Mỗi ngày chúng ta sử dụng một số đồ vật: chúng ta cầm chúng trên tay, thực hiện bất kỳ thao tác nào trên chúng - lật chúng lại, kiểm tra và cuối cùng là phá vỡ chúng. Bạn đã bao giờ nghĩ về những đồ vật này được làm từ gì chưa? "Chúng ta có thể nghĩ gì ở đây? Làm bằng kim loại/gỗ/nhựa/vải!" - nhiều người trong chúng ta sẽ hoang mang trả lời. Đây là một phần câu trả lời đúng. Những vật liệu này được làm từ gì - kim loại, gỗ, nhựa, vải và nhiều chất khác? Hôm nay chúng ta sẽ thảo luận về vấn đề này.
Phân tử và nguyên tử: định nghĩa
Đối với một người hiểu biết, câu trả lời rất đơn giản và tầm thường: từ các nguyên tử và phân tử. Nhưng một số người cảm thấy bối rối và bắt đầu đặt câu hỏi: “Nguyên tử và phân tử trông như thế nào?” v.v., v.v. Hãy trả lời những câu hỏi này theo thứ tự. Vâng, trước hết, nguyên tử và phân tử là gì? Hãy để chúng tôi nói ngay với bạn rằng những định nghĩa này không giống nhau. Và hơn thế nữa, đây là những thuật ngữ hoàn toàn khác nhau. Vì vậy, nguyên tử là phần nhỏ nhất của một nguyên tố hóa học, mang các đặc tính của nó, một hạt chất có khối lượng và kích thước nhỏ. Phân tử là một hạt trung hòa về điện được hình thành bởi một số nguyên tử được kết nối với nhau.
Nguyên tử là gì: cấu trúc
Một nguyên tử bao gồm một lớp vỏ electron và (ảnh). Đổi lại, lõi bao gồm các proton và neutron, và lớp vỏ bao gồm các electron. Trong nguyên tử, proton tích điện dương, electron tích điện âm và neutron hoàn toàn không tích điện. Nếu số proton tương ứng thì nguyên tử trung hòa về điện, tức là Nếu chúng ta chạm vào một chất được hình thành từ các phân tử có nguyên tử như vậy, chúng ta sẽ không cảm nhận được xung điện dù là nhỏ nhất. Và ngay cả những máy tính siêu mạnh cũng sẽ không bắt được nó do không có cái sau. Nhưng điều đó xảy ra là có nhiều proton hơn electron và ngược lại. Khi đó sẽ đúng hơn nếu gọi những nguyên tử như vậy là ion. Nếu có nhiều proton hơn thì nó mang điện dương, nhưng nếu electron chiếm ưu thế thì nó mang điện âm. Mỗi nguyên tử cụ thể có một số lượng nghiêm ngặt các proton, neutron và electron. Và nó có thể được tính toán. Một mẫu để giải các bài toán tìm số hạt này trông như thế này:
Chem. phần tử - R (chèn tên phần tử)
Proton (p) - ?
Điện tử (e) - ?
Neutron (n) - ?
Giải pháp:
p = số sê-ri của hóa chất. nguyên tố R trong bảng tuần hoàn mang tên D.I. Mendeleev
e = p
n = A r(R) - Số R
Phân tử là gì: cấu trúc
Phân tử là hạt nhỏ nhất của một chất hóa học, nghĩa là nó đã được đưa trực tiếp vào thành phần của nó. Một phân tử của một chất nhất định bao gồm một số nguyên tử giống hệt nhau hoặc khác nhau. Đặc điểm cấu trúc của phân tử phụ thuộc vào tính chất vật lý của chất mà chúng hiện diện. Các phân tử được tạo thành từ các electron và nguyên tử. Vị trí của cái sau có thể được tìm thấy bằng cách sử dụng công thức cấu trúc. cho phép bạn xác định tiến trình của một phản ứng hóa học. Chúng thường trung tính (không có điện tích) và không có electron độc thân (tất cả các hóa trị đều bão hòa). Tuy nhiên, chúng cũng có thể bị tích điện, trong trường hợp đó tên chính xác của chúng là ion. Các phân tử cũng có thể có các electron chưa ghép cặp và các hóa trị không bão hòa - trong trường hợp này chúng được gọi là các gốc tự do.
Phần kết luận
Bây giờ bạn đã biết nguyên tử là gì và tất cả các chất, không có ngoại lệ, đều được cấu tạo từ các phân tử, và các chất sau đó lại được cấu tạo từ các nguyên tử. Các tính chất vật lý của một chất quyết định sự sắp xếp và kết nối của các nguyên tử, phân tử trong đó.
Nguyên tử (từ tiếng Hy Lạp άτομοσ - không thể phân chia) là hạt nhỏ nhất của một nguyên tố hóa học vẫn giữ được tất cả các tính chất hóa học của nó. Một nguyên tử bao gồm một hạt nhân dày đặc gồm các proton tích điện dương và neutron trung hòa điện, được bao quanh bởi một đám mây electron tích điện âm lớn hơn nhiều. Khi số proton bằng số electron thì nguyên tử trung hòa về điện, ngược lại nó là ion, có điện tích nhất định. Các nguyên tử được phân loại theo số lượng proton và neutron: số lượng proton xác định nguyên tố hóa học và số lượng neutron xác định hạt nhân của nguyên tố đó.Bằng cách hình thành liên kết với nhau, các nguyên tử kết hợp thành các phân tử và chất rắn lớn.
Nhân loại đã nghi ngờ sự tồn tại của những hạt vật chất nhỏ nhất từ thời cổ đại, nhưng sự xác nhận về sự tồn tại của nguyên tử chỉ được nhận vào cuối thế kỷ 19. Nhưng gần như ngay lập tức, người ta thấy rõ rằng các nguyên tử lại có cấu trúc phức tạp quyết định tính chất của chúng.
Khái niệm nguyên tử là hạt vật chất nhỏ nhất không thể phân chia được lần đầu tiên được đề xuất bởi các nhà triết học Hy Lạp cổ đại. Vào thế kỷ 17 và 18, các nhà hóa học phát hiện ra rằng các hóa chất phản ứng theo những tỷ lệ nhất định, được biểu thị bằng những con số nhỏ. Ngoài ra, họ còn cô lập được một số chất đơn giản mà họ gọi là nguyên tố hóa học. Những khám phá này đã dẫn đến sự hồi sinh của ý tưởng về các hạt không thể phân chia được. Sự phát triển của nhiệt động lực học và vật lý thống kê cho thấy các tính chất nhiệt của vật thể có thể được giải thích bằng chuyển động của các hạt đó. Cuối cùng kích thước của các nguyên tử đã được xác định bằng thực nghiệm.
Vào cuối thế kỷ 19 và đầu thế kỷ 20, các nhà vật lý đã khám phá ra hạt đầu tiên trong số các hạt hạ nguyên tử, electron, và sau đó là hạt nhân nguyên tử, từ đó chứng tỏ rằng nguyên tử không thể phân chia được. Sự phát triển của cơ học lượng tử giúp giải thích không chỉ cấu trúc của nguyên tử mà còn cả tính chất của chúng: quang phổ, khả năng tham gia vào các phản ứng và hình thành phân tử, tức là.
Đặc điểm chung về cấu trúc của nguyên tử
Những ý tưởng hiện đại về cấu trúc của nguyên tử đều dựa trên cơ học lượng tử.
Ở mức độ phổ biến, cấu trúc của nguyên tử có thể được trình bày dưới dạng mô hình sóng, dựa trên mô hình Bohr, nhưng cũng tính đến thông tin bổ sung từ cơ học lượng tử.
Theo mô hình này:
Nguyên tử bao gồm các hạt cơ bản (proton, electron và neutron). Khối lượng của nguyên tử chủ yếu tập trung ở hạt nhân nên phần lớn thể tích tương đối trống. Hạt nhân được bao quanh bởi các electron. Số lượng electron bằng số lượng proton trong hạt nhân; số lượng proton xác định số nguyên tử của nguyên tố trong bảng tuần hoàn. Trong một nguyên tử trung hòa, tổng điện tích âm của các electron bằng điện tích dương của các proton. Các nguyên tử của cùng một nguyên tố có số nơtron khác nhau được gọi là đồng vị.
Ở trung tâm của nguyên tử là một hạt nhân nhỏ tích điện dương được tạo thành từ các proton và neutron.
Hạt nhân của nguyên tử nhỏ hơn bản thân nguyên tử khoảng 10.000 lần. Do đó, nếu bạn phóng to một nguyên tử lên kích thước bằng sân bay Boryspil, thì kích thước của hạt nhân sẽ nhỏ hơn kích thước của một quả bóng bàn.
Lõi được bao quanh bởi một đám mây điện tử, chiếm phần lớn thể tích của nó. Trong đám mây điện tử, các lớp vỏ có thể được phân biệt, mỗi lớp có thể có một số quỹ đạo. Các quỹ đạo được lấp đầy tạo thành đặc tính cấu hình điện tử của từng nguyên tố hóa học.
Mỗi quỹ đạo có thể chứa tối đa hai electron, được đặc trưng bởi ba số lượng tử: cơ bản, quỹ đạo và từ tính.
Mỗi electron trong quỹ đạo có một giá trị duy nhất của số lượng tử thứ tư: spin.
Các quỹ đạo được xác định bởi một phân bố xác suất cụ thể về nơi có thể tìm thấy chính xác một electron. Ví dụ về quỹ đạo và ký hiệu của chúng được hiển thị trong hình bên phải. “Biên giới” của một quỹ đạo được coi là khoảng cách mà tại đó xác suất một electron có thể ở bên ngoài quỹ đạo nhỏ hơn 90%.
Mỗi lớp vỏ có thể chứa không quá một số lượng electron được xác định nghiêm ngặt. Ví dụ, lớp vỏ gần hạt nhân nhất có thể có tối đa hai electron, electron tiếp theo - 8, electron thứ ba tính từ hạt nhân - 18, v.v.
Khi các electron gắn vào nguyên tử, chúng rơi vào quỹ đạo năng lượng thấp. Chỉ các electron ở lớp vỏ ngoài mới có thể tham gia vào quá trình hình thành liên kết giữa các nguyên tử. Các nguyên tử có thể nhường và nhận electron, trở thành các ion tích điện dương hoặc âm. Tính chất hóa học của một nguyên tố được xác định bằng mức độ dễ dàng mà hạt nhân có thể nhường hoặc nhận electron. Điều này phụ thuộc cả vào số lượng electron và mức độ lấp đầy của lớp vỏ bên ngoài.
Kích thước nguyên tử
Kích thước của nguyên tử là một đại lượng rất khó đo vì hạt nhân trung tâm được bao quanh bởi một đám mây điện tử khuếch tán. Đối với các nguyên tử hình thành tinh thể rắn, khoảng cách giữa các vị trí liền kề của mạng tinh thể có thể đóng vai trò là giá trị gần đúng về kích thước của chúng. Đối với các nguyên tử, tinh thể không được hình thành; các kỹ thuật đánh giá khác được sử dụng, bao gồm cả các tính toán lý thuyết. Ví dụ, kích thước của một nguyên tử hydro được ước tính là 1,2 × 10-10 m. Giá trị này có thể so sánh với kích thước của một proton (là hạt nhân của nguyên tử hydro): 0,87 × 10-15 m và xác minh. rằng hạt nhân của nguyên tử hydro nhỏ hơn hạt nhân nguyên tử đó 100 000 lần. Các nguyên tử của các nguyên tố khác duy trì tỷ lệ xấp xỉ như nhau. Lý do cho điều này là các nguyên tố có hạt nhân tích điện dương lớn hơn sẽ thu hút các electron mạnh hơn.
Một đặc điểm khác về kích thước của nguyên tử là bán kính van der Waals - khoảng cách mà một nguyên tử khác có thể tiếp cận một nguyên tử nhất định. Khoảng cách giữa các nguyên tử trong phân tử được đặc trưng bởi độ dài của liên kết hóa học hoặc bán kính cộng hóa trị.
Cốt lõi
Phần lớn nguyên tử tập trung ở hạt nhân, bao gồm các nucleon: proton và neutron, liên kết với nhau bằng lực tương tác hạt nhân.
Số lượng proton trong hạt nhân nguyên tử quyết định số hiệu nguyên tử của nó và nguyên tử đó thuộc về nguyên tố nào. Ví dụ, nguyên tử carbon chứa 6 proton. Tất cả các nguyên tử có số hiệu nguyên tử cụ thể đều có cùng đặc tính vật lý và thể hiện các tính chất hóa học giống nhau. Bảng tuần hoàn liệt kê các nguyên tố theo thứ tự số hiệu nguyên tử tăng dần.
Tổng số proton và neutron trong nguyên tử của một nguyên tố quyết định khối lượng nguyên tử của nó, vì proton và neutron có khối lượng xấp xỉ 1 amu. Neutron trong hạt nhân không ảnh hưởng đến nguyên tử đó thuộc về nguyên tố nào, nhưng nguyên tố hóa học có thể có. nguyên tử có cùng số proton và khác nhau về số nơtron. Những nguyên tử như vậy có cùng số nguyên tử nhưng khối lượng nguyên tử khác nhau và được gọi là đồng vị của nguyên tố đó. Khi viết tên của một đồng vị, hãy viết khối lượng nguyên tử sau nó. Ví dụ, đồng vị carbon-14 chứa 6 proton và 8 neutron, tổng khối lượng nguyên tử là 14. Một phương pháp ký hiệu phổ biến khác là đặt trước khối lượng nguyên tử một chữ số trên trước ký hiệu nguyên tố. Ví dụ, carbon-14 được ký hiệu là 14C.
Khối lượng nguyên tử của một nguyên tố trong bảng tuần hoàn là giá trị trung bình khối lượng của các đồng vị có trong tự nhiên. Việc tính trung bình được thực hiện tùy theo độ phong phú của đồng vị trong tự nhiên.
Khi số nguyên tử tăng, điện tích dương của hạt nhân tăng và do đó lực đẩy Coulomb giữa các proton tăng. Ngày càng cần nhiều neutron hơn để giữ các proton lại với nhau. Tuy nhiên, một số lượng lớn neutron không ổn định và trường hợp này đặt ra một giới hạn về điện tích có thể có của hạt nhân và số lượng nguyên tố hóa học tồn tại trong tự nhiên. Các nguyên tố hóa học có số nguyên tử cao có thời gian tồn tại rất ngắn, chỉ có thể được tạo ra bằng cách bắn phá hạt nhân của các nguyên tố nhẹ bằng các ion và chỉ được quan sát thấy trong các thí nghiệm sử dụng máy gia tốc. Tính đến tháng 2 năm 2008, nguyên tố hóa học nặng được tổng hợp là ununoctium
Nhiều đồng vị của các nguyên tố hóa học không ổn định và phân rã theo thời gian. Hiện tượng này được sử dụng bởi các xét nghiệm nguyên tố phóng xạ để xác định tuổi của các vật thể có tầm quan trọng lớn đối với khảo cổ học và cổ sinh vật học.
mô hình bohr
Mô hình Bohr là mô hình vật lý đầu tiên có thể mô tả chính xác quang phổ của nguyên tử hydro. Sau sự phát triển của các phương pháp chính xác của cơ học lượng tử, mô hình của Bohr chỉ có ý nghĩa lịch sử, nhưng do tính đơn giản nên nó vẫn được giảng dạy và sử dụng rộng rãi để hiểu biết định tính về cấu trúc của nguyên tử.
Mô hình của Bohr dựa trên mô hình hành tinh của Rutherford, mô tả nguyên tử là một hạt nhân nhỏ, tích điện dương với các electron tích điện âm quay quanh các cấp độ khác nhau, gợi nhớ đến cấu trúc của hệ mặt trời. Rutherford đề xuất một mô hình hành tinh để giải thích kết quả thí nghiệm của ông về sự tán xạ của hạt alpha bởi lá kim loại. Theo mô hình hành tinh, một nguyên tử bao gồm một hạt nhân nặng xung quanh đó các electron quay. Nhưng làm thế nào các electron quay quanh hạt nhân không rơi theo hình xoắn ốc lên nó là điều các nhà vật lý thời đó không thể hiểu được. Thật vậy, theo lý thuyết điện từ cổ điển, một electron quay quanh hạt nhân sẽ phát ra sóng điện từ (ánh sáng), dẫn đến mất năng lượng dần dần và rơi vào hạt nhân. Vì vậy, làm sao một nguyên tử có thể tồn tại được? Hơn nữa, các nghiên cứu về phổ điện từ của nguyên tử đã chỉ ra rằng các electron trong nguyên tử chỉ có thể phát ra ánh sáng ở một tần số nhất định.
Những khó khăn này đã được khắc phục trong mô hình do Niels Bohr đề xuất năm 1913, trong đó giả định rằng:
Các electron chỉ có thể ở trong các quỹ đạo có năng lượng lượng tử hóa rời rạc. Nghĩa là, không phải tất cả các quỹ đạo đều có thể xảy ra mà chỉ có một số quỹ đạo cụ thể. Năng lượng chính xác của các quỹ đạo cho phép phụ thuộc vào nguyên tử.
Các định luật cơ học cổ điển không áp dụng được khi các electron chuyển động từ quỹ đạo cho phép này sang quỹ đạo khác.
Khi một electron chuyển từ quỹ đạo này sang quỹ đạo khác, sự chênh lệch năng lượng được phát ra (hoặc hấp thụ) bởi một lượng tử ánh sáng (photon), tần số của nó phụ thuộc trực tiếp vào sự chênh lệch năng lượng giữa hai quỹ đạo.
trong đó ν là tần số của photon, E là hiệu năng lượng, và h là hằng số tỷ lệ, còn được gọi là hằng số Planck.
Đã xác định được những gì có thể viết
trong đó ω là tần số góc của photon.
Các quỹ đạo cho phép phụ thuộc vào các giá trị lượng tử hóa của động lượng góc quỹ đạo L, mô tả bởi phương trình
trong đó n = 1,2,3,...
và được gọi là số lượng tử động lượng góc.
Những giả định này giúp giải thích kết quả của những quan sát lúc bấy giờ, ví dụ, tại sao quang phổ lại bao gồm các vạch rời rạc. Giả định (4) cho rằng giá trị nhỏ nhất của n là 1. Theo đó, bán kính nguyên tử nhỏ nhất có thể chấp nhận được là 0,526 Å (0,0529 nm = 5,28 10-11 m). Giá trị này được gọi là bán kính Bohr.
Mô hình của Bohr đôi khi được gọi là mô hình Bán cổ điển vì mặc dù nó kết hợp một số ý tưởng từ cơ học lượng tử nhưng nó không phải là sự mô tả cơ học lượng tử hoàn chỉnh về nguyên tử hydro. Tuy nhiên, mô hình của Bohr là một bước quan trọng hướng tới việc tạo ra một mô tả như vậy.
Trong mô tả cơ học lượng tử chặt chẽ của nguyên tử hydro, các mức năng lượng được tìm thấy từ nghiệm của phương trình Schrödinger tĩnh. Các mức này được đặc trưng bởi ba số lượng tử nêu trên, công thức lượng tử hóa động lượng góc là khác nhau, số lượng tử của động lượng góc bằng 0 đối với quỹ đạo s hình cầu, đơn vị đối với quỹ đạo p hình quả tạ thon dài, v.v. (xem hình trên).
Năng lượng nguyên tử và lượng tử hóa của nó
Các giá trị năng lượng mà một nguyên tử có thể có được tính toán và giải thích dựa trên các nguyên lý cơ học lượng tử. Trong trường hợp này, các yếu tố như tương tác tĩnh điện của electron với hạt nhân và electron với nhau, spin của electron và nguyên lý của các hạt giống hệt nhau đều được tính đến. Trong cơ học lượng tử, trạng thái xác định vị trí của một nguyên tử được mô tả bằng hàm sóng, có thể tìm thấy từ nghiệm của phương trình Schrödinger. Có một tập hợp các trạng thái cụ thể, mỗi trạng thái có một giá trị năng lượng cụ thể. Trạng thái có năng lượng thấp nhất được gọi là trạng thái cơ bản. Các trạng thái khác được gọi là phấn khích. Nguyên tử ở trạng thái kích thích trong một thời gian hữu hạn, sớm hay muộn sẽ phát ra lượng tử trường điện từ (photon) và chuyển sang trạng thái cơ bản. Một nguyên tử có thể tồn tại ở trạng thái cơ bản trong một thời gian dài. Để phấn khích, anh ta cần năng lượng bên ngoài, thứ chỉ có thể đến với anh ta từ môi trường bên ngoài. Một nguyên tử chỉ phát ra hoặc hấp thụ ánh sáng ở những tần số nhất định tương ứng với sự chênh lệch năng lượng giữa các trạng thái của nó.
Các trạng thái có thể có của một nguyên tử được lập chỉ mục bằng các số lượng tử, chẳng hạn như spin, số lượng tử động lượng góc quỹ đạo và số lượng tử động lượng góc tổng cộng. Thông tin chi tiết về phân loại của họ có thể được tìm thấy trong bài viết thuật ngữ điện tử
Vỏ điện tử của các nguyên tử phức tạp
Các nguyên tử phức tạp có hàng chục, và đối với các nguyên tố rất nặng, thậm chí có hàng trăm electron. Theo nguyên lý các hạt giống hệt nhau, trạng thái điện tử của nguyên tử được hình thành bởi tất cả các electron và không thể xác định vị trí của từng hạt. Tuy nhiên, trong cái gọi là phép tính gần đúng một electron, chúng ta có thể nói về các trạng thái năng lượng nhất định của từng electron.
Theo những ý tưởng này, có một tập hợp quỹ đạo nhất định chứa đầy các electron của nguyên tử. Những quỹ đạo này tạo thành một cấu hình điện tử cụ thể. Mỗi quỹ đạo có thể chứa không quá hai electron (nguyên lý loại trừ Pauli). Các quỹ đạo được nhóm thành các lớp vỏ, mỗi lớp chỉ có thể có một số quỹ đạo cố định nhất định (1, 4, 10, v.v.). Các quỹ đạo được chia thành bên trong và bên ngoài. Ở trạng thái cơ bản của nguyên tử, lớp vỏ bên trong chứa đầy các electron.
Ở các quỹ đạo bên trong, các electron ở rất gần hạt nhân và liên kết chặt chẽ với nó. Để loại bỏ một electron khỏi quỹ đạo bên trong, bạn cần cung cấp cho nó năng lượng cao, lên tới vài nghìn electron-volt. Một electron ở lớp vỏ bên trong chỉ có thể thu được năng lượng như vậy bằng cách hấp thụ lượng tử tia X. Năng lượng của lớp vỏ bên trong của nguyên tử là riêng biệt đối với từng nguyên tố hóa học và do đó, một nguyên tử có thể được xác định bằng phổ hấp thụ tia X. Tình huống này được sử dụng trong phân tích tia X.
Ở lớp vỏ ngoài, các electron nằm cách xa hạt nhân. Chính những electron này tham gia vào quá trình hình thành liên kết hóa học, đó là lý do tại sao lớp vỏ ngoài được gọi là electron hóa trị, còn các electron ở lớp vỏ ngoài được gọi là electron hóa trị.
Sự chuyển đổi lượng tử trong nguyên tử
Sự chuyển đổi giữa các trạng thái khác nhau của nguyên tử có thể xảy ra do sự nhiễu loạn bên ngoài, thường là trường điện từ. Do sự lượng tử hóa các trạng thái nguyên tử, quang phổ quang học của nguyên tử gồm các vạch riêng lẻ nếu năng lượng của lượng tử ánh sáng không vượt quá năng lượng ion hóa. Ở tần số cao hơn, quang phổ quang học của nguyên tử trở nên liên tục. Xác suất kích thích của một nguyên tử bằng ánh sáng giảm khi tần số tăng thêm, nhưng tăng mạnh ở các tần số nhất định đặc trưng của từng nguyên tố hóa học trong phạm vi tia X.
Các nguyên tử bị kích thích phát ra lượng tử ánh sáng ở cùng tần số mà tại đó xảy ra sự hấp thụ.
Sự chuyển đổi giữa các trạng thái khác nhau của nguyên tử cũng có thể được gây ra bởi sự tương tác với các hạt tích điện nhanh.
Tính chất vật lý và hóa học của nguyên tử
Tính chất hóa học của nguyên tử được xác định chủ yếu bởi các electron hóa trị - electron ở lớp vỏ ngoài. Số lượng electron ở lớp vỏ ngoài quyết định hóa trị của nguyên tử.
Các nguyên tử ở cột cuối cùng của bảng tuần hoàn các nguyên tố có lớp vỏ ngoài được lấp đầy hoàn toàn và để electron chuyển sang lớp vỏ tiếp theo thì nguyên tử phải được cung cấp năng lượng rất cao. Do đó, các nguyên tử này trơ và không có xu hướng tham gia các phản ứng hóa học. Khí trơ mỏng đi và chỉ kết tinh ở nhiệt độ rất thấp.
Các nguyên tử ở cột đầu tiên của bảng tuần hoàn các nguyên tố có một electron ở lớp vỏ ngoài và hoạt động hóa học. Hóa trị của chúng là 1. Loại liên kết hóa học đặc trưng của các nguyên tử này ở trạng thái kết tinh là liên kết kim loại.
Các nguyên tử ở cột thứ hai của bảng tuần hoàn ở trạng thái cơ bản có 2 s electron ở lớp vỏ ngoài. Lớp vỏ bên ngoài của chúng được lấp đầy nên chúng phải trơ. Nhưng để chuyển từ trạng thái cơ bản có cấu hình vỏ electron s2 sang trạng thái có cấu hình s1p1 thì cần rất ít năng lượng nên các nguyên tử này có hóa trị bằng 2 nhưng chúng thể hiện ít hoạt động hơn.
Các nguyên tử ở cột thứ ba của bảng tuần hoàn các nguyên tố có cấu hình electron s2p1 ở trạng thái cơ bản. Chúng có thể thể hiện các giá trị khác nhau: 1, 3, 5. Khả năng cuối cùng nảy sinh khi lớp vỏ electron của một nguyên tử được thêm vào 8 electron và trở nên đóng lại.
Các nguyên tử ở cột thứ tư của bảng tuần hoàn các nguyên tố có hóa trị 4 (ví dụ, carbon dioxide CO2), mặc dù cũng có thể có hóa trị 2 (ví dụ, carbon monoxide CO). Trước cột này là carbon, một nguyên tố tạo thành nhiều loại hợp chất hóa học. Một nhánh hóa học đặc biệt dành cho các hợp chất cacbon - hóa học hữu cơ. Các nguyên tố khác trong cột này là silicon và germanium là chất bán dẫn ở trạng thái rắn trong điều kiện bình thường.
Các phần tử ở cột thứ năm có hóa trị 3 hoặc 5.
Các phần tử của cột thứ sáu của bảng tuần hoàn ở trạng thái cơ bản có cấu hình s2p4 và spin tổng thể là 1. Do đó, chúng có hóa trị hai. Ngoài ra còn có khả năng một nguyên tử chuyển sang trạng thái kích thích s2p3s với spin 2, trong đó hóa trị là 4 hoặc 6.
Các nguyên tố ở cột thứ bảy của bảng tuần hoàn thiếu một electron ở lớp vỏ ngoài để lấp đầy nó. Chúng chủ yếu là đơn trị. Tuy nhiên, chúng có thể tham gia vào các hợp chất hóa học ở trạng thái kích thích, biểu hiện hóa trị 3,5,7.
Các phần tử chuyển tiếp thường lấp đầy lớp vỏ s bên ngoài trước khi lớp vỏ d được lấp đầy hoàn toàn. Do đó, chúng hầu hết có hóa trị 1 hoặc 2, nhưng trong một số trường hợp, một trong các electron d tham gia vào quá trình hình thành liên kết hóa học và hóa trị trở thành bằng ba.
Khi các hợp chất hóa học được hình thành, quỹ đạo nguyên tử bị biến đổi, biến dạng và trở thành quỹ đạo phân tử. Trong trường hợp này, quá trình lai hóa các quỹ đạo xảy ra - sự hình thành các quỹ đạo mới, dưới dạng tổng cụ thể của các quỹ đạo cơ sở.
Lịch sử khái niệm nguyên tử
Chi tiết hơn trong bài viết nguyên tử
Khái niệm nguyên tử, giống như chính từ này, có nguồn gốc từ tiếng Hy Lạp cổ đại, mặc dù sự thật của giả thuyết về sự tồn tại của nguyên tử chỉ được xác nhận vào thế kỷ 20. Ý tưởng chính đằng sau khái niệm này trong suốt nhiều thế kỷ là ý tưởng về thế giới như một tập hợp của một số lượng lớn các yếu tố không thể chia cắt, có cấu trúc rất đơn giản và đã tồn tại từ xa xưa.
Những người thuyết giảng đầu tiên về học thuyết nguyên tử
Người đầu tiên rao giảng giáo lý nguyên tử là triết gia Leucippus vào thế kỷ thứ 5 trước Công nguyên. Sau đó, học trò của ông là Democritus đã cầm dùi cui lên. Chỉ những phần riêng biệt trong công trình của họ còn tồn tại, từ đó rõ ràng là họ đã tiến hành từ một số ít giả thuyết vật lý khá trừu tượng:
“Ngọt và đắng, nóng và lạnh là ý nghĩa của định nghĩa, nhưng trên thực tế [chỉ] nguyên tử và tánh không.”
Theo Democritus, toàn bộ thiên nhiên bao gồm các nguyên tử, những hạt vật chất nhỏ nhất đang đứng yên hoặc chuyển động trong không gian hoàn toàn trống rỗng. Tất cả các nguyên tử đều có dạng đơn giản và các nguyên tử cùng loại thì giống hệt nhau; Sự đa dạng của tự nhiên phản ánh sự đa dạng về hình dạng nguyên tử và nhiều cách khác nhau mà các nguyên tử có thể kết dính với nhau. Cả Democritus và Leucipus đều tin rằng các nguyên tử, khi đã bắt đầu chuyển động, sẽ tiếp tục chuyển động theo các quy luật tự nhiên.
Câu hỏi khó nhất đối với người Hy Lạp cổ đại là tính thực tế vật lý của các khái niệm cơ bản về thuyết nguyên tử. Chúng ta có thể nói về thực tại của tánh Không theo nghĩa nào nếu nó không có vật chất và không thể có bất kỳ đặc tính vật lý nào? Những ý tưởng của Leucipus và Democritus không thể dùng làm cơ sở thỏa đáng cho lý thuyết về vật chất trong cõi vật chất, vì chúng không giải thích được nguyên tử gồm những gì, cũng như tại sao nguyên tử lại không thể phân chia được.
Một thế hệ sau Democritus, Plato đã đề xuất giải pháp của mình cho vấn đề này: “Các hạt nhỏ nhất không thuộc về vương quốc vật chất, mà thuộc về vương quốc hình học; chúng đại diện cho nhiều hình học rắn khác nhau được giới hạn bởi các hình tam giác phẳng.”
Khái niệm nguyên tử trong triết học Ấn Độ
Một nghìn năm sau, lý luận trừu tượng của người Hy Lạp cổ đại đã thâm nhập vào Ấn Độ và được một số trường phái triết học Ấn Độ áp dụng. Nhưng nếu triết học phương Tây cho rằng lý thuyết nguyên tử phải trở thành cơ sở cụ thể và khách quan cho lý thuyết về thế giới vật chất thì triết học Ấn Độ luôn coi thế giới vật chất là một ảo ảnh. Khi thuyết nguyên tử xuất hiện ở Ấn Độ, nó mang hình thức lý thuyết cho rằng thực tế trên thế giới là một quá trình chứ không phải thực chất, và rằng chúng ta hiện diện trên thế giới như những mắt xích trong một quá trình chứ không phải như những khối vật chất.
Nghĩa là, cả Plato và các nhà triết học Ấn Độ đều nghĩ như thế này: nếu thiên nhiên bao gồm những phần nhỏ, nhưng có kích thước hữu hạn, thì tại sao chúng không thể được chia, ít nhất là trong trí tưởng tượng, thành những hạt thậm chí còn nhỏ hơn, trở thành chủ đề. xem xét thêm?
Lý thuyết nguyên tử trong khoa học La Mã
Nhà thơ La Mã Lucretius (96 - 55 trước Công nguyên) là một trong số ít người La Mã tỏ ra quan tâm đến khoa học thuần túy. Trong bài thơ Về bản chất của vạn vật (De rerum natura), ông đã trình bày chi tiết những sự thật chứng minh ủng hộ lý thuyết nguyên tử. Ví dụ, một cơn gió thổi với lực rất lớn, mặc dù không ai có thể nhìn thấy nhưng có lẽ được tạo thành từ những hạt quá khó nhìn thấy. Chúng ta có thể cảm nhận được mọi thứ ở khoảng cách xa bằng mùi, âm thanh và nhiệt truyền đi trong khi vẫn vô hình.
Lucretius kết nối các thuộc tính của sự vật với các thuộc tính của các thành phần của chúng, tức là. Nguyên tử: Các nguyên tử của chất lỏng có hình dạng nhỏ và tròn, đó là lý do tại sao chất lỏng chảy dễ dàng và thấm qua chất xốp, trong khi các nguyên tử của chất rắn có móc giữ chúng lại với nhau. Tương tự như vậy, các cảm giác vị giác và âm thanh khác nhau có âm lượng khác nhau được tạo thành từ các nguyên tử có hình dạng tương ứng - từ đơn giản và hài hòa đến quanh co và không đều.
Nhưng những lời dạy của Lucretius đã bị nhà thờ lên án vì ông đưa ra một cách giải thích khá duy vật về chúng: chẳng hạn, ý tưởng cho rằng Chúa, đã từng khởi động một cơ chế nguyên tử, không còn can thiệp vào hoạt động của nó nữa, hoặc rằng linh hồn chết cùng với cơ chế nguyên tử. thân hình.
Những lý thuyết đầu tiên về cấu trúc của nguyên tử
Một trong những lý thuyết đầu tiên về cấu trúc của nguyên tử, vốn đã có những nét phác thảo hiện đại, được mô tả bởi Galileo (1564-1642). Theo lý thuyết của ông, vật chất bao gồm các hạt không đứng yên mà chuyển động theo mọi hướng dưới tác dụng của nhiệt; nhiệt không gì khác hơn là sự chuyển động của các hạt. Cấu trúc của các hạt rất phức tạp và nếu bạn tước bỏ bất kỳ phần nào của lớp vỏ vật chất của nó, thì ánh sáng sẽ bắn ra từ bên trong. Galileo là người đầu tiên trình bày cấu trúc của nguyên tử, mặc dù ở dạng tuyệt vời.
Cơ sở khoa học cơ bản
Vào thế kỷ 19, John Dalton thu được bằng chứng về sự tồn tại của các nguyên tử nhưng cho rằng chúng không thể phân chia được. Ernest Rutherford đã chứng minh bằng thực nghiệm rằng nguyên tử bao gồm một hạt nhân được bao quanh bởi các hạt tích điện âm - các electron.
Một nguyên tử, như một đơn vị biệt lập, được tạo thành từ một hạt nhân tích điện dương và các electron mang điện tích âm. Đây là những gì một nguyên tử được tạo ra.
Ở trung tâm của nó có một hạt nhân, được hình thành bởi các hạt thậm chí còn nhỏ hơn - proton và neutron. So với bán kính của toàn bộ nguyên tử, bán kính của hạt nhân nhỏ hơn khoảng một trăm nghìn lần. Mật độ lõi cực kỳ cao.
Hạt nhân ổn định mang điện tích dương là proton. Neutron là hạt cơ bản không mang điện tích, có khối lượng xấp xỉ bằng khối lượng của proton. Khối lượng của hạt nhân lần lượt bao gồm tổng khối lượng của proton và neutron, tổng khối lượng của chúng trong hạt nhân được viết tắt là nucleon. Các nucleon này trong hạt nhân được liên kết bởi một số duy nhất. Số proton trong nguyên tử bằng với số proton được xác định trong vỏ nguyên tử và do đó, tạo thành cơ sở cho các tính chất hóa học của nguyên tử.
Electron, là hạt vật chất nhỏ nhất, mang trong mình một dòng điện âm cơ bản và liên tục quay quanh hạt nhân theo những quỹ đạo nhất định, tương tự như chuyển động quay của các hành tinh quanh Mặt trời. Do đó, đối với câu hỏi nguyên tử bao gồm những gì, có thể đưa ra câu trả lời sau: từ các hạt cơ bản có điện tích dương, âm và trung tính.
Có mô hình sau: kích thước của nguyên tử phụ thuộc vào kích thước lớp vỏ electron của nó hoặc chiều cao quỹ đạo. Là một phần của câu trả lời cho câu hỏi nguyên tử được cấu tạo từ đâu, chúng ta có thể làm rõ rằng các electron có thể được thêm vào và lấy ra khỏi nguyên tử. Hoàn cảnh này biến nguyên tử thành ion dương hoặc theo đó thành ion âm. Và quá trình biến đổi một hạt hóa học cơ bản được gọi là sự ion hóa.
Một nguồn năng lượng lớn tập trung, có thể được giải phóng trong các phản ứng hạt nhân. Những phản ứng như vậy, như một quy luật, xảy ra khi hạt nhân nguyên tử va chạm với các hạt cơ bản khác hoặc với hạt nhân của các nguyên tố hóa học khác. Kết quả là các hạt nhân mới có thể hình thành. Ví dụ, một phản ứng có khả năng thực hiện sự chuyển đổi neutron thành proton, trong khi hạt beta, hay còn gọi là electron, bị loại bỏ khỏi hạt nhân nguyên tử.
Sự chuyển đổi chất lượng ở trung tâm nguyên tử từ proton sang neutron có thể được thực hiện theo hai cách. Trong trường hợp đầu tiên, một hạt có khối lượng bằng khối lượng của electron, nhưng mang điện tích dương, gọi là positron (còn gọi là phân rã positron), thoát ra khỏi hạt nhân. Tùy chọn thứ hai liên quan đến việc bắt hạt nhân nguyên tử của một trong những electron gần nó nhất khỏi quỹ đạo K (bắt K). Đây là cách các nguyên tố hóa học thay đổi từ nguyên tố này sang nguyên tố khác do nguyên tử được tạo thành.
Có những trạng thái hạt nhân hình thành khi nó thừa năng lượng, hay nói cách khác là ở trạng thái kích thích. Trong trường hợp chuyển sang trạng thái tự nhiên, hạt nhân sẽ giải phóng năng lượng dư thừa dưới dạng một phần bức xạ điện từ có bước sóng rất ngắn - đây là cách hình thành bức xạ gamma. Năng lượng giải phóng trong các phản ứng hạt nhân được ứng dụng thực tế trong một số ngành khoa học và công nghiệp.
Từ thời cổ đại đến giữa thế kỷ 18, khoa học bị thống trị bởi ý tưởng cho rằng nguyên tử là một hạt vật chất không thể phân chia được. Nhà khoa học và nhà khoa học tự nhiên người Anh D. Dalton đã định nghĩa nguyên tử là thành phần nhỏ nhất của một nguyên tố hóa học. M.V. Lomonosov trong bài giảng dạy nguyên tử-phân tử của mình đã có thể đưa ra định nghĩa về nguyên tử và phân tử. Ông tin chắc rằng các phân tử mà ông gọi là “tiểu thể” bao gồm các “nguyên tố” - nguyên tử - và chuyển động không ngừng.
D.I. Mendeleev tin rằng tiểu đơn vị chất tạo nên thế giới vật chất này chỉ giữ lại tất cả các đặc tính của nó nếu nó không bị phân tách. Trong bài viết này, chúng ta sẽ định nghĩa nguyên tử là một đối tượng của thế giới vi mô và nghiên cứu các tính chất của nó.
Điều kiện tiên quyết cho việc xây dựng lý thuyết về cấu trúc nguyên tử
Vào thế kỷ 19, tuyên bố về tính không thể phân chia của nguyên tử được chấp nhận rộng rãi. Hầu hết các nhà khoa học tin rằng các hạt của một nguyên tố hóa học trong mọi trường hợp không thể biến thành nguyên tử của nguyên tố khác. Những ý tưởng này được dùng làm cơ sở để định nghĩa nguyên tử cho đến năm 1932. Vào cuối thế kỷ 19, những khám phá cơ bản đã được thực hiện trong khoa học đã làm thay đổi quan điểm này. Trước hết, electron được phát hiện vào năm 1897 bởi nhà vật lý người Anh D. J. Thomson. Thực tế này đã thay đổi hoàn toàn quan niệm của các nhà khoa học về tính không thể phân chia của một thành phần của một nguyên tố hóa học.
Làm thế nào để chứng minh rằng nguyên tử là phức tạp
Ngay cả trước đây, các nhà khoa học đã nhất trí nhất trí rằng nguyên tử không có điện tích. Sau đó người ta phát hiện ra rằng các electron dễ dàng được giải phóng khỏi bất kỳ nguyên tố hóa học nào. Chúng có thể được phát hiện trong ngọn lửa, chúng mang dòng điện và chúng được phát ra bởi các chất trong quá trình phát tia X.
Nhưng nếu các electron là một phần của tất cả các nguyên tử không có ngoại lệ và mang điện tích âm, điều đó có nghĩa là vẫn còn một số hạt trong nguyên tử nhất thiết phải mang điện tích dương, nếu không thì nguyên tử sẽ không trung hòa về điện. Một hiện tượng vật lý như phóng xạ đã giúp làm sáng tỏ cấu trúc của nguyên tử. Nó đưa ra định nghĩa chính xác về nguyên tử trong vật lý và sau đó là hóa học.
Tia vô hình
Nhà vật lý người Pháp A. Becquerel là người đầu tiên mô tả hiện tượng phát ra các tia không nhìn thấy được bởi các nguyên tử của một số nguyên tố hóa học. Chúng làm ion hóa không khí, xuyên qua các chất và làm đen các tấm ảnh. Sau đó, Curies đã chứng minh rằng các chất phóng xạ được chuyển đổi thành nguyên tử của các nguyên tố hóa học khác (ví dụ, uranium thành neptunium).
Bức xạ phóng xạ có thành phần không đồng nhất: hạt alpha, hạt beta, tia gamma. Như vậy, hiện tượng phóng xạ đã khẳng định các hạt của các nguyên tố trong bảng tuần hoàn có cấu trúc phức tạp. Thực tế này là lý do dẫn tới những thay đổi trong định nghĩa về nguyên tử. Nguyên tử bao gồm những hạt nào, dựa trên những dữ kiện khoa học mới mà Rutherford thu được? Câu trả lời cho câu hỏi này là mô hình hạt nhân nguyên tử do các nhà khoa học đề xuất, theo đó các electron quay quanh một hạt nhân tích điện dương.
Những tranh cãi về mô hình của Rutherford
Lý thuyết của nhà khoa học, mặc dù có tính chất nổi bật, nhưng không thể định nghĩa nguyên tử một cách khách quan. Kết luận của cô đã đi ngược lại các định luật cơ bản của nhiệt động lực học, theo đó tất cả các electron quay quanh hạt nhân đều mất năng lượng và dù sớm hay muộn cũng phải rơi vào hạt nhân đó. Nguyên tử trong trường hợp này bị phá hủy. Điều này thực tế không xảy ra, vì các nguyên tố hóa học và các hạt tạo nên chúng tồn tại trong tự nhiên trong một thời gian rất dài. Định nghĩa này về nguyên tử, dựa trên lý thuyết của Rutherford, là không thể giải thích được, cũng như hiện tượng xảy ra khi các chất đơn giản nóng được truyền qua một cách tử nhiễu xạ. Xét cho cùng, quang phổ nguyên tử hình thành trong trường hợp này có dạng tuyến tính. Điều này mâu thuẫn với mô hình nguyên tử Rutherford, theo đó quang phổ phải liên tục. Theo các khái niệm của cơ học lượng tử, các electron hiện nay được đặc trưng trong hạt nhân không phải là các vật thể điểm mà có dạng đám mây điện tử.
Mật độ lớn nhất của nó là ở một quỹ tích không gian nhất định xung quanh hạt nhân và được coi là vị trí của hạt tại một thời điểm nhất định. Người ta cũng phát hiện ra rằng trong nguyên tử, các electron được sắp xếp thành từng lớp. Số lượng lớp có thể được xác định bằng cách biết số chu kỳ mà nguyên tố đó nằm trong hệ thống tuần hoàn của D. I. Mendeleev. Ví dụ, một nguyên tử phốt pho chứa 15 electron và có 3 mức năng lượng. Chỉ số xác định số mức năng lượng được gọi là số lượng tử chính.
Thực nghiệm đã chứng minh rằng các electron ở mức năng lượng gần hạt nhân nhất có năng lượng thấp nhất. Mỗi vỏ năng lượng được chia thành các cấp độ con và lần lượt chúng được chia thành các quỹ đạo. Các electron nằm ở các quỹ đạo khác nhau có hình dạng đám mây giống nhau (s, p, d, f).
Dựa vào những điều trên, có thể suy ra rằng hình dạng của đám mây điện tử không thể tùy ý. Nó được xác định nghiêm ngặt theo quỹ đạo. Chúng tôi cũng nói thêm rằng trạng thái của electron trong hạt vĩ mô được xác định bởi hai giá trị nữa - số lượng tử từ tính và spin. Phương pháp đầu tiên dựa trên phương trình Schrödinger và mô tả đặc điểm định hướng không gian của đám mây điện tử dựa trên tính ba chiều của thế giới chúng ta. Chỉ số thứ hai là số spin; nó được sử dụng để xác định chuyển động quay của electron quanh trục của nó theo chiều kim đồng hồ hoặc ngược chiều kim đồng hồ.
Khám phá neutron
Nhờ công trình của D. Chadwick do ông thực hiện vào năm 1932, một định nghĩa mới về nguyên tử đã được đưa ra trong hóa học và vật lý. Trong thí nghiệm của mình, nhà khoa học đã chứng minh rằng sự phân tách polonium tạo ra bức xạ do các hạt không mang điện và có khối lượng 1,008665 gây ra. Hạt cơ bản mới được gọi là neutron. Việc phát hiện và nghiên cứu các tính chất của nó cho phép các nhà khoa học Liên Xô V. Gapon và D. Ivanenko tạo ra một lý thuyết mới về cấu trúc của hạt nhân nguyên tử chứa proton và neutron.
Theo lý thuyết mới, định nghĩa nguyên tử của một chất như sau: nó là đơn vị cấu trúc của một nguyên tố hóa học, bao gồm một hạt nhân chứa proton, neutron và các electron chuyển động xung quanh nó. Số lượng hạt dương trong hạt nhân luôn bằng số thứ tự của nguyên tố hóa học trong bảng tuần hoàn.
Sau đó, Giáo sư A. Zhdanov đã xác nhận trong các thí nghiệm của mình rằng dưới tác dụng của bức xạ cứng vũ trụ, hạt nhân nguyên tử bị tách thành proton và neutron. Ngoài ra, người ta đã chứng minh rằng lực giữ các hạt cơ bản này trong lõi cực kỳ tiêu tốn năng lượng. Chúng hoạt động ở khoảng cách rất ngắn (khoảng 10 -23 cm) và được gọi là hạt nhân. Như đã nói trước đó, ngay cả M.V. Lomonosov cũng có thể đưa ra định nghĩa về nguyên tử và phân tử dựa trên những sự thật khoa học mà ông biết.
Hiện nay, mô hình sau đây thường được chấp nhận: một nguyên tử bao gồm một hạt nhân và các electron chuyển động xung quanh nó theo những quỹ đạo được xác định chặt chẽ - quỹ đạo. Các electron đồng thời thể hiện các tính chất của cả hạt và sóng, nghĩa là chúng có bản chất kép. Hầu như toàn bộ khối lượng của nó tập trung ở hạt nhân nguyên tử. Nó bao gồm các proton và neutron liên kết bởi lực hạt nhân.
Có thể cân một nguyên tử được không?
Hóa ra mọi nguyên tử đều có khối lượng. Ví dụ, đối với hydro, nó là 1,67x10 -24 g. Thật khó để tưởng tượng giá trị này nhỏ đến mức nào. Để tìm trọng lượng của một vật như vậy, họ không sử dụng cân mà sử dụng bộ dao động, đó là ống nano carbon. Để tính trọng lượng của một nguyên tử và phân tử, đại lượng thuận tiện hơn là khối lượng tương đối. Nó cho thấy trọng lượng của một phân tử hoặc nguyên tử lớn hơn 1/12 của nguyên tử carbon, tức là 1,66x10 -27 kg bao nhiêu lần. Khối lượng nguyên tử tương đối được biểu thị trong bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học và chúng không có thứ nguyên.
Các nhà khoa học biết rõ rằng khối lượng nguyên tử của một nguyên tố hóa học là giá trị trung bình của số khối của tất cả các đồng vị của nó. Hóa ra trong tự nhiên, các đơn vị của một nguyên tố hóa học có thể có khối lượng khác nhau. Trong trường hợp này, điện tích hạt nhân của các hạt cấu trúc đó là giống hệt nhau.
Các nhà khoa học đã phát hiện ra rằng các đồng vị khác nhau về số lượng neutron trong hạt nhân, nhưng điện tích hạt nhân của chúng là như nhau. Ví dụ, một nguyên tử clo có khối lượng 35 chứa 18 neutron và 17 proton, và có khối lượng 37 - 20 neutron và 17 proton. Nhiều nguyên tố hóa học là hỗn hợp của các đồng vị. Ví dụ, những chất đơn giản như kali, argon và oxy chứa các nguyên tử đại diện cho 3 đồng vị khác nhau.
Định nghĩa nguyên tử
Nó có một số cách giải thích. Chúng ta hãy xem xét ý nghĩa của thuật ngữ này trong hóa học. Nếu các nguyên tử của một nguyên tố hóa học có khả năng tồn tại riêng biệt ít nhất trong một thời gian ngắn mà không có xu hướng hình thành một hạt phức tạp hơn - phân tử, thì những chất đó được cho là có cấu trúc nguyên tử. Ví dụ, một phản ứng nhiều giai đoạn của quá trình clo hóa metan. Nó được sử dụng rộng rãi trong hóa học tổng hợp hữu cơ để thu được các dẫn xuất có chứa halogen quan trọng nhất: dichloromethane, carbon tetrachloride. Nó tách các phân tử clo thành các nguyên tử có khả năng phản ứng cao. Chúng phá hủy các liên kết sigma trong phân tử metan, tạo ra phản ứng thay thế dây chuyền.
Một ví dụ khác về quá trình hóa học có tầm quan trọng lớn trong công nghiệp là việc sử dụng hydro peroxide làm chất khử trùng và thuốc tẩy. Việc xác định oxy nguyên tử, là sản phẩm của sự phân hủy hydro peroxide, xảy ra cả trong tế bào sống (dưới tác dụng của enzyme catalase) và trong điều kiện phòng thí nghiệm. được xác định về mặt chất lượng bởi đặc tính chống oxy hóa cao, cũng như khả năng tiêu diệt các tác nhân gây bệnh: vi khuẩn, nấm và bào tử của chúng.
Vỏ nguyên tử có cấu tạo như thế nào?
Trước đó chúng ta đã phát hiện ra rằng đơn vị cấu trúc của một nguyên tố hóa học có cấu trúc phức tạp. Các hạt electron âm quay quanh hạt nhân tích điện dương. Người đoạt giải Nobel Niels Bohr, dựa trên lý thuyết lượng tử của ánh sáng, đã tạo ra học thuyết của mình, trong đó các đặc điểm và định nghĩa của nguyên tử như sau: các electron chỉ chuyển động xung quanh hạt nhân theo những quỹ đạo đứng yên nhất định và không phát ra năng lượng. Những lời dạy của Bohr đã chứng minh rằng các hạt của thế giới vi mô, bao gồm các nguyên tử và phân tử, không tuân theo các định luật áp dụng cho các vật thể lớn - đối tượng của thế giới vĩ mô.
Cấu trúc vỏ electron của các hạt vĩ mô đã được nghiên cứu trong các công trình về vật lý lượng tử của các nhà khoa học như Hund, Pauli và Klechkovsky. Do đó, người ta biết rằng các electron thực hiện các chuyển động quay xung quanh hạt nhân không phải ngẫu nhiên mà dọc theo những quỹ đạo đứng yên nhất định. Pauli đã xác định rằng trong một mức năng lượng ở mỗi quỹ đạo s, p, d, f của nó, các tế bào điện tử không được phép chứa nhiều hơn hai hạt tích điện âm có giá trị spin ngược dấu + ½ và - ½.
Quy tắc Hund giải thích cách các quỹ đạo có cùng mức năng lượng được lấp đầy electron một cách chính xác.
Quy tắc Klechkovsky, còn được gọi là quy tắc n+l, giải thích cách lấp đầy quỹ đạo của các nguyên tử đa electron (các phần tử 5, 6, 7 chu kỳ). Tất cả các mô hình trên đều là cơ sở lý thuyết cho hệ thống các nguyên tố hóa học do Dmitry Mendeleev tạo ra.
Trạng thái oxy hóa
Đây là một khái niệm cơ bản trong hóa học và mô tả trạng thái của một nguyên tử trong phân tử. Định nghĩa hiện đại về trạng thái oxy hóa của các nguyên tử như sau: đây là điện tích có điều kiện của một nguyên tử trong phân tử, được tính toán dựa trên ý tưởng rằng phân tử chỉ có thành phần ion.
Số oxi hóa có thể được biểu thị dưới dạng số nguyên hoặc phân số, với các giá trị dương, âm hoặc bằng 0. Thông thường, các nguyên tử của các nguyên tố hóa học có một số trạng thái oxy hóa. Ví dụ, đối với nitơ là -3, -2, 0, +1, +2, +3, +4, +5. Nhưng một nguyên tố hóa học như flo, trong tất cả các hợp chất của nó, chỉ có một trạng thái oxy hóa bằng -1. Nếu nó được biểu diễn bằng một chất đơn giản thì trạng thái oxy hóa của nó bằng không. Đại lượng hóa học này thuận tiện cho việc phân loại các chất và mô tả tính chất của chúng. Thông thường, trạng thái oxy hóa của một nguyên tử được sử dụng trong hóa học khi lập phương trình cho các phản ứng oxi hóa khử.
Tính chất của nguyên tử
Nhờ những khám phá về vật lý lượng tử, định nghĩa hiện đại về nguyên tử, dựa trên lý thuyết của D. Ivanenko và E. Gapon, được bổ sung bởi các sự kiện khoa học sau đây. Cấu trúc hạt nhân nguyên tử không thay đổi trong các phản ứng hóa học. Chỉ có quỹ đạo của electron đứng yên mới trải qua những thay đổi. Cấu trúc của chúng có thể giải thích nhiều tính chất vật lý và hóa học của các chất. Nếu một electron rời khỏi quỹ đạo đứng yên và chuyển sang quỹ đạo có năng lượng cao hơn thì nguyên tử đó được gọi là bị kích thích.
Cần lưu ý rằng các electron không thể tồn tại lâu ở những quỹ đạo khác thường như vậy. Khi quay trở lại quỹ đạo đứng yên, electron phát ra một lượng năng lượng. Việc nghiên cứu các đặc điểm của đơn vị cấu trúc của các nguyên tố hóa học như ái lực điện tử, độ âm điện, năng lượng ion hóa, cho phép các nhà khoa học không chỉ xác định nguyên tử là hạt quan trọng nhất của vũ trụ vi mô mà còn cho phép họ giải thích khả năng hình thành của nguyên tử. trạng thái phân tử ổn định và thuận lợi hơn về mặt năng lượng của vật chất, có thể do tạo ra nhiều loại liên kết hóa học ổn định: ion, cộng hóa trị cực và không phân cực, chất cho-chấp (như một loại liên kết cộng hóa trị) và kim loại. Cái sau xác định các tính chất vật lý và hóa học quan trọng nhất của tất cả các kim loại.
Người ta đã chứng minh bằng thực nghiệm rằng kích thước của một nguyên tử có thể thay đổi. Mọi thứ sẽ phụ thuộc vào phân tử mà nó được bao gồm. Nhờ phân tích nhiễu xạ tia X, người ta có thể tính được khoảng cách giữa các nguyên tử trong hợp chất hóa học, cũng như tìm ra bán kính đơn vị cấu trúc của nguyên tố đó. Biết được mô hình thay đổi bán kính của các nguyên tử có trong một chu kỳ hoặc nhóm nguyên tố hóa học, có thể dự đoán các tính chất vật lý và hóa học của chúng. Ví dụ, trong các giai đoạn có sự gia tăng điện tích của hạt nhân nguyên tử, bán kính của chúng giảm ("nén nguyên tử"), do đó tính chất kim loại của các hợp chất suy yếu và tính chất phi kim loại tăng lên.
Do đó, kiến thức về nó cho phép chúng ta xác định chính xác các tính chất vật lý và hóa học của tất cả các nguyên tố có trong hệ tuần hoàn của Mendeleev.
Con người hiện đại liên tục nghe thấy những cụm từ có chứa từ phái sinh của từ “nguyên tử”. Đây là năng lượng, một nhà máy điện, một quả bom. Một số coi đó là điều đương nhiên và một số đặt câu hỏi: “Nguyên tử là gì?”
Từ này có nghĩa là gì?
Nó có nguồn gốc từ Hy Lạp cổ đại. Xuất phát từ “atomos”, có nghĩa đen là “chưa cắt”.
Ai đó đã phần nào quen thuộc với vật lý nguyên tử sẽ phẫn nộ: “Làm sao mà nó lại “không bị cắt”? Nó bao gồm một số loại hạt nào đó!” Vấn đề là cái tên này xuất hiện khi các nhà khoa học chưa biết rằng nguyên tử không phải là hạt nhỏ nhất.
Sau khi chứng minh bằng thực nghiệm về thực tế này, người ta quyết định không thay đổi tên thông thường. Và vào năm 1860, “nguyên tử” bắt đầu được gọi là hạt nhỏ nhất có tất cả các tính chất của nguyên tố hóa học mà nó thuộc về.
Cái gì lớn hơn một nguyên tử và nhỏ hơn nó?
Phân tử luôn lớn hơn. Nó được hình thành từ một số nguyên tử và là hạt vật chất nhỏ nhất.
Nhưng những hạt nhỏ hơn là những hạt cơ bản. Ví dụ, electron và proton, neutron và quark. Có rất nhiều trong số họ.
Rất nhiều điều đã được nói về anh ấy. Nhưng vẫn chưa rõ nguyên tử là gì.
Anh ấy như thế nào?
Câu hỏi làm thế nào để biểu diễn một mô hình nguyên tử đã khiến các nhà khoa học bận tâm từ lâu. Ngày nay, phương án do E. Rutherford đề xuất và N. Bohr hoàn thiện đã được chấp nhận. Theo đó, nguyên tử được chia thành hai phần: hạt nhân và đám mây điện tử.
Phần lớn khối lượng của nguyên tử tập trung ở tâm của nó. Hạt nhân bao gồm neutron và proton. Và các electron trong nguyên tử nằm ở một khoảng cách khá xa so với tâm. Hóa ra một cái gì đó tương tự như hệ mặt trời. Ở trung tâm, giống như Mặt trời, là lõi và các electron quay xung quanh nó theo quỹ đạo của chúng, giống như các hành tinh. Đó là lý do tại sao mô hình này thường được gọi là mô hình hành tinh.
Điều thú vị là hạt nhân và electron chiếm một không gian rất nhỏ so với kích thước tổng thể của nguyên tử. Hóa ra có một cái lõi nhỏ ở trung tâm. Sau đó là sự trống rỗng. Một khoảng trống rất lớn. Và sau đó là một dải hẹp các electron nhỏ.
Các nhà khoa học chưa đạt được ngay mô hình nguyên tử này. Trước đó, nhiều giả định đã được đưa ra nhưng đã bị các thí nghiệm bác bỏ.
Một ý tưởng như vậy là biểu diễn nguyên tử như một vật thể rắn mang điện tích dương. Và người ta đề xuất đặt các electron trong nguyên tử khắp cơ thể này. Ý tưởng này được đưa ra bởi J. Thomson. Mô hình nguyên tử của ông còn được gọi là "Pudding nho khô". Mô hình rất giống món ăn này.
Nhưng nó không thể đứng vững được vì nó không thể giải thích được một số tính chất của nguyên tử. Đó là lý do cô bị từ chối.
Nhà khoa học Nhật Bản H. Nagaoka, khi được hỏi nguyên tử là gì, đã đề xuất một mô hình như vậy. Theo ông, hạt này có nét tương đồng mơ hồ với hành tinh Sao Thổ. Có một hạt nhân ở trung tâm và các electron quay xung quanh nó theo các quỹ đạo nối thành một vòng. Mặc dù mô hình không được chấp nhận nhưng một số điều khoản của nó đã được sử dụng trong sơ đồ hành tinh.
Về những con số gắn liền với nguyên tử
Đầu tiên, về đại lượng vật lý. Tổng điện tích của nguyên tử luôn bằng không. Điều này là do số lượng electron và proton trong đó là như nhau. Và điện tích của chúng có cùng độ lớn và có dấu hiệu trái dấu.
Các tình huống thường phát sinh khi một nguyên tử mất electron hoặc ngược lại, thu hút thêm electron. Trong những tình huống như vậy người ta nói rằng nó đã trở thành một ion. Và điện tích của nó phụ thuộc vào những gì xảy ra với các electron. Nếu số lượng của chúng giảm thì điện tích của ion là dương. Khi có nhiều electron hơn mức cần thiết, ion sẽ trở nên âm.
Bây giờ về hóa học. Khoa học này, không giống khoa học nào khác, mang lại sự hiểu biết sâu sắc nhất về nguyên tử là gì. Xét cho cùng, ngay cả bảng chính được nghiên cứu trong đó cũng dựa trên thực tế là các nguyên tử được sắp xếp trong đó theo một thứ tự nhất định. Chúng ta đang nói về bảng tuần hoàn.
Trong đó, mỗi nguyên tố được gán một số cụ thể, gắn liền với số proton trong hạt nhân. Nó thường được ký hiệu bằng chữ z.
Giá trị tiếp theo là số khối. Nó bằng tổng số proton và neutron tìm thấy trong hạt nhân nguyên tử. Nó thường được ký hiệu bằng chữ A.
Hai số được chỉ ra có liên hệ với nhau theo phương trình sau:
A = z + N.
Ở đây N là số nơtron trong hạt nhân nguyên tử.
Một đại lượng quan trọng khác là khối lượng của nguyên tử. Để đo lường nó, một giá trị đặc biệt đã được đưa ra. Nó được viết tắt: a.e.m. Và nó được đọc như một đơn vị khối lượng nguyên tử. Dựa trên đơn vị này, ba hạt tạo nên tất cả các nguyên tử của Vũ trụ có khối lượng:
Những giá trị này thường cần thiết khi giải các bài toán hóa học.