Атам у хіміі - гэта ... Мадэль атама. будова атама

Думкі пра сутнасць усяго навакольнага пачалі наведваць чалавецтва задоўга да моманту росквіту сучаснай цывілізацыі. Спачатку людзі разважалі пра існаванне нейкіх вышэйшых сіл, якія, як яны лічылі, прадвызначала усё быцьцё. Але ўжо даволі хутка філосафы і святары пачалі задумвацца над тым, з чаго, уласна, складаецца сама тканіна гэтага быцця. Тэорый было мноства, але ў гістарычнай перспектыве пануючай стала атамарнага.

Што такое атам ў хіміі? Гэта, а таксама ўсе спадарожныя тэмы мы абмяркуем у рамках дадзенага артыкула. Спадзяемся, што ў ёй вы знойдзеце адказы на ўсе пытанні, якія вас пытанні.

Родапачынальнік атамарна тэорыі

З чаго пачынаецца першы ўрок хіміі? Будова атама - вось галоўная тэма. Вы напэўна памятаеце, што слова «атам» перакладаецца з старажытнагрэцкай мовы як «непадзельны». Цяпер шматлікія гісторыкі лічаць, што першым высунуў тэорыю, абвяшчае аб нейкіх драбнюткіх часціцах, з якіх складаецца ўсё існае, Дэмакрыт. Ён жыў яшчэ ў пятым стагоддзі да нашай эры.

На вялікі жаль, пра гэта выбітнага мысляра практычна нічога не вядома. Да нас не дайшоў ніводзін пісьмовая крыніца тых часоў. А таму пра ідэі найвялікшага навукоўца свайго часу нам даводзіцца даведвацца выключна з прац Арыстоцеля, Платона, а таксама іншых старажытнагрэцкіх мысляроў.

Такім чынам, наша тэма - "Будова атама". Па хіміі не ўсе мелі высокія ацэнкі, але шмат хто памятае пра тое, што ўсе высновы старажытных вучоных былі пабудаваныя выключна на вывадах. Дэмакрыт выключэннем не быў.

Як разважаў Дэмакрыт?

Логіка яго была гранічна простая, але разам з тым геніяльная. Уявіце, што ў вас ёсць самы востры нож ва ўсім свеце. Вы бераце яблык, да прыкладу, а затым пачынаеце яго разрэзаць: на дзве палоўкі, на чвэртачкі, іх зноў дзеліце ... Словам, рана ці позна вы атрымаеце лусты такой мізэрнай таўшчыні, што далей іх дзяліць ужо будзе нельга. Вось гэта і будзе непадзельны атам. У хіміі гэта зацвярджэнне лічылася сапраўдным ці ледзь не да канца 19 стагоддзя.

Ад Дэмакрыта да сучасных уяўленнях

Варта заўважыць, што ад старажытнагрэцкіх уяўленняў аб мікрасвеце захавалася адно толькі слова «атам». Цяпер кожны школьнік ведае, што навакольны нас свет складаецца з куды больш фундаментальных і дробных часціц. Акрамя таго, з пункту гледжання сучаснай навукі тэорыя Дэмакрыта была не больш чым чыста гіпатэтычнай выкладкай, не падмацаванай роўным лікам ніякімі доказамі. Зрэшты, у тыя часы не было электронных мікраскопаў, так што даказаць сваю правату іншымі спосабамі ў мысляра бы ўсё роўна не атрымалася.

Першыя падазрэнні аб тым, што Дэмакрыт на самай справе правоў, з'явіліся ў хімікаў. Яны хутка выявілі, што многія рэчывы ў ходзе рэакцый распадаюцца на больш простыя кампаненты. Акрамя таго, менавіта хімікі вывелі строгія заканамернасці дадзеных працэсаў. Так, яны звярнулі ўвагу, што для атрымання вады патрабуецца восем масавых доляй кіслароду і адна - вадароду (закон Авагадра).

У Сярэднія стагоддзі любы матэрыялістычнае вучэнне, у тым ліку і тэорыя Дэмакрыта, распаўсюджвання і развіцця атрымаць не магло ў прынцыпе. І толькі ў XVIII стагоддзі навукоўцы зноў вяртаюцца да атомистической тэорыі. Да таго часу хімік А. Лавуазье, наш вялікі М. В. Ламаносаў і найталенавіты англійская фізік Д. Дальтона (пра які мы пагаворым асобна), ужо пераканаўча даказалі сваім калегам рэальнасць існавання атамаў. Варта падкрэсліць, што нават у асвечаным 18 стагоддзі доўгі час атамарнага тэорыя многімі выбітнымі розумамі таго часу ўсур'ёз не разглядалася.

Як бы там ні было, але нават гэтыя вялікія навукоўцы яшчэ не вылучалі тэорый пра будынак самога атама, так як ён лічыўся адзінай і непадзельнай часціцай, асновай усяго існага.

На жаль, хімічныя досведы не маглі наглядна даказаць рэальнасць ператварэння атамаў адных рэчываў у іншыя. Але ўсё ж асноватворнай навукай ў вывучэнні будовы атамаў стала менавіта хімія. Атамы і малекулы доўгі час вывучаліся адным геніяльным рускім навукоўцам, без якога нельга ўявіць сабе сучасную навуку.

Вучэнне Д. І. Мендзялеева

Вялікую ролю ў станаўленні атамарнага вучэнні сыграў Д. І. Мендзялееў, які яшчэ ў 1869 году стварыў сваю геніяльную перыядычную сістэму. Упершыню навуковаму супольнасці была прадстаўлена тэорыя, якая не толькі не адпрэчвала, але і разумна дапаўняла ўсё здагадкі матэрыялістаў. Ужо ў 19 стагоддзі навукоўцы змаглі даказаць існаванне электронаў. Усе гэтыя высновы прымусілі лепшыя розумы 20-га стагоддзя сур'ёзна вывучыць атам. У хіміі гэты час таксама было адзначана мноствам адкрыццяў.

Але вучэнне Мендзялеева каштоўна ня толькі гэтым. Да гэтага часу застаецца незразумелым, як менавіта фармаваліся атамы розных хімічных элементаў. Але вялікі рускі навуковец змог пераканаўча даказаць, што ўсе яны без выключэння складаюцца ў блізкім сваяцтве адзін з адным.

адкрыццё Дальтона

Але здолець інтэрпрэтаваць множныя разрозненыя дадзеныя змог толькі Джон Дальтона, імя якога навекі захавана ў адкрытым ім самім законе. Звычайна навуковец даследаваў толькі паводзіны газаў, але кола інтарэсаў у яго быў нашмат шырэй. У 1808 годзе ён прыступіў да публікацыі сваёй новай фундаментальнай працы.

Менавіта Дальтон выказаў здагадку, што кожнаму хімічным элементу адпавядае вызначаны атам. Але навуковец, як і Дэмакрыт за шмат стагоддзяў да яго, усё ж меркаваў, што яны з'яўляюцца цалкам непадзельнымі. У яго чарнавіках нямала схематычны малюнкаў, на якіх атамы прадстаўлены ў выглядзе простых шарыкаў. Гэтая ідэя, якая зарадзілася больш за 2500 гадоў таму, праіснавала ці ледзь не да нашага часу! Зрэшты, толькі параўнальна нядаўна было адкрыта сапраўды глыбокае будову атама. Хімія (9 клас у прыватнасці) нават сёння шмат у чым кіруецца тымі ідэямі, якія былі ўпершыню агучаны ў 18 стагоддзі.

Эксперыментальныя пацверджання дзялімасці атамаў

Зрэшты, да канца 19 стагоддзя практычна ўсе навукоўцы лічылі, што атам - тая мяжа, за якім нічога няма. Яны думалі, што асновай усёй светабудовы з'яўляецца менавіта ён. Гэтаму спрыялі розныя эксперыменты: як ні круці, але змяняліся толькі толькі малекулы, у той час як з самімі атамамі рэчываў не адбывалася зусім нічога, чаго б не змагла растлумачыць найпростая хімія. Будова атама вугляроду, да прыкладу, застаецца цалкам нязменным нават у розных алатропныя станах.

Словам, доўгі час не было роўным лікам ніякіх эксперыментальных дадзеных, якія хоць бы ўскосна пацвярджалі падазрэнні некаторых навукоўцаў пра тое, што маюцца нейкія больш фундаментальныя часціцы. Толькі ў 19 стагоддзі (не ў апошнюю чаргу дзякуючы доследам мужа і жонкі Кюры) было даказана, што ў пэўных умовах атамы адных элементаў могуць ператварацца ў іншыя. Гэтыя адкрыцці ляглі ў аснову сучасных уяўленняў аб навакольным нас міры.

Разынкі і пудынгі

У 1897 году Дж. Томсанам, ангельскай фізікам, было ўстаноўлена, што ў любым атаме маецца некаторая колькасць адмоўна зараджаных часціц, якія ён жа назваў «электронамі». Ужо ў 1904 году навуковец стварыў першую атамарнага мадэль, якая больш вядомая пад пазначэннем «пудынг з разынкамі». Назва цалкам дакладна адлюстроўвае сутнасць. Мяркуючы па тэорыі Томсана, атам у хіміі - гэта нейкі «сасуд» з раўнамерна размеркаваным у ім зарадам і электронамі.

Заўважым, што падобная мадэль мела хаджэнне нават у 20-м стагоддзі. Пасля аказалася, што яна была зусім няправільнай. Але ўсё ж гэта была першая усвядомленая спроба чалавека (прычым на навуковай аснове) ўзнавіць навакольны яго мікрасвет, прапанаваўшы мадэль атама, досыць простую і наглядную.

досведы Кюры

Прынята лічыць, што муж і жонка П'ер і Марыя Кюры паклалі пачатак атамнай фізіцы. Вядома ж, уклад гэтых геніяльных людзей, фактычна якія ахвяравалі сваім здароўем і жыццём, нельга недаацаніць, але іх досведы мелі і куды больш фундаментальнае значэнне. Практычна адначасова з Резерфордом яны даказалі, што атам - значна больш складаная і разнастайная структура. Само з'ява радыеактыўнасці, якое яны даследавалі, менавіта пра гэта і казала.

Ужо ў пачатку 1898 гады Марыя публікуе першы артыкул, прысвечаную радыяцыі. Неўзабаве Марыя і П'ер Кюры даказалі, што ў сумесі хлорысты злучэнняў ўрану і радыя пачынаюць з'яўляцца іншыя рэчывы, у існаванні якіх сумнявалася афіцыйная хімія. Будова атама з тых часоў пачалі даследаваць ўшчыльную.

«Планетарны» падыход

Нарэшце Радэрфорд вырашыў вырабіць бамбаванне атамаў цяжкіх металаў α-часціцамі (цалкам іянізаваных гелій). Вучоны адразу ж выказаў здагадку, што лёгкія электроны ніяк не змогуць памяняць траекторыю руху часціц. Адпаведна, рассейванне могуць выклікаць толькі нейкія больш цяжкія элементы, якія могуць утрымлівацца ў ядры атама. Адразу заўважым, што першапачаткова Радэрфорд ніяк не прэтэндаваў на змяненне тэорыі «пудынгу». Гэтая мадэль атама лічылася бездакорнай.

А таму вынік, пры якім амаль усе часціцы без праблем праходзілі праз тонкі пласт срэбра, яго не здзівіў. Вось толькі неўзабаве высветлілася, што некаторыя атамы гелія адхіляліся адразу на 30 °. Гэта было зусім не тое, пра што казала ў той час хімія. Склад атама па Томсан меркаваў раўнамернае размеркаванне электронаў. Але гэтаму відавочна супярэчылі назіраныя з'явы.

Надзвычай рэдка, але ўсё ж некаторыя часціцы ляцелі пад вуглом нават 180 °. Радэрфорд быў у глыбокім здзіўленні. Бо гэта рэзка супярэчыла «пудынг», зарад у якім павінен быў быць (па тэорыі Томсана) размеркаваны раўнамерна. Такім чынам, нераўнамерна зараджаныя ўчасткі, якія маглі б адштурхоўваць іянізаваных гелій, павінны былі адсутнічаць.

Да якіх высноваў прыйшоў Резерфорд?

Гэтыя абставіны і наштурхнулі навукоўца на думку, што атам практычна пусты і толькі ў цэнтры засяроджана нейкае адукацыю з станоўчым зарадам - ядро. Так і ўзнікла планетарная мадэль атама, пастулаты якой наступныя:

• Як мы ўжо і казалі, у цэнтральнай частцы размешчана ядро, прычым яго аб'ём (у адносінах да памеру самага атама) нікчэмна малы.
• Практычна ўся атамарнага маса, а таксама ўвесь станоўчы зарад знаходзяцца менавіта ў ядры.
• Вакол яго круцяцца электроны. Важна, што іх колькасць роўна значэнню станоўчага зарада.

парадоксы тэорыі

Усё было б добра, але дадзеная мадэль атама ніяк не тлумачыць іх неверагодную ўстойлівасць. Варта памятаць, што электроны рухаюцца па сваіх арбітах з велізарным паскарэннем. Па ўсіх законах электрадынамікі такі аб'ект з часам павінен страціць свой зарад. Калі браць пад увагу пастулаты Ньютана і Максвелла, то электроны наогул павінны сыпацца на ядро, нібы град на зямлю.

Вядома, нічога такога ў рэальнасці не адбываецца. Любы атам не толькі цалкам ўстойлівы, але і можа існаваць зусім неабмежаваны час, прычым ніякага выпраменьвання ад яго ісці не будзе. Такое неадпаведнасць тлумачыцца тым, што да мікрасвету мы спрабуем прымяняць законы, якія сапраўдныя толькі ў дачыненні да класічнай механікі. А яны, як аказалася, да з'яў атамарнага маштабу непрыдатныя зусім. А таму будынак атама (хімія, 11 клас) аўтары падручнікаў імкнуцца растлумачыць як мага больш простымі словамі.

вучэнне Бора

Дацкім фізікам Нільсэн Борам было даказана, што на мікрасвет нельга распаўсюджваць тыя ж законы, палажэнні якіх справядлівыя для макраскапічным аб'ектаў. Менавіта яму належыць ідэя аб тым, што мікрасвет «кіруецца» выключна квантавымі законамі. Вядома, тады не існавала самой квантавай тэорыі, але Бор фактычна стаў яе родапачынальнікам, выказаўшы свае думкі ў выглядзе трох пастулатаў, якія «ратавалі» атам, немінуча б загінулы, калі б ён «жыў» паводле тэорыі Рэзерфорда. Менавіта гэтая тэорыя датчаніна легла ў аснову ўсёй квантавай механікі.

пастулаты Бора

• Першы з іх абвяшчае: любая атамная сістэма можа знаходзіцца толькі ў адмысловых атамных станах, прычым для кожнага з іх характэрна пэўнае значэнне энергіі (Е). Калі стан атама стацыянарнае (спакойнае), то выпраменьваць ён не можа.
• Другі пастулат кажа пра тое, што выпраменьванне светлавой энергіі адбываецца толькі ў выпадку пераходу са стану з большай энергіяй у больш умеранае. Адпаведна, якая выдаткоўваецца энергія роўная розніцы значэнняў паміж двума стацыянарнымі станамі.

Мадэль атама Нільса Бора

Гэтую полуклассическую тэорыю вучоны прапанаваў у 1913 году. Характэрна, што ў яе аснову ён паклаў планетарную мадэль Рэзерфорда, які незадоўга да яго апісаў атам рэчыва. Мы ўжо казалі, што класічная механіка супярэчыла выкладкам Рэзерфорда: зыходзячы з яе, меркавалася, што з часам электрон павінен быў абавязкова зваліцца на паверхню атама.

Каб «абыйсці» гэта супярэчнасць, вучоны ўвёў спецыяльнае дапушчэнне. Яго сутнасць заключалася ў тым, што выпраменьваць энергію (што і павінна было прыводзіць да іх падзення) электроны могуць, толькі рухаючыся па нейкім вызначаным арбітах. Пры руху жа іх па іншых траекторыях нібыта хімічныя атамы заставаліся ў пасіўным стане. Паводле тэорыі Бора такімі арбітамі з'яўляліся тыя, колькасны момант руху па якіх быў роўны пастаянным Планка.

Квантавая тэорыя будовы атама

Як мы ўжо казалі, на сённяшні дзень у хаду квантавая тэорыя будовы атама. Хімія апошніх гадоў карыстаецца выключна ёю. У яе аснове ляжаць чатыры асноватворных аксіёмы.

1. Па-першае, дваістасць (карпускулярна-хвалевая прырода) самога электрона. Прасцей кажучы, паводзіць сябе гэтая часціца і як матэрыяльны аб'ект (корпускул), і як хваля. Як часціца ён мае пэўны зарад і масу. Здольнасць ж да дыфракцыі радніць электроны з класічнымі хвалямі. Даўжыня гэтай самай хвалі (λ) і хуткасць часціцы (v) могуць быць звязаны адзін з адным спецыяльным суадносінамі дэ Бройлем: λ = h / mv. Як можна здагадацца, m - маса самога электрона.

2. каардынаты і хуткасць часціцы замерыць з абсалютнай дакладнасцю цалкам немагчыма. Чым дакладней вызначаецца каардыната, тым вышэй нявызначанасць у хуткасці. Як, зрэшты, і наадварот. Гэта з'ява атрымала назву нявызначанасці Гейзенберга, якое можа быць выказана ў выглядзе наступнага суадносін: Δx ∙ m ∙ Δv> О / 2. Дэльта Х (Δх) выказвае нявызначанасць становішча каардынаты ў прасторы. Адпаведна, дэльта V (Δv) адлюстроўвае хуткасныя хібнасці.

3. Насуперак усім раней распаўсюджаным меркаванням, электроны не праходзяць па строга вызначаным арбітах, як цягнікі па рэйках. Квантавая тэорыя абвяшчае, што электрон можа знаходзіцца ў любым пункце прасторы, але верагоднасць гэтага розная для кожнага адрэзка.

Тая частка прасторы вакол непасрэдна атамнага ядра, у якой гэтая верагоднасць максімальная, называецца арбіталей. Сучасная хімія будынак электронных абалонак атамаў вывучае менавіта з гэтага пункту гледжання. Вядома, у школах вучаць правільным размеркаванні электронаў па ўзроўнях, але, па ўсёй бачнасці, у рэальнасці яны разыходзяцца зусім інакш.

4. Ядро атама складаецца з нуклонов (пратонаў і нейтронаў). Парадкавы нумар элемента ў перыядычнай сістэме паказвае на колькасць пратонаў у яго ядры, а сума пратонаў і нейтронаў роўная атамарна масе. Вось як тлумачыць будынак ядра атама хімія сучаснасці.

Заснавальнікі квантавай механікі

Адзначым тых навукоўцаў, якія ўнеслі найбольшы ўклад у развіццё гэтак важнай галіны: французскі фізік Л. дэ Бройлем, немец В. Гейзенберг, аўстрыец Э. Шредингер, ангелец П. Дирак. Усе гэтыя людзі пасля былі ўдастоены Нобелеўскай прэміі.

Як жа далёка ў гэтым плане пайшла хімія? Будова атама большасць хімікаў тых гадоў лічылі досыць простым: шматлікія толькі да 1947 году канчаткова прызналі рэальнасць існавання элементарных часціц.

некаторыя высновы

Наогул, пры стварэнні квантавай тэорыі не абышлося без матэматыкаў, так як усе гэтыя працэсы можна разлічыць толькі з выкарыстаннем самых складаных вылічэнняў. Але самая галоўная цяжкасць заключаецца зусім не ў гэтым. Тыя працэсы, якія апісваюцца дадзенай тэорыяй, недаступныя не толькі нашым органам пачуццяў, нягледзячы на ўсю сучасную навуковую тэхніку, але і ўяўленню.

Ні адзін чалавек нават прыблізна не можа ўявіць сабе працэсы ў мікрасвеце, бо яны зусім не падобныя на ўсе тыя з'явы, якія мы назіраем у макрасвет. Удумайцеся толькі: апошнія адкрыцця даюць падставу меркаваць, што кварк, нейтрына і іншыя фундаментальныя часціцы існуюць у девятимерном (!) Вымярэнні. Як чалавек, які жыве ў трохмернай прасторы, можа нават прыблізна апісваць іх паводзіны?

У сапраўдны момант нам застаецца толькі спадзявацца на матэматыку і моц сучасных кампутараў, якія, быць можа, будуць выкарыстаныя для мадэлявання мікрасвету. Адчувальна дапамагае і хімія: будову атама напэўна будзе перагледжана, пасля таго як нядаўна навукоўцы, якія працуюць у гэтай галіне, паведамілі аб адкрыцці новага тыпу хімічнай сувязі.

Сучаснае ўяўленне пра будову атама

Калі вы ўважліва прачыталі ўсё вышэйпададзенае, то напэўна і самі зможаце сказаць, якое сённяшняе ўяўленне пра будынак атамаў рэчываў. Але ўсё ж мы растлумачым: гэта некалькі перайначаная тэорыя Рэзерфорда, дапоўненая неацэннымі пастулатамі Нільса Бора. Прасцей кажучы, сёння лічыцца, што электроны рухаюцца па хаатычным, размытым траекторыях каля ядра, якое складаецца з нейтронаў і пратонаў. Тая частка прасторы вакол яго, у якой з'яўленне электрона найбольш верагодна, называецца арбіталей.

Пакуль не ўяўляецца магчымым дакладна сказаць, як будуць мяняцца нашы ўяўленні пра будынак атама ў далейшым. Штодня навукоўцы працуюць над пранікненнем у таямніцы мікрасвету: БАК (Вялікі андронны коллайдер), Нобелеўскія прэміі ў галіне фізікі - усё гэта з'яўляецца вынікам дадзеных пошукаў.

Але нават цяпер мы не ўяўляем і прыблізнай карціны таго, што яшчэ хаваюць атамы. Зразумела толькі, што сам атам у маштабах мікрасвету - велізарны шматкватэрны дом, у якім намі абследаваны хіба што першы паверх, ды і то не цалкам. Практычна штогод з'яўляюцца паведамленні пра магчымасць адкрыцця ўсё новых і новых элементарных часціц. Калі працэс даследавання атамаў будзе цалкам скончаны, сёння прагназаваць не возьмецца ніхто.

Дастаткова сказаць, што нашы ўяўленні пра іх пачалі змяняцца толькі з 1947 года, калі былі адчыненыя так званыя V-часціцы. Да гэтага людзі толькі трохі паглыбілі тэорыі, на якіх з 19 стагоддзя грунтавалася хімія. Будова атама - займальная загадка, разгадваннем якой занятыя лепшыя розумы чалавецтва.