Ained koosnevad aatomitest. Aatom on väga väikese suuruse ja massiga aineosake.. See on keemilise elemendi väikseim osa, mis on selle omaduste kandja.
Sõna "aatom" pärineb kreeka sõnast arodod - "jagamatu" ja seda osakest peeti selliseks sajandeid. Kuid juba 20. sajandi alguses. sai teada aatomi ehitus.
Aatomi lihtsustatud mudel. Punane tähistab positiivselt laetud prootoneid, hall tähistab neutraalseid neutroneid ja sinine tähistab negatiivselt laetud elektrone.
Aatom koosneb aatomituum Ja elektronkiht. Sada aastat tagasi usuti, et elektronid tiirlevad ümber tuuma, nagu planeedid ümber päikese. Nii on aatomit lihtsuse huvides sageli kujutatud. Tegelikult on võimatu määrata punkti, kus elektron hetkel asub. Elektron on negatiivselt laetud ja tuum positiivselt laetud. Ka tuum ise koosneb elementaarosakestest – prootonitest ja neutronitest. Prootonitel on positiivne laeng, neutronid aga elektriliselt neutraalsed. Tavaliselt on aatom neutraalne. See kehtib juhul, kui prootonite arv tuumas on sama, mis elektronide arv. Kui aatomi välisorbiidil on üks või mitu lisaelektroni, muutub see negatiivselt laetud iooniks (aniooniks). Kui aatomil välisorbiidil puudub üks või mitu elektroni, muutub see positiivselt laetud iooniks (katiooniks). Selliseid ioone on erinevates lahustes palju.
Üle 99% aatomi massist on koondunud tuumas. Elektronid moodustavad väga väikese osa. Aatomi massi mõõdetakse aatommassi ühikutes, mis on võrdne 1/12 süsiniku stabiilse isotoobi 12C aatomi massist.
On aatomeid, millel on sama arv prootoneid, kuid erinev arv neutroneid.
Selliseid aatomeid nimetatakse isotoobid sama elemendi (sordid). On ainult üks stabiilne aatom, mille tuumas pole üldse neutroneid, vaid ainult üks prooton. Üks elektron pöörleb ümber tuuma (täpsemalt loob kesta). See on kerge vesinik ehk protium. Samuti on raske vesinik – deuteerium. Selle tuumas on kaks osakest – prooton ja neutron. Samuti on üliraske vesinik – triitium. Selle tuumas on kolm osakest – üks prooton ja kaks neutronit. Ja kõigil neil isotoopidel on üks elektron. Deuteeriumi moodustatud vett nimetatakse raskeks veeks.
Aatomid moodustavad aatomitevahelisi sidemeid ja moodustavad molekule. Molekulid võivad koosneda ühest või mitmest aatomitüübist.
Vesinikuaatom H, mis koosneb ühest prootonist ja ühest elektronist
Heeliumi aatom: selle tuum koosneb kahest prootonist ja kahest neutronist ning on ümbritsetud kahe elektroniga
Kas aatomitel on konksud?
Aatomi kui aine väikseima jagamatu osakese kontseptsiooni võtsid enam kui 2000 aastat tagasi kasutusele Vana-India ja Vana-Kreeka filosoofid. Kreeka filosoof Demokritos ütles: "Ei ole midagi peale aatomite, mis igavesti liiguvad lõputus tühjuses." Ta uskus, et aine omadused on määratud aatomi kuju, massi ja muude omadustega. Demokritose järgi põleb tuli seetõttu, et tule aatomid on teravad, tahked kehad aga seetõttu, et nende aatomid on karedad ja üksteisega tihedalt seotud. Filosoof Epikuros kirjutas, et see ei saa olla, sest aatomite konksud murduvad ära. Kuid aatomi tegeliku struktuuri avastamine oli veel kaugel.
Enamik meist õppis aatomi teemat koolis, füüsikatunnis. Kui olete ikka veel unustanud, millest aatom koosneb või alles hakkate seda teemat uurima, on see artikkel just teile.
Mis on aatom
Et mõista, millest aatom koosneb, peate kõigepealt mõistma, mis see on. Koolifüüsika õppekavas on üldtunnustatud tees, et aatom on keemilise elemendi väikseim osake. Seega on aatomid kõiges, mis meid ümbritseb. Olenemata sellest, kas tegemist on elus või elutu objektiga, koosneb see madalamates füsioloogilistes ja keemilistes kihtides aatomitest.
Aatomid on osa molekulist. Sellest veendumusest hoolimata on elemente, mis on aatomitest väiksemad, näiteks kvargid. Kvarkide teemat koolides ega ülikoolides ei käsitleta (v.a erijuhtudel). Kvark on keemiline element, millel puudub sisemine struktuur, s.t. selle struktuur on palju kergem kui aatomil. Praegu tunneb teadus 6 tüüpi kvarke.
Millest aatom koosneb?
Kõik meid ümbritsevad objektid, nagu juba öeldud, koosnevad millestki. Toas on laud ja kaks tooli. Iga mööbliese on omakorda valmistatud mingist materjalist. Sel juhul valmistatud puidust. Puu koosneb molekulidest ja need molekulid on valmistatud aatomitest. Ja selliseid näiteid võib tuua lõputult. Aga millest aatom ise koosneb?
Aatom koosneb tuumast, mis sisaldab prootoneid ja neutroneid. Prootonid on positiivselt laetud osakesed. Neutronid, nagu nimigi ütleb, on neutraalselt laetud, s.t. tasu pole. Aatomi tuuma ümber on väli (elektripilv), milles liiguvad elektronid (negatiivselt laetud osakesed). Elektronide ja prootonite arv võib üksteisest erineda. Just see erinevus on keemias võtmetähtsusega, kui uuritakse ainesse kuulumise küsimust.
Aatomit, mille ülaltoodud osakeste arv on erinev, nimetatakse iooniks. Nagu võis arvata, võib ioon olla negatiivne või positiivne. See on negatiivne, kui elektronide arv ületab prootonite arvu. Ja vastupidi, kui prootoneid on rohkem, on ioon positiivne.
Aatom, nagu seda ette kujutasid iidsed mõtlejad ja teadlased
Aatomi kohta on mõned väga huvitavad oletused. Allpool on nimekiri:
- Demokritose hüpotees. Demokritos eeldas, et aine omadused sõltuvad selle aatomi kujust. Seega, kui millelgi on vedeliku omadus, on see tingitud just sellest, et aatomid, millest see vedelik koosneb, on siledad. Demokritose loogikast lähtudes on vee ja näiteks piima aatomid sarnased.
- Planetaarsed oletused. 20. sajandil väitsid mõned teadlased, et aatom kujutab endast planeete. Üks nendest eeldustest oli järgmine: nagu planeedil Saturn, on ka aatomil tuuma ümber rõngad, mille kaudu liiguvad elektronid (tuuma võrreldakse planeedi endaga ja elektripilve Saturni rõngastega). Vaatamata objektiivsele sarnasusele tõestatud teooriaga lükati see versioon ümber. Sarnane oli ka Bohr-Rutherfordi oletus, mis hiljem samuti ümber lükati.
Sellele vaatamata võime julgelt väita, et Rutherford tegi suure hüppe aatomi tegeliku olemuse mõistmise suunas. Tal oli õigus, kui ta ütles, et aatom on sarnane tuumaga, mis iseenesest on positiivne ja aatomid liiguvad selle ümber. Tema mudeli ainus viga on see, et aatomi ümber olevad elektronid ei liigu üheski kindlas suunas. Nende liikumine on kaootiline. See tõestati ja sisestati teadusesse kvantmehaanilise mudeli nime all.
Aatom (kreeka keelest άτομοσ – jagamatu) on keemilise elemendi väikseim osake, mis säilitab kõik oma keemilised omadused. Aatom koosneb tihedast positiivselt laetud prootonitest ja elektriliselt neutraalsetest neutronitest koosnevast tuumast, mida ümbritseb palju suurem negatiivselt laetud elektronide pilv. Kui prootonite arv langeb kokku elektronide arvuga, on aatom elektriliselt neutraalne, vastasel juhul on see ioon, teatud laenguga. Aatomeid liigitatakse prootonite ja neutronite arvu järgi: prootonite arv määrab keemilise elemendi, neutronite arv aga elemendi nukliidi.
Moodustades üksteisega sidemeid, ühinevad aatomid molekulideks ja suurteks tahketeks aineteks.
Inimkond on aine väikseimate osakeste olemasolu kahtlustanud juba iidsetest aegadest, kuid kinnitust aatomite olemasolule saadi alles 19. sajandi lõpus. Kuid peaaegu kohe sai selgeks, et aatomitel on omakorda keeruline struktuur, mis määrab nende omadused.
Aatomi kui aine väikseima jagamatu osakese kontseptsiooni pakkusid esmakordselt välja Vana-Kreeka filosoofid. 17. ja 18. sajandil avastasid keemikud, et kemikaalid reageerivad teatud proportsioonides, mida väljendatakse väikeste arvude abil. Lisaks eraldasid nad teatud lihtsaid aineid, mida nimetasid keemilisteks elementideks. Need avastused viisid jagamatute osakeste idee taaselustamiseni. Termodünaamika ja statistilise füüsika areng näitas, et kehade soojusomadusi saab seletada selliste osakeste liikumisega. Lõpuks määrati aatomite suurused eksperimentaalselt.
19. sajandi lõpus ja 20. sajandi alguses avastasid füüsikud subatomilistest osakestest esimese, elektroni ja mõnevõrra hiljem aatomituuma, näidates nii, et aatom ei ole jagamatu. Kvantmehaanika areng võimaldas selgitada mitte ainult aatomite ehitust, vaid ka nende omadusi: optilisi spektreid, võimet siseneda reaktsioonidesse ja moodustada molekule, s.t.
Aatomi ehituse üldomadused
Kaasaegsed ideed aatomi struktuuri kohta põhinevad kvantmehaanikal.
Populaarsel tasemel saab aatomi struktuuri esitada lainemudeli abil, mis põhineb Bohri mudelil, kuid võtab arvesse ka kvantmehaanikast saadavat lisainfot.
Selle mudeli järgi:
Aatomid koosnevad elementaarosakestest (prootonitest, elektronidest ja neutronitest). Aatomi mass on põhiliselt koondunud tuumasse, seega on suurem osa mahust suhteliselt tühi. Tuum on ümbritsetud elektronidega. Elektronide arv on võrdne prootonite arvuga tuumas, prootonite arv määrab elemendi aatomnumbri perioodilisustabelis. Neutraalses aatomis on elektronide negatiivne kogulaeng võrdne prootonite positiivse laenguga. Sama elemendi erineva neutronite arvuga aatomeid nimetatakse isotoopideks.
Aatomi keskmes on pisike positiivselt laetud tuum, mis koosneb prootonitest ja neutronitest.
Aatomi tuum on umbes 10 000 korda väiksem kui aatom ise. Seega, kui suurendate aatomit Borõspili lennujaama suuruseks, on tuuma suurus väiksem kui lauatennise palli suurus.
Südamikku ümbritseb elektronpilv, mis võtab enda alla suurema osa selle mahust. Elektronipilves saab eristada kestasid, millest igaühe jaoks on mitu võimalikku orbitaali. Täidetud orbitaalid moodustavad iga keemilise elemendi elektroonilise konfiguratsiooni.
Iga orbitaal võib sisaldada kuni kahte elektroni, mida iseloomustavad kolm kvantarvu: põhi-, orbitaal- ja magnetarvu.
Igal orbitaali elektronil on neljanda kvantarvu kordumatu väärtus: spin.
Orbitaalid määratakse kindlaks konkreetse tõenäosusjaotusega, kus täpselt elektroni leida võib. Näited orbitaalidest ja nende sümbolid on näidatud parempoolsel joonisel. Orbitaali piiriks loetakse kaugust, mille juures tõenäosus, et elektron võib sellest väljaspool olla, on väiksem kui 90%.
Iga kest ei tohi sisaldada rohkem kui rangelt määratletud arv elektrone. Näiteks tuumale lähimal kestal võib olla maksimaalselt kaks elektroni, järgmisel - 8, tuumast kolmandal - 18 jne.
Kui elektronid kinnituvad aatomile, langevad nad madala energiaga orbitaalile. Aatomitevaheliste sidemete moodustumisel saavad osaleda ainult väliskihi elektronid. Aatomid võivad loobuda ja saada elektrone, muutudes positiivselt või negatiivselt laetud ioonideks. Elemendi keemilised omadused määratakse selle järgi, kui hõlpsalt saab tuum elektrone loobuda või juurde võtta. See oleneb nii elektronide arvust kui ka väliskesta täituvuse astmest.
Aatomi suurus
Aatomi suurus on suurus, mida on raske mõõta, sest kesktuuma ümbritseb hajus elektronpilv. Tahkeid kristalle moodustavate aatomite puhul võib kristallvõre külgnevate kohtade vaheline kaugus olla nende suuruse ligikaudne väärtus. Aatomite puhul kristalle ei moodustata, ei kasutata muid hindamismeetodeid, sealhulgas teoreetilisi arvutusi. Näiteks vesinikuaatomi suurus on hinnanguliselt 1,2 × 10-10 m Seda väärtust saab võrrelda prootoni suurusega (mis on vesinikuaatomi tuum): 0,87 × 10-15 m ja kontrollige. et vesinikuaatomi tuum on 100 000 korda väiksem kui aatom ise. Teiste elementide aatomid säilitavad ligikaudu sama suhte. Põhjus on selles, et suurema positiivselt laetud tuumaga elemendid tõmbavad elektrone tugevamini ligi.
Teine aatomi suuruse tunnus on van der Waalsi raadius – kaugus, milleni teine aatom võib läheneda antud aatomile. Aatomitevahelisi kaugusi molekulides iseloomustab keemiliste sidemete pikkus või kovalentne raadius.
Tuum
Põhiosa aatomist on koondunud tuuma, mis koosneb nukleonitest: prootonitest ja neutronitest, mis on omavahel ühendatud tuuma vastasmõju jõududega.
Prootonite arv aatomi tuumas määrab selle aatomarvu ja selle, millisesse elemendisse aatom kuulub. Näiteks süsinikuaatomid sisaldavad 6 prootonit. Kõigil kindla aatomnumbriga aatomitel on samad füüsikalised omadused ja samad keemilised omadused. Perioodiline tabel loetleb elemendid aatomarvu suurenemise järjekorras.
Prootonite ja neutronite koguarv elemendi aatomis määrab selle aatommassi, kuna prootoni ja neutroni mass on ligikaudu 1 amu. Neutronid tuumas ei mõjuta seda, millisesse elementi aatom kuulub, kuid keemilisel elemendil võib see olla aatomid, millel on sama arv prootoneid ja erinev arv neutroneid. Sellistel aatomitel on sama aatomnumber, kuid erinev aatommass ja neid nimetatakse elemendi isotoopideks. Isotoobi nime kirjutamisel kirjuta selle järele aatommass. Näiteks isotoop süsinik-14 sisaldab 6 prootonit ja 8 neutronit, mis annab kokku 14 aatommassi. Teine populaarne märkimismeetod on lisada aatommassi ette elemendi sümboli ette ülaindeks. Näiteks süsinik-14 tähistatakse 14C.
Perioodilises tabelis antud elemendi aatommass on looduses leiduvate isotoopide massi keskmine väärtus. Keskmistamine toimub vastavalt isotoobi arvukusele looduses.
Aatomarvu suurenedes suureneb tuuma positiivne laeng ja sellest tulenevalt suureneb prootonitevaheline Coulombi tõukejõud. Prootonite kooshoidmiseks on vaja järjest rohkem neutroneid. Suur hulk neutroneid on aga ebastabiilsed ning see asjaolu seab piirangu tuuma võimalikule laengule ja looduses eksisteerivate keemiliste elementide arvule. Kõrge aatomarvuga keemilised elemendid on väga lühikese elueaga, neid saab luua ainult kergete elementide tuumade ioonidega pommitamisel ja neid täheldatakse ainult kiirenditega katsete ajal. 2008. aasta veebruari seisuga on raske sünteesitud keemiline element ununoktsium
Paljud keemiliste elementide isotoobid on ebastabiilsed ja aja jooksul lagunevad. Sellel nähtusel, mida radioelementide testid kasutavad objektide vanuse määramiseks, on arheoloogia ja paleontoloogia jaoks suur tähtsus.
Bohri mudel
Bohri mudel on esimene füüsikaline mudel, mis suutis õigesti kirjeldada vesinikuaatomi optilisi spektreid. Pärast kvantmehaanika täpsete meetodite väljatöötamist on Bohri mudelil vaid ajalooline tähendus, kuid selle lihtsuse tõttu õpetatakse ja kasutatakse seda siiski laialdaselt aatomi struktuuri kvalitatiivseks mõistmiseks.
Bohri mudel põhineb Rutherfordi planeedimudelil, mis kirjeldab aatomit väikese positiivse laenguga tuumana, mille erinevatel tasanditel tiirlevad negatiivselt laetud elektronid, mis meenutab päikesesüsteemi ehitust. Rutherford pakkus välja planeedimudeli, et selgitada oma katsete tulemusi alfaosakeste hajutamisel metallfooliumiga. Planeedimudeli järgi koosneb aatom raskest tuumast, mille ümber elektronid pöörlevad. Kuidas aga ümber tuuma pöörlevad elektronid spiraalina sellele ei lange, jäi tolleaegsetele füüsikutele arusaamatuks. Tõepoolest, klassikalise elektromagnetismi teooria kohaselt peaks ümber tuuma pöörlev elektron kiirgama elektromagnetlaineid (valgust), mis tooks kaasa energia järkjärgulise kadumise ja langeks tuumale. Seega, kuidas saab aatom üldse eksisteerida? Pealegi on aatomite elektromagnetilise spektri uuringud näidanud, et aatomis olevad elektronid suudavad kiirata ainult teatud sagedusega valgust.
Need raskused saadi üle Niels Bohri 1913. aastal välja pakutud mudelis, mis postuleerib järgmist:
Elektronid saavad olla ainult orbiitidel, millel on diskreetne kvantiseeritud energia. See tähendab, et kõik orbiidid pole võimalikud, vaid ainult mõned konkreetsed. Lubatud orbiitide täpsed energiad sõltuvad aatomist.
Klassikalise mehaanika seadused ei kehti, kui elektronid liiguvad ühelt lubatud orbiidilt teisele.
Kui elektron liigub ühelt orbiidilt teisele, kiirgab (või neeldub) energia erinevust üks valguskvant (footon), mille sagedus sõltub otseselt kahe orbiidi energia erinevusest.
kus ν on footoni sagedus, E on energia erinevus ja h on proportsionaalsuse konstant, tuntud ka kui Plancki konstant.
Olles kindlaks teinud, mida saab üles kirjutada
kus ω on footoni nurksagedus.
Lubatud orbiidid sõltuvad orbiidi nurkimpulsi L kvantiseeritud väärtustest, mida kirjeldab võrrand
kus n = 1,2,3,...
ja seda nimetatakse impulsi nurkarvuks.
Need eeldused võimaldasid selgitada tolleaegsete vaatluste tulemusi, näiteks miks spekter koosneb diskreetsetest joontest. Eeldus (4) väidab, et n väikseim väärtus on 1. Vastavalt sellele on väikseim vastuvõetav aatomiraadius 0,526 Å (0,0529 nm = 5,28 10-11 m). Seda väärtust nimetatakse Bohri raadiuseks.
Bohri mudelit nimetatakse mõnikord poolklassikaliseks mudeliks, sest kuigi see sisaldab mõningaid kvantmehaanika ideid, ei ole see vesinikuaatomi täielik kvantmehaaniline kirjeldus. Bohri mudel oli aga märkimisväärne samm sellise kirjelduse loomise suunas.
Vesinikuaatomi ranges kvantmehaanilises kirjelduses leitakse energiatasemed statsionaarse Schrödingeri võrrandi lahendusest. Neid tasemeid iseloomustavad ülaltoodud kolm kvantarvu, nurkimpulsi kvantimise valem on erinev, nurkimpulsi kvantarv on sfääriliste s-orbitaalide puhul null, piklike hantlikujuliste p-orbitaalide puhul ühtsus jne. (vt pilti ülal).
Aatomienergia ja selle kvantifitseerimine
Energiaväärtused, mis aatomil võivad olla, arvutatakse ja tõlgendatakse kvantmehaanika põhimõtete alusel. Sel juhul võetakse arvesse selliseid tegureid nagu elektronide elektrostaatiline interaktsioon tuumaga ja elektronide omavaheline interaktsioon, elektronide spinnid ja identsete osakeste põhimõte. Kvantmehaanikas kirjeldatakse aatomi asukoha olekut lainefunktsiooniga, mille saab leida Schrödingeri võrrandi lahendist. On olemas kindel olekute kogum, millest igaühel on konkreetne energiaväärtus. Madalaima energiaga olekut nimetatakse põhiolekuks. Teisi olekuid nimetatakse põnevil. Aatom on piiratud aja ergastatud olekus, kiirgades varem või hiljem elektromagnetvälja kvanti (footoni) ja minnes põhiolekusse. Aatom võib püsida põhiolekus pikka aega. Ergutamiseks vajab ta välist energiat, mis saab temani tulla vaid väliskeskkonnast. Aatom kiirgab või neelab valgust ainult teatud sagedustel, mis vastavad tema olekute energiaerinevusele.
Aatomi võimalikud olekud on indekseeritud kvantarvudega, nagu spinn, orbiidi nurkimpulsi kvantarv ja nurkimpulsi koguarvu kvantarv. Lisateavet nende klassifitseerimise kohta leiate artiklist elektroonilised terminid
Keeruliste aatomite elektroonilised kestad
Komplekssetes aatomites on kümneid ja väga raskete elementide puhul isegi sadu elektrone. Identsete osakeste põhimõtte kohaselt moodustavad aatomite elektroonilised olekud kõik elektronid ja pole võimalik kindlaks teha, kus igaüks neist asub. Nn üheelektroni lähenduses saame aga rääkida üksikute elektronide teatud energiaseisunditest.
Nende ideede kohaselt on olemas teatud hulk orbitaale, mis on täidetud aatomi elektronidega. Need orbitaalid moodustavad spetsiifilise elektroonilise konfiguratsiooni. Iga orbitaal ei tohi sisaldada rohkem kui kahte elektroni (Pauli välistuspõhimõte). Orbitaalid on rühmitatud kestadeks, millest igaühel võib olla ainult teatud kindel arv orbitaale (1, 4, 10 jne). Orbitaalid jagunevad sisemisteks ja välisteks. Aatomi põhiolekus on sisemised kestad täielikult elektronidega täidetud.
Sisemistes orbitaalides on elektronid tuumale väga lähedal ja on sellega tugevalt seotud. Elektroni eemaldamiseks sisemisest orbitaalist peate selle varustama suure energiaga, kuni mitu tuhat elektronvolti. Sisekihil olev elektron võib sellist energiat saada ainult röntgenikiirguse kvanti neelates. Aatomite sisekesta energiad on iga keemilise elemendi puhul individuaalsed ja seetõttu saab aatomit tuvastada röntgenikiirguse neeldumisspektri järgi. Seda asjaolu kasutatakse röntgenanalüüsis.
Väliskihis asuvad elektronid tuumast kaugel. Just need elektronid osalevad keemiliste sidemete moodustumisel, mistõttu väliskest nimetatakse valentsiks ja väliskesta elektrone valentselektronideks.
Kvantüleminekud aatomis
Võimalikud on üleminekud aatomite erinevate olekute vahel, mis on põhjustatud välisest häiringust, enamasti elektromagnetväljast. Aatomite olekute kvantiseerimise tõttu koosnevad aatomite optilised spektrid üksikutest joontest, kui valguskvanti energia ei ületa ionisatsioonienergiat. Kõrgematel sagedustel muutuvad aatomite optilised spektrid pidevaks. Aatomi ergastamise tõenäosus valguse toimel väheneb sageduse edasisel suurenemisel, kuid suureneb järsult teatud sagedustel, mis on iseloomulikud igale röntgenkiirguse vahemikus olevale keemilisele elemendile.
Ergastatud aatomid kiirgavad valguskvante samadel sagedustel, mille juures toimub neeldumine.
Aatomite erinevate olekute vahelisi üleminekuid võivad põhjustada ka vastasmõjud kiirlaetud osakestega.
Aatomi keemilised ja füüsikalised omadused
Aatomi keemilised omadused määravad peamiselt valentselektronid – väliskesta elektronid. Väliskihi elektronide arv määrab aatomi valentsi.
Elementide perioodilisuse tabeli viimase veeru aatomitel on täielikult täidetud väliskest ja elektroni liikumiseks järgmisele kestale peab aatom olema varustatud väga suure energiaga. Seetõttu on need aatomid inertsed ega kipu keemilistesse reaktsioonidesse astuma. Inertgaasid hõrenevad ja kristalliseeruvad ainult väga madalatel temperatuuridel.
Elementide perioodilisuse tabeli esimeses veerus olevate aatomite väliskestal on üks elektron ja nad on keemiliselt aktiivsed. Nende valents on 1. Nendele kristalliseerunud aatomitele iseloomulik keemilise sideme tüüp on metalliline side.
Perioodilise tabeli teise veeru põhiolekus olevate aatomite väliskestas on 2 s elektroni. Nende väliskest on täidetud, seega peavad need olema inertsed. Kuid elektronkihi konfiguratsiooniga s2 põhiolekust s1p1 konfiguratsiooniga olekusse liikumiseks on vaja väga vähe energiat, nii et nende aatomite valents on 2, kuid nende aktiivsus on väiksem.
Elementide perioodilisuse tabeli kolmandas veerus olevate aatomite põhiolekus on elektronkonfiguratsioon s2p1. Neil võib olla erinevaid valentse: 1, 3, 5. Viimane võimalus tekib siis, kui aatomi elektronkiht liidetakse 8 elektroniga ja suletakse.
Elementide perioodilisuse tabeli neljandas veerus olevate aatomite valents on 4 (näiteks süsinikdioksiid CO2), kuigi võimalik on ka valents 2 (näiteks süsinikmonooksiid CO). Enne seda veergu kuulub süsinik, element, mis moodustab mitmesuguseid keemilisi ühendeid. Süsinikuühenditele on pühendatud keemia eriharu – orgaaniline keemia. Teised elemendid selles veerus on räni ja germaanium on tavatingimustes tahkispooljuht.
Viienda veeru elementide valents on 3 või 5.
Perioodilise tabeli kuuenda veeru elementide põhiolekus on konfiguratsioon s2p4 ja üldine spinn on 1. Seetõttu on nad kahevalentsed. Samuti on võimalus, et aatom läheb üle s2p3s" ergastatud olekusse spinniga 2, mille valents on 4 või 6.
Perioodilisuse tabeli seitsmenda veeru elementidel puudub selle täitmiseks väliskestas üks elektron. Need on enamasti monovalentsed. Kuid nad võivad ergastatud olekus sattuda keemilistesse ühenditesse, mille valentsid on 3,5,7.
Üleminekuelemendid täidavad tavaliselt välimise s-kesta enne, kui d-kest on täielikult täidetud. Seetõttu on nende valents enamasti 1 või 2, kuid mõnel juhul osaleb keemiliste sidemete moodustumisel üks d-elektronitest ja valents muutub võrdseks kolmega.
Keemiliste ühendite moodustumisel aatomiorbitaalid muutuvad, deformeeruvad ja muutuvad molekulaarorbitaalideks. Sel juhul toimub orbitaalide hübridiseerumisprotsess - uute orbitaalide moodustumine baasorbitaalide konkreetse summana.
Aatomi mõiste ajalugu
Täpsemalt artiklis atomism
Aatomi mõiste, nagu ka sõna ise, on Vana-Kreeka päritolu, kuigi aatomite olemasolu hüpoteesi tõesus leidis kinnitust alles 20. sajandil. Peamine idee, mis selle kontseptsiooni taga läbi sajandite seisis, oli idee maailmast kui tohutul hulgal jagamatutest elementidest, mis on ülesehituselt väga lihtsad ja eksisteerinud aegade algusest.
Esimesed atomistliku õpetuse kuulutajad
Esimesena jutlustas atomistlikke õpetusi filosoof Leucippus 5. sajandil eKr. Siis võttis teatepulga kätte tema õpilane Demokritos. Nende töödest on säilinud vaid üksikud killud, millest selgub, et nad lähtusid vähesest hulgast üsna abstraktsetest füüsilistest hüpoteesidest:
"Magusus ja kibedus, kuumus ja külm on määratluse tähendus, kuid tegelikult [ainult] aatomid ja tühjus."
Demokritose järgi koosneb kogu loodus aatomitest, aine kõige väiksematest osakestest, mis on paigal või liiguvad täiesti tühjas ruumis. Kõik aatomid on lihtsa kujuga ja sama tüüpi aatomid on identsed; Looduse mitmekesisus peegeldab aatomite kujude mitmekesisust ja erinevaid viise, kuidas aatomid võivad üksteise külge kinni jääda. Nii Demokritos kui ka Leucipus uskusid, et aatomid, olles hakanud liikuma, jätkavad liikumist loodusseaduste järgi.
Vanade kreeklaste jaoks oli kõige keerulisem küsimus atomismi põhimõistete füüsiline reaalsus. Mis mõttes saaksime rääkida tühjuse reaalsusest, kui sellel, omamata mateeriat, ei saa olla mingeid füüsilisi omadusi? Leucipuse ja Demokritose ideed ei saanud olla rahuldavaks aluseks füüsikalise tasandi mateeriateooriale, kuna nad ei selgitanud, millest aatomid koosnevad, ega ka seda, miks aatomid on jagamatud.
Põlvkond pärast Demokritost pakkus Platon välja oma lahenduse sellele probleemile: „kõige väiksemad osakesed ei kuulu mateeria kuningriiki, vaid geomeetria kuningriiki; need kujutavad erinevaid tahkeid geomeetrilisi kujundeid, mida piiravad lamedad kolmnurgad.
Aatomi mõiste India filosoofias
Tuhat aastat hiljem tungisid iidsete kreeklaste abstraktsed mõttekäigud Indiasse ja mõned India filosoofia koolkonnad võtsid selle omaks. Aga kui lääne filosoofia uskus, et aatomiteooriast peaks saama materiaalse maailma teooria konkreetne ja objektiivne alus, siis India filosoofia on materiaalset maailma alati tajunud illusioonina. Kui atomism Indias ilmus, võttis see teooria kuju, mille kohaselt maailma reaalsus on protsessi, mitte sisu, ning et me oleme maailmas kohal protsessi lülidena, mitte ainetükkidena.
See tähendab, et nii Platon kui ka India filosoofid arvasid umbes nii: kui loodus koosneb väikestest, kuid piiratud suurusega osadest, siis miks ei võiks neid vähemalt kujutluses jagada veelgi väiksemateks osakesteks, millest sai teema. edasiseks kaalumiseks?
Aatomiteooria Rooma teaduses
Rooma poeet Lucretius (96–55 eKr) oli üks väheseid roomlasi, kes näitas üles huvi puhta teaduse vastu. Oma luuletuses Asjade olemusest (De rerum natura) esitas ta üksikasjalikult faktid, mis tunnistavad aatomiteooria kasuks. Näiteks tuul, mis puhub suure jõuga, kuigi keegi seda ei näe, koosneb tõenäoliselt osakestest, mida on liiga raske näha. Me tajume kaugel asuvaid asju lõhna, heli ja soojuse abil, mis levivad, jäädes nähtamatuks.
Lucretius seob asjade omadused nende komponentide omadustega, s.t. Aatomid: Vedeliku aatomid on väikesed ja ümara kujuga, mistõttu vedelik voolab nii kergesti ja imbub läbi poorse aine, samas kui tahkete ainete aatomitel on konksud, mis neid koos hoiavad. Niisamuti koosnevad erinevad maitseelamused ja erineva helitugevusega helid vastava kujuga aatomitest – lihtsast ja harmoonilisest kuni käänulise ja ebakorrapäraseni.
Kuid kirik mõistis Lucretiuse õpetused hukka, kuna ta andis neile üsna materialistliku tõlgenduse: näiteks idee, et Jumal, olles kord käivitanud aatomimehhanismi, ei sega enam selle tööd või et hing sureb koos keha.
Esimesed teooriad aatomi ehituse kohta
Üks esimesi teooriaid aatomi struktuuri kohta, millel on juba kaasaegsed piirjooned, kirjeldas Galileo (1564-1642). Tema teooria järgi koosneb aine osakestest, mis ei ole puhkeseisundis, vaid liiguvad soojuse mõjul igas suunas; soojus pole midagi muud kui osakeste liikumine. Osakeste struktuur on keeruline ja kui jätate mõne osa selle materjalist kestast ilma, pritsib valgust seestpoolt. Galileo oli esimene, kes esitas, kuigi fantastilisel kujul, aatomi struktuuri.
Teaduslikud alused
19. sajandil hankis John Dalton tõendeid aatomite olemasolu kohta, kuid eeldas, et need on jagamatud. Ernest Rutherford näitas eksperimentaalselt, et aatom koosneb tuumast, mida ümbritsevad negatiivselt laetud osakesed – elektronid.
Aatom kui isoleeritud üksus koosneb positiivselt laetud tuumast ja negatiivset laengut kandvatest elektronidest. Sellest koosneb aatom.
Selle keskel on tuum, mille moodustavad veelgi väiksemad osakesed - prootonid ja neutronid. Kogu aatomi raadiuse suhtes on tuuma raadius ligikaudu sada tuhat korda väiksem. Südamiku tihedus on äärmiselt kõrge.
Positiivse laenguga stabiilne tuum on prooton. Neutron on elementaarosake, millel puudub elektrilaeng ja mille mass on ligikaudu võrdne prootoni massiga. Tuuma mass koosneb vastavalt prootonite ja neutronite kogumassist, mille kogu tuumas on lühendatult nukleon. Need tuumas olevad nukleonid on seotud unikaalsete Prootonite arv aatomis on võrdne aatomi kestas määratuga ja moodustab selle tulemusena aatomi keemiliste omaduste aluse.
Elektron kui aine väikseim osake kannab endas elementaarset negatiivset elektrivoolu ja pöörleb pidevalt teatud orbiitidel ümber tuuma, sarnaselt planeetide pöörlemisele ümber Päikese. Seega küsimusele, millest aatom koosneb, saab anda järgmise vastuse: positiivse, negatiivse ja neutraalse laenguga elementaarosakestest.
Siin on järgmine muster: aatomi suurus sõltub selle elektronkihi suurusest ehk orbiidi kõrgusest. Osana vastusest küsimusele, millest aatom koosneb, saame selgitada, et aatomile saab nii lisada kui ka eemaldada elektrone. See asjaolu muudab aatomi positiivseks iooniks või vastavalt negatiivseks. Ja elementaarse keemilise osakese muundumise protsessi nimetatakse ionisatsiooniks.
Kontsentreeritakse suur energiavaru, mis võib tuumareaktsioonide käigus vabaneda. Sellised reaktsioonid tekivad reeglina siis, kui aatomituumad põrkuvad kokku teiste elementaarosakestega või teiste keemiliste elementide tuumadega. Selle tulemusena on võimalik moodustada uusi tuumasid. Näiteks on reaktsioon võimeline läbi viima neutroni üleminekut prootoniks, samal ajal kui beetaosake, muidu elektron, eemaldatakse aatomi tuumast.
Kvalitatiivset üleminekut aatomi keskpunktis prootonilt neutronile saab läbi viia kahel viisil. Esimesel juhul väljub tuumast osake, mille mass on võrdne elektroni massiga, kuid millel on positiivne laeng, mida nimetatakse positroniks (nn positroni lagunemine). Teine võimalus hõlmab ühe sellele K-orbiidilt kõige lähemal asuva elektroni aatomi poolt kinnipüüdmist (K-püüdmine). Nii muutuvad keemilised elemendid ühelt teisele tänu sellele, millest aatom koosneb.
Moodustunud tuumal on olekuid, kui sellel on üleliigne energia ehk teisisõnu, see on ergastatud olekus. Looduslikku olekusse ülemineku korral eraldab tuum liigset energiat väga lühikese lainepikkusega elektromagnetkiirguse portsjonina – nii tekib gammakiirgus. Tuumareaktsioonide käigus vabanev energia leiab praktilist rakendust paljudes teadus- ja tööstusharudes.
ATOM(kreeka keelest atomos - jagamatu), kemikaali väikseim osake. element, see on püha. Iga keemia. Element vastab konkreetsete aatomite kogumile. Omavahel sidudes moodustavad samade või erinevate elementide aatomid näiteks keerukamaid osakesi. . Kõik erinevad kemikaalid. in-in (tahke, vedel ja gaasiline) lagunemise tõttu. aatomite kombinatsioonid üksteisega. Aatomid võivad samuti vabalt eksisteerida. olek (in , ). Aatomi omadused, sealhulgas aatomi kõige olulisem võime moodustada kemikaale. ühendus, määravad selle struktuuri iseärasused.
Aatomi ehituse üldomadused. Aatom koosneb positiivselt laetud tuumast, mida ümbritseb negatiivselt laetud tuumade pilv. Aatomi kui terviku mõõtmed määravad ära tema elektronpilve mõõtmed ja need on suured võrreldes aatomituuma mõõtmetega (aatomi lineaarsed mõõtmed on ~ 10~8 cm, tuuma ~ 10" -10" 13 cm). Aatomi elektronpilvel ei ole rangelt määratletud piire, seega tähendab aatomi suurus. kraadid on tingimuslikud ja sõltuvad nende määramise meetoditest (vt.). Aatomi tuum koosneb Z-st ja N-st, mida hoiavad koos tuumajõud (vt.). Positiivne laeng ja negatiivne. laeng on sama abs. suurusjärk ja on võrdsed e = 1,60*10 -19 C; elektrivoolu ei ole. tasu. Tuumalaeng +Ze – põhiline. aatomile iseloomulik, mis määrab selle kuuluvuse konkreetsesse kemikaali. element. element perioodiliselt perioodiline süsteem () võrdub arvuga tuumas.
Elektriliselt neutraalses aatomis on arv pilves võrdne arvuga tuumas. Teatud tingimustel võib see siiski kaotada või lisanduda, keerates vastavalt. positiivses või eitada. nt. Li+, Li2+ või O-, O2-. Teatud elemendi aatomitest rääkides peame silmas nii neutraalseid aatomeid kui ka seda elementi.
Aatomi massi määrab selle tuuma mass; mass (9,109*10 -28 g) on ligikaudu 1840 korda väiksem massist ehk (1,67*10 -24 g), seega on osa aatomi massist ebaoluline. Koguarv ja A = Z + N kutsutud. . ja tuumalaeng on näidatud vastavalt. elemendi sümbolist vasakule jääv üla- ja alaindeks, nt. 23 11 Na. Nimetatakse ühe elemendi teatud väärtusega N aatomite tüüpi. . Nimetatakse sama elemendi sama Z ja erineva N aatomeid. see element. Massi erinevus mõjutab nende keemiat vähe. ja füüsiline Püha Vah. Kõige tähtsam on see, et erinevusi () täheldatakse suure sugulase tõttu. tavalise aatomi masside erinevused (), D ja T. Aatomite masside täpsed väärtused määratakse meetoditega.
Üheelektronilise aatomi statsionaarset olekut iseloomustavad unikaalselt neli kvantarvu: n, l, m l ja m s. Aatomi energia sõltub ainult n-st ja antud n-ga tase vastab mitmele olekule, mis erinevad l, m l, m s väärtuste poolest. Antud n ja l olekuid tähistatakse tavaliselt kui 1s, 2s, 2p, 3s jne, kus numbrid tähistavad l väärtusi ning ladinakeelsed tähed s, p, d, f ja edasi vastavad väärtustele. d = 0, 1, 2, 3, ... Dets. olekud antud p ja d-ga on võrdne 2(2l+ 1) väärtuste m l ja m s kombinatsioonide arvuga. Sukeldujate koguarv. olekud antud n-ga on võrdne 
, st tasemed väärtustega n = 1, 2, 3, ... vastavad 2, 8, 18, ..., 2n 2 decomp. . Kutsutakse taset, millele vastab ainult üks (üks lainefunktsioon). mitte-mandunud. Kui tase vastab kahele või enamale , nimetatakse seda. degenereerunud (vt.). Aatomis on energiatasemed l ja m l väärtustes degenereerunud; degenereerumine m s toimub ainult ligikaudselt, kui interaktsiooni ei võeta arvesse. pöörlev magnet hetk magnetiga elektrilise orbiidi liikumisest põhjustatud väli. tuumaväli (vt). See on relativistlik efekt, võrreldes Coulombi interaktsiooniga väike, kuid see on põhimõtteliselt oluline, sest toob kaasa täiendavaid energiatasandite lõhenemine, mis väljendub nn. peen struktuur.
Antud n, l ja m l korral määrab lainefunktsiooni mooduli ruut elektronpilve keskmise jaotuse aatomis. Diff. aatomid erinevad üksteisest oluliselt jaotuse poolest (joon. 2). Seega l = 0 (s-olekud) korral erineb see aatomi keskpunktis olevast nullist ega sõltu suunast (st sfääriliselt sümmeetriline), teiste olekute korral on see aatomi keskpunktis võrdne nulliga. ja oleneb suunast. 
Riis. 2. Elektronpilvede kuju aatomi erinevate olekute jaoks.
Mitmeelektronilistes aatomites vastastikuse elektrostaatilise toime tõttu. tõrjumine vähendab oluliselt nende ühendust tuumaga. Näiteks He + eraldumise energia on neutraalses He aatomis palju väiksem - 24,6 eV. Raskemate aatomite puhul on side väline. südamikuga veelgi nõrgem. Spetsiifilisus mängib mitmeelektroniliste aatomite puhul olulist rolli. , mis on seotud eristamatusega ja asjaoluga, et nad järgivad Kromi sõnul, et igaüks, mida iseloomustab neli kvantarvu, ei saa sisaldada rohkem kui ühte. Mitmeelektronilise aatomi puhul on mõttekas rääkida ainult kogu aatomist tervikuna. Ligikaudu aga nn. Üheelektronilises lähenduses saab iga üheelektroni olekut (vastava funktsiooniga kirjeldatud teatud orbitaali) vaadelda eraldi ja iseloomustada nelja kvantarvu n, l, m l ja m s hulgaga. Kogum 2(2l+ 1) moodustab antud n ja l-ga olekus elektronkihi (nimetatakse ka alamtasandiks, alamkestaks); kui kõik need olekud on hõivatud, kutsutakse kest. täidetud (suletud). Hulk 2n 2 olekut, millel on sama n, kuid erinevad l, moodustab elektroonilise kihi (nimetatakse ka tasemeks, kestaks). Kui n = 1, 2, 3, 4, ... kihid on tähistatud sümbolitega K, L, M, N, ... Täielikult täidetud kestade ja kihtide numbrid on toodud tabelis: 
Aatomis on statsionaarsed olekud võimalikud. Üleminekul kõrgemalt energiatasemelt E i madalamale energiatasemele E k aatom loobub energiast (E i - E k), pöördsiirde käigus saab selle vastu. Kiirgusüleminekutel kiirgab või neelab aatom elektromagnetilist kvanti. kiirgus (footon). See on võimalik ka siis, kui aatom interaktsiooni käigus energiat annab või saab. teiste osakestega, millega see põrkab (näiteks sisse) või on pikka aega seotud (in. Keemilised omadused on määratud aatomite välise elektronkestade struktuuriga, milles nad on suhteliselt nõrgalt seotud (sidumisenergiad mitmest eV kuni mitukümmend eV on suletud kestaga aatomid, tavaliselt aktsepteerivad neid keemilistes piirkondades ei sisene keemilistesse reaktsioonidesse.
Sisemine struktuur aatomite kestad, mis on seotud palju tihedamalt (sidumisenergia 10 2 -10 4 eV), avalduvad alles interaktsiooni käigus. kiirete osakeste ja suure energiaga footonitega aatomid. Sellised interaktsioonid määrata röntgenispektrite olemus ja osakeste (,) hajumine aatomitel (vt.). Aatomi mass määrab selle füüsikalised omadused. püha, nagu impulss, kineetiline. energiat. Mehaanilistest ja nendega seotud magnetitest. ja elektriline aatomituuma hetked sõltuvad teatud peentest füüsikalistest teguritest. mõjud (sõltub kiirguse sagedusest, mis määrab temaga seotud aatomi murdumisnäitaja sõltuvuse sellest. Aatomi optiliste omaduste ja elektriliste omaduste tihe seos avaldub eriti selgelt optilistes spektrites.
===
hispaania keel kirjandust artikli jaoks "ATOM": Karapetyants M. X., Drakin S. I., Struktuur, 3. väljaanne, M., 1978; Shloliekiy E.V., Aatomifüüsika, 7. väljaanne, kd 1-2, M., 1984. M.A. Elyaševitš.
Lehekülg "ATOM" valmistatud materjalide põhjal.