Antiikajast kuni 18. sajandi keskpaigani domineeris teaduses idee, et aatom on aineosake, mida ei saa jagada. Inglise teadlane ja ka loodusteadlane D. D alton määratlesid aatomi keemilise elemendi väikseima komponendina. M. V. Lomonosov suutis oma aatomi- ja molekulaarteoorias määratleda aatomi ja molekuli. Ta oli veendunud, et molekulid, mida ta nimetas "kehadeks", koosnevad "elementidest" - aatomitest - ja on pidevas liikumises.
D. I. Mendelejev uskus, et see ainelise maailma moodustav ainete allüksus säilitab kõik oma omadused ainult siis, kui seda ei eraldata. Selles artiklis määratleme aatomi kui mikromaailma objekti ja uurime selle omadusi.
Eeldused aatomi ehituse teooria loomiseks
19. sajandil oli väide aatomi jagamatuse kohta üldtunnustatud. Enamik teadlasi uskus, et ühe keemilise elemendi osakesed ei saa mingil juhul muutuda teise elemendi aatomiteks. Need ideed olid aluseks aatomi määratlusele kuni 1932. aastani. 19. sajandi lõpus tegi teadusfundamentaalsed avastused, mis seda vaatenurka muutsid. Esiteks, 1897. aastal avastas inglise füüsik J. J. Thomson elektroni. See asjaolu muutis radikaalselt teadlaste arusaamu keemilise elemendi koostisosade jagamatusest.
Kuidas tõestada, et aatom on keeruline
Juba enne elektroni avastamist nõustusid teadlased üksmeelselt, et aatomitel pole laenguid. Siis leiti, et elektronid vabanevad kergesti igast keemilisest elemendist. Neid võib leida leegist, nad on elektrivoolu kandjad, neid eralduvad ained röntgenkiirguse käigus.
Aga kui elektronid kuuluvad eranditult kõikidesse aatomitesse ja on negatiivse laenguga, siis on aatomis veel mõned osakesed, millel on tingimata positiivne laeng, muidu poleks aatomid elektriliselt neutraalsed. Aatomi struktuuri lahti harutamiseks aitas kaasa selline füüsikaline nähtus nagu radioaktiivsus. See andis aatomi õige määratluse füüsikas ja seejärel keemias.
Nähtamatud kiired
Prantsuse füüsik A. Becquerel kirjeldas esimesena teatud keemiliste elementide, visuaalselt nähtamatute kiirte aatomite emissiooni nähtust. Need ioniseerivad õhku, läbivad aineid, põhjustavad fotoplaatide tumenemist. Hiljem leidsid Curies ja E. Rutherford, et radioaktiivsed ained muudetakse muude keemiliste elementide aatomiteks (näiteks uraan neptuuniumiks).
Radioaktiivne kiirgus on koostiselt ebahomogeenne: alfaosakesed, beetaosakesed, gammakiired. NiisiisSeega kinnitas radioaktiivsuse nähtus, et perioodilisuse tabeli elementide osakestel on keeruline struktuur. See asjaolu oli aatomi määratluses tehtud muudatuste põhjuseks. Millistest osakestest koosneb aatom Rutherfordi saadud uusi teaduslikke fakte arvestades? Vastus sellele küsimusele oli teadlase pakutud aatomi tuumamudel, mille kohaselt elektronid tiirlevad ümber positiivselt laetud tuuma.
Rutherfordi mudeli vastuolud
Teadlase teooria ei suutnud oma silmapaistvast iseloomust hoolimata aatomit objektiivselt määratleda. Tema järeldused läksid vastuollu termodünaamika põhiseadustega, mille kohaselt kaotavad kõik ümber tuuma tiirlevad elektronid oma energia ja peavad igal juhul varem või hiljem sellesse langema. Aatom hävib sel juhul. Seda tegelikult ei juhtu, kuna keemilised elemendid ja osakesed, millest need koosnevad, eksisteerivad looduses väga pikka aega. Seletamatu on selline Rutherfordi teooriale tuginev aatomi definitsioon, nagu ka nähtus, mis tekib kuumade lihtainete difraktsioonvõre läbimisel. Lõppude lõpuks on saadud aatomispektritel lineaarne kuju. See oli vastuolus Rutherfordi aatomimudeliga, mille kohaselt oleksid spektrid pidanud olema pidevad. Kvantmehaanika kontseptsioonide kohaselt iseloomustatakse praegu tuumas olevaid elektrone mitte punktobjektidena, vaid elektronpilve kujul.
Selle suurim tihedus teatud ruumi asukohas ümber tuuma jaloetakse osakese asukohaks antud ajahetkel. Samuti selgus, et aatomi elektronid on paigutatud kihtidena. Kihtide arvu saab määrata, teades perioodi arvu, mil element D. I. Mendelejevi perioodilises süsteemis paikneb. Näiteks fosforiaatom sisaldab 15 elektroni ja sellel on 3 energiataset. Näitajat, mis määrab energiatasemete arvu, nimetatakse peamiseks kvantarvuks.
Eksperimentaalselt leiti, et tuumale lähima energiataseme elektronidel on madalaim energia. Iga energiakiht on jagatud alamtasanditeks ja need omakorda orbitaalideks. Erinevatel orbitaalidel paiknevatel elektronidel on sama pilvekuju (s, p, d, f).
Eeltoodu põhjal järeldub, et elektronpilve kuju ei saa olla meelevaldne. See on rangelt määratletud orbiidi kvantarvu järgi. Samuti lisame, et elektroni oleku makroosakeses määravad veel kaks väärtust - magnet- ja spinn-kvantarvud. Esimene põhineb Schrödingeri võrrandil ja iseloomustab elektronipilve ruumilist orientatsiooni meie maailma kolmemõõtmelisuse põhjal. Teine indikaator on pöörlemisarv, seda kasutatakse elektroni pöörlemise määramiseks ümber oma telje päri- või vastupäeva.
Neutroni avastamine
Tänu D. Chadwicki tööle, mille ta tegi 1932. aastal, anti keemias ja füüsikas uus aatomi määratlus. Oma katsetes tõestas teadlane, et polooniumi lõhenemisel tekib kiirgus, mille põhjustasosakesed, millel pole laengut, massiga 1,008665. Uut elementaarosakest nimetati neutroniks. Selle avastamine ja omaduste uurimine võimaldas Nõukogude teadlastel V. Gaponil ja D. Ivanenkol luua uue teooria prootoneid ja neutroneid sisaldava aatomituuma struktuuri kohta.
Uue teooria järgi oli aine aatomi definitsioon järgmine: see on keemilise elemendi struktuuriüksus, mis koosneb tuumast, mis sisaldab prootoneid ja neutroneid ning selle ümber liikuvaid elektrone. Positiivsete osakeste arv tuumas on alati võrdne perioodilise süsteemi keemilise elemendi aatomnumbriga.
Hiljem kinnitas professor A. Ždanov oma katsetes, et kõva kosmilise kiirguse mõjul jagunevad aatomituumad prootoniteks ja neutroniteks. Lisaks tõestati, et jõud, mis neid elementaarosakesi tuumas hoiavad, on äärmiselt energiamahukad. Need töötavad väga lühikeste vahemaade tagant (umbes 10-23 cm) ja neid nimetatakse tuumaks. Nagu varem mainitud, suutis isegi M. V. Lomonosov anda talle teadaolevate teaduslike faktide põhjal aatomi ja molekuli definitsiooni.
Praegu on üldtunnustatud järgmine mudel: aatom koosneb tuumast ja elektronidest, mis liiguvad selle ümber mööda rangelt määratletud trajektoore – orbitaale. Elektronidel on samaaegselt nii osakeste kui ka lainete omadused, see tähendab, et neil on kahetine olemus. Peaaegu kogu selle mass on koondunud aatomi tuumas. See koosneb prootonitest ja neutronitest, mis on seotud tuumajõududega.
Kas aatomit saab kaaluda
Selgub, et igal aatomil onmass. Näiteks vesiniku puhul on see 1,67x10-24g. Raske on isegi ette kujutada, kui väike see väärtus on. Sellise objekti kaalu leidmiseks ei kasuta nad kaalusid, vaid ostsillaatorit, mis on süsiniknanotoru. Aatomi ja molekuli massi arvutamiseks on mugavam väärtus suhteline mass. See näitab, mitu korda on molekuli või aatomi mass suurem kui 1/12 süsinikuaatomist, mis on 1,66x10-27 kg. Suhtelised aatommassid on antud keemiliste elementide perioodilises süsteemis ja neil pole ühikuid.
Teadlased teavad hästi, et keemilise elemendi aatommass on kõigi selle isotoopide massiarvude keskmine. Selgub, et looduses võivad ühe keemilise elemendi ühikud olla erineva massiga. Samas on selliste struktuursete osakeste tuumade laengud ühesugused.
Teadlased on leidnud, et isotoobid erinevad tuumas olevate neutronite arvu poolest ja nende tuumade laeng on sama. Näiteks klooriaatom massiga 35 sisaldab 18 neutronit ja 17 prootonit ning massiga 37–20 neutronit ja 17 prootonit. Paljud keemilised elemendid on isotoopide segud. Näiteks sellised lihtsad ained nagu kaalium, argoon, hapnik sisaldavad aatomeid, mis esindavad 3 erinevat isotoopi.
Aatomilisuse määratlemine
Sellel on mitu tõlgendust. Mõelge sellele, mida see termin keemias tähendab. Kui mis tahes keemilise elemendi aatomid suudavad eksisteerida eraldi vähem alt lühikest aega, püüdmata moodustada keerulisemat osakest - molekuli, siis öeldakse, et sellistel ainetel onaatomi struktuur. Näiteks mitmeastmeline metaani kloorimise reaktsioon. Seda kasutatakse laialdaselt orgaanilise sünteesi keemias, et saada kõige olulisemad halogeeni sisaldavad derivaadid: diklorometaan, süsiniktetrakloriid. See jagab kloori molekulid väga reaktiivseteks aatomiteks. Nad lõhuvad sigma sidemeid metaani molekulis, tekitades asendusahelreaktsiooni.
Teine näide tööstuses väga olulisest keemilisest protsessist on vesinikperoksiidi kasutamine desinfitseerimis- ja pleegitusainena. Aatomhapniku kui vesinikperoksiidi lagunemise produkti määramine toimub nii elusrakkudes (katalaasi ensüümi toimel) kui ka laboritingimustes. Aatomihapniku kvalitatiivselt määravad ära selle kõrged antioksüdantsed omadused, aga ka võime hävitada patogeenseid aineid: baktereid, seeni ja nende eoseid.
Kuidas aatomikest töötab
Oleme juba varem välja selgitanud, et keemilise elemendi struktuuriüksus on keerulise ehitusega. Elektronid tiirlevad ümber positiivselt laetud tuuma. Nobeli preemia laureaat Niels Bohr lõi valguse kvantteooriale tuginedes oma doktriini, milles aatomi karakteristikud ja definitsioon on järgmised: elektronid liiguvad ümber tuuma ainult teatud statsionaarseid trajektoore pidi, samas energiat nad ei kiirga. Bohri doktriin tõestas, et mikrokosmose osakesed, mis sisaldavad aatomeid ja molekule, ei allu seadustele, mis on õiglasedsuurte kehade jaoks – makrokosmilised objektid.
Makroosakeste elektronkestade struktuuri uurisid kvantfüüsikat käsitlevates töödes sellised teadlased nagu Hund, Pauli, Klechkovsky. Nii sai teatavaks, et elektronid ei tee pöörlevaid liikumisi ümber tuuma mitte juhuslikult, vaid mööda teatud liikumatuid trajektoore. Pauli leidis, et ühel energiatasemel igal orbitaalil s, p, d, f ei leidu elektroonilistes rakkudes rohkem kui kaks negatiivselt laetud osakest, mille spinnid on + ½ ja - ½.
Hundi reegel selgitas, kuidas sama energiatasemega orbitaalid täidetakse õigesti elektronidega.
Kletškovski reegel, mida nimetatakse ka n+l reegliks, selgitas, kuidas täidetakse mitmeelektroniliste aatomite (5, 6, 7 perioodi elemendid) orbitaalid. Kõik ül altoodud mustrid olid Dmitri Mendelejevi loodud keemiliste elementide süsteemi teoreetiliseks põhjenduseks.
Oksüdatsiooni olek
See on keemia põhimõiste ja iseloomustab aatomi olekut molekulis. Aatomite oksüdatsiooniastme tänapäevane definitsioon on järgmine: see on molekulis oleva aatomi tingimuslik laeng, mis arvutatakse lähtudes arusaamast, et molekulil on ainult ioonne koostis.
Oksüdatsiooniastet saab väljendada täis- või murdarvuna, positiivsete, negatiivsete või nullväärtustega. Kõige sagedamini on keemiliste elementide aatomitel mitu oksüdatsiooniastet. Näiteks lämmastikus on -3, -2, 0, +1, +2, +3, +4, +5. Aga selline keemiline element nagu fluor, kogu selle poolestühenditel on ainult üks oksüdatsiooniaste, võrdne -1. Kui seda esindab lihtaine, siis on selle oksüdatsiooniaste null. Seda keemilist kogust on mugav kasutada ainete klassifitseerimiseks ja nende omaduste kirjeldamiseks. Kõige sagedamini kasutatakse aatomi oksüdatsiooniastet keemias redoksreaktsioonide võrrandite koostamisel.
Aatomite omadused
Tänu kvantfüüsika avastustele täiendatakse D. Ivanenko ja E. Gaponi teoorial põhinevat tänapäevast aatomi määratlust järgmiste teaduslike faktidega. Aatomi tuuma struktuur keemiliste reaktsioonide käigus ei muutu. Muutuda võivad ainult statsionaarsed elektroniorbitaalid. Nende struktuur võib seletada paljusid ainete füüsikalisi ja keemilisi omadusi. Kui elektron lahkub statsionaarselt orbiidilt ja läheb kõrgema energiaindeksiga orbiidile, nimetatakse sellist aatomit ergastatud.
Tuleb märkida, et elektronid ei saa pikka aega püsida sellistel ebatavalistel orbitaalidel. Statsionaarsele orbiidile naastes kiirgab elektron välja energiakvanti. Keemiliste elementide struktuuriüksuste selliste omaduste uurimine nagu elektronide afiinsus, elektronegatiivsus, ionisatsioonienergia võimaldas teadlastel mitte ainult määratleda aatomit kui mikrokosmose kõige olulisemat osakest, vaid võimaldas neil selgitada ka aatomite moodustumise võimet. stabiilne ja energeetiliselt soodsam aine molekulaarne olek, mis on võimalik tänu erinevat tüüpi stabiilsete keemiliste sidemete tekkele: ioonsed, kovalentsedpolaarne ja mittepolaarne, doonor-aktseptor (mingi kovalentse sidemena) ja metalliline. Viimane määrab kõigi metallide kõige olulisemad füüsikalised ja keemilised omadused.
Eksperimentaalselt on kindlaks tehtud, et aatomi suurus võib muutuda. Kõik sõltub sellest, millisesse molekuli see kuulub. Tänu röntgendifraktsioonianalüüsile on võimalik arvutada keemilises ühendis olevate aatomite vaheline kaugus, samuti välja selgitada elemendi struktuuriüksuse raadius. Teades keemiliste elementide perioodi või rühma kuuluvate aatomite raadiuste muutumise mustreid, on võimalik ennustada nende füüsikalisi ja keemilisi omadusi. Näiteks perioodidel, mil aatomituuma laeng suureneb, nende raadiused vähenevad (“aatomi kokkusurumine”), mistõttu ühendite metallilised omadused nõrgenevad ja mittemetalliliste omadused suurenevad.
Seega võimaldavad teadmised aatomi struktuurist täpselt määrata kõigi Mendelejevi perioodilisse süsteemi kuuluvate elementide füüsikalised ja keemilised omadused.
