Química Átomo - un ... Modelo do átomo. estrutura do átomo

Os pensamentos sobre a esencia de todo o ambiente comezaron a visitar a humanidade moito antes do apoxeo da civilización moderna. Ao principio a xente pensou na existencia de certas forzas superiores, que, creron, predeterminaban todo o ser. Pero moi pronto os filósofos e clérigos comezaron a reflexionar sobre o que, de feito, é o propio tecido deste ser. Había moitas teorías, pero na perspectiva histórica o atómico converteuse en dominante.

¿Que é un átomo en química? Isto, así como todos os temas relacionados, imos discutir no marco deste artigo. Agardamos que atope as respostas a todas as súas preguntas nel.

O fundador da teoría atómica

Onde comeza a primeira lección de química? A estrutura do átomo é o tema principal. Probablemente recordades que a palabra "átomo" é traducido da lingua grega antiga como "indivisible". Agora moitos historiadores cren que o primeiro en presentar unha teoría que falou sobre algunhas das partículas máis pequenas, das que todo está composto, Demócrito. Viviu no século V aC.

Para arrepentimento, case nada se sabe sobre este pensador excepcional. Non nos chegou unha soa fonte escrita deses tempos. Polo tanto, temos que aprender sobre as ideas do maior científico do noso tempo exclusivamente das obras de Aristóteles, Platón e outros antigos pensadores gregos.

Entón, o noso tema é "A estrutura do átomo". En química, non todos tiñan marcas altas, pero moitos recordan que todas as conclusións dos científicos antigos foron construídas únicamente sobre inferencias. Demócrito non foi unha excepción.

Como razonou Demócrito?

A súa lóxica era moi simple, pero ao mesmo tempo brillante. Imaxina que ten o coitelo máis nítido en todo o mundo. Vostede leva unha mazá, por exemplo, e despois comeza a cortala: en dúas metades, a cuartos, repítense de novo ... Nunha palabra, tarde ou cedo recibirás rodajas de escaso espesor que non podes separarlas aínda máis. Este será un átomo indivisible. En química, esta afirmación foi considerada case case antes de finais do século XIX.

De Demócrito a ideas modernas

Cabe sinalar que só a palabra "átomo" sobreviviu desde as antigas nocións gregas do micromundo. Agora, cada estudante sabe que o mundo que nos rodea consiste en partículas moito máis fundamentais e menores. Ademais, desde o punto de vista da ciencia moderna a teoría de Demócrito non era máis que unha compilación puramente hipotética, non soportada por ningunha proba. Non obstante, naqueles días non houbo microscopios electrónicos, así que para probar o seu caso de outras maneiras, o pensador aínda fallaría.

As primeiras sospeitas de que Demócrito está realmente certo, apareceu en químicos. Descubriron rápidamente que moitas substancias descompoñen en compoñentes máis simples durante as reaccións. Ademais, foron os químicos os que deduzeron as estritas leis destes procesos. Entón, observaron que se requiren oito partes de osíxeno e un de hidróxeno para producir auga (lei de Avogadro).

Na Idade Media, calquera ensino materialista, incluíndo a teoría de Demócrito, a propagación eo desenvolvemento, non se puido obter en principio. E só no século XVIII, os científicos volveron á teoría atómica. Por ese tempo, o químico A. Lavoisier, o noso gran MV Lomonosov eo talentoso físico inglés D. Dalton (a quen falaremos por separado) demostraron de forma convincente aos seus colegas a realidade da existencia de átomos. Cómpre salientar que mesmo no século XVIII iluminado, a teoría atómica non foi considerada seriamente por moitas mentes destacadas desa época durante moito tempo.

Sexa o que fose, pero ata eses grandes científicos aínda non presentaron teorías sobre a estrutura do propio átomo, xa que se consideraba unha única e indivisible, a base de todo.

Desafortunadamente, os experimentos químicos non podían demostrar claramente a realidade da transformación dos átomos de certas sustancias noutros. Pero aínda así, a química foi a ciencia fundamental no estudo da estrutura dos átomos. Os átomos e as moléculas foron estudados por un brillante científico ruso, sen o cal non se pode imaxinar a ciencia moderna.

A doutrina de DI Mendeleyev

Un papel importante no desenvolvemento da aprendizaxe atómica foi interpretado por DI Mendeleyev, que en 1869 creou o xenial sistema periódico. Por primeira vez, a comunidade científica foi presentada cunha teoría que non só non rexeitou, senón que complementaba razonablemente todas as suposicións dos materialistas. Xa no século XIX, os científicos puideron probar a existencia de electróns. Todas estas conclusións levaron as mellores mentes do século XX a estudar seriamente o átomo. Na química, esta vez tamén foi marcada por unha serie de descubrimentos.

Pero o ensino de Mendeleyev é valioso non só por iso. Ata agora, non está claro como se formaron os átomos de varios elementos químicos. Pero o gran científico ruso foi capaz de probar de forma convincente que todos eles sen excepción están intimamente relacionados entre si.

O descubrimento de Dalton

Pero para ser capaz de interpretar múltiples datos dispares, só puido John Dalton, cuxo nome sempre está impreso nunha lei aberta por si mesma. Normalmente o científico estudou só o comportamento dos gases, pero a súa gama de intereses era moito máis ampla. En 1808, comezou a publicar o seu novo traballo fundamental.

Foi Dalton quen suxeriu que cada elemento químico corresponde a un determinado átomo. Pero o científico, como Demócrito durante moitos séculos antes del, aínda cría que son completamente indivisibles. Nos seus borradores hai moitos debuxos esquemáticos, sobre os que se presentan os átomos en forma de bólas simples. Esta idea, que se orixinou hai máis de 2.500 anos, existiu case ao noso tempo. Non obstante, recentemente só se descubriu unha estrutura moi profunda do átomo. A Química (9º grado en particular) aínda hoxe está en gran parte guiada por ideas que se expresaron no século XVIII.

Confirmación experimental da divisibilidad dos átomos

Non obstante, ata finais do século XIX, case todos os científicos creron que o átomo - o límite máis aló do que non hai nada. Eles pensaron que a base de todo o universo é el. Varios experimentos contribuíron a isto: non importa o quão xenial, só as moléculas cambiaron, mentres nada se producía cos átomos das substancias, que a química máis simple non podía explicar. A estrutura do átomo de carbono, por exemplo, permanece completamente inalterada incluso en diferentes estados alótropos.

Nunha palabra, durante moito tempo, non había absolutamente ningunha información experimental, que polo menos indirectamente confirmou as sospeitas dalgúns científicos de que hai algunhas partículas máis fundamentais. Só no século XIX (non menos importante grazas aos experimentos da parella Curie) demostrouse que baixo certas condicións os átomos dalgúns elementos poden transformarse noutros. Estes descubrimentos constituíron a base para as ideas modernas sobre o mundo que nos rodea.

Pasas e pudins

En 1897, J. Thomson, físico inglés, descubriu que en calquera átomo hai unha certa cantidade de partículas cargadas negativamente, que el chamou "electróns". Xa en 1904, o científico creou o primeiro modelo atómico, máis coñecido como "pudim con pasas". O nome reflicte con precisión a esencia. A xulgar pola teoría de Thomson, un átomo en química é unha especie de "buque" cunha carga distribuída uniformemente e electróns nel.

Teña en conta que tal modelo tiña circulación ata no século XX. Máis tarde descubriuse que estaba completamente equivocada. Pero aínda así foi o primeiro intento consciente dun home (e sobre unha base científica) para recrear o microcosmos circundante, suxerindo un modelo atómico que é bastante sinxelo e intuitivo.

Os experimentos de Curie

É xeralmente aceptado que a parella Pierre e Marie Curie iniciaron a física atómica. Por suposto, a contribución destas persoas brillantes, que realmente sacrificaron a súa saúde e vida, non se pode subestimar, pero os seus experimentos teñen unha importancia moito máis fundamental. Case simultaneamente con Rutherford demostraron que o átomo é unha estrutura moito máis complexa e heteroxénea. O mesmo fenómeno da radioactividade, que eles investigaron, é sobre iso e dixo.

Xa a principios de 1898 María publicou o primeiro artigo dedicado á radiación. Pronto, María e Pierre Curie demostraron que na mestura dos compostos de cloruro de uranio e radio outras sustancias comezaron a aparecer, na existencia de que química oficial dubidaba. Desde entón, a estrutura do átomo comezou a investigarse de cerca.

Enfoque "planetario"

Finalmente, Rutherford decidiu bombardear os átomos de metais pesados con α-partículas (helio totalmente ionizado). O científico asumiu inmediatamente que os electróns lixeiros non poden cambiar a traxectoria das partículas de ningún xeito. En consecuencia, a dispersión só pode causar algúns elementos máis pesados, que poden estar contidos no núcleo do átomo. Nótese que inicialmente Rutherford non pretendía cambiar a teoría do "pudim". Este modelo do átomo era irreprochable.

O resultado, cando case todas as partículas pasaron por unha delgada capa de prata sen problemas, non o sorprendeu. Pero pronto quedou claro que algúns átomos de helio foron desviados inmediatamente en 30 °. Non era en absoluto o que estaba a falar sobre a química no seu momento. A composición do átomo segundo Thomson asumiu unha distribución uniforme de electróns. Pero isto foi claramente contraditado polos fenómenos observados.

Moi raras, pero aínda algunhas partículas volaron nun ángulo de ata 180 °. Rutherford estaba na máis profunda perplexa. Despois de todo, isto contradiuse claramente o "pudim", a carga na que se supuxo que era (de acordo coa teoría de Thomson) distribuída uniformemente. En consecuencia, as seccións cargadas desigualmente que puidesen repeler o helio ionizado deberían estar ausentes.

Que conclusións chegou a Rutherford?

Estas circunstancias tamén levaron ao científico á idea de que o átomo está prácticamente baleiro e só no centro se concentra algunha formación cunha carga positiva: o núcleo. Así xurdiu o modelo planetario do átomo, os seus postulados son os seguintes:

• Como xa dixemos, na parte central sitúase o núcleo, eo seu volume (en relación co tamaño do átomo en si) é insignificante.
• Case na masa atómica completa, así como toda a carga positiva, atópase no núcleo.
• En torno a ela rotan os electróns. É importante que o seu número sexa igual ao valor da carga positiva.

Os Paradoxos da Teoría

Todo estaría ben, pero este modelo atómico non explica a súa incrible estabilidade. Débese recordar que os electróns móvense nas súas órbitas cunha gran aceleración. De acordo con todas as leis da electrodinámica, tal obxecto debe perder o seu cargo co tempo. Se ten en conta os postulados de Newton e Maxwell, os electróns deben ser derramados no núcleo, como o granizo no chan.

Por suposto, nada de isto ocorre en realidade. Calquera átomo non é só completamente estable, pero pode haber tempo absolutamente ilimitado e non irá a radiación. Esta discrepancia se debe ao feito de que intentamos aplicar leis ao micromundo que só son válidas con respecto á mecánica clásica. Eles, como resultaron, son completamente inaplicables aos fenómenos da escala atómica. Por iso, os autores dos libros de texto tratan de explicar a estrutura do átomo (química, 11º grado) dunha forma tan simple como sexa posible.

A Doctrina de Bohr

O físico danés Niels Bohr demostrou que é imposible difundir as mesmas leis ao microcosmos, cuxas disposicións son válidas para obxectos macroscópicos. É el o que posúe a idea de que o microcosmos é "guiado" exclusivamente por leis cuánticas. Por suposto, non había ningunha teoría cuántica, pero Bohr converteuse no seu antepasado, expresando os seus pensamentos en forma de tres postulados que "salvaron" un átomo que inevitablemente morrera se "vivise" segundo a teoría de Rutherford. Foi esta teoría do danés a que formaron a base de toda a mecánica cuántica.

Carteis de Bora

• O primeiro deles di: calquera sistema atómico só pode atoparse en estados atómicos especiais, e para cada un deles ten un valor determinado de enerxía (E). Se o estado do átomo está estacionario (calma), entón non pode irradiar.
• O segundo postulado di que a emisión de enerxía luminosa ocorre só no caso de transición dun estado cunha enerxía máis alta a unha máis moderada. En consecuencia, a enerxía liberada é igual á diferenza de valores entre dous estados estacionarios.

Modelo do átomo de Niels Bohr

Esta teoría semiclásica foi proposta polo científico en 1913. Cómpre salientar que estaba baseado no modelo planetario de Rutherford, que pouco antes describiu o átomo da materia. Xa dixemos que a mecánica clásica contradi os cálculos de Rutherford: a partir diso, suponse que co tempo o electrón debe caer necesariamente á superficie do átomo.

Para "evitar" esta contradición, o científico introduciu unha suposición especial. A súa esencia era a de emitir enerxía (que debería levar á súa caída), os electróns só poden moverse nalgunhas órbitas definidas. Mentres os movía noutras traxectorias, os átomos supuestamente químicos permanecían nun estado pasivo. Segundo a teoría de Bohr, esas órbitas eran aquelas cuxo movemento cuantitativo era igual ás constantes de Planck.

Teoría cuántica da estrutura atómica

Como xa dixemos, na actualidade a teoría cuántica da estrutura do átomo está en progreso. A química dos últimos anos está guiada exclusivamente por ela. Está baseado en catro axiomas fundamentais.

1. En primeiro lugar, a dualidade (natureza ondulada corpuscular) do propio electrón. Simplemente, esta partícula compórtase como un obxecto material (corpúsculo) e como unha onda. Como partícula, ten unha certa carga e masa. A capacidade de difracción está relacionada con electróns con ondas clásicas. A lonxitude desta onda (λ) ea velocidade da partícula (v) pódense relacionar entre si por unha relación especial de De Broglie: λ = h / mv. Como podes adiviñar, m é a masa do electrón en si.

2. É absolutamente imposible medir a coordenada ea velocidade dunha partícula con absoluta precisión. Canto máis exactamente se determine a coordenada, canto maior sexa a incerteza na velocidade. Como, porén, e viceversa. Este fenómeno foi chamado a incerteza de Heisenberg, que pode expresarse como a seguinte relación: Δx ∙ m ∙ Δv> ћ / 2. O delta X (Δx) expresa a incerteza da posición da coordenada no espazo. En consecuencia, o delta V (Δv) mostra os erros de velocidade.

3. Contrariamente a todas as opinións anteriormente prevalentes, os electróns non pasan en órbitas estrictamente definidas, como os trens en carrís. A teoría cuántica di que un electrón pode estar en calquera lugar do espazo, pero a probabilidade de que isto sexa diferente para cada segmento.

Esa parte do espazo ao redor do propio núcleo atómico, en que esta probabilidade é máxima, chámase orbital. A química moderna estuda a estrutura das cunchas electrónicas dos átomos precisamente desde este punto de vista. Por suposto, as escolas ensinan a distribución correcta dos electróns por niveis, pero, con toda probabilidade, en realidade diferéncianse de xeito bastante diferente.

4. O núcleo dun átomo está formado por nucleóns (protóns e neutróns). O número ordinal dun elemento nun sistema periódico indica o número de protóns no seu núcleo, ea suma de protóns e neutróns é igual á masa atómica. Así é como a química da modernidade explica a estrutura do núcleo do átomo.

Os fundadores da mecánica cuántica

Observemos os científicos que fixeron a maior contribución ao desenvolvemento dun sector tan importante: o físico francés L. de Broglie, o alemán W. Heisenberg, o austriaco E. Schroedinger, o inglés P. Dirac. Todas estas persoas foron posteriormente premiadas co Premio Nobel.

Tanto como neste plan foi a química? estrutura química do átomo, a maioría destes anos foi considerado moi sinxelo: moitos só en 1947 finalmente recoñeceu a realidade da existencia de partículas elementais.

algunhas conclusións

Xeralmente, cando se crea unha teoría cuántica non foi sen matemáticos, como todos estes procesos se pode calcular só co uso de cálculos complexos. Pero a principal dificultade non é o punto. Os procesos que son descritos por esta teoría, dispoñibles non só para os nosos sentidos, a pesar de toda a tecnoloxía científica moderna, pero tamén imaxinación.

Ningún home, mesmo algúns non poden imaxinar procesos en microcosmos, como non me gusta de todos os fenómenos que observamos no macrocosmos. Basta pensar: os últimos descubrimentos dan razón para supoñer que os quarks, neutrinos e outras partículas fundamentais existen no nove dimensión (!). Como unha persoa que vive nun espazo tridimensional, pode ata aproximadamente describir o seu comportamento?

Polo momento, só podemos contar coa matemática eo poder dos computadores modernos, que, se cadra, serán utilizados para a simulación de micro-mundo. Significativamente axuda e química: atómico estrutura pode certamente ser revisados, tras pouco os científicos que traballan neste campo, informou o descubrimento dun novo tipo de enlace químico.

O concepto moderno da estrutura do átomo

Se ler coidadosamente todas as opcións anteriores, probablemente si será capaz de dicir o que de hoxe imaxe da estrutura atómica de sustancias. Pero imos explicar: é un pouco modificada teoría de Rutherford, complementado por preceptos inestimables de Niels Bohr. Simplificando, hoxe considérase que os electróns móvense nun caótico camiños, borradas ao redor do núcleo, que está composta de protóns e neutróns. Esta parte do espazo en torno a el, no que o aspecto do electrón é máis probable chamados orbitales.

Mentres non se pode dicir exactamente como vai cambiar a nosa comprensión da estrutura atómica no futuro. Todos os días, os científicos están a traballar sobre a penetración nos misterios do microcosmos: o LHC (Large Hadron Collider), o Premio Nobel de Física - todo isto é o resultado de levantamento de datos.

Pero aínda agora non podemos imaxinar e imaxe aproximada do que aínda se esconden átomos. Claro só que o propio átomo na escala do microcosmos - un enorme edificio de apartamentos, en que examinamos, excepto o primeiro andar, e aínda así non completamente. Case todos os anos hai relatos sobre a posibilidade de abrir máis e partículas elementais máis novos. Cando o proceso de estudo de átomos será completamente terminado, non se comprometen a prever un día de hoxe.

Tan só dicir que as nosas concepcións deles só comezou a cambiar en 1947, cando os chamados V-partículas foron descubertas. Antes diso, a xente se afondou só lixeiramente a teoría de que o século 19 foi baseada química. Estrutura do átomo - un crebacabezas fascinante que ocupou as mellores mentes da humanidade.