Ежелгі дәуірден 18 ғасырдың ортасына дейін ғылымда атомды бөлінбейтін зат бөлшегі деген пікір басым болды. Ағылшын ғалымы, сондай-ақ табиғат зерттеушісі Д. Дальтон атомды химиялық элементтің ең кіші құрамдас бөлігі деп анықтады. М. В. Ломоносов өзінің атомдық және молекулалық теориясында атом мен молекуланы анықтай алды. Ол «корпускулалар» деп атаған молекулалардың «элементтер» - атомдардан тұратынына және үздіксіз қозғалыста болатынына сенімді болды.
D. И. Менделеев заттық дүниені құрайтын заттардың бұл бірлігі бөлінуге ұшырамаған жағдайда ғана өзінің барлық қасиеттерін сақтайды деп есептеді. Бұл мақалада біз атомды микроәлемнің объектісі ретінде анықтап, оның қасиеттерін зерттейміз.
Атом құрылысы теориясын құрудың алғы шарттары
19 ғасырда атомның бөлінбейтіндігі туралы мәлімдеме жалпы қабылданған. Көптеген ғалымдар бір химиялық элементтің бөлшектері ешбір жағдайда басқа элементтің атомдарына айнала алмайды деп есептеді. Бұл идеялар 1932 жылға дейін атомның анықтамасына негіз болды. 19 ғасырдың аяғында ғылым жасадыбұл көзқарасты өзгерткен іргелі жаңалықтар. Ең алдымен 1897 жылы ағылшын физигі Дж. Дж. Томсон электронды ашты. Бұл факт ғалымдардың химиялық элементтің құрамдас бөлігінің бөлінбейтіндігі туралы идеяларын түбегейлі өзгертті.
Атомның күрделі екенін қалай дәлелдеуге болады
Тіпті электрон ашылғанға дейін ғалымдар атомдардың зарядтары жоқ дегенге бірауыздан келіскен. Сонда электрондардың кез келген химиялық элементтен оңай бөлінетіні анықталды. Оларды жалыннан табуға болады, олар электр тогын тасымалдаушылар, олар рентген сәулелерін шығару кезінде заттармен бөлінеді.
Бірақ электрондар барлық атомдардың бір бөлігі болып табылса және теріс зарядты болса, атомда міндетті түрде оң зарядты болатын басқа да бөлшектер бар, әйтпесе атомдар электрлік бейтарап болмайды. Атомның құрылымын ашуға көмектесу үшін радиоактивтілік сияқты физикалық құбылыс көмектесті. Ол физикада, содан кейін химияда атомның дұрыс анықтамасын берді.
Көрінбейтін сәулелер
Француз физигі А. Беккерель бірінші болып белгілі бір химиялық элементтер атомдарының сәуле шығару құбылысын, көзбен көрінбейтін сәулелерді сипаттады. Олар ауаны иондандырады, заттар арқылы өтеді, фотопластинкалардың қараюын тудырады. Кейінірек Кюри мен Э. Резерфорд радиоактивті заттардың басқа химиялық элементтердің атомдарына (мысалы, уран нептунийге) айналатынын анықтады.
Радиоактивті сәулелену құрамы бойынша біртекті емес: альфа бөлшектері, бета бөлшектері, гамма-сәулелері. СоныменСонымен радиоактивтілік құбылысы периодтық жүйе элементтерінің бөлшектерінің күрделі құрылымға ие екендігін растады. Бұл факт атомның анықтамасына енгізілген өзгерістерге себеп болды. Резерфорд алған жаңа ғылыми фактілерді ескере отырып, атом қандай бөлшектерден тұрады? Бұл сұрақтың жауабы ғалым ұсынған атомның ядролық моделі болды, оған сәйкес электрондар оң зарядталған ядроның айналасында айналады.
Резерфорд үлгісінің қайшылықтары
Ғалымның теориясы өзінің көрнекті сипатына қарамастан атомды объективті түрде анықтай алмады. Оның тұжырымдары термодинамиканың негізгі заңдарына қайшы келді, оған сәйкес ядроның айналасында айналатын барлық электрондар энергияны жоғалтады және ерте ме, кеш пе оған түсуі керек. Бұл жағдайда атом жойылады. Бұл іс жүзінде болмайды, өйткені химиялық элементтер мен олардан тұратын бөлшектер табиғатта өте ұзақ уақыт бойы бар. Резерфорд теориясына негізделген атомның мұндай анықтамасы, сондай-ақ ыстық жай заттарды дифракциялық тор арқылы өткізгенде болатын құбылысты түсіндіру мүмкін емес. Өйткені, алынған атомдық спектрлер сызықтық пішінге ие. Бұл Резерфордтың атом моделіне қайшы келді, оған сәйкес спектрлер үздіксіз болуы керек еді. Кванттық механика концепциялары бойынша қазіргі кезде ядродағы электрондар нүктелік объектілер ретінде емес, электронды бұлт тәрізді түрде сипатталады.
Оның ядроның айналасындағы белгілі бір кеңістіктегі ең жоғары тығыздығы жәнебөлшектің берілген уақыт мезетіндегі орны деп есептеледі. Сондай-ақ атомдағы электрондардың қабат-қабат орналасатыны анықталды. Д. И. Менделеевтің периодтық жүйесінде элементтің орналасқан периодының санын білу арқылы қабаттардың санын анықтауға болады. Мысалы, фосфор атомында 15 электрон бар және 3 энергетикалық деңгейі бар. Энергия деңгейлерінің санын анықтайтын көрсеткіш негізгі кванттық сан деп аталады.
Тәжірибе жүзінде ядроға ең жақын энергетикалық деңгейдегі электрондардың энергиясы ең аз болатыны анықталды. Әрбір энергетикалық қабат ішкі деңгейлерге, ал олар өз кезегінде орбитальдарға бөлінеді. Әртүрлі орбитальдарда орналасқан электрондардың бұлт пішіні бірдей (s, p, d, f).
Жоғарыда айтылғандарға сүйене отырып, электрон бұлтының пішіні ерікті болуы мүмкін емес деген қорытынды шығады. Ол орбиталық кванттық санға сәйкес қатаң түрде анықталады. Макробөлшектегі электронның күйі тағы екі мәнмен - магниттік және спиндік кванттық сандармен анықталатынын қосамыз. Біріншісі Шредингер теңдеуіне негізделген және біздің әлемнің үш өлшемділігіне негізделген электронды бұлттың кеңістіктік бағдарын сипаттайды. Екінші индикатор - спин саны, ол электронның өз осінің айналасында сағат тілімен немесе сағат тіліне қарсы айналуын анықтау үшін қолданылады.
Нейтронның ашылуы
Д. Чэдвиктің 1932 жылы жүргізген еңбегінің арқасында химия мен физикада атомға жаңа анықтама берілді. Ғалым өз тәжірибелерінде полонийдің ыдырауы кезінде сәулелену пайда болатынын дәлелдеді.заряды жоқ бөлшектер, массасы 1,008665 Жаңа элементар бөлшек нейтрон деп аталды. Оның ашылуы және қасиеттерін зерттеу кеңес ғалымдары В. Гапон мен Д. Иваненкоға құрамында протондар мен нейтрондар бар атом ядросының құрылымының жаңа теориясын жасауға мүмкіндік берді.
Жаңа теория бойынша зат атомының анықтамасы келесідей болды: ол химиялық элементтің құрылымдық бірлігі, құрамында протондар мен нейтрондар бар ядродан және оның айналасында қозғалатын электрондардан тұрады. Ядродағы оң бөлшектердің саны әрқашан периодтық жүйедегі химиялық элементтің атомдық нөміріне тең.
Кейіннен профессор А. Жданов өз тәжірибелерінде қатты ғарыштық сәулеленудің әсерінен атом ядроларының протондар мен нейтрондарға бөлінетінін растады. Сонымен қатар, ядрода бұл элементар бөлшектерді ұстап тұрған күштердің энергияны өте қажет ететіні дәлелденді. Олар өте қысқа қашықтықта жұмыс істейді (шамамен 10-23 см) және ядролық деп аталады. Бұрын айтылғандай, тіпті М. В. Ломоносов өзіне белгілі ғылыми фактілерге сүйене отырып, атом мен молекулаға анықтама бере алған.
Қазіргі уақытта келесі модель жалпы танылған: атом ядродан және оның айналасында қатаң белгіленген траекториялар – орбитальдар бойынша қозғалатын электрондардан тұрады. Электрондар бір уақытта бөлшектердің де, толқындардың да қасиеттерін көрсетеді, яғни олардың екі жақты сипаты бар. Оның барлық дерлік массасы атом ядросында шоғырланған. Ол ядролық күштермен байланысқан протондар мен нейтрондардан тұрады.
Атомды өлшеуге бола ма
Әр атомда болады екенмассасы. Мысалы, сутегі үшін ол 1,67x10-24г. Бұл құндылықтың қаншалықты аз екенін елестету тіпті қиын. Мұндай нысанның салмағын табу үшін олар таразыларды емес, көміртекті нанотүтік болып табылатын осцилляторды пайдаланады. Атом мен молекуланың салмағын есептеу үшін неғұрлым қолайлы мән салыстырмалы масса болып табылады. Ол молекуланың немесе атомның салмағы 1,66x10-27 кг болатын көміртегі атомының 1/12 бөлігінен қанша есе артық екенін көрсетеді. Салыстырмалы атомдық массалар химиялық элементтердің периодтық жүйесінде берілген және олардың бірліктері жоқ.
Химиялық элементтің атомдық массасы оның барлық изотоптарының массалық сандарының орташа мәні екенін ғалымдар жақсы біледі. Табиғатта бір химиялық элементтің бірліктері әртүрлі массаға ие болады екен. Сонымен қатар мұндай құрылымдық бөлшектердің ядроларының зарядтары бірдей.
Ғалымдар изотоптар ядродағы нейтрондар саны бойынша әр түрлі, ал олардың ядроларының зарядтары бірдей болатынын анықтады. Мысалы, массасы 35 хлор атомында 18 нейтрон және 17 протон, ал массасы 37 - 20 нейтрон және 17 протон болады. Көптеген химиялық элементтер изотоптардың қоспалары болып табылады. Мысалы, калий, аргон, оттегі сияқты қарапайым заттардың құрамында 3 түрлі изотопты білдіретін атомдар болады.
Атомдылықты анықтау
Оның бірнеше түсіндірмесі бар. Химияда бұл термин нені білдіретінін қарастырыңыз. Егер кез келген химиялық элементтің атомдары күрделірек бөлшекті – молекуланы құруға ұмтылмай, кем дегенде қысқа уақыт ішінде бөлек өмір сүре алатын болса, онда олар мұндай заттардыңатом құрылымы. Мысалы, көп сатылы метанды хлорлау реакциясы. Ол органикалық синтез химиясында аса маңызды галогені бар туындыларды: дихлорметан, төрт хлорлы көміртек алу үшін кеңінен қолданылады. Ол хлор молекулаларын жоғары реактивті атомдарға бөледі. Олар метан молекуласындағы сигма байланыстарын үзіп, алмастыру тізбегі реакциясын қамтамасыз етеді.
Өнеркәсіптегі үлкен маңызы бар химиялық процестің тағы бір мысалы - дезинфекциялаушы және ағартқыш ретінде сутегі асқын тотығын пайдалану. Сутегі асқын тотығының ыдырау өнімі ретінде атомдық оттегін анықтау тірі жасушаларда да (каталаза ферментінің әсерінен) де, зертханалық жағдайларда да болады. Атомдық оттегі сапалы түрде оның жоғары антиоксиданттық қасиеттерімен, сондай-ақ патогенді агенттерді: бактерияларды, саңырауқұлақтарды және олардың спораларын жою қабілетімен анықталады.
Атомдық қабық қалай жұмыс істейді
Химиялық элементтің құрылымдық бірлігі күрделі құрылымға ие екенін біз бұрын білдік. Электрондар оң зарядталған ядроның айналасында айналады. Нобель сыйлығының лауреаты Нильс Бор жарықтың кванттық теориясына негізделген өзінің ілімін жасады, онда атомның сипаттамалары мен анықтамасы келесідей: электрондар ядроны тек белгілі бір стационарлық траекториялар бойымен айналады, ал олар энергияны сәулелендірмейді. Бор ілімі атомдар мен молекулаларды қамтитын микроәлем бөлшектерінің әділ заңдарға бағынбайтынын дәлелдеді.үлкен денелер үшін - макроғарыштық нысандар.
Макробөлшектердің электронды қабаттарының құрылымы Хунд, Паули, Клечковский сияқты ғалымдардың кванттық физика бойынша еңбектерінде зерттелген. Сонымен электрондар ядроның айналасында кездейсоқ емес, белгілі бір стационарлық траекториялар бойынша айналмалы қозғалыстар жасайтыны белгілі болды. Паули s, p, d, f орбитальдарының әрқайсысында бір энергетикалық деңгейде электрондық ұяшықтарда қарама-қарсы спиндері + ½ және - ½ екі теріс зарядты бөлшектерден көп болмайтынын анықтады.
Хунд ережесі бірдей энергия деңгейі бар орбитальдардың электрондармен қалай дұрыс толтырылатынын түсіндірді.
Клечковский ережесі, n+l ережесі деп те аталады, көпэлектронды атомдардың орбитальдары (5, 6, 7 период элементтері) қалай толтырылатынын түсіндірді. Жоғарыда аталған заңдылықтардың барлығы Дмитрий Менделеев жасаған химиялық элементтер жүйесінің теориялық негіздемесі болды.
Тотығу күйі
Бұл химиядағы негізгі ұғым және молекуладағы атомның күйін сипаттайды. Атомдардың тотығу дәрежесінің қазіргі заманғы анықтамасы келесідей: бұл молекуладағы атомның шартты заряды, ол молекуланың тек иондық құрамы бар деген түсінікке негізделген.
Тотығу дәрежесін оң, теріс немесе нөлдік мәндері бар бүтін немесе бөлшек сан ретінде көрсетуге болады. Көбінесе химиялық элементтердің атомдары бірнеше тотығу дәрежесіне ие. Мысалы, азотта -3, -2, 0, +1, +2, +3, +4, +5 болады. Бірақ фтор сияқты химиялық элемент, оның барлығындақосылыстардың -1-ге тең бір ғана тотығу дәрежесі бар. Егер ол жай затпен ұсынылса, онда оның тотығу дәрежесі нөлге тең. Бұл химиялық шаманы заттарды жіктеу және олардың қасиеттерін сипаттау үшін қолдануға ыңғайлы. Көбінесе атомның тотығу дәрежесі химияда тотығу-тотықсыздану реакцияларының теңдеулерін құрастыру кезінде қолданылады.
Атомдардың қасиеттері
Кванттық физиканың ашылуларының арқасында Д. Иваненко мен Э. Гапонның теориясына негізделген атомның қазіргі заманғы анықтамасы келесі ғылыми деректермен толықтырылды. Химиялық реакциялар кезінде атом ядросының құрылымы өзгермейді. Тек стационарлық электрон орбитальдары ғана өзгереді. Олардың құрылымы заттардың көптеген физикалық және химиялық қасиеттерін түсіндіре алады. Егер электрон қозғалмайтын орбитадан шығып, энергетикалық индексі жоғары орбитаға шықса, мұндай атом қозған деп аталады.
Айта кету керек, электрондар мұндай ерекше орбитальдарда ұзақ уақыт тұра алмайды. Өзінің стационарлық орбитасына оралғанда, электрон энергияның квантын шығарады. Химиялық элементтердің құрылымдық бірліктерінің электронға жақындығы, электртерістігі, иондану энергиясы сияқты сипаттамаларын зерттеу ғалымдарға атомды микроәлемнің ең маңызды бөлігі ретінде анықтауға ғана емес, сонымен қатар атомдардың түзілу қабілетін түсіндіруге мүмкіндік берді. Заттың тұрақты және энергетикалық жағынан қолайлы молекулалық күйі, тұрақты химиялық байланыстың әртүрлі түрлерін құрудың арқасында мүмкін болады: иондық, коваленттікполярлық және полярлық емес, донор-акцепторлық (коваленттік байланыстың бір түрі ретінде) және металдық. Соңғысы барлық металдардың ең маңызды физикалық және химиялық қасиеттерін анықтайды.
Атом өлшемі өзгеретіні тәжірибе жүзінде анықталған. Барлығы оның қай молекулаға кіретініне байланысты болады. Рентгендік дифракциялық талдаудың арқасында химиялық қосылыстағы атомдар арасындағы қашықтықты есептеуге, сонымен қатар элементтің құрылымдық бірлігінің радиусын білуге болады. Периодқа немесе химиялық элементтер тобына кіретін атомдардың радиустарының өзгеру заңдылықтарын біле отырып, олардың физикалық және химиялық қасиеттерін болжауға болады. Мысалы, атомдар ядросының зарядының жоғарылауы кезінде олардың радиустары азаяды («атомның қысылуы»), сондықтан қосылыстардың металлдық қасиеттері әлсірейді, ал металл еместері артады.
Осылайша, атомның құрылысын білу Менделеевтің периодтық жүйесіне кіретін барлық элементтердің физикалық және химиялық қасиеттерін дәл анықтауға мүмкіндік береді.
