מתקופת העת העתיקה ועד אמצע המאה ה-18, המדע נשלט על ידי הרעיון שאטום הוא חלקיק של חומר שלא ניתן לחלוקה. המדען האנגלי, כמו גם חוקר הטבע ד' דלטון, הגדירו את האטום כמרכיב הקטן ביותר של יסוד כימי. M. V. Lomonosov בתיאוריה האטומית והמולקולרית שלו הצליח להגדיר את האטום ואת המולקולה. הוא היה משוכנע שהמולקולות, שאותן כינה "גופיות", מורכבות מ"יסודות" - אטומים - ונמצאות בתנועה מתמדת.
D. I. מנדלייב האמין שתת-יחידה זו של חומרים המרכיבים את העולם החומרי שומרת על כל תכונותיה רק אם היא אינה נתונה להפרדה. במאמר זה נגדיר את האטום כאובייקט של עולם המיקרו ונלמד את תכונותיו.
דרישות מוקדמות ליצירת תורת מבנה האטום
במאה ה-19, ההצהרה על אי-חלוקה של האטום הייתה מקובלת. רוב המדענים האמינו שחלקיקים של יסוד כימי אחד בשום פנים ואופן לא יכולים להפוך לאטומים של יסוד אחר. רעיונות אלו שימשו כבסיס עליו התבססה הגדרת האטום עד 1932. בסוף המאה ה-19, המדע עשהתגליות יסוד ששינו את נקודת המבט הזו. קודם כל, בשנת 1897, הפיזיקאי האנגלי ג'יי ג'יי תומסון גילה את האלקטרון. עובדה זו שינתה באופן קיצוני את רעיונותיהם של מדענים לגבי אי-החלוקה של החלק המרכיב של יסוד כימי.
איך להוכיח שהאטום מורכב
עוד לפני גילוי האלקטרון, מדענים הסכימו פה אחד שלאטומים אין מטענים. אז נמצא כי אלקטרונים משתחררים בקלות מכל יסוד כימי. ניתן למצוא אותם בלהבה, הם נשאים של זרם חשמלי, הם משתחררים על ידי חומרים במהלך פליטת קרני רנטגן.
אבל אם אלקטרונים הם חלק מכל האטומים ללא יוצא מן הכלל והם בעלי מטען שלילי, אז יש עוד כמה חלקיקים באטום שיש להם בהכרח מטען חיובי, אחרת האטומים לא יהיו ניטרליים חשמלית. כדי לעזור לפענח את מבנה האטום, עזרה תופעה פיזיקלית כמו רדיואקטיביות. זה נתן את ההגדרה הנכונה של האטום בפיזיקה ולאחר מכן בכימיה.
קרניים בלתי נראות
הפיזיקאי הצרפתי A. Becquerel היה הראשון שתיאר את תופעת הפליטה של אטומים של יסודות כימיים מסוימים, קרניים בלתי נראות לעין. הם מייננים את האוויר, עוברים דרך חומרים, גורמים להשחרה של לוחות צילום. מאוחר יותר, בני הזוג Curies ו-E. Rutherford גילו שחומרים רדיואקטיביים מומרים לאטומים של יסודות כימיים אחרים (לדוגמה, אורניום לנפטון).
קרינה רדיואקטיבית אינה הומוגנית בהרכבה: חלקיקי אלפא, חלקיקי בטא, קרני גמא. כךלפיכך, תופעת הרדיואקטיביות אישרה כי לחלקיקים של יסודות הטבלה המחזורית יש מבנה מורכב. עובדה זו הייתה הסיבה לשינויים שנעשו בהגדרת האטום. מאילו חלקיקים מורכב אטום, בהתחשב בעובדות המדעיות החדשות שהגיעו לידי רתרפורד? התשובה לשאלה זו הייתה המודל הגרעיני של האטום שהציע המדען, לפיו אלקטרונים מסתובבים סביב גרעין בעל מטען חיובי.
סתירות של מודל Rutherford
התיאוריה של המדען, למרות אופייה המצטיין, לא יכלה להגדיר באופן אובייקטיבי את האטום. המסקנות שלה יצאו נגד חוקי היסוד של התרמודינמיקה, לפיהם כל האלקטרונים שמסתובבים סביב הגרעין מאבדים את האנרגיה שלהם, ובין אם כך, במוקדם או במאוחר חייבים ליפול לתוכה. האטום נהרס במקרה זה. זה לא קורה בפועל, שכן היסודות הכימיים והחלקיקים מהם הם מורכבים קיימים בטבע במשך זמן רב מאוד. הגדרה כזו של האטום, המבוססת על התיאוריה של רתרפורד, אינה ניתנת להסבר, כמו גם התופעה המתרחשת כאשר חומרים פשוטים חמים מועברים דרך סורג עקיפה. אחרי הכל, לספקטרה האטומית המתקבלת יש צורה ליניארית. זה היה בסתירה למודל האטום של רתרפורד, לפיו הספקטרום היה צריך להיות רציף. לפי מושגי מכניקת הקוונטים, כיום, אלקטרונים בגרעין מאופיינים לא כעצמים נקודתיים, אלא כבעלי צורה של ענן אלקטרונים.
הצפיפות הגבוהה ביותר שלו במיקום מסוים של מרחב סביב הגרעין ונחשב למיקומו של החלקיק בנקודת זמן נתונה. עוד נמצא כי האלקטרונים באטום מסודרים בשכבות. ניתן לקבוע את מספר השכבות על ידי הכרת מספר התקופה בה נמצא היסוד במערכת המחזורית של D. I. Mendeleev. לדוגמה, אטום זרחן מכיל 15 אלקטרונים ויש לו 3 רמות אנרגיה. המחוון הקובע את מספר רמות האנרגיה נקרא המספר הקוונטי הראשי.
נמצא בניסוי שלאלקטרונים של רמת האנרגיה הקרובה לגרעין יש את האנרגיה הנמוכה ביותר. כל מעטפת אנרגיה מחולקת לתת-רמות, והן, בתורן, לאורביטלים. לאלקטרונים הממוקמים באורביטלים שונים יש אותה צורת ענן (s, p, d, f).
בהתבסס על האמור לעיל, יוצא שצורת ענן האלקטרונים אינה יכולה להיות שרירותית. זה מוגדר בקפדנות על פי המספר הקוונטי של המסלול. אנו מוסיפים גם שמצבו של אלקטרון במקרו-חלקיק נקבע על ידי שני ערכים נוספים - מספרים מגנטיים וספינים קוונטיים. הראשון מבוסס על משוואת שרדינגר ומאפיין את האוריינטציה המרחבית של ענן האלקטרונים בהתבסס על התלת ממדיות של עולמנו. המחוון השני הוא מספר הספין, הוא משמש לקביעת סיבוב האלקטרון סביב צירו בכיוון השעון או נגד כיוון השעון.
גילוי הנויטרון
הודות לעבודתו של ד' צ'דוויק, שבוצעה על ידו ב-1932, ניתנה הגדרה חדשה של האטום בכימיה ובפיזיקה. בניסויים שלו הוכיח המדען שבמהלך פיצול הפולוניום מתרחשת קרינה הנגרמת על ידיחלקיקים שאין להם מטען, במסה של 1.008665. החלקיק היסודי החדש נקרא נויטרון. גילויו וחקר תכונותיו אפשרו למדענים הסובייטים V. Gapon ו-D. Ivanenko ליצור תיאוריה חדשה של מבנה גרעין האטום המכיל פרוטונים וניוטרונים.
לפי התיאוריה החדשה, ההגדרה של אטום חומר הייתה כדלקמן: זוהי יחידה מבנית של יסוד כימי, המורכבת מגרעין המכיל פרוטונים ונייטרונים ואלקטרונים הנעים סביבו. מספר החלקיקים החיוביים בגרעין תמיד שווה למספר האטומי של היסוד הכימי במערכת המחזורית.
מאוחר יותר, פרופסור א' ז'דנוב אישר בניסויים שלו כי בהשפעת קרינה קוסמית קשה, גרעיני אטום מתפצלים לפרוטונים ולנייטרונים. בנוסף, הוכח כי הכוחות המחזיקים את החלקיקים היסודיים הללו בגרעין הם עתירי אנרגיה במיוחד. הם פועלים במרחקים קצרים מאוד (כ-10-23 ס מ) ונקראים גרעיניים. כפי שהוזכר קודם, אפילו M. V. Lomonosov הצליח לתת הגדרה של אטום ומולקולה על סמך עובדות מדעיות הידועות לו.
כיום, המודל הבא מוכר בדרך כלל: אטום מורכב מגרעין ואלקטרונים הנעים סביבו לאורך מסלולים מוגדרים בהחלט - אורביטלים. אלקטרונים מציגים בו זמנית את המאפיינים של חלקיקים וגלים כאחד, כלומר, יש להם אופי כפול. כמעט כל המסה שלו מרוכזת בגרעין של אטום. הוא מורכב מפרוטונים ונויטרונים הקשורים בכוחות גרעיניים.
האם ניתן לשקול אטום
מסתבר שלכל אטום ישמסה. לדוגמה, עבור מימן זה 1.67x10-24g. אפילו קשה לדמיין עד כמה הערך הזה קטן. כדי למצוא את המשקל של חפץ כזה, הם לא משתמשים במאזניים, אלא במתנד, שהוא ננו-צינור פחמן. כדי לחשב משקל של אטום ומולקולה, ערך נוח יותר הוא המסה היחסית. הוא מראה כמה פעמים משקלה של מולקולה או אטום גדול מ-1/12 מאטום פחמן, כלומר 1.66x10-27 ק ג. מסות אטומיות יחסיות ניתנות במערכת המחזורית של יסודות כימיים, ואין להם יחידות.
מדענים מודעים היטב לכך שהמסה האטומית של יסוד כימי היא הממוצע של מספרי המסה של כל האיזוטופים שלו. מסתבר שבטבע, ליחידות של יסוד כימי אחד יכולות להיות מסות שונות. יחד עם זאת, המטענים של הגרעינים של חלקיקים מבניים כאלה זהים.
מדענים גילו שהאיזוטופים שונים במספר הנייטרונים בגרעין, והמטען של הגרעינים שלהם זהה. לדוגמה, אטום כלור במסה של 35 מכיל 18 נויטרונים ו-17 פרוטונים, ועם מסה של 37 - 20 נויטרונים ו-17 פרוטונים. יסודות כימיים רבים הם תערובות של איזוטופים. לדוגמה, חומרים פשוטים כמו אשלגן, ארגון, חמצן מכילים אטומים המייצגים 3 איזוטופים שונים.
הגדרת האטומיות
יש לזה כמה פרשנויות. שקול למה הכוונה במונח זה בכימיה. אם האטומים של יסוד כימי כלשהו מסוגלים להתקיים בנפרד לפחות לזמן קצר, מבלי לשאוף ליצור חלקיק מורכב יותר - מולקולה, אז הם אומרים שלחומרים כאלה ישמבנה אטומי. לדוגמה, תגובת הכלור מתאן רב-שלבית. הוא נמצא בשימוש נרחב בכימיה של סינתזה אורגנית כדי להשיג את הנגזרות המכילות הלוגן החשובות ביותר: דיכלורומתאן, פחמן טטרכלוריד. הוא מפצל מולקולות כלור לאטומים בעלי תגובתיות גבוהה. הם מפרקים את קשרי הסיגמא במולקולת המתאן, ומספקים תגובת שרשרת החלפה.
דוגמה נוספת לתהליך כימי בעל חשיבות רבה בתעשייה היא השימוש במי חמצן כחומר חיטוי והלבנה. קביעת החמצן האטומי, כתוצר של פירוק מי חמצן, מתרחשת הן בתאים חיים (בפעולת האנזים קטלאז) והן בתנאי מעבדה. חמצן אטומי נקבע באופן איכותי על ידי תכונות נוגדות החמצון הגבוהות שלו, כמו גם על ידי יכולתו להשמיד גורמים פתוגניים: חיידקים, פטריות והנבגים שלהם.
איך פועלת הקליפה האטומית
כבר גילינו קודם שליחידה המבנית של יסוד כימי יש מבנה מורכב. אלקטרונים מסתובבים סביב גרעין טעון חיובי. זוכה פרס נובל נילס בוהר, המבוסס על תורת הקוונטים של האור, יצר את משנתו, שבה המאפיינים וההגדרה של אטום הם כדלקמן: אלקטרונים נעים סביב הגרעין רק לאורך מסלולים נייחים מסוימים, בעוד שהם אינם מקרינים אנרגיה. משנתו של בוהר הוכיחה שחלקיקי המיקרוקוסמוס, הכוללים אטומים ומולקולות, אינם מצייתים לחוקים הוגניםעבור גופים גדולים - עצמים מאקרוקוסמיים.
מבנה קונכיות האלקטרונים של מקרו-חלקיקים נחקר בעבודות על פיזיקת קוונטים על ידי מדענים כמו הונד, פאולי, קלצ'קובסקי. אז נודע שאלקטרונים עושים תנועות סיבוביות סביב הגרעין לא באקראי, אלא לאורך מסלולים נייחים מסוימים. פאולי מצאה שבתוך רמת אנרגיה אחת בכל אחד מהאורביטלים s, p, d, f שלו, לא ניתן למצוא יותר משני חלקיקים בעלי מטען שלילי עם ספינים מנוגדים + ½ ו- ½ בתאים אלקטרוניים.
הכלל של הונד הסביר כיצד אורביטלים בעלי אותה רמת אנרגיה מתמלאים בצורה נכונה באלקטרונים.
כלל קלצ'קובסקי, שנקרא גם כלל n+l, הסביר כיצד ממלאים האורביטלים של אטומים רב-אלקטרונים (יסודות של 5, 6, 7 תקופות). כל התבניות שלעיל שימשו הצדקה תיאורטית למערכת היסודות הכימיים שיצר דמיטרי מנדלייב.
מצב חמצון
זהו מושג בסיסי בכימיה ומאפיין את מצבו של אטום במולקולה. ההגדרה המודרנית של מצב החמצון של אטומים היא כדלקמן: זהו המטען המותנה של אטום במולקולה, אשר מחושב על סמך התפיסה שלמולקולה יש רק הרכב יוני.
ניתן לבטא את מידת החמצון כמספר שלם או שבר, עם ערכים חיוביים, שליליים או אפס. לרוב, לאטומים של יסודות כימיים יש מספר מצבי חמצון. לדוגמה, לחנקן יש -3, -2, 0, +1, +2, +3, +4, +5. אבל יסוד כימי כזה כמו פלואור, במלואולתרכובות יש רק מצב חמצון אחד, שווה ל-1. אם הוא מיוצג על ידי חומר פשוט, אזי מצב החמצון שלו הוא אפס. כמות כימית זו נוחה לשימוש לסיווג חומרים ולתיאור תכונותיהם. לרוב, מצב החמצון של אטום משמש בכימיה בעת חיבור משוואות לתגובות חיזור.
מאפיינים של אטומים
הודות לתגליות הפיזיקה הקוונטית, ההגדרה המודרנית של האטום, המבוססת על התיאוריה של ד' איבננקו וא' גאפון, מתווספת על ידי העובדות המדעיות הבאות. מבנה הגרעין של האטום אינו משתנה במהלך תגובות כימיות. רק אורביטלים נייחים של אלקטרונים כפופים לשינויים. המבנה שלהם יכול להסביר הרבה תכונות פיזיקליות וכימיות של חומרים. אם אלקטרון עוזב מסלול נייח והולך למסלול עם אינדקס אנרגיה גבוה יותר, אטום כזה נקרא מעורר.
יש לציין שאלקטרונים אינם יכולים להישאר באורביטלים כה חריגים במשך זמן רב. בשובו למסלול הנייח שלו, האלקטרון פולט כמות אנרגיה. המחקר של מאפיינים כאלה של היחידות המבניות של יסודות כימיים כמו זיקת אלקטרונים, אלקטרושליליות, אנרגיית יינון, אפשרו למדענים לא רק להגדיר את האטום כחלקיק החשוב ביותר של המיקרוקוסמוס, אלא גם אפשרו להם להסביר את היכולת של אטומים להיווצר. מצב מולקולרי יציב וטוב יותר מבחינה אנרגטית של חומר, אפשרי עקב יצירת סוגים שונים של קשרים כימיים יציבים: יוניים, קוולנטייםקוטבי ולא קוטבי, תורם-מקבל (כסוג של קשר קוולנטי) ומתכתי. האחרון קובע את התכונות הפיזיקליות והכימיות החשובות ביותר של כל המתכות.
הוכח בניסוי שגודלו של אטום יכול להשתנות. הכל יהיה תלוי באיזו מולקולה הוא נכלל. הודות לניתוח דיפרקציית רנטגן, ניתן לחשב את המרחק בין אטומים בתרכובת כימית, וכן לגלות את רדיוס היחידה המבנית של היסוד. הכרת דפוסי השינוי ברדיוסים של אטומים הנכללים בתקופה או בקבוצה של יסודות כימיים, ניתן לחזות את תכונותיהם הפיזיקליות והכימיות. למשל, בתקופות עם עלייה במטען של גרעין האטומים, הרדיוסים שלהם יורדים ("דחיסה של האטום"), כך שהתכונות המתכתיות של התרכובות נחלשות, והלא מתכתיות עולות.
לפיכך, הכרת מבנה האטום מאפשרת לנו לקבוע במדויק את התכונות הפיזיקליות והכימיות של כל היסודות הכלולים במערכת המחזורית של מנדלייב.
