea hali ya utoaji wa atomi za elementi fulani za kemikali, miale isiyoonekana. Wao ionize hewa, hupitia vitu, husababisha nyeusi ya sahani za picha. Baadaye, Curies na E. Rutherford waligundua kuwa vitu vyenye mionzi hubadilishwa kuwa atomi za elementi nyingine za kemikali (kwa mfano, urani kuwa neptunium).
Mionzi ya mionzi haina uwiano katika utungaji: chembe za alpha, chembe za beta, miale ya gamma. Kwa hiyoKwa hivyo, jambo la radioactivity lilithibitisha kuwa chembe za vipengele vya meza ya mara kwa mara zina muundo tata. Ukweli huu ulikuwa sababu ya mabadiliko yaliyofanywa kwa ufafanuzi wa atomu. Atomu inajumuisha chembe gani, kutokana na ukweli mpya wa kisayansi uliopatikana na Rutherford? Jibu la swali hili lilikuwa muundo wa nyuklia wa atomi uliopendekezwa na mwanasayansi, kulingana na ambayo elektroni huzunguka kwenye kiini chenye chaji chanya.
Ukinzani wa muundo wa Rutherford
Nadharia ya mwanasayansi, licha ya tabia yake bora, haikuweza kufafanua atomu kwa ukamilifu. Hitimisho lake lilikwenda kinyume na sheria za kimsingi za thermodynamics, kulingana na ambayo elektroni zote zinazozunguka kiini hupoteza nguvu zao na, iwe hivyo, mapema au baadaye lazima zianguke ndani yake. Atomi inaharibiwa katika kesi hii. Kwa kweli hii haifanyiki, kwani vitu vya kemikali na chembe ambazo zinaundwa zipo kwa asili kwa muda mrefu sana. Ufafanuzi kama huo wa atomi, kwa msingi wa nadharia ya Rutherford, hauelezeki, na vile vile jambo linalotokea wakati vitu rahisi vya moto vinapitishwa kupitia grating ya diffraction. Baada ya yote, spectra ya atomiki inayotokana ina sura ya mstari. Hii ilikuwa inakinzana na mtindo wa Rutherford wa atomi, kulingana na ambayo spectra inapaswa kuwa kuendelea. Kulingana na dhana za mechanics ya quantum, kwa sasa, elektroni katika kiini hazitambuliwi kama vitu vya uhakika, lakini kuwa na umbo la wingu la elektroni.
Msongamano wake wa juu zaidi katika eneo fulani la nafasi karibu na kiini nainachukuliwa kuwa eneo la chembe kwa wakati fulani. Ilibainika pia kuwa elektroni katika atomi zimepangwa katika tabaka. Idadi ya tabaka inaweza kuamua kwa kujua idadi ya kipindi ambacho kipengele iko katika mfumo wa upimaji wa D. I. Mendeleev. Kwa mfano, atomi ya fosforasi ina elektroni 15 na ina viwango 3 vya nishati. Kiashirio kinachoamua idadi ya viwango vya nishati kinaitwa nambari kuu ya quantum.
Iligunduliwa kwa majaribio kuwa elektroni za kiwango cha nishati kilicho karibu zaidi na kiini ndizo zina nishati ya chini zaidi. Kila shell ya nishati imegawanywa katika sublevels, na wao, kwa upande wake, katika orbitals. Elektroni zilizo katika obiti tofauti zina umbo sawa la wingu (s, p, d, f).
Kulingana na hapo juu, inafuata kwamba umbo la wingu la elektroni haliwezi kuwa kiholela. Inafafanuliwa madhubuti kulingana na nambari ya quantum ya orbital. Pia tunaongeza kuwa hali ya elektroni katika macroparticle imedhamiriwa na maadili mawili zaidi - nambari za sumaku na spin quantum. Ya kwanza inategemea mlinganyo wa Schrödinger na inaangazia mwelekeo wa anga wa wingu la elektroni kulingana na hali tatu za ulimwengu wetu. Kiashirio cha pili ni nambari inayozunguka, hutumika kubainisha mzunguko wa elektroni kuzunguka mhimili wake kisaa au kinyume cha saa.
Ugunduzi wa neutroni
Shukrani kwa kazi ya D. Chadwick, aliyoifanya mwaka wa 1932, ufafanuzi mpya wa atomu katika kemia na fizikia ulitolewa. Katika majaribio yake, mwanasayansi alithibitisha kwamba wakati wa kugawanyika kwa polonium, mionzi hutokea, inayosababishwa nachembechembe ambazo hazina chaji, zenye uzito wa 1.008665. Chembe mpya ya msingi iliitwa nyutroni. Ugunduzi wake na uchunguzi wa sifa zake uliwaruhusu wanasayansi wa Kisovieti V. Gapon na D. Ivanenko kuunda nadharia mpya ya muundo wa kiini cha atomiki chenye protoni na neutroni.
Kulingana na nadharia mpya, ufafanuzi wa atomi ya maada ulikuwa kama ifuatavyo: ni kitengo cha kimuundo cha kipengele cha kemikali, kinachojumuisha kiini kilicho na protoni na nyutroni na elektroni zinazozunguka. Idadi ya chembe chanya katika kiini daima ni sawa na nambari ya atomiki ya kipengele cha kemikali katika mfumo wa muda.
Baadaye, Profesa A. Zhdanov alithibitisha katika majaribio yake kwamba chini ya ushawishi wa mionzi migumu ya ulimwengu, viini vya atomiki viligawanyika katika protoni na neutroni. Kwa kuongezea, ilithibitishwa kuwa nguvu zinazoshikilia chembe hizi za msingi kwenye kiini zina nguvu nyingi sana. Hufanya kazi kwa umbali mfupi sana (kama 10-23 cm) na huitwa nyuklia. Kama ilivyotajwa hapo awali, hata M. V. Lomonosov aliweza kutoa ufafanuzi wa atomi na molekuli kulingana na ukweli wa kisayansi anaojulikana.
Kwa sasa, modeli ifuatayo inatambulika kwa ujumla: atomi ina kiini na elektroni zinazoizunguka pamoja na njia zilizobainishwa kikamilifu - obiti. Elektroni wakati huo huo huonyesha mali ya chembe na mawimbi, yaani, wana asili mbili. Takriban misa yake yote imejilimbikizia kwenye kiini cha atomi. Inaundwa na protoni na neutroni zinazofungwa na nguvu za nyuklia.
Je, chembe inaweza kupimwa
Inabadilika kuwa kila atomi inayowingi. Kwa mfano, kwa hidrojeni ni 1.67x10-24g. Ni ngumu hata kufikiria jinsi thamani hii ni ndogo. Ili kupata uzito wa kitu kama hicho, hawatumii mizani, lakini oscillator, ambayo ni nanotube ya kaboni. Ili kuhesabu uzito wa atomi na molekuli, thamani rahisi zaidi ni wingi wa jamaa. Inaonyesha ni mara ngapi uzito wa molekuli au atomi ni mkubwa kuliko 1/12 ya atomi ya kaboni, ambayo ni 1.66x10-27 kg. Misa ya atomiki inayohusiana hutolewa katika mfumo wa mara kwa mara wa vipengele vya kemikali, na haina vitengo.
Wanasayansi wanafahamu vyema kwamba wingi wa atomiki wa kipengele cha kemikali ni wastani wa nambari za wingi za isotopu zake zote. Inatokea kwamba kwa asili, vitengo vya kipengele kimoja cha kemikali vinaweza kuwa na wingi tofauti. Wakati huo huo, malipo ya viini vya chembe hizo za kimuundo ni sawa.
Wanasayansi wamegundua kuwa isotopu hutofautiana katika idadi ya neutroni kwenye kiini, na chaji ya viini vyake ni sawa. Kwa mfano, atomi ya klorini yenye wingi wa 35 ina neutroni 18 na protoni 17, na kwa wingi wa nyutroni 37 - 20 na protoni 17. Vipengele vingi vya kemikali ni mchanganyiko wa isotopu. Kwa mfano, vitu rahisi kama vile potasiamu, argon, oksijeni vina atomi zinazowakilisha isotopu 3 tofauti.
Kufafanua atomi
Ina tafsiri kadhaa. Fikiria nini maana ya neno hili katika kemia. Ikiwa atomi za kipengele chochote cha kemikali zinaweza kuwepo kando angalau kwa muda mfupi, bila kujitahidi kuunda chembe ngumu zaidi - molekuli, basi wanasema kwamba vitu hivyo vina.muundo wa atomiki. Kwa mfano, mmenyuko wa klorini wa methane wa hatua nyingi. Inatumika sana katika kemia ya awali ya kikaboni ili kupata derivatives muhimu zaidi yenye halojeni: dichloromethane, tetrakloridi kaboni. Inagawanya molekuli za klorini katika atomi tendaji sana. Huvunja vifungo vya sigma katika molekuli ya methane, ikitoa majibu ya mnyororo badala.
Mfano mwingine wa mchakato wa kemikali wenye umuhimu mkubwa katika viwanda ni matumizi ya peroksidi ya hidrojeni kama dawa ya kuua viini na bleach. Uamuzi wa oksijeni ya atomiki, kama bidhaa ya kuvunjika kwa peroksidi ya hidrojeni, hutokea katika seli hai (chini ya hatua ya enzyme ya katalasi) na katika hali ya maabara. Oksijeni ya atomiki huamuliwa kimaelezo na sifa zake za juu za antioxidant, na pia kwa uwezo wake wa kuharibu mawakala wa pathogenic: bakteria, kuvu na spores zao.
Jinsi ganda la atomiki linavyofanya kazi
Tayari tumegundua hapo awali kwamba kitengo cha kimuundo cha kipengele cha kemikali kina muundo changamano. Elektroni huzunguka kwenye kiini chenye chaji chanya. Mshindi wa Tuzo ya Nobel Niels Bohr, kwa msingi wa nadharia ya quantum ya mwanga, aliunda fundisho lake, ambalo sifa na ufafanuzi wa atomi ni kama ifuatavyo: elektroni huzunguka kiini tu kando ya trajectories fulani za stationary, wakati haziangazii nishati. Mafundisho ya Bohr yalithibitisha kwamba chembe za microcosm, ambazo ni pamoja na atomi na molekuli, hazitii sheria ambazo ni za haki.kwa miili mikubwa - vitu vya macrocosmic.
Muundo wa makombora ya elektroni ya chembechembe kubwa ulichunguzwa katika kazi za fizikia ya quantum na wanasayansi kama vile Hund, Pauli, Klechkovsky. Kwa hivyo ilijulikana kuwa elektroni hufanya harakati za kuzunguka kuzunguka kiini sio nasibu, lakini kando ya trajectories fulani za stationary. Pauli aligundua kuwa ndani ya kiwango kimoja cha nishati kwenye kila moja ya obiti zake za s, p, d, f, hakuna zaidi ya chembe mbili zenye chaji hasi zenye mizunguko tofauti + ½ na - ½ zinaweza kupatikana katika seli za kielektroniki.
Sheria ya Hund ilieleza jinsi obiti zilizo na kiwango sawa cha nishati hujazwa ipasavyo na elektroni.
Utawala wa Klechkovsky, unaoitwa pia sheria ya n+l, ulielezea jinsi obiti za atomi za multielectron (vipengele vya 5, 6, 7) vinajazwa. Mifumo yote iliyo hapo juu ilitumika kama uhalali wa kinadharia kwa mfumo wa vipengele vya kemikali iliyoundwa na Dmitry Mendeleev.
Hali ya oksidi
Ni dhana ya kimsingi katika kemia na inabainisha hali ya atomi katika molekuli. Ufafanuzi wa kisasa wa hali ya oxidation ya atomi ni kama ifuatavyo: hii ni malipo ya masharti ya atomi katika molekuli, ambayo huhesabiwa kulingana na dhana kwamba molekuli ina muundo wa ioniki tu.
Kiwango cha uoksidishaji kinaweza kuonyeshwa kama nambari kamili au sehemu, yenye thamani chanya, hasi au sufuri. Mara nyingi, atomi za vipengele vya kemikali zina hali kadhaa za oxidation. Kwa mfano, nitrojeni ina -3, -2, 0, +1, +2, +3, +4, +5. Lakini kipengele cha kemikali kama fluorine, katika yote yakemisombo ina hali moja tu ya oksidi, sawa na -1. Ikiwa inawakilishwa na dutu rahisi, basi hali yake ya oxidation ni sifuri. Kiasi hiki cha kemikali ni rahisi kutumia kwa uainishaji wa vitu na kwa kuelezea mali zao. Mara nyingi, hali ya oksidi ya atomi hutumiwa katika kemia wakati wa kuandaa milinganyo ya miitikio ya redoksi.
Sifa za atomi
Shukrani kwa uvumbuzi wa fizikia ya quantum, ufafanuzi wa kisasa wa atomi, unaozingatia nadharia ya D. Ivanenko na E. Gapon, huongezewa na ukweli ufuatao wa kisayansi. Muundo wa kiini cha atomi haubadilika wakati wa athari za kemikali. Mizunguko ya elektroni iliyosimama pekee ndiyo inaweza kubadilika. Muundo wao unaweza kuelezea mali nyingi za kimwili na kemikali za vitu. Elektroni ikiacha obiti isiyosimama na kwenda kwenye obiti iliyo na kiashiria cha juu cha nishati, atomi kama hiyo huitwa msisimko.
Ikumbukwe kwamba elektroni haziwezi kukaa katika obiti zisizo za kawaida kwa muda mrefu. Kurudi kwenye obiti yake ya kusimama, elektroni hutoa kiasi cha nishati. Utafiti wa sifa kama hizi za vitengo vya kimuundo vya vitu vya kemikali kama mshikamano wa elektroni, elektronegativity, nishati ya ionization, iliruhusu wanasayansi sio tu kufafanua atomi kama chembe muhimu zaidi ya microcosm, lakini pia iliwaruhusu kuelezea uwezo wa atomi kuunda. hali thabiti na yenye nguvu zaidi ya Masi ya jambo, inayowezekana kwa sababu ya uundaji wa aina anuwai za vifungo vya kemikali: ionic, covalent.polar na zisizo za polar, wafadhili-mkubali (kama aina ya dhamana covalent) na metali. Mwisho huamua sifa muhimu zaidi za kimwili na kemikali za metali zote.
Imethibitishwa kwa majaribio kuwa saizi ya atomi inaweza kubadilika. Kila kitu kitategemea ni molekuli gani imejumuishwa. Shukrani kwa uchambuzi wa diffraction ya X-ray, inawezekana kuhesabu umbali kati ya atomi kwenye kiwanja cha kemikali, na pia kujua eneo la kitengo cha kimuundo cha kipengele. Kujua mifumo ya mabadiliko katika radii ya atomi iliyojumuishwa katika kipindi au kikundi cha vipengele vya kemikali, inawezekana kutabiri mali zao za kimwili na kemikali. Kwa mfano, katika vipindi vya kuongezeka kwa chaji ya kiini cha atomi, radii yao hupungua ("mgandamizo wa atomi"), kwa hivyo sifa za metali za misombo hudhoofika, na zile zisizo za metali huongezeka.
Kwa hivyo, ujuzi wa muundo wa atomi huturuhusu kubainisha kwa usahihi sifa za kimwili na kemikali za vipengele vyote vilivyojumuishwa katika mfumo wa upimaji wa Mendeleev.
