ความหมายของอะตอมและโมเลกุล ความหมายของอะตอมจนกระทั่ง 1932

ตั้งแต่สมัยโบราณจนถึงกลางศตวรรษที่ 18 วิทยาศาสตร์ถูกครอบงำด้วยความคิดว่าอะตอมเป็นอนุภาคของสสารที่ไม่สามารถแบ่งออกได้ นักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษและนักธรรมชาติวิทยา D. Dalton ได้ให้นิยามของอะตอมเป็นส่วนเล็ก ๆ ของธาตุเคมี MV Lomonosov ในทฤษฎีอะตอมโมเลกุลของเขาสามารถกำหนดอะตอมและโมเลกุลได้ เขาแน่ใจว่าโมเลกุลที่เขาเรียกว่า "corpuscles" ประกอบด้วย "ธาตุ" - อะตอมและเคลื่อนไหวอยู่ตลอดเวลา

DI Mendeleyev เชื่อว่า subunit นี้ของสารที่สร้างขึ้นในโลกวัสดุรักษาคุณสมบัติทั้งหมดของเฉพาะในกรณีที่ไม่ได้อยู่ภายใต้การแยก ในบทความนี้เราจะกำหนดอะตอมเป็นวัตถุของ microworld และศึกษาคุณสมบัติของอะตอม

เบื้องหลังทฤษฎีโครงสร้างของอะตอม

ในศตวรรษที่ 19 คำแถลงความไม่เท่าเทียมกันของอะตอมเป็นที่ยอมรับกันโดยทั่วไป นักวิทยาศาสตร์ส่วนใหญ่เชื่อว่าอนุภาคของธาตุเคมีตัวเดียวไม่สามารถกลายเป็นอะตอมของธาตุอื่นได้ การแสดงเหล่านี้เป็นพื้นฐานในการกำหนดอะตอมของอะตอมจนกระทั่งปีพ. ศ. 2475 ในตอนท้ายของศตวรรษที่ 19 การค้นพบพื้นฐานได้ทำขึ้นในทางวิทยาศาสตร์ที่เปลี่ยนมุมมองนี้ ประการแรกนักฟิสิกส์ของอังกฤษ D. J. Thomson ในปี 1897 ได้ค้นพบอิเล็กตรอน ความจริงข้อนี้ได้เปลี่ยนความคิดของนักวิทยาศาสตร์เกี่ยวกับความไม่สามารถแบ่งแยกองค์ประกอบทางเคมีได้

วิธีการพิสูจน์ว่าอะตอมมีความซับซ้อน

แม้กระทั่งก่อนการ ค้นพบอิเล็กตรอน นักวิทยาศาสตร์ได้ให้ข้อตกลงเป็นเอกฉันท์ว่าอะตอมไม่มีค่าใช้จ่าย จากนั้นก็มีการจัดตั้งว่าอิเล็กตรอนสามารถสกัดได้ง่ายจากสารเคมีใด ๆ พวกเขาสามารถพบได้ในเปลวไฟพวกเขาเป็นผู้ให้บริการของกระแสไฟฟ้าที่พวกเขาจะปล่อยออกมาจากสารในช่วงรังสีเอกซ์

แต่ถ้าอิเล็กตรอนรวมอยู่ในอะตอมทั้งหมดโดยไม่มีข้อยกเว้นและมีประจุลบแล้วยังคงมีอนุภาคในอะตอมที่จำเป็นต้องมีประจุบวกมิฉะนั้นอะตอมจะไม่เป็นกลางทางไฟฟ้า ช่วยในการคลี่คลายโครงสร้างของอะตอมได้รับการช่วยเหลือจากปรากฏการณ์ทางกายภาพเช่นกัมมันตภาพรังสี มันให้ความหมายที่ถูกต้องของอะตอมในฟิสิกส์และจากนั้นในทางเคมี

รังสีที่มองไม่เห็น

นักฟิสิกส์ชาวฝรั่งเศส A. Becquerel ได้บรรยายถึงปรากฏการณ์ของการแผ่รังสีโดยอะตอมของธาตุเคมีบางชนิดรังสีที่มองไม่เห็นได้ พวกเขาทำให้เป็นไอระเหยในอากาศผ่านสารก่อให้เกิดการทำให้เป็นสีดำของแผ่นถ่ายภาพ ต่อมา Curie คู่และ E. Rutherford พบว่าสารกัมมันตภาพรังสีถูกแปลงเป็นอะตอมของสารเคมีอื่น ๆ (ตัวอย่างเช่นยูเรเนียมกับเนปจูนเนียม)

รังสีกัมมันตรังสีต่างกันในองค์ประกอบ: อนุภาคแอลฟาอนุภาคเบต้ารังสีแกมมา ดังนั้นปรากฏการณ์ของกัมมันตภาพรังสียืนยันว่าอนุภาคของธาตุในตารางธาตุมีโครงสร้างที่ซับซ้อน ความจริงข้อนี้คือเหตุผลที่ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงที่นำไปสู่ความหมายของอะตอม อะตอมของอะตอมประกอบด้วยอะไรโดยคำนึงถึงข้อเท็จจริงทางวิทยาศาสตร์ใหม่ของ Rutherford? คำตอบของคำถามนี้คือแบบจำลองนิวเคลียร์ของอะตอมที่นักวิทยาศาสตร์เสนอให้ตามที่อิเล็กตรอนรอบนิวเคลียสที่มีประจุบวกหมุนตัว

ความขัดแย้งของรูปแบบ Rutherford

ทฤษฎีของนักวิทยาศาสตร์แม้จะมีตัวละครโดดเด่นของเธอไม่สามารถกำหนดอะตอมได้ ข้อสรุปของเธอตรงกันข้ามกับกฎพื้นฐานของอุณหพลศาสตร์ตามที่อิเล็กตรอนทุกตัวหมุนรอบนิวเคลียสสูญเสียพลังงานและอย่างไรก็ตามอาจจะไม่ช้าก็เร็วพวกมันต้องตกอยู่ในนั้น อะตอมถูกทำลายในกรณีนี้ สิ่งนี้ไม่เกิดขึ้นจริงเนื่องจากองค์ประกอบทางเคมีและอนุภาคที่พวกมันประกอบขึ้นมีอยู่ในธรรมชาติเป็นเวลานาน คำจำกัดความของอะตอมนี้ขึ้นอยู่กับทฤษฎีของรัทเธอร์ฟอร์ดไม่สามารถอธิบายได้เช่นเดียวกับปรากฏการณ์ที่เกิดขึ้นเมื่อสารเรียบง่ายที่ผ่านตะแกรงการเลี้ยวเบน หลังจากที่ทุกสเปกตรัมอะตอมที่เกิดมีรูปแบบเส้นตรง นี่คือความขัดแย้งกับนางแบบ Rutherford ของอะตอมตามที่สเปกตรัมจะต้องเป็นไปอย่างต่อเนื่อง ตามแนวคิดของกลศาสตร์ควอนตัมในปัจจุบันอิเล็กตรอนมีลักษณะในนิวเคลียสไม่ได้เป็นวัตถุจุด แต่มีรูปแบบของเมฆอิเล็กตรอน

ความหนาแน่นมากที่สุดในพื้นที่เฉพาะของพื้นที่รอบนิวเคลียสถือเป็นที่ตั้งของอนุภาคในช่วงเวลาที่กำหนด นอกจากนี้ยังพบว่าในอะตอมอิเล็กตรอนเป็นชั้น ๆ จำนวนชั้นสามารถกำหนดได้โดยทราบจำนวนรอบระยะเวลาที่ธาตุอยู่ในตารางธาตุของ DI Mendeleyev ตัวอย่างเช่นอะตอมของฟอสฟอรัสมีอิเล็กตรอน 15 และมีระดับพลังงานอยู่ 3 ระดับ ตัวบ่งชี้ที่กำหนดจำนวนระดับพลังงานเรียกว่าจำนวนควอนตัมหลัก

ได้รับการทดลองแล้วว่าอิเล็กตรอนในระดับพลังงานใกล้กับนิวเคลียสมีพลังงานน้อยที่สุด ซองจดหมายพลังงานแต่ละชั้นถูกแบ่งออกเป็น sublevels และพวกเขาก็จะกลายเป็น orbitals อิเล็กตรอนที่อยู่บน orbitals ต่างกันมีรูปร่างเมฆเหมือนกัน (s, p, d, f)

จากสิ่งที่กล่าวมาข้างต้นเป็นไปตามที่รูปร่างของเมฆอิเล็กตรอนไม่สามารถ arbitrary มีการระบุอย่างเคร่งครัดตาม จำนวนควอนตัมที่ วงโคจร นอกจากนี้เรายังเพิ่มอีกว่าสถานะของอิเล็กตรอนในอนุภาคแม็กกาซีนจะถูกกำหนดด้วยค่ามากกว่าสองค่า ได้แก่ เลขควอนตัมแม่เหล็กและสปิน แรกขึ้นอยู่กับสมการ Schrodinger และกำหนดรูปแบบการกำหนดทิศทางเชิงพื้นที่ของเมฆอิเล็กตรอนขึ้นอยู่กับสามมิติของโลกของเรา พารามิเตอร์ที่สองคือจำนวนการหมุนจะกำหนดการหมุนของอิเล็กตรอนเกี่ยวกับแกนตามหรือทวนเข็มนาฬิกา

การค้นพบนิวตรอน

ขอบคุณทำงานของ D. Chadwick ดำเนินการโดยเขาในปี 1932 ความหมายใหม่ของอะตอมในวิชาเคมีและฟิสิกส์ได้รับ ในการทดลองของเขานักวิทยาศาสตร์ได้พิสูจน์ว่าการแตกโพโลนนีก่อให้เกิดรังสีที่เกิดจากอนุภาคที่ไม่ได้มีประจุมีมวล 1.008665 อนุภาคมูลฐานใหม่เรียกว่านิวตรอน การค้นพบและการศึกษาคุณสมบัติของมันทำให้นักวิทยาศาสตร์ของโซเวียต V. Gapon และ D. Ivanenko สามารถสร้างทฤษฎีใหม่เกี่ยวกับโครงสร้างของนิวเคลียสอะตอมที่มีโปรตอนและนิวตรอนได้

ตามทฤษฎีใหม่คำจำกัดความของอะตอมของสสารมีรูปแบบดังต่อไปนี้: เป็นหน่วยโครงสร้างขององค์ประกอบทางเคมีซึ่งประกอบด้วยนิวเคลียสที่มีโปรตอนและนิวตรอนและอิเล็กตรอนเคลื่อนที่ไปรอบ ๆ จำนวนอนุภาคบวกในนิวเคลียสจะเท่ากับจำนวนลำดับชั้นขององค์ประกอบทางเคมีในระบบเป็นระยะ ๆ

ต่อมาศาสตราจารย์เอ. เจดอนาฟในการทดลองของเขายืนยันว่าภายใต้อิทธิพลของรังสีคอสมิกที่หนักนิวเคลียสอะตอมแยกเป็นโปรตอนและนิวตรอน นอกจากนี้ยังพิสูจน์ได้ว่ากำลังที่ยึดอนุภาคมูลฐานเหล่านี้ไว้ในแกนมีพลังงานมาก พวกเขาทำงานในระยะทางที่สั้นมาก (จากคำสั่งของ 10 ^-23 ซม.) และเรียกว่านิวเคลียร์ อย่างที่กล่าวกันมาก่อน MV Lomonosov สามารถกำหนดอะตอมและโมเลกุลบนพื้นฐานของข้อเท็จจริงทางวิทยาศาสตร์ที่เขารู้จัก

ในปัจจุบันรูปแบบต่อไปนี้ได้รับการยอมรับอย่างกว้างขวาง: อะตอมประกอบด้วยนิวเคลียสและอิเล็กตรอนเคลื่อนที่ไปรอบ ๆ ตามแนวโคจรที่กำหนดไว้อย่างเคร่งครัด - orbitals อิเล็กตรอนแสดงคุณสมบัติและอนุภาคพร้อมกันและคลื่นนั่นคือมีลักษณะคู่กัน เกือบทั้งหมดของมวลของมันมีความเข้มข้นในนิวเคลียสของอะตอม ประกอบด้วยโปรตอนและนิวตรอนที่ถูกบังคับโดยกองกำลังนิวเคลียร์

สามารถชั่งน้ำหนักอะตอมได้หรือไม่

ปรากฎว่าแต่ละอะตอมมีมวล ตัวอย่างเช่นมีปริมาณไฮโดรเจน 1.67x10-24 กรัมแม้จะยากที่จะจินตนาการว่าค่านี้มีขนาดเล็กเพียงใด เพื่อหาน้ำหนักของวัตถุดังกล่าวไม่สมดุลใช้ แต่ oscillator ที่เป็น ท่อนาโนคาร์บอน ในการคำนวณน้ำหนักของอะตอมและโมเลกุลยิ่งสะดวกก็คือมวลสัมพัทธ์ แสดงให้เห็นว่าน้ำหนักของโมเลกุลหรืออะตอมมีค่ามากกว่าที่ 1/12 ของอะตอมของคาร์บอนซึ่งเป็น 1.66x10 ^-27 กก. มวลอะตอมสัมพัทธ์จะแสดงในระบบทางเคมีของธาตุและไม่มีมิติ

นักวิทยาศาสตร์รู้ดีว่ามวลอะตอมของธาตุเคมีเป็นค่าเฉลี่ยของมวลของไอโซโทปทั้งหมด ปรากฎว่าในธรรมชาติหน่วยของธาตุเคมีชนิดหนึ่งมีมวลแตกต่างกัน ค่าของนิวเคลียสของอนุภาคโครงสร้างดังกล่าวมีค่าเท่ากัน

นักวิทยาศาสตร์ยืนยันว่าไอโซโทปมีความแตกต่างกันในจำนวนนิวตรอนในนิวเคลียสและค่านิวเคลียสในนิวเคลียสอยู่ในเกณฑ์เดียวกัน ยกตัวอย่างเช่นคลอรีนอะตอมมีมวล 35 ประกอบด้วย 18 นิวตรอนและ 17 โปรตอนและมีมวล 37-20 นิวตรอนและ 17 โปรตอน องค์ประกอบทางเคมีหลายชนิดเป็นส่วนผสมของไอโซโทป ตัวอย่างเช่นสารที่ง่ายเช่นโพแทสเซียมอาร์กอนและออกซิเจนมีอะตอมที่เป็นตัวแทนของไอโซโทป 3 ชนิดที่แตกต่างกัน

นิยามของอะตอมมิก

มีการตีความหลายอย่าง พิจารณาคำว่า chemistry ในคำนี้ ถ้าอะตอมของธาตุเคมีมีความสามารถในการแยกตัวออกจากกันได้อย่างน้อยหนึ่งช่วงเวลาโดยไม่ต้องการสร้างอนุภาคที่ซับซ้อนมากขึ้นนั่นคือโมเลกุลแล้วพวกเขาก็บอกว่าสารดังกล่าวมีโครงสร้างอะตอม ตัวอย่างเช่นปฏิกิริยาหลายขั้นตอนของคลอรีนมีเทน มันถูกใช้กันอย่างแพร่หลายในทางเคมีของการสังเคราะห์สารอินทรีย์เพื่อผลิตอนุพันธ์ฮาโลเจนที่สำคัญที่สุดที่มีอยู่: dichloromethane, carbon tetrachloride ในนั้นโมเลกุลคลอรีนแบ่งเป็นอะตอมที่มีปฏิกิริยาสูง พวกเขาทำลายพันธบัตรซิกมาในโมเลกุลของมีเทนซึ่งเป็นปฏิกิริยาลูกโซ่ของการทดแทน

อีกตัวอย่างหนึ่งของกระบวนการทางเคมีที่มีความสำคัญอย่างยิ่งยวดในอุตสาหกรรมคือการใช้ไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์เป็นสารฆ่าเชื้อและสารฟอกสี การตรวจหาอะตอมออกซิเจนเป็นผลพลอยได้จากการแตกตัวของไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์เกิดขึ้นทั้งในเซลล์ที่มีชีวิต (ภายใต้การทำงานของเอนไซม์คาตาเลส) และในห้องปฏิบัติการ อะตอมออกซิเจนถูก กำหนดโดยคุณสมบัติต้านอนุมูลอิสระสูงเช่นเดียวกับความสามารถในการทำลายสารก่อโรคเชื้อแบคทีเรียเชื้อราและสปอร์

เปลือกของอะตอมเป็นอย่างไร?

เราได้ชี้แจงก่อนหน้านี้ว่าโครงสร้างขององค์ประกอบทางเคมีมีโครงสร้างที่ซับซ้อน รอบนิวเคลียสบวกประจุลบอนุภาคคืออิเล็กตรอนหมุน ผู้ที่ได้รับรางวัลโนเบล Niels Bohr ซึ่งตั้งอยู่บนทฤษฎีควอนตัมของแสงสร้างหลักคำสอนของตัวเองขึ้นมาซึ่งลักษณะและนิยามของอะตอมมีรูปแบบดังนี้อิเล็กตรอนเคลื่อนที่ไปรอบนิวเคลียสตามแนววิถีคงที่โดยไม่เปล่งแสง การเรียนการสอนของ Bohr พิสูจน์ว่าอนุภาคของ microworld ซึ่งอะตอมและโมเลกุลอยู่ในนั้นอย่าปฏิบัติตามกฎหมายที่ถูกต้องสำหรับวัตถุขนาดใหญ่ - วัตถุของจักรวาล

โครงสร้างของเปลือกหอยอิเล็กตรอนของอนุภาคถูกศึกษาในเอกสารเกี่ยวกับฟิสิกส์ควอนตัมของนักวิทยาศาสตร์เช่น Hund, Pauli, Klechkovsky ดังนั้นจึงเป็นที่ทราบกันดีว่าอิเล็กตรอนหมุนรอบตัวรอบนิวเคลียสไม่วุ่นวาย แต่อยู่บนพื้นฐานของวิถีโคลงบางอย่าง Pauli ได้กำหนดว่าในแต่ละระดับพลังงานในแต่ละ orbitals ของ, p, d, f ในเซลล์อิเล็กทรอนิกส์จะมีอนุภาคประจุลบได้มากกว่าสองอนุภาคที่มีการหมุนตรงข้าม + 1 และ -1

กฎของ Hund อธิบายว่า orbitals ที่มีระดับพลังงานเท่ากันเติมด้วยอิเลคตรอนหรือไม่

กฎ Klechkovsky ที่เรียกว่ากฎ n + 1 อธิบายว่า orbitals ของอะตอมอิเล็กตรอนจำนวนมาก (องค์ประกอบของ 5, 6, 7 ระยะเวลา) กำลังถูกเติมเต็ม ทั้งหมดของกฎหมายดังกล่าวทำหน้าที่เป็นพื้นฐานทฤษฎีสำหรับระบบขององค์ประกอบทางเคมีที่สร้างขึ้นโดย Dmitry Mendeleyev

ระดับออกซิเดชัน

มันเป็นแนวคิดพื้นฐานในทางเคมีและ characterizes สถานะของอะตอมในโมเลกุล ความหมายที่ทันสมัยขององศาออกซิเดชันของอะตอมมีดังต่อไปนี้: มันเป็นข้ออ้างตามกฎของอะตอมในโมเลกุลซึ่งคำนวณได้จากความคิดที่ว่าโมเลกุลมีองค์ประกอบไอออนิกเพียงอย่างเดียว

ระดับออกซิเดชันสามารถแสดงเป็นจำนวนเต็มหรือเศษส่วนโดยมีค่าเป็นบวกลบหรือเป็นศูนย์ ส่วนใหญ่อะตอมของธาตุเคมีมีหลายองศาออกซิเดชัน ตัวอย่างเช่นในไนโตรเจนนี่คือ -3, -2, 0, +1, +2, +3, +4, +5 แต่สารเคมีดังกล่าวเป็นฟลูออรีนในสารประกอบทั้งหมดของมันมีเพียง 1 องศาออกซิเดชันเท่ากับ -1 ถ้ามีการแสดงโดยสารที่เรียบง่ายแล้วระดับของการออกซิเดชันเป็นศูนย์ ค่าทางเคมีนี้เหมาะสำหรับการจำแนกประเภทของสารและอธิบายคุณสมบัติของสารเคมี ส่วนใหญ่องศาของการเกิดออกซิเดชันของอะตอมจะถูกใช้ในทางเคมีเมื่อเขียนสมการปฏิกิริยาการเกิดออกซิเดชันและการลดลง

สมบัติของอะตอม

จากการค้นพบฟิสิกส์ควอนตัมคำจำกัดความของอะตอมที่ทันสมัยขึ้นอยู่กับทฤษฎีของ D. Ivanenko และ E. Gapon ถูกเสริมด้วยข้อเท็จจริงทางวิทยาศาสตร์ต่อไปนี้ โครงสร้างของนิวเคลียสอะตอมไม่เปลี่ยนแปลงในระหว่างปฏิกิริยาทางเคมี เฉพาะ orbitals อิเล็กทรอนิกส์นิ่งอาจมีการเปลี่ยนแปลง โครงสร้างของมันสามารถอธิบายคุณสมบัติทางกายภาพและทางเคมีของสารได้มาก ถ้าอิเล็กตรอนออกจากวงโคจรที่เคลื่อนที่และไปยังวงโคจรที่มีดัชนีพลังงานสูงกว่านั้นอะตอมจะเรียกว่าตื่นเต้น

ควรสังเกตว่าอิเล็กตรอนไม่สามารถอยู่บน orbitals ดังกล่าวที่ผิดปกติสำหรับพวกเขาเป็นเวลานาน กลับไปยังวงโคจรอยู่นิ่งอิเล็กตรอนจะส่งพลังงานควอนตัม การศึกษาลักษณะของหน่วยโครงสร้างขององค์ประกอบทางเคมีเช่นความสัมพันธ์ของอิเล็กตรอนอิเล็กตรอนพลังงานไอออนไนซ์ทำให้นักวิทยาศาสตร์ไม่เพียง แต่กำหนดอะตอมเป็นอนุภาคที่สำคัญที่สุดของ microworld แต่ยังช่วยให้พวกเขาสามารถอธิบายถึงความสามารถของอะตอมในการสร้างสถานะโมเลกุลที่มั่นคงและมีพลังมากขึ้นในเรื่อง การสร้างพันธะเคมีที่แตกต่างกัน: ไอโอนิก, โควาเลนต์ขั้วโลกและ nonpolar, ผู้บริจาคยอมรับ (เป็นชนิดของพันธะโควาเลนต์) และ m etallicheskoy หลังกำหนดคุณสมบัติทางกายภาพและทางเคมีที่สำคัญที่สุดของโลหะทั้งหมด

ได้รับการทดลองแล้วว่าขนาดของอะตอมอาจเปลี่ยนแปลงได้ ทุกอย่างจะขึ้นอยู่กับโมเลกุลที่เข้ามา ด้วยการวิเคราะห์ด้วยรังสีเอ็กซ์สามารถคำนวณระยะห่างระหว่างอะตอมในสารประกอบเคมีรวมทั้งกำหนดรัศมีของหน่วยโครงสร้างของธาตุ มีกฎของการเปลี่ยนแปลงในรัศมีของอะตอมที่เข้าสู่ช่วงหรือในกลุ่มขององค์ประกอบทางเคมีสามารถทำนายสมบัติทางกายภาพและทางเคมีได้ ยกตัวอย่างเช่นในช่วงที่มีการเพิ่มขึ้นของค่านิวเคลียสของอะตอมรัศมีของมันลดลง ("การบีบตัวของอะตอม") ดังนั้นคุณสมบัติของโลหะจึงลดลงและคุณสมบัติของอโลหะจะเพิ่มขึ้น

ดังนั้นความรู้เกี่ยวกับโครงสร้างของอะตอมทำให้สามารถกำหนดคุณสมบัติทางกายภาพและทางเคมีขององค์ประกอบทั้งหมดที่เป็นระบบของ Mendeleev ได้อย่างถูกต้อง