Từ thời kỳ cổ đại đến giữa thế kỷ 18, khoa học bị chi phối bởi ý tưởng rằng nguyên tử là một hạt vật chất không thể phân chia. Nhà khoa học người Anh, cũng như nhà tự nhiên học D. D alton, đã định nghĩa nguyên tử là thành phần nhỏ nhất của một nguyên tố hóa học. M. V. Lomonosov trong lý thuyết nguyên tử và phân tử của mình đã có thể xác định nguyên tử và phân tử. Ông tin chắc rằng các phân tử, mà ông gọi là "tiểu thể", được tạo thành từ các "nguyên tố" - nguyên tử - và chuyển động liên tục.
D. I. Mendeleev tin rằng tiểu đơn vị của các chất tạo nên thế giới vật chất chỉ giữ lại tất cả các thuộc tính của nó nếu nó không bị phân tách. Trong bài viết này, chúng tôi sẽ định nghĩa nguyên tử như một đối tượng của microworld và nghiên cứu các đặc tính của nó.
Điều kiện tiên quyết để tạo ra lý thuyết về cấu trúc của nguyên tử
Vào thế kỷ 19, tuyên bố về tính không thể phân chia của nguyên tử thường được chấp nhận. Hầu hết các nhà khoa học đều tin rằng các hạt của một nguyên tố hóa học trong bất kỳ hoàn cảnh nào cũng có thể biến thành nguyên tử của nguyên tố khác. Những ý tưởng này là cơ sở để định nghĩa nguyên tử cho đến năm 1932. Vào cuối thế kỷ 19, khoa học đãnhững khám phá cơ bản đã thay đổi quan điểm này. Trước hết, vào năm 1897, nhà vật lý người Anh J. J. Thomson đã phát hiện ra electron. Thực tế này đã thay đổi hoàn toàn ý tưởng của các nhà khoa học về tính không thể phân chia của thành phần cấu thành của một nguyên tố hóa học.
Cách chứng minh nguyên tử phức tạp
Ngay cả trước khi phát hiện ra electron, các nhà khoa học nhất trí rằng nguyên tử không có điện tích. Sau đó, người ta thấy rằng các electron dễ dàng được giải phóng khỏi bất kỳ nguyên tố hóa học nào. Chúng có thể được tìm thấy trong ngọn lửa, chúng là vật mang dòng điện, chúng được giải phóng bởi các chất trong quá trình phát tia X.
Nhưng nếu các electron là một phần của tất cả các nguyên tử mà không có ngoại lệ và mang điện tích âm, thì có một số hạt khác trong nguyên tử nhất thiết phải mang điện tích dương, nếu không các nguyên tử sẽ không trung hòa về điện. Để giúp làm sáng tỏ cấu trúc của nguyên tử, một hiện tượng vật lý như phóng xạ đã ra đời. Nó đưa ra định nghĩa chính xác về nguyên tử trong vật lý và sau đó là hóa học.
Tia vô hình
Nhà vật lý người Pháp A. Becquerel là người đầu tiên mô tả hiện tượng phát xạ của các nguyên tử của một số nguyên tố hóa học, những tia không nhìn thấy được bằng mắt thường. Chúng ion hóa không khí, đi qua các chất, gây đen các tấm ảnh. Sau đó, Curies và E. Rutherford phát hiện ra rằng các chất phóng xạ được chuyển đổi thành nguyên tử của các nguyên tố hóa học khác (ví dụ, uranium thành neptunium).
Bức xạ phóng xạ không đồng nhất về thành phần: hạt alpha, hạt beta, tia gamma. Cho nênNhư vậy, hiện tượng phóng xạ đã khẳng định rằng các hạt của các nguyên tố trong bảng tuần hoàn có cấu tạo phức tạp. Thực tế này là lý do cho những thay đổi được thực hiện đối với định nghĩa của nguyên tử. Một nguyên tử bao gồm những hạt nào, dựa trên những dữ kiện khoa học mới mà Rutherford thu được? Câu trả lời cho câu hỏi này là mô hình hạt nhân của nguyên tử do nhà khoa học đề xuất, theo đó các electron xoay quanh một hạt nhân mang điện tích dương.
Những mâu thuẫn của mô hình Rutherford
Lý thuyết của nhà khoa học, mặc dù có tính cách nổi bật, không thể xác định một cách khách quan về nguyên tử. Kết luận của bà đã đi ngược lại các định luật cơ bản của nhiệt động lực học, theo đó tất cả các electron quay xung quanh hạt nhân đều mất năng lượng và, dù nó có thể, sớm hay muộn cũng phải rơi vào nó. Nguyên tử bị phá hủy trong trường hợp này. Điều này không thực sự xảy ra, vì các nguyên tố hóa học và các hạt mà chúng được cấu tạo tồn tại trong tự nhiên trong một thời gian rất dài. Định nghĩa như vậy về nguyên tử, dựa trên lý thuyết của Rutherford, là không thể giải thích được, cũng như hiện tượng xảy ra khi các chất đơn giản nóng đi qua cách tử nhiễu xạ. Rốt cuộc, quang phổ nguyên tử thu được có hình dạng tuyến tính. Điều này mâu thuẫn với mô hình nguyên tử của Rutherford, theo đó quang phổ lẽ ra phải liên tục. Theo các khái niệm của cơ học lượng tử, hiện tại, các electron trong hạt nhân được đặc trưng không phải là các vật thể điểm, mà có dạng một đám mây electron.
Mật độ cao nhất của nó trong một quỹ tích không gian nhất định xung quanh hạt nhân vàđược coi là vị trí của hạt tại một thời điểm nhất định. Người ta cũng nhận thấy rằng các electron trong nguyên tử được sắp xếp thành từng lớp. Số lớp có thể được xác định bằng cách biết số chu kỳ mà nguyên tố nằm trong hệ thống tuần hoàn D. I. Mendeleev. Ví dụ, một nguyên tử phốt pho chứa 15 electron và có 3 mức năng lượng. Chỉ số xác định số mức năng lượng được gọi là số lượng tử chính.
Thực nghiệm thấy rằng các electron ở mức năng lượng gần hạt nhân nhất có năng lượng thấp nhất. Mỗi lớp vỏ năng lượng được chia thành các mức phân chia lại, và lần lượt, chúng thành các quỹ đạo. Các electron nằm trong các obitan khác nhau có cùng hình dạng đám mây (s, p, d, f).
Dựa trên những điều trên, có thể thấy rằng hình dạng của đám mây electron không thể được tùy ý. Nó được xác định chặt chẽ theo số lượng tử quỹ đạo. Chúng tôi cũng nói thêm rằng trạng thái của một electron trong một đại hạt được xác định bởi hai giá trị nữa - số lượng tử từ tính và spin. Đầu tiên là dựa trên phương trình Schrödinger và đặc trưng cho định hướng không gian của đám mây electron dựa trên tính ba chiều của thế giới chúng ta. Chỉ số thứ hai là số spin, nó được sử dụng để xác định chuyển động quay của một điện tử quanh trục của nó theo chiều kim đồng hồ hoặc ngược chiều kim đồng hồ.
Khám phá neutron
Nhờ công trình của D. Chadwick, do ông thực hiện vào năm 1932, một định nghĩa mới về nguyên tử trong hóa học và vật lý đã được đưa ra. Trong các thí nghiệm của mình, nhà khoa học đã chứng minh rằng trong quá trình phân tách polonium, bức xạ xảy ra dohạt không mang điện tích, có khối lượng 1,008665. Hạt cơ bản mới được gọi là nơtron. Việc khám phá và nghiên cứu các đặc tính của nó đã cho phép các nhà khoa học Liên Xô V. Gapon và D. Ivanenko tạo ra một lý thuyết mới về cấu trúc của hạt nhân nguyên tử có chứa proton và neutron.
Theo lý thuyết mới, định nghĩa về nguyên tử của vật chất như sau: nó là một đơn vị cấu trúc của một nguyên tố hóa học, bao gồm một hạt nhân chứa proton và neutron và các electron chuyển động xung quanh nó. Số hạt dương trong hạt nhân luôn bằng số nguyên tử của nguyên tố hóa học trong hệ thống tuần hoàn.
Sau đó, Giáo sư A. Zhdanov đã xác nhận trong các thí nghiệm của mình rằng dưới tác động của bức xạ vũ trụ cứng, hạt nhân nguyên tử phân tách thành proton và neutron. Ngoài ra, người ta đã chứng minh rằng các lực giữ các hạt cơ bản này trong hạt nhân là cực kỳ tiêu tốn năng lượng. Chúng hoạt động ở khoảng cách rất ngắn (khoảng 10-23cm) và được gọi là hạt nhân. Như đã đề cập trước đó, ngay cả M. V. Lomonosov cũng có thể đưa ra định nghĩa về nguyên tử và phân tử dựa trên các sự kiện khoa học mà ông đã biết.
Hiện tại, mô hình sau đây thường được công nhận: một nguyên tử bao gồm một hạt nhân và các electron chuyển động xung quanh nó dọc theo những quỹ đạo được xác định chặt chẽ - obitan. Electron đồng thời thể hiện tính chất của cả hạt và sóng, tức là chúng có bản chất kép. Hầu như toàn bộ khối lượng của nó tập trung ở hạt nhân nguyên tử. Nó được tạo thành từ các proton và neutron bị ràng buộc bởi lực hạt nhân.
Có thể cân một nguyên tử không
Hóa ra mọi nguyên tử đều cóđa số. Ví dụ, đối với hydro, nó là 1,67x10-24g. Thậm chí rất khó để tưởng tượng giá trị này nhỏ như thế nào. Để tìm trọng lượng của một vật như vậy, họ không sử dụng cân mà sử dụng một bộ dao động, là một ống nano cacbon. Để tính trọng lượng của nguyên tử và phân tử, một giá trị thuận tiện hơn là khối lượng tương đối. Nó cho biết khối lượng của một phân tử hoặc nguyên tử lớn hơn 1/12 nguyên tử cacbon bao nhiêu lần, là 1,66x10-27kg. Nguyên tử khối tương đối được cho trong hệ thống tuần hoàn các nguyên tố hóa học và chúng không có đơn vị.
Các nhà khoa học nhận thức rõ rằng khối lượng nguyên tử của một nguyên tố hóa học là giá trị trung bình của các số khối của tất cả các đồng vị của nó. Nó chỉ ra rằng trong tự nhiên, các đơn vị của một nguyên tố hóa học có thể có khối lượng khác nhau. Đồng thời, điện tích của các hạt nhân của các hạt có cấu trúc như nhau.
Các nhà khoa học đã phát hiện ra rằng các đồng vị khác nhau về số lượng neutron trong hạt nhân, và điện tích của hạt nhân của chúng là như nhau. Ví dụ, một nguyên tử clo có khối lượng 35 chứa 18 nơtron và 17 proton, và với khối lượng 37 - 20 nơtron và 17 proton. Nhiều nguyên tố hóa học là hỗn hợp của các đồng vị. Ví dụ, các chất đơn giản như kali, argon, oxy chứa các nguyên tử đại diện cho 3 đồng vị khác nhau.
Xác định tính nguyên tử
Nó có một số cách diễn giải. Xem xét ý nghĩa của thuật ngữ này trong hóa học. Nếu các nguyên tử của bất kỳ nguyên tố hóa học nào có thể tồn tại riêng biệt ít nhất trong một thời gian ngắn, mà không cần cố gắng hình thành một hạt - phân tử phức tạp hơn, thì người ta nói rằng những chất đó cócấu trúc nguyên tử. Ví dụ, phản ứng clo hóa metan nhiều giai đoạn. Nó được sử dụng rộng rãi trong hóa học tổng hợp hữu cơ để thu được các dẫn xuất chứa halogen quan trọng nhất: diclometan, cacbon tetraclorua. Nó tách các phân tử clo thành các nguyên tử có phản ứng cao. Chúng phá vỡ các liên kết sigma trong phân tử metan, tạo ra một chuỗi phản ứng thay thế.
Một ví dụ khác về một quy trình hóa học có tầm quan trọng lớn trong công nghiệp là việc sử dụng hydrogen peroxide làm chất khử trùng và chất tẩy trắng. Việc xác định oxy nguyên tử, là sản phẩm của quá trình phân hủy hydro peroxit, xảy ra cả trong tế bào sống (dưới tác dụng của enzym catalase) và trong điều kiện phòng thí nghiệm. Oxy nguyên tử được xác định về mặt chất lượng bởi tính chất chống oxy hóa cao, cũng như khả năng tiêu diệt các tác nhân gây bệnh: vi khuẩn, nấm và bào tử của chúng.
Cách hoạt động của vỏ nguyên tử
Chúng ta đã biết trước rằng đơn vị cấu tạo của một nguyên tố hóa học có cấu trúc phức tạp. Các êlectron quay quanh một hạt nhân mang điện tích dương. Người đoạt giải Nobel Niels Bohr, dựa trên thuyết lượng tử ánh sáng, đã tạo ra học thuyết của mình, trong đó các đặc điểm và định nghĩa của nguyên tử như sau: các electron chỉ chuyển động xung quanh hạt nhân theo một quỹ đạo đứng yên nhất định, trong khi chúng không bức xạ năng lượng. Học thuyết của Bohr đã chứng minh rằng các hạt của mô hình thu nhỏ, bao gồm các nguyên tử và phân tử, không tuân theo các quy luật công bằng.cho các vật thể lớn - các vật thể macrocosmic.
Cấu trúc của lớp vỏ electron của các đại hạt đã được nghiên cứu trong các công trình về vật lý lượng tử của các nhà khoa học như Hund, Pauli, Klechkovsky. Vì vậy, người ta biết rằng các electron tạo ra chuyển động quay xung quanh hạt nhân không phải ngẫu nhiên, mà dọc theo những quỹ đạo đứng yên nhất định. Pauli phát hiện ra rằng trong một mức năng lượng trên mỗi obitan s, p, d, f của nó, không quá hai hạt mang điện tích âm có spin trái dấu + ½ và - ½ có thể được tìm thấy trong các tế bào điện tử.
Quy tắc
Hund giải thích cách các obitan có cùng mức năng lượng được lấp đầy các electron một cách chính xác.
Quy tắc
Klechkovsky, còn được gọi là quy tắc n + l, giải thích cách lấp đầy các obitan của nguyên tử đa điện tử (các nguyên tố 5, 6, 7). Tất cả các mô hình trên được sử dụng làm cơ sở lý thuyết cho hệ thống các nguyên tố hóa học do Dmitry Mendeleev tạo ra.
Trạng thái oxy hóa
Đây là một khái niệm cơ bản trong hóa học và đặc trưng cho trạng thái của một nguyên tử trong phân tử. Định nghĩa hiện đại về trạng thái oxy hóa của nguyên tử như sau: đây là điện tích có điều kiện của nguyên tử trong phân tử, được tính toán dựa trên quan điểm rằng phân tử chỉ có thành phần ion.
Mức độ oxy hóa có thể được biểu thị dưới dạng số nguyên hoặc số thập phân, với các giá trị dương, âm hoặc bằng không. Thông thường, nguyên tử của các nguyên tố hóa học có một số trạng thái oxy hóa. Ví dụ, nitơ có -3, -2, 0, +1, +2, +3, +4, +5. Nhưng một nguyên tố hóa học như flo, trong tất cảhợp chất chỉ có một trạng thái oxi hóa, bằng -1. Nếu nó được biểu diễn bằng một chất đơn giản, thì trạng thái oxi hóa của nó bằng không. Đại lượng hóa học này thuận tiện để sử dụng cho việc phân loại các chất và mô tả tính chất của chúng. Thông thường, trạng thái oxi hóa của nguyên tử được sử dụng trong hóa học khi lập phương trình phản ứng oxi hóa khử.
Tính chất của nguyên tử
Nhờ những khám phá của vật lý lượng tử, định nghĩa hiện đại về nguyên tử, dựa trên lý thuyết của D. Ivanenko và E. Gapon, được bổ sung bằng những dữ kiện khoa học sau đây. Cấu trúc của hạt nhân nguyên tử không thay đổi trong các phản ứng hóa học. Chỉ các obitan electron đứng yên mới có thể thay đổi. Cấu trúc của chúng có thể giải thích rất nhiều tính chất vật lý và hóa học của các chất. Nếu một electron rời khỏi quỹ đạo đứng yên và đi đến quỹ đạo có chỉ số năng lượng cao hơn, nguyên tử như vậy được gọi là bị kích thích.
Cần lưu ý rằng các electron không thể ở trong các obitan bất thường như vậy trong một thời gian dài. Quay trở lại quỹ đạo đứng yên của nó, electron phát ra một lượng tử năng lượng. Việc nghiên cứu các đặc điểm như vậy của các đơn vị cấu trúc của các nguyên tố hóa học như ái lực điện tử, độ âm điện, năng lượng ion hóa, cho phép các nhà khoa học không chỉ xác định nguyên tử là hạt quan trọng nhất của mô hình thu nhỏ, mà còn cho phép họ giải thích khả năng hình thành của nguyên tử. trạng thái phân tử ổn định và thuận lợi hơn về mặt năng lượng của vật chất, có thể do tạo ra nhiều loại liên kết hóa học ổn định: ion, cộng hóa trịphân cực và không phân cực, chất cho-nhận (như một loại liên kết cộng hóa trị) và kim loại. Sau đó xác định các tính chất vật lý và hóa học quan trọng nhất của tất cả các kim loại.
Thực nghiệm đã chứng minh rằng kích thước của một nguyên tử có thể thay đổi. Mọi thứ sẽ phụ thuộc vào phân tử nó được đưa vào. Nhờ phân tích nhiễu xạ tia X, người ta có thể tính được khoảng cách giữa các nguyên tử trong hợp chất hóa học, cũng như tìm ra bán kính của đơn vị cấu tạo của nguyên tố. Biết được các dạng thay đổi bán kính của các nguyên tử trong một chu kỳ hoặc một nhóm nguyên tố hóa học, có thể dự đoán các tính chất vật lý và hóa học của chúng. Ví dụ, trong các giai đoạn khi điện tích hạt nhân nguyên tử tăng lên, bán kính của chúng giảm (“độ nén của nguyên tử”), do đó tính kim loại của các hợp chất yếu đi và tính phi kim tăng lên.
Vì vậy, kiến thức về cấu trúc của nguyên tử cho phép chúng ta xác định chính xác các tính chất vật lý và hóa học của tất cả các nguyên tố có trong hệ thống tuần hoàn của Mendeleev.
