Атомның қалай құрылғанын қарастырайық. Біз тек модельдер туралы айтатынымызды есте сақтаңыз. Іс жүзінде атомдар әлдеқайда күрделі құрылым болып табылады. Бірақ заманауи әзірлемелердің арқасында біз химиялық элементтердің қасиеттерін (барлығы болмаса да) түсіндіре аламыз және тіпті сәтті болжай аламыз. Сонымен, атомның құрылымы қандай? Ол неден жасалған?
Атомның планеталық моделі
алғаш рет 1913 жылы дат физигі Н. Бор ұсынған. Бұл атом құрылысының ғылыми фактілерге негізделген алғашқы теориясы. Сонымен қатар, ол заманауи тақырыптық терминологияның негізін қалады. Онда электрон-бөлшектер Күннің айналасындағы планеталар сияқты атомның айналасында айналу қозғалыстарын жасайды. Бор олар ядродан қатаң анықталған қашықтықта орналасқан орбиталарда ғана өмір сүре алады деп ұсынды. Неліктен дәл, ғылым позициясынан шыққан ғалым түсіндіре алмады, бірақ мұндай модель көптеген эксперименттермен расталды. Орбиталарды белгілеу үшін ядроға жақын нөмірленген бірліктен бастап бүтін сандар пайдаланылды. Барлық осы орбиталар деңгейлер деп те аталады. Сутегі атомының бір электроны айналатын бір ғана деңгейі бар. Бірақ күрделі атомдардың деңгейлері көп. Олар энергетикалық потенциалы бойынша жақын электрондарды біріктіретін компоненттерге бөлінеді. Сонымен, екіншісінде екі ішкі деңгей бар - 2s және 2p. Үшіншісінде үшеуі бар - 3s, 3p және 3d. Тағыда басқа. Біріншіден, ядроға жақын төменгі деңгейлер «тұрғын», содан кейін алыс. Олардың әрқайсысы белгілі бір электрондарды ғана ұстай алады. Бірақ бұл соңы емес. Әрбір ішкі деңгей орбитальдарға бөлінеді. Қарапайым өмірмен салыстырып көрейік. Атомның электронды бұлты қаламен салыстырылады. Деңгейлер - көшелер. Ішкі деңгей - жеке үй немесе пәтер. Орбитал - бұл бөлме. Олардың әрқайсысы бір немесе екі электронды «өмір сүреді». Олардың барлығының нақты мекенжайлары бар. Бұл атом құрылымының бірінші диаграммасы болды. Соңында, электрондардың мекенжайлары туралы: олар «квант» деп аталатын сандар жиынымен анықталады.
Атомның толқындық үлгісі
Бірақ уақыт өте келе планеталық модель қайта қаралды. Атом құрылысының екінші теориясы ұсынылды. Ол анағұрлым жетілген және практикалық тәжірибелердің нәтижелерін түсіндіруге мүмкіндік береді. Э. Шредингер ұсынған атомның толқындық моделі біріншісін ауыстырды. Содан кейін электронның бөлшек ретінде ғана емес, сонымен қатар толқын ретінде де көріне алатыны анықталды. Шредингер не істеді? Ол үш өлшемді кеңістіктегі толқынның қозғалысын сипаттайтын теңдеуді қолданды. Осылайша, атомдағы электронның траекториясын емес, оның белгілі бір нүктеде табылу ықтималдығын табуға болады. Екі теория да элементар бөлшектердің орналасуымен біріктірілгенарнайы деңгейлер, ішкі деңгейлер және орбитальдар. Модельдердің ұқсастығы осы жерде аяқталады. Мен бір мысал келтірейін - толқындық теорияда орбиталь дегеніміз 95% ықтималдығы бар электронды табуға болатын аймақ. Кеңістіктің қалған бөлігі 5% құрайды. Бірақ соңында терминологияның жалпы қолданылғанына қарамастан, атомдардың құрылымдық ерекшеліктері толқындық модель арқылы бейнеленгені анықталды.
Бұл жағдайда ықтималдық түсінігі
Бұл термин не үшін қолданылды? Гейзенберг 1927 жылы белгісіздік принципін тұжырымдады, ол қазір микробөлшектердің қозғалысын сипаттау үшін қолданылады. Бұл олардың қарапайым физикалық денелерден түбегейлі айырмашылығына негізделген. Бұл не? Классикалық механика адам құбылыстарды оларға әсер етпей бақылай алады деп есептеді (аспан денелерін бақылау). Алынған мәліметтерге сүйене отырып, белгілі бір уақытта нысанның қайда болатынын есептеуге болады. Бірақ микроәлемде заттар міндетті түрде басқаша болады. Мысалы, электронды оған әсер етпей бақылау қазір аспап пен бөлшектің энергиясы салыстыруға келмейтіндіктен мүмкін емес. Бұл оның элементар бөлшектің орналасуының, күйінің, бағытының, қозғалыс жылдамдығының және басқа параметрлерінің өзгеруіне әкеледі. Ал нақты сипаттамалар туралы айтудың мағынасы жоқ. Белгісіздік принципінің өзі электронның ядроның айналасындағы траекториясын дәл есептеу мүмкін еместігін айтады. Белгілі бір аумақта бөлшекті табу ықтималдығын ғана көрсетуге боладығарыш. Бұл химиялық элементтер атомдарының құрылысының ерекшелігі. Бірақ мұны тек ғалымдар тәжірибелік эксперименттерде ескеруі керек.
Атомның құрамы
Бірақ барлық тақырыпқа назар аударайық. Сонымен, жақсы қарастырылған электронды қабаттан басқа, атомның екінші құрамдас бөлігі ядро болып табылады. Ол оң зарядталған протондар мен бейтарап нейтрондардан тұрады. Периодтық жүйемен бәріміз таныспыз. Әрбір элементтің саны ондағы протондар санына сәйкес келеді. Нейтрондар саны атомның массасы мен протондар санының айырмашылығына тең. Бұл ережеден ауытқулар болуы мүмкін. Сонда олар элементтің изотопы бар дейді. Атомның құрылымы электронды қабықпен «қоршалған» болады. Электрондар саны әдетте протондар санына тең. Соңғысының массасы біріншісінен шамамен 1840 есе үлкен және шамамен нейтронның салмағына тең. Ядроның радиусы атом диаметрінің шамамен 1/200 000 бөлігін құрайды. Оның өзі сфералық пішінге ие. Бұл, жалпы алғанда, химиялық элементтер атомдарының құрылымы. Массасы мен қасиеттерінің айырмашылығына қарамастан, олар шамамен бірдей.
Орбита
Атом құрылымының схемасы қандай екені туралы айтсақ, олар туралы үнсіз қалуға болмайды. Сонымен, мына түрлері бар:
- с. Олар шар тәрізді.
- б. Олар көлемді сегіздік фигураға немесе шпиндельге ұқсайды.
- d және f. Олардың күрделі пішіні бар, оны ресми тілде сипаттау қиын.
Әр түрдегі электронды аумақта 95% ықтималдықпен табуға боладысәйкес орбиталь. Ұсынылған ақпаратты байсалды түрде қабылдау керек, өйткені бұл физикалық нақты жағдайға қарағанда абстрактылы математикалық модель. Бірақ мұның бәрі атомдардың және тіпті молекулалардың химиялық қасиеттеріне қатысты жақсы болжамдық күшке ие. Деңгей ядродан неғұрлым алыс орналасса, соғұрлым көп электрондарды орналастыруға болады. Сонымен, орбитальдардың санын арнайы формула арқылы есептеуге болады: x2. Мұндағы х деңгейлер санына тең. Орбитальға екі электронға дейін орналастыруға болатындықтан, оларды сандық іздеудің соңғы формуласы келесідей болады: 2x2.
Орбита: техникалық деректер
Фтор атомының құрылысы туралы айтатын болсақ, оның үш орбитасы болады. Олардың барлығы толтырылады. Бір ішкі деңгейдегі орбитальдардың энергиясы бірдей. Оларды белгілеу үшін қабат нөмірін қосыңыз: 2s, 4p, 6d. Фтор атомының құрылысы туралы әңгімеге қайта ораламыз. Оның екі s- және бір p- ішкі деңгейі болады. Оның тоғыз протоны және электрондарының саны бірдей. Бірінші s-деңгейі. Бұл екі электрон. Содан кейін екінші s-деңгейі. Тағы екі электрон. Ал 5 p-деңгейін толтырады. Міне, оның құрылымы. Келесі тақырыпшаны оқығаннан кейін қажетті әрекеттерді өзіңіз жасай аласыз және өзіңіз көре аласыз. Фторды қамтитын галогендердің физикалық қасиеттері туралы айтатын болсақ, онда олар бір топта болса да, сипаттамалары бойынша толығымен ерекшеленетінін атап өткен жөн. Сонымен, олардың қайнау температурасы -188-ден 309-ға дейінЦельсий градусы. Ендеше, олар неге біріктірілді? Барлығы химиялық қасиеттердің арқасында. Барлық галогендер және ең үлкен дәрежеде фтор ең жоғары тотықтырғыш күшке ие. Олар металдармен әрекеттеседі және бөлме температурасында еш қиындықсыз өздігінен тұтануы мүмкін.
Орбиталар қалай толтырылады?
Электрондар қандай ережелер мен принциптер бойынша орналасады? Жақсырақ түсіну үшін сөздері жеңілдетілген үш негізгі нұсқамен танысуды ұсынамыз:
- Ең аз энергия принципі. Электрондар энергияны жоғарылату ретімен орбитальдарды толтыруға бейім.
- Паули принципі. Бір орбитальда екі электроннан артық болмауы керек.
- Хунд ережесі. Бір ішкі деңгей ішінде электрондар алдымен бос орбитальдарды толтырады, содан кейін ғана жұптар құрайды.
Менделеевтің периодтық жүйесі толтыруға көмектеседі және бұл жағдайда атомның құрылымы кескін тұрғысынан түсінікті болады. Сондықтан элементтердің сұлбаларын құрастырумен практикалық жұмыста оны қол астында ұстау қажет.
Мысалы
Мақалада айтылғандардың барлығын қорытындылау үшін атом электрондарының деңгейлері, ішкі деңгейлері және орбитальдары бойынша қалай таралатынының үлгісін жасауға болады (яғни деңгей конфигурациясы қандай). Оны формула, энергетикалық диаграмма немесе қабат диаграммасы ретінде көрсетуге болады. Мұнда өте жақсы иллюстрациялар бар, олар мұқият зерделеу кезінде атомның құрылымын түсінуге көмектеседі. Сонымен, бірінші деңгей бірінші толтырылады. Онда бартек бір ғана орбиталь бар бір ғана ішкі деңгей. Барлық деңгейлер ең кішіден бастап дәйекті түрде толтырылады. Біріншіден, бір ішкі деңгей ішінде әрбір орбитальға бір электрон орналасады. Содан кейін жұптар құрылады. Ал егер бос болса, ол басқа толтыру пәніне ауысады. Енді сіз азот немесе фтор атомының құрылымы қандай екенін өз бетіңізше біле аласыз (ол бұрын қарастырылған). Басында бұл біршама қиын болуы мүмкін, бірақ суреттерге қарап шарлауға болады. Түсінікті болу үшін азот атомының құрылымын қарастырайық. Оның 7 протоны (ядроны құрайтын нейтрондармен бірге) және бірдей электрондар саны (электрондық қабықшаны құрайтын) бар. Бірінші s-деңгейі алдымен толтырылады. Оның 2 электроны бар. Содан кейін екінші s-деңгейі келеді. Оның да 2 электроны бар. Ал қалған үшеуі p-деңгейінде орналасады, мұнда олардың әрқайсысы бір орбитальды алады.
Қорытынды
Көріп отырғаныңыздай, атомның құрылымы онша қиын тақырып емес (әрине мектептегі химия курсы тұрғысынан қарастырсаңыз). Және бұл тақырыпты түсіну қиын емес. Соңында мен сізге кейбір мүмкіндіктер туралы хабарлаймын. Мысалы, оттегі атомының құрылысы туралы айтатын болсақ, оның сегіз протоны және 8-10 нейтроны бар екенін білеміз. Табиғаттағы барлық нәрсе тепе-теңдікке бейім болғандықтан, екі оттегі атомы молекула түзеді, онда екі жұпталмаған электрон коваленттік байланыс түзеді. Сол сияқты тағы бір тұрақты оттегі молекуласы – озон түзіледі (O3). Оттегі атомының құрылымын біле отырып, тотығу реакцияларын дұрыс тұжырымдауға боладыБұл жердегі ең көп таралған затты қамтиды.
