من فترة العصور القديمة إلى منتصف القرن الثامن عشر ، سيطرت فكرة أن الذرة هي جزء من المادة لا يمكن تقسيمها. عرف العالم الإنجليزي ، وكذلك عالم الطبيعة د. دالتون ، الذرة على أنها أصغر مكون من عنصر كيميائي. تمكن M. V Lomonosov في نظريته الذرية والجزيئية من تحديد الذرة والجزيء. كان مقتنعا بأن الجزيئات ، التي أطلق عليها اسم "الجسيمات" ، تتكون من "عناصر" - ذرات - وكانت في حالة حركة مستمرة.
د. يعتقد I. Mendeleev أن هذه الوحدة الفرعية من المواد التي يتكون منها العالم المادي تحتفظ بجميع خصائصها فقط إذا لم تتعرض للفصل. في هذه المقالة سوف نحدد الذرة ككائن للعالم الدقيق وندرس خصائصها.
متطلبات إنشاء نظرية بنية الذرة
في القرن التاسع عشر ، تم قبول العبارة حول عدم قابلية الذرة للتجزئة بشكل عام. يعتقد معظم العلماء أن جسيمات عنصر كيميائي لا يمكن أن تتحول تحت أي ظرف من الظروف إلى ذرات عنصر آخر. كانت هذه الأفكار بمثابة الأساس الذي استند إليه تعريف الذرة حتى عام 1932. في نهاية القرن التاسع عشر ، صنع العلمالاكتشافات الأساسية التي غيرت وجهة النظر هذه. بادئ ذي بدء ، في عام 1897 ، اكتشف الفيزيائي الإنجليزي جيه جيه طومسون الإلكترون. هذه الحقيقة غيرت بشكل جذري أفكار العلماء حول عدم قابلية الجزء المكون للعنصر الكيميائي للتجزئة.
كيفية إثبات أن الذرة معقدة
حتى قبل اكتشاف الإلكترون ، اتفق العلماء بالإجماع على أن الذرات ليس لها شحنة. ثم وجد أن الإلكترونات تنطلق بسهولة من أي عنصر كيميائي. يمكن العثور عليها في اللهب ، فهي حاملة للتيار الكهربائي ، وتطلقها المواد أثناء انبعاث الأشعة السينية.
لكن إذا كانت الإلكترونات جزءًا من جميع الذرات بدون استثناء وكانت سالبة الشحنة ، فهناك بعض الجسيمات الأخرى في الذرة التي تحتوي بالضرورة على شحنة موجبة ، وإلا فلن تكون الذرات محايدة كهربائيًا. للمساعدة في كشف بنية الذرة ، ساعدت ظاهرة فيزيائية مثل النشاط الإشعاعي. أعطت التعريف الصحيح للذرة في الفيزياء ثم في الكيمياء.
أشعة غير مرئية
الفيزيائي الفرنسي أ. بيكريل كان أول من وصف ظاهرة انبعاث ذرات لعناصر كيميائية معينة ، الأشعة غير المرئية بصريًا. إنها تؤين الهواء ، وتمر عبر المواد ، وتتسبب في اسوداد لوحات التصوير. في وقت لاحق ، اكتشف كل من Curies و E. Rutherford أن المواد المشعة تتحول إلى ذرات من عناصر كيميائية أخرى (على سبيل المثال ، اليورانيوم إلى نبتونيوم).
الإشعاع المشع غير متجانس في التركيب: جسيمات ألفا ، جسيمات بيتا ، أشعة جاما. لذاوهكذا فإن ظاهرة النشاط الإشعاعي أكدت أن جسيمات عناصر الجدول الدوري لها بنية معقدة. كانت هذه الحقيقة هي سبب التغييرات التي أجريت على تعريف الذرة. ما الجسيمات التي تتكون منها الذرة ، في ضوء الحقائق العلمية الجديدة التي حصل عليها رذرفورد؟ كانت الإجابة على هذا السؤال هي النموذج النووي للذرة الذي اقترحه العالم ، والذي بموجبه تدور الإلكترونات حول نواة موجبة الشحنة.
تناقضات نموذج رذرفورد
نظرية العالم ، على الرغم من طابعها المميز ، لم تستطع تعريف الذرة بشكل موضوعي. تعارضت استنتاجاتها مع القوانين الأساسية للديناميكا الحرارية ، والتي بموجبها تفقد جميع الإلكترونات التي تدور حول النواة طاقتها ، ويجب أن تسقط فيها عاجلاً أم آجلاً. يتم تدمير الذرة في هذه الحالة. هذا لا يحدث في الواقع ، لأن العناصر الكيميائية والجسيمات التي تتكون منها موجودة في الطبيعة لفترة طويلة جدًا. مثل هذا التعريف للذرة ، بناءً على نظرية رذرفورد ، لا يمكن تفسيره ، وكذلك الظاهرة التي تحدث عندما يتم تمرير مواد بسيطة ساخنة عبر محزوز الحيود. بعد كل شيء ، فإن الأطياف الذرية الناتجة لها شكل خطي. كان هذا يتعارض مع نموذج رذرفورد للذرة ، والذي وفقًا له يجب أن يكون الأطياف مستمرة. وفقًا لمفاهيم ميكانيكا الكم ، في الوقت الحالي ، لا تتميز الإلكترونات في النواة بأنها كائنات نقطية ، ولكن لها شكل سحابة إلكترونية.
أعلى كثافة لها في مكان معين من الفضاء حول النواة ويعتبر موقع الجسيم في نقطة زمنية معينة. كما وجد أن الإلكترونات في الذرة مرتبة في طبقات. يمكن تحديد عدد الطبقات من خلال معرفة عدد الفترة التي يقع فيها العنصر في النظام الدوري لـ D. I. Mendeleev. على سبيل المثال ، تحتوي ذرة الفوسفور على 15 إلكترونًا ولها 3 مستويات طاقة. المؤشر الذي يحدد عدد مستويات الطاقة يسمى رقم الكم الرئيسي.
وجد تجريبياً أن إلكترونات مستوى الطاقة الأقرب للنواة لديها أقل طاقة. تنقسم كل قذيفة طاقة إلى مستويات فرعية ، وهي بدورها إلى مدارات. الإلكترونات الموجودة في مدارات مختلفة لها نفس شكل السحابة (s ، p ، d ، f).
بناءً على ما سبق ، يترتب على ذلك أن شكل السحابة الإلكترونية لا يمكن أن يكون تعسفيًا. يتم تعريفه بدقة وفقًا لعدد الكم المداري. نضيف أيضًا أن حالة الإلكترون في الجسيم الكبير تتحدد بقيمتين أخريين - الأرقام الكمومية المغناطيسية والدورانية. الأول يعتمد على معادلة شرودنجر ويميز الاتجاه المكاني لسحابة الإلكترون على أساس الأبعاد الثلاثية لعالمنا. المؤشر الثاني هو رقم الدوران ، ويستخدم لتحديد دوران الإلكترون حول محوره في اتجاه عقارب الساعة أو عكس اتجاه عقارب الساعة.
اكتشاف النيوترون
بفضل عمل د.تشادويك ، الذي قام به في عام 1932 ، تم تقديم تعريف جديد للذرة في الكيمياء والفيزياء. أثبت العالم في تجاربه أنه أثناء انقسام البولونيوم يحدث الإشعاع الناتج عنالجسيمات التي ليس لها شحنة ، كتلتها 1.008665. الجسيم الأولي الجديد كان يسمى النيوترون. سمح اكتشافه ودراسته لخصائصه للعلماء السوفييت في.
وفقًا للنظرية الجديدة ، كان تعريف ذرة المادة على النحو التالي: إنها وحدة هيكلية لعنصر كيميائي ، تتكون من نواة تحتوي على بروتونات ونيوترونات وإلكترونات تتحرك حولها. عدد الجسيمات الموجبة في النواة يساوي دائمًا العدد الذري للعنصر الكيميائي في النظام الدوري.
لاحقًا ، أكد البروفيسور أ. زدانوف في تجاربه أنه تحت تأثير الإشعاع الكوني الصلب ، تنقسم النوى الذرية إلى بروتونات ونيوترونات. بالإضافة إلى ذلك ، فقد ثبت أن القوى التي تحتفظ بهذه الجسيمات الأولية في النواة تستهلك قدرًا كبيرًا من الطاقة. تعمل على مسافات قصيرة جدًا (حوالي 10-23سم) وتسمى نووية. كما ذكرنا سابقًا ، حتى M. V. Lomonosov كان قادرًا على تقديم تعريف للذرة والجزيء بناءً على الحقائق العلمية المعروفة له.
في الوقت الحاضر ، يتم التعرف على النموذج التالي بشكل عام: تتكون الذرة من نواة وإلكترونات تتحرك حولها على طول مسارات محددة بدقة - المدارات. تعرض الإلكترونات في نفس الوقت خصائص كل من الجسيمات والموجات ، أي أن لها طبيعة مزدوجة. تتركز كل كتلته تقريبًا في نواة الذرة. يتكون من البروتونات والنيوترونات المرتبطة بالقوى النووية.
هل يمكن وزن الذرة
اتضح أن كل ذرة لهاالجماعية. على سبيل المثال ، بالنسبة للهيدروجين يكون 1.67x10 -24g. من الصعب حتى تخيل مدى صغر هذه القيمة. للعثور على وزن مثل هذا الجسم ، لا يستخدمون المقاييس ، ولكن المذبذب ، وهو أنبوب نانوي كربوني. لحساب وزن ذرة وجزيء ، فإن القيمة الأكثر ملاءمة هي الكتلة النسبية. يوضح عدد المرات التي يكون فيها وزن الجزيء أو الذرة أكبر من 1/12 من ذرة الكربون ، وهو 1.66 × 10-27كجم. الكتل الذرية النسبية معطاة في النظام الدوري للعناصر الكيميائية ولا تحتوي على وحدات.
يدرك العلماء جيدًا أن الكتلة الذرية لعنصر كيميائي هي متوسط أعداد الكتلة لجميع نظائره. اتضح أنه في الطبيعة ، يمكن أن يكون لوحدات عنصر كيميائي واحد كتل مختلفة. في الوقت نفسه ، فإن شحنات نوى هذه الجسيمات الهيكلية هي نفسها.
وجد العلماء أن النظائر تختلف في عدد النيوترونات في النواة ، وأن شحنة نواتها هي نفسها. على سبيل المثال ، تحتوي ذرة الكلور التي كتلتها 35 على 18 نيوترونًا و 17 بروتونًا وكتلة 37-20 نيوترونًا و 17 بروتونًا. العديد من العناصر الكيميائية عبارة عن خليط من النظائر. على سبيل المثال ، تحتوي مواد بسيطة مثل البوتاسيوم والأرجون والأكسجين على ذرات تمثل 3 نظائر مختلفة.
تحديد الذرية
لها عدة تفسيرات. تأمل ما هو المقصود بهذا المصطلح في الكيمياء. إذا كانت ذرات أي عنصر كيميائي قادرة على الوجود بشكل منفصل على الأقل لفترة قصيرة ، دون السعي لتكوين جسيم أكثر تعقيدًا - جزيء ، فإنهم يقولون إن هذه المواد لهاالتركيب الذري. على سبيل المثال ، تفاعل متعدد المراحل لكلور الميثان. يستخدم على نطاق واسع في كيمياء التخليق العضوي للحصول على أهم المشتقات المحتوية على الهالوجين: ثنائي كلورو ميثان ورابع كلوريد الكربون. يقسم جزيئات الكلور إلى ذرات شديدة التفاعل. يكسرون روابط سيجما في جزيء الميثان ، مما يوفر تفاعل تسلسلي بديل.
مثال آخر على عملية كيميائية ذات أهمية كبيرة في الصناعة هو استخدام بيروكسيد الهيدروجين كمطهر ومبيض. يحدث تحديد الأكسجين الذري ، كمنتج لانهيار بيروكسيد الهيدروجين ، في كل من الخلايا الحية (تحت تأثير إنزيم الكاتلاز) وفي ظروف المختبر. يتم تحديد الأكسجين الذري نوعيًا من خلال خصائصه العالية المضادة للأكسدة ، وكذلك من خلال قدرته على تدمير العوامل المسببة للأمراض: البكتيريا والفطريات وجراثيمها.
كيف تعمل القشرة الذرية
اكتشفنا سابقًا أن الوحدة الهيكلية لعنصر كيميائي لها بنية معقدة. تدور الإلكترونات حول نواة موجبة الشحنة. أنشأ نيلز بور ، الحائز على جائزة نوبل ، عقيدته ، بناءً على نظرية الكم للضوء ، حيث تكون خصائص الذرة وتعريفها كما يلي: تتحرك الإلكترونات حول النواة فقط على طول مسارات ثابتة معينة ، بينما لا تشع طاقة. أثبتت عقيدة بوهر أن جسيمات العالم المصغر ، والتي تشمل الذرات والجزيئات ، لا تخضع للقوانين العادلة.للأجسام الكبيرة - الأجسام الكبيرة.
تمت دراسة بنية غلاف الإلكترون للجسيمات الكبيرة في أعمال في فيزياء الكم بواسطة علماء مثل Hund و Pauli و Klechkovsky. لذلك أصبح معروفًا أن الإلكترونات تقوم بحركات دورانية حول النواة ليس بشكل عشوائي ، ولكن على طول مسارات ثابتة معينة. وجد Pauli أنه ضمن مستوى طاقة واحد في كل من مداراته s و p و d و f ، لا يمكن العثور على أكثر من جسيمين سالبين الشحنة مع دوران معاكس + و - في الخلايا الإلكترونية.
أوضحت قاعدة هوند كيف تمتلئ المدارات ذات مستوى الطاقة نفسه بالإلكترونات بشكل صحيح.
قاعدة كليشكوفسكي ، التي تسمى أيضًا قاعدة n + l ، توضح كيفية ملء مدارات ذرات الإلكترونات المتعددة (عناصر 5 ، 6 ، 7 فترات). جميع الأنماط المذكورة أعلاه بمثابة تبرير نظري لنظام العناصر الكيميائية التي أنشأها ديمتري مندليف.
حالة الأكسدة
إنه مفهوم أساسي في الكيمياء ويميز حالة الذرة في الجزيء. التعريف الحديث لحالة أكسدة الذرات هو كما يلي: هذه هي الشحنة الشرطية للذرة في الجزيء ، والتي يتم حسابها على أساس فكرة أن الجزيء له تركيبة أيونية فقط.
يمكن التعبير عن درجة الأكسدة في صورة عدد صحيح أو عدد كسري ، بقيم موجبة أو سالبة أو صفرية. في أغلب الأحيان ، تحتوي ذرات العناصر الكيميائية على العديد من حالات الأكسدة. على سبيل المثال ، يحتوي النيتروجين على -3 ، -2 ، 0 ، +1 ، +2 ، +3 ، +4 ، +5. لكن عنصر كيميائي مثل الفلور ، بكل ما فيهللمركبات حالة أكسدة واحدة فقط ، تساوي -1. إذا تم تمثيلها بواسطة مادة بسيطة ، فإن حالة الأكسدة الخاصة بها هي صفر. هذه الكمية الكيميائية ملائمة للاستخدام في تصنيف المواد ووصف خصائصها. في أغلب الأحيان ، تُستخدم حالة أكسدة الذرة في الكيمياء عند تجميع معادلات تفاعلات الأكسدة والاختزال.
خصائص الذرات
بفضل اكتشافات فيزياء الكم ، تم استكمال التعريف الحديث للذرة ، بناءً على نظرية D. Ivanenko و E. Gapon ، بالحقائق العلمية التالية. لا تتغير بنية نواة الذرة أثناء التفاعلات الكيميائية. فقط مدارات الإلكترون الثابتة قابلة للتغيير. يمكن أن يفسر هيكلها الكثير من الخصائص الفيزيائية والكيميائية للمواد. إذا ترك الإلكترون مدارًا ثابتًا وذهب إلى مدار بمؤشر طاقة أعلى ، فإن هذه الذرة تسمى متحمس.
وتجدر الإشارة إلى أن الإلكترونات لا يمكنها البقاء في مثل هذه المدارات غير العادية لفترة طويلة. بالعودة إلى مداره الثابت ، يصدر الإلكترون كمية من الطاقة. سمحت دراسة خصائص الوحدات الهيكلية للعناصر الكيميائية مثل تقارب الإلكترون ، والسلبية الكهربية ، وطاقة التأين ، للعلماء ليس فقط بتعريف الذرة على أنها أهم جسيم في العالم المصغر ، بل سمحت لهم أيضًا بشرح قدرة الذرات على التكوين. حالة جزيئية مستقرة وأكثر ملاءمة من الناحية النشطة للمادة ، ممكنة بسبب إنشاء أنواع مختلفة من الروابط الكيميائية المستقرة: الأيونية ، التساهميةقطبي وغير قطبي ، متقبل المانح (كنوع من الرابطة التساهمية) والمعدنية. هذا الأخير يحدد أهم الخواص الفيزيائية والكيميائية لجميع المعادن.
ثبت تجريبيا أن حجم الذرة يمكن أن يتغير. كل شيء سيعتمد على الجزيء الذي تم تضمينه فيه. بفضل تحليل حيود الأشعة السينية ، من الممكن حساب المسافة بين الذرات في مركب كيميائي ، وكذلك معرفة نصف قطر الوحدة الهيكلية للعنصر. من خلال معرفة أنماط التغيير في أنصاف أقطار الذرات المدرجة في فترة أو مجموعة من العناصر الكيميائية ، من الممكن التنبؤ بخصائصها الفيزيائية والكيميائية. على سبيل المثال ، في الفترات التي تزداد فيها شحنة نواة الذرات ، يقل أنصاف أقطارها ("ضغط الذرة") ، وبالتالي تضعف الخصائص المعدنية للمركبات ، وتزداد الخصائص غير المعدنية.
وهكذا ، تتيح لنا معرفة بنية الذرة تحديد الخصائص الفيزيائية والكيميائية بدقة لجميع العناصر المدرجة في النظام الدوري لمندلييف.
