Атом в хімії - це ... Модель атома. Будова атома

Думки про сутність всього навколишнього почали відвідувати людство задовго до моменту розквіту сучасної цивілізації. Спочатку люди роздумували про існування якихось вищих сил, які, як вони вважали, зумовлювали все буття. Але вже досить скоро філософи і священнослужителі почали замислюватися над тим, з чого, власне, полягає сама тканина цього буття. Теорій було безліч, але в історичній перспективі чільної стала атомарна.

Що таке атом в хімії? Це, а також всі супутні теми ми обговоримо в рамках даної статті. Сподіваємося, що в ній ви знайдете відповіді на всі ваші запитання.

Родоначальник атомарної теорії

З чого починається перший урок хімії? Будова атома - ось головна тема. Ви напевно пам`ятаєте, що слово «атом» перекладається з давньогрецької мови як «неподільний». Зараз багато істориків вважають, що першим висунув теорію, яка твердила про якісь найдрібніших частинках, з яких складається все суще, Демокріт. Він жив ще в п`ятому столітті до нашої ери.

На превеликий жаль, про цього видатного мислителя практично нічого не відомо. До нас не дійшов жоден письмовий джерело тих часів. А тому про ідеї видатного вченого свого часу нам доводиться дізнаватися виключно з праць Аристотеля, Платона, а також інших давньогрецьких мислителів.

Отже, наша тема - "Будова атома". З хімії не всі мали високі оцінки, але багато хто пам`ятає про те, що всі висновки стародавніх учених були побудовані виключно на умовиводах. Демокріт винятком не був.

Як міркував Демокріт?

Логіка його була гранично проста, але разом з тим геніальна. Уявіть, що у вас є самий гострий ніж у всьому світі. Ви берете яблуко, приміром, а потім починаєте його розрізати: на дві половинки, на четвертинки, їх знову ділите ... Словом, рано чи пізно ви отримаєте скиби такою мізерною товщини, що далі їх ділити вже буде не можна. Ось це і буде неподільний атом. У хімії це твердження вважалося істинним чи не до кінця 19 століття.

Від Демокрита до сучасних уявлень

Слід зауважити, що від давньогрецьких уявлень про мікросвіт збереглося одне тільки слово «атом». Зараз кожен школяр знає, що оточуючий нас світ складається з куди більш фундаментальних і дрібних частинок. Крім того, з точки зору сучасної науки теорія Демокріта була не більше ніж чисто гіпотетичною викладкою, не підкріпленою рівним рахунком ніякими доказами. Втім, у ті часи не було електронних мікроскопів, так що довести свою правоту іншими способами у мислителя б все одно не вийшло.

Перші підозри про те, що Демокріт насправді прав, з`явилися у хіміків. Вони швидко виявили, що багато речовин в ході реакцій розпадаються на більш прості компоненти. Крім того, саме хіміки вивели строгі закономірності цих процесів. Так, вони звернули увагу, що для отримання води потрібно вісім масових часток кисню і одна - водню (Закон Авогадро).

У Середні століття будь матеріалістичне вчення, в тому числі і теорія Демокріта, поширення та розвитку отримати не могло в принципі. І тільки в XVIII столітті вчені знову повертаються до атомістичної теорії. До того часу хімік А. Лавуазьє, наш великий М. В. Ломоносов і талановитий англійський фізик Д. Дальтон (про який ми поговоримо окремо), вже переконливо довели своїм колегам реальність існування атомів. Слід підкреслити, що навіть в освіченому 18 столітті довгий час атомарна теорія багатьма видатними умами того часу всерйоз не розглядалася.

Як би там не було, але навіть ці великі вчені ще не висували теорій про будову самого атома, так як він вважався єдиною і неподільною часткою, основою всього сущого.

На жаль, хімічні досліди не могли наочно довести реальність перетворення атомів одних речовин в інші. Але все ж основоположною наукою у вивченні будови атомів стала саме хімія. Атоми і молекули довгий час вивчалися одним геніальним російським вченим, без якого не можна уявити собі сучасну науку.

Вчення Д. І. Менделєєва

Величезну роль у становленні атомарного вчення зіграв Д. І. Менделєєв, який ще в 1869 році створив свою геніальну періодичну систему. Вперше науковому співтовариству була представлена теорія, яка не тільки не відкидала, але й розумно доповнювала всі припущення матеріалістів. Уже в 19 столітті вчені змогли довести існування електронів. Всі ці висновки змусили кращі уми 20-го століття серйозно вивчити атом. У хімії цей час також було ознаменовано безліччю відкриттів.

Але вчення Менделєєва цінне не тільки цим. До цих пір залишається неясним, як саме формувалися атоми різних хімічних елементів. Але великий російський вчений зміг переконливо довести, що всі вони без винятку складаються в близькій спорідненості один з одним.

Відкриття Дальтона

Але зуміти інтерпретувати множинні розрізнені дані зміг тільки Джон Дальтон, ім`я якого навіки відображене у відкритому їм самим законі. Зазвичай вчений досліджував тільки поведінку газів, але коло інтересів у нього був набагато ширше. У 1808 році він приступив до публікації своєї нової фундаментальної роботи.

Саме Дальтон припустив, що кожному хімічному елементу відповідає певний атом. Але вчений, як і Демокріт за багато століть до нього, все ж вважав, що вони є повністю неподільними. У його чернетках чимало схематичних малюнків, на яких атоми представлені у вигляді простих кульок. Ця ідея, що зародилася більше 2500 років тому, проіснувала майже до нашого часу! Втім, тільки порівняно недавно було відкрито дійсно глибоке будова атома. Хімія (9 клас зокрема) навіть сьогодні багато в чому керується тими ідеями, які були вперше озвучені в 18 столітті.

Експериментальні підтвердження подільності атомів

Втім, до кінця 19 століття практично всі вчені вважали, що атом - та межа, за яким нічого немає. Вони думали, що основою всього всесвіту є саме він. Цьому сприяли різні експерименти: як не крути, але змінювалися тільки лише молекули, в той час як з самими атомами речовин не відбувалося зовсім нічого, чого б не змогла пояснити найпростіша хімія. Будова атома вуглецю, наприклад, залишається абсолютно незмінним навіть у різних аллотропних станах.

Словом, довгий час не було зовсім ніяких експериментальних даних, які хоча б побічно підтверджували підозри деяких вчених про те, що є якісь більш фундаментальні частинки. Тільки в 19 столітті (не в останню чергу завдяки дослідам подружжя Кюрі) було доведено, що в певних умовах атоми одних елементів можуть перетворюватися в інші. Ці відкриття лягли в основу сучасних уявлень про навколишній світ.

Родзинки і пудинги

У 1897 році Дж. Томсоном, англійським фізиком, було встановлено, що в будь-якому атомі є якесь кількість негативно заряджених частинок, які він же назвав «електронами». Уже в 1904 році вчений створив першу атомарну модель, яка більш відома під позначенням «пудинг з родзинками». Назва цілком точно відображає суть. Судячи з теорії Томсона, атом в хімії - це якийсь «посудину» з рівномірно розподіленим в ньому зарядом і електронами.

Зауважимо, що подібна модель мала ходіння навіть в 20-му столітті. Згодом виявилося, що вона була абсолютно невірною. Але все ж це була перша усвідомлена спроба людини (причому на науковій основі) відтворити навколишній мікросвіт, запропонувавши модель атома, досить просту і наочну.

Досліди Кюрі

Прийнято вважати, що подружжя П`єр і Марія Кюрі поклали початок атомній фізиці. Звичайно ж, внесок цих геніальних людей, фактично пожертвували своїм здоров`ям і життям, не можна недооцінити, але їх досліди мали і куди більш фундаментальне значення. Практично одночасно з Резерфордом вони довели, що атом - набагато більш складна і різнорідна структура. Саме явище радіоактивності, яке вони досліджували, саме про це і говорило.

Вже на початку 1898 Марія публікує першу статтю, присвячену радіації. Незабаром Марія і П`єр Кюрі довели, що в суміші хлористих сполук урану і радію починають з`являтися інші речовини, в існуванні яких сумнівалася офіційна хімія. Будова атома з тих пір почали досліджувати впритул.

«Планетарний» підхід

Нарешті Резерфорд вирішив провести бомбардування атомів важких металів alpha - частками (повністю іонізований гелій). Вчений відразу ж припустив, що легкі електрони ніяк не зможуть поміняти траєкторію руху частинок. Відповідно, розсіювання можуть викликати тільки якісь більш важкі елементи, які можуть міститися в ядрі атома. Відразу зауважимо, що спочатку Резерфорд ніяк не претендував на зміну теорії «пудингу». Ця модель атома вважалася бездоганною.

А тому результат, при якому майже всі частинки без проблем проходили через тонкий шар срібла, його не здивував. От тільки незабаром з`ясувалося, що деякі атоми гелію відхилялися відразу на 30 °. Це було зовсім не те, про що говорила в той час хімія. Склад атома по Томсону припускав рівномірний розподіл електронів. Але цьому явно суперечили спостережувані явища.

Надзвичайно рідко, але все ж деякі частинки відлітали під кутом навіть 180 °. Резерфорд був у глибокому подиві. Адже це різко суперечило «пудингу», заряд в якому повинен був бути (по теорії Томсона) розподілений рівномірно. Отже, нерівномірно заряджені ділянки, які могли б відштовхувати іонізований гелій, повинні були відсутніми.

До яких висновків дійшов Резерфорд?

Ці обставини і наштовхнули вченого на думку, що атом практично порожній і тільки в центрі зосереджено якусь освіту з позитивним зарядом - ядро. Так і виникла планетарна модель атома, постулати якої наступні:

• Як ми вже говорили, в центральній частині розташоване ядро, причому його обсяг (по відношенню до розміру самого атома) мізерно малий.
• Практично вся атомарна маса, а також весь позитивний заряд знаходяться саме в ядрі.
• Навколо нього обертаються електрони. Важливо, що їх число дорівнює значенню позитивного заряду.

Парадокси теорії

Все було б добре, але дана модель атома ніяк не пояснює їх неймовірну стійкість. Слід пам`ятати, що електрони рухаються по своїх орбітах з величезним прискоренням. За всіма законами електродинаміки такий об`єкт з часом повинен втратити свій заряд. Якщо брати до уваги постулати Ньютона і Максвелла, то електрони взагалі повинні сипатися на ядро, немов град на землю.

Звичайно, нічого такого в реальності не відбувається. Будь атом не тільки абсолютно стійкий, але й може існувати абсолютно необмежений час, причому ніякого випромінювання від нього йти не буде. Така невідповідність пояснюється тим, що до мікросвіту ми намагаємося застосовувати закони, які дійсні тільки у відношенні класичної механіки. Вони ж, як виявилося, до явищ атомарного масштабу незастосовні абсолютно. А тому будова атома (хімія, 11 клас) автори підручників намагаються пояснити як можна більш простими словами.

Вчення Бора

Датським фізиком Нільсом Бором було доведено, що на мікросвіт не можна поширювати ті ж закони, положення яких справедливі для макроскопічних об`єктів. Саме йому належить ідея про те, що мікросвіт «керується» виключно квантовими законами. Звичайно, тоді не існувало самої квантової теорії, але Бор фактично став її родоначальником, висловивши свої думки у вигляді трьох постулатів, які «рятували» атом, неминуче б загиблий, якби він «жив» згідно теорії Резерфорда. Саме ця теорія данця лягла в основу всієї квантової механіки.

Постулати Бора

• Перший з них свідчить: будь-яка атомна система може перебувати тільки в особливих атомних станах, причому для кожного з них характерно певне значення енергії (Е). Якщо стан атома стаціонарне (спокійне), то випромінювати він не може.
• Другий постулат говорить про те, що випромінювання світлової енергії відбувається тільки у разі переходу зі стану з більшою енергією в більш помірне. Відповідно, виділяється енергія дорівнює різниці значень між двома стаціонарними станами.

Модель атома Нільса Бора

Цю напівкласичного теорію вчений запропонував в 1913 році. Примітно, що в її основу він поклав планетарну модель Резерфорда, який незадовго до нього описав атом речовини. Ми вже говорили, що класична механіка суперечила викладкам Резерфорда: виходячи з неї, передбачалося, що з часом електрон повинен був обов`язково впасти на поверхню атома.

Щоб «обійти» цю суперечність, вчений ввів спеціальне допущення. Його суть полягала в тому, що випромінювати енергію (що й повинно було приводити до їх падіння) електрони можуть, тільки рухаючись по якимось певним орбітам. При русі ж їх по інших траєкторіях нібито хімічні атоми залишалися в пасивному стані. Відповідно до теорії Бора такими орбітами були ті, кількісний момент руху по яких дорівнював постійним Планка.

Квантова теорія будови атома

Як ми вже говорили, на сьогоднішній день в ходу квантова теорія будови атома. Хімія останніх років керується виключно нею. В її основі лежать чотири основних аксіоми.

1. По-перше, подвійність (корпускулярно-хвильова природа) самого електрона. Простіше кажучи, поводиться ця частка і як матеріальний об`єкт (корпускула), і як хвиля. Як частка він має певний заряд і масу. Здатність же до дифракції ріднить електрони з класичними хвилями. Довжина цієї самої хвилі (lambda-) і швидкість частинки (v) можуть бути пов`язані один з одним спеціальним співвідношенням де Бройля: lambda- = h / mv. Як можна здогадатися, m - маса самого електрона.

2. Координату і швидкість частинки заміряти з абсолютною точністю абсолютно неможливо. Чим точніше визначається координата, тим вище невизначеність у швидкості. Як, втім, і навпаки. Це явище отримало назву невизначеності Гейзенберга, що може бути виражено у вигляді наступного співвідношення:? X • m •? V> ћ / 2. Дельта Х (? Х) висловлює невизначеність положення координати в просторі. Відповідно, дельта V (? V) відображає швидкісні похибки.

3. Всупереч всім раніше поширеним думкам, електрони не проходять по строго визначених орбітах, як поїзди по рейках. Квантова теорія говорить, що електрон може перебувати в будь-якій точці простору, але ймовірність цього різна для кожного відрізка.

Та частина простору навколо безпосередньо атомного ядра, в якій ця ймовірність максимальна, називається орбиталью. Сучасна хімія будова електронних оболонок атомів вивчає саме з цієї точки зору. Звичайно, в школах вчать правильному розподілу електронів по рівнях, але, по всій видимості, в реальності вони розходяться зовсім інакше.

4. Ядро атома складається з нуклонів (протонів і нейтронів). Порядковий номер елемента в періодичній системі вказує на кількість протонів в його ядрі, а сума протонів і нейтронів дорівнює атомарної масі. Ось як пояснює будову ядра атома хімія сучасності.

Основоположники квантової механіки

Відзначимо тих учених, які внесли найбільший внесок у розвиток такої важливої галузі: французький фізик Л. де Бройль, німець В. Гейзенберг, австрієць Е. Шредінгер, англієць П. Дірак. Всі ці люди згодом були удостоєні Нобелівської премії.

Як же далеко в цьому плані пішла хімія? Будова атома більшість хіміків тих років вважали досить простим: багато хто тільки до 1947 року остаточно визнали реальність існування елементарних часток.

Деякі висновки

Взагалі, при створенні квантової теорії не обійшлося без математиків, так як всі ці процеси можна розрахувати тільки з використанням складних обчислень. Але найголовніша трудність полягає зовсім не в цьому. Ті процеси, які описуються даною теорією, недоступні не тільки нашим органам почуттів, незважаючи на всю сучасну наукову техніку, а й уяві.

Жодна людина навіть приблизно не може уявити собі процеси в мікросвіті, оскільки вони абсолютно не схожі на всі ті явища, які ми спостерігаємо в макросвіті. Вдумайтесь тільки: останні відкриття дають привід припускати, що кварки, нейтрино та інші фундаментальні частинки існують в девятімерном (!) Вимірі. Як людина, що живе в тривимірному просторі, може навіть приблизно описувати їх поведінку?

На даний момент нам залишається лише сподіватися на математику і потужність сучасних комп`ютерів, які, можливо, будуть використані для моделювання мікросвіту. Відчутно допомагає і хімія: будова атома напевно буде переглянуто, після того як нещодавно вчені, які працюють у цій галузі, повідомили про відкриття нового типу хімічного зв`язку.

Сучасне уявлення про будову атома

Якщо ви уважно прочитали все вищевикладене, то напевно і самі зможете сказати, який сьогоднішній уявлення про будову атомів речовин. Але все ж ми пояснимо: це трохи видозмінена теорія Резерфорда, доповнена безцінними постулатами Нільса Бора. Простіше кажучи, сьогодні вважається, що електрони рухаються по хаотичним, розмитим траєкторіях біля ядра, яке складається з нейтронів і протонів. Та частина простору навколо нього, в якій поява електрона найбільш імовірно, називається орбиталью.

Поки не представляється можливим точно сказати, як будуть змінюватися наші уявлення про будову атома надалі. Щодня вчені працюють над проникненням у таємниці мікросвіту: БАК (Великий андронний коллайдер), Нобелівські премії в галузі фізики - все це є результатом даних вишукувань.

Але навіть зараз ми не уявляємо і приблизною картини того, що ще приховують атоми. Зрозуміло лише, що сам атом в масштабах мікросвіту - величезний багатоквартирний будинок, в якому нами обстежений хіба що перший поверх, та й то не повністю. Практично щороку з`являються повідомлення про можливість відкриття все нових і нових елементарних частинок. Коли процес дослідження атомів буде повністю закінчено, сьогодні прогнозувати не візьметься ніхто.

Досить сказати, що наші уявлення про них почали мінятися тільки з 1947 року, коли були відкриті так звані V-частинки. До цього люди лише трохи поглибили теорії, на яких з 19 століття ґрунтувалася хімія. Будова атома - захоплююча загадка, розгадуванням якій зайняті кращі уми людства.