ანტიკურ პერიოდიდან მე-18 საუკუნის შუა ხანებამდე მეცნიერებაში დომინირებდა იდეა, რომ ატომი არის მატერიის ნაწილაკი, რომელიც არ შეიძლება დაიყოს. ინგლისელმა მეცნიერმა, ისევე როგორც ნატურალისტმა დ. დალტონმა, განსაზღვრა ატომი, როგორც ქიმიური ელემენტის უმცირესი კომპონენტი. ლომონოსოვმა თავის ატომურ და მოლეკულურ თეორიაში შეძლო ატომისა და მოლეკულის განსაზღვრა. ის დარწმუნებული იყო, რომ მოლეკულები, რომლებსაც მან "კორპუსკულები" უწოდა, შედგებოდა "ელემენტებისგან" - ატომებისგან - და იმყოფებოდნენ მუდმივ მოძრაობაში.
D. ი.მენდელეევი თვლიდა, რომ მატერიალური სამყაროს შემადგენელი ნივთიერებების ეს ქვედანაყოფი ინარჩუნებს ყველა თავის თვისებას მხოლოდ იმ შემთხვევაში, თუ იგი არ ექვემდებარება გამოყოფას. ამ სტატიაში ჩვენ განვსაზღვრავთ ატომს, როგორც მიკროსამყაროს ობიექტს და შევისწავლით მის თვისებებს.
ატომის სტრუქტურის თეორიის შექმნის წინაპირობები
მე-19 საუკუნეში ზოგადად მიღებული იყო განცხადება ატომის განუყოფლობის შესახებ. მეცნიერთა უმეტესობას სჯეროდა, რომ ერთი ქიმიური ელემენტის ნაწილაკები არავითარ შემთხვევაში არ შეიძლება გადაიქცეს სხვა ელემენტის ატომებად. ეს იდეები ეფუძნებოდა ატომის განმარტებას 1932 წლამდე. XIX საუკუნის ბოლოს მეცნიერებამ შექმნაფუნდამენტური აღმოჩენები, რომლებმაც შეცვალეს ეს თვალსაზრისი. უპირველეს ყოვლისა, 1897 წელს, ინგლისელმა ფიზიკოსმა ჯ.ჯ.ტომსონმა აღმოაჩინა ელექტრონი. ამ ფაქტმა რადიკალურად შეცვალა მეცნიერთა წარმოდგენები ქიმიური ელემენტის შემადგენელი ნაწილის განუყოფლობის შესახებ.
როგორ დავამტკიცოთ, რომ ატომი რთულია
ელექტრონის აღმოჩენამდეც კი, მეცნიერები ერთხმად შეთანხმდნენ, რომ ატომებს არ აქვთ მუხტი. შემდეგ გაირკვა, რომ ელექტრონები ადვილად გამოიყოფა ნებისმიერი ქიმიური ელემენტისგან. ისინი გვხვდება ცეცხლში, ისინი არიან ელექტრული დენის მატარებლები, გამოიყოფა ნივთიერებებით რენტგენის გამოსხივების დროს.
მაგრამ თუ ელექტრონები ყველა ატომის ნაწილია გამონაკლისის გარეშე და არიან უარყოფითად დამუხტული, მაშინ ატომში არის კიდევ რამდენიმე ნაწილაკი, რომლებსაც აუცილებლად აქვთ დადებითი მუხტი, წინააღმდეგ შემთხვევაში ატომები არ იქნებიან ელექტრულად ნეიტრალური. ატომის სტრუქტურის ამოხსნას დაეხმარა ისეთი ფიზიკური ფენომენი, როგორიცაა რადიოაქტიურობა. მან მისცა ატომის სწორი განმარტება ფიზიკაში და შემდეგ ქიმიაში.
უხილავი სხივები
ფრანგი ფიზიკოსი ა.ბეკერელი იყო პირველი, ვინც აღწერა გარკვეული ქიმიური ელემენტების, ვიზუალურად უხილავი სხივების ატომების მიერ გამოსხივების ფენომენი. ისინი იონიზებენ ჰაერს, გადიან ნივთიერებებს, იწვევენ ფოტოგრაფიული ფირფიტების გაშავებას. მოგვიანებით კიურიებმა და ე. რეზერფორდმა აღმოაჩინეს, რომ რადიოაქტიური ნივთიერებები გარდაიქმნება სხვა ქიმიური ელემენტების ატომებად (მაგალითად, ურანი ნეპტუნიუმად).
რადიოაქტიური გამოსხივება არაერთგვაროვანია შემადგენლობით: ალფა ნაწილაკები, ბეტა ნაწილაკები, გამა სხივები. Ისეამრიგად, რადიოაქტიურობის ფენომენი დაადასტურა, რომ პერიოდული ცხრილის ელემენტების ნაწილაკებს რთული სტრუქტურა აქვთ. ეს ფაქტი გახდა ატომის დეფინიციაში შეტანილი ცვლილებების მიზეზი. რა ნაწილაკებისგან შედგება ატომი რეზერფორდის მიერ მიღებული ახალი სამეცნიერო ფაქტების გათვალისწინებით? ამ კითხვაზე პასუხი იყო მეცნიერის მიერ შემოთავაზებული ატომის ბირთვული მოდელი, რომლის მიხედვითაც ელექტრონები ბრუნავენ დადებითად დამუხტული ბირთვის გარშემო.
რეზერფორდის მოდელის წინააღმდეგობები
მეცნიერის თეორია, მიუხედავად მისი გამორჩეული ხასიათისა, ობიექტურად ვერ განსაზღვრავს ატომს. მისი დასკვნები ეწინააღმდეგებოდა თერმოდინამიკის ფუნდამენტურ კანონებს, რომლის თანახმად, ბირთვის გარშემო მოძრავი ყველა ელექტრონი კარგავს ენერგიას და, როგორც არ უნდა იყოს, ადრე თუ გვიან მასში უნდა მოხვდეს. ატომი ამ შემთხვევაში განადგურებულია. ეს რეალურად არ ხდება, რადგან ქიმიური ელემენტები და ნაწილაკები, რომლებიდანაც ისინი შედგება, ბუნებაში ძალიან დიდი ხნის განმავლობაში არსებობს. ატომის ასეთი განმარტება, რომელიც ეფუძნება რეზერფორდის თეორიას, აუხსნელია, ისევე როგორც ის ფენომენი, რომელიც ხდება, როდესაც ცხელი მარტივი ნივთიერებები დიფრაქციული ბადეში გადადიან. ყოველივე ამის შემდეგ, მიღებულ ატომურ სპექტრებს აქვთ წრფივი ფორმა. ეს ეწინააღმდეგებოდა რეზერფორდის ატომის მოდელს, რომლის მიხედვითაც სპექტრები უნდა ყოფილიყო უწყვეტი. კვანტური მექანიკის ცნებების მიხედვით, ამჟამად ბირთვში ელექტრონები ხასიათდება არა როგორც წერტილოვანი ობიექტები, არამედ როგორც ელექტრონული ღრუბლის ფორმა.
მისი უმაღლესი სიმკვრივე ბირთვის ირგვლივ სივრცის გარკვეულ ლოკუსში დაითვლება ნაწილაკების მდებარეობად დროის მოცემულ მომენტში. ასევე აღმოჩნდა, რომ ატომში ელექტრონები განლაგებულია შრეებად. ფენების რაოდენობა შეიძლება განისაზღვროს იმ პერიოდის რაოდენობის ცოდნით, რომელშიც ელემენტი მდებარეობს D. I. მენდელეევის პერიოდულ სისტემაში. მაგალითად, ფოსფორის ატომი შეიცავს 15 ელექტრონს და აქვს 3 ენერგეტიკული დონე. ინდიკატორს, რომელიც განსაზღვრავს ენერგიის დონეების რაოდენობას, ეწოდება მთავარი კვანტური რიცხვი.
ექსპერიმენტულად დადგინდა, რომ ბირთვთან ყველაზე ახლოს მყოფი ენერგიის დონის ელექტრონებს აქვთ ყველაზე დაბალი ენერგია. თითოეული ენერგეტიკული გარსი იყოფა ქვედონეებად და ისინი, თავის მხრივ, ორბიტალებად. სხვადასხვა ორბიტალში განლაგებულ ელექტრონებს აქვთ იგივე ღრუბლის ფორმა (s, p, d, f).
ზემოხსენებულიდან გამომდინარე, გამოდის, რომ ელექტრონული ღრუბლის ფორმა არ შეიძლება იყოს თვითნებური. ის მკაცრად არის განსაზღვრული ორბიტალური კვანტური რიცხვის მიხედვით. ჩვენ ასევე დავამატებთ, რომ ელექტრონის მდგომარეობა მაკრონაწილაკში განისაზღვრება კიდევ ორი მნიშვნელობით - მაგნიტური და სპინის კვანტური რიცხვებით. პირველი ეფუძნება შროდინგერის განტოლებას და ახასიათებს ელექტრონული ღრუბლის სივრცით ორიენტაციას ჩვენი სამყაროს სამგანზომილებიანობის საფუძველზე. მეორე ინდიკატორი არის სპინის რიცხვი, იგი გამოიყენება ელექტრონის ბრუნის დასადგენად მისი ღერძის გარშემო საათის ისრის მიმართულებით ან საწინააღმდეგოდ.
ნეიტრონის აღმოჩენა
მის მიერ 1932 წელს ჩატარებული დ. ჩადვიკის ნაშრომის წყალობით, ქიმიასა და ფიზიკაში ატომის ახალი განმარტება მიეცა. თავის ექსპერიმენტებში მეცნიერმა დაამტკიცა, რომ პოლონიუმის გაყოფის დროს წარმოიქმნება რადიაცია, გამოწვეულინაწილაკები, რომლებსაც არ აქვთ მუხტი, მასა 1.008665. ახალ ელემენტარულ ნაწილაკს ნეიტრონი ეწოდა. მისმა აღმოჩენამ და მისი თვისებების შესწავლამ საბჭოთა მეცნიერებს ვ.
ახალი თეორიის მიხედვით, მატერიის ატომის განმარტება ასეთი იყო: ეს არის ქიმიური ელემენტის სტრუქტურული ერთეული, რომელიც შედგება პროტონებისა და ნეიტრონების შემცველი ბირთვისგან და მის ირგვლივ მოძრავი ელექტრონებისაგან. ბირთვში დადებითი ნაწილაკების რაოდენობა ყოველთვის უდრის პერიოდულ სისტემაში ქიმიური ელემენტის ატომურ რაოდენობას.
მოგვიანებით, პროფესორმა ა. ჟდანოვმა დაადასტურა თავის ექსპერიმენტებში, რომ მყარი კოსმოსური გამოსხივების გავლენით ატომის ბირთვები პროტონებად და ნეიტრონად იყოფოდა. გარდა ამისა, დადასტურდა, რომ ძალები, რომლებიც ატარებენ ამ ელემენტარულ ნაწილაკებს ბირთვში, უკიდურესად ენერგო ინტენსიურია. ისინი მოქმედებენ ძალიან მცირე დისტანციებზე (დაახლოებით 10-23 სმ) და უწოდებენ ბირთვს. როგორც უკვე აღვნიშნეთ, მ. ვ. ლომონოსოვმაც კი შეძლო ატომისა და მოლეკულის განმარტება მისთვის ცნობილი სამეცნიერო ფაქტების საფუძველზე.
დღეისათვის საყოველთაოდ აღიარებულია შემდეგი მოდელი: ატომი შედგება ბირთვისა და ელექტრონებისგან, რომლებიც მოძრაობენ მის გარშემო მკაცრად განსაზღვრული ტრაექტორიების - ორბიტალების გასწვრივ. ელექტრონები ერთდროულად ავლენენ როგორც ნაწილაკების, ასევე ტალღების თვისებებს, ანუ მათ აქვთ ორმაგი ბუნება. მისი თითქმის მთელი მასა კონცენტრირებულია ატომის ბირთვში. იგი შედგება პროტონებისა და ნეიტრონებისგან, რომლებიც დაკავშირებულია ბირთვული ძალებით.
შეიძლება თუ არა ატომის აწონვა
გამოდის, რომ ყველა ატომს აქვსმასა. მაგალითად, წყალბადისთვის არის 1.67x10-24გ. ძნელი წარმოსადგენია, რამდენად მცირეა ეს ღირებულება. ასეთი ობიექტის წონის საპოვნელად ისინი იყენებენ არა სასწორს, არამედ ოსცილატორს, რომელიც არის ნახშირბადის ნანომილაკი. ატომისა და მოლეკულის წონის გამოსათვლელად უფრო მოსახერხებელი მნიშვნელობაა ფარდობითი მასა. ის გვიჩვენებს, რამდენჯერ აღემატება მოლეკულის ან ატომის წონა ნახშირბადის ატომის 1/12-ს, რაც არის 1,66x10-27 კგ. შედარებითი ატომური მასები მოცემულია ქიმიური ელემენტების პერიოდულ სისტემაში და მათ არ აქვთ ერთეულები.
მეცნიერებმა კარგად იციან, რომ ქიმიური ელემენტის ატომური მასა არის მისი ყველა იზოტოპის მასობრივი რიცხვების საშუალო. გამოდის, რომ ბუნებაში ერთი ქიმიური ელემენტის ერთეულებს შეიძლება ჰქონდეთ განსხვავებული მასა. ამავდროულად, ასეთი სტრუქტურული ნაწილაკების ბირთვების მუხტები იგივეა.
მეცნიერებმა დაადგინეს, რომ იზოტოპები განსხვავდება ბირთვში ნეიტრონების რაოდენობით და მათი ბირთვების მუხტი იგივეა. მაგალითად, ქლორის ატომი 35 მასით შეიცავს 18 ნეიტრონს და 17 პროტონს, ხოლო მასით 37 - 20 ნეიტრონი და 17 პროტონი. ბევრი ქიმიური ელემენტი იზოტოპების ნარევებია. მაგალითად, ისეთი მარტივი ნივთიერებები, როგორიცაა კალიუმი, არგონი, ჟანგბადი, შეიცავს ატომებს, რომლებიც წარმოადგენს 3 სხვადასხვა იზოტოპს.
ატომურობის განსაზღვრა
მას აქვს რამდენიმე ინტერპრეტაცია. განვიხილოთ, რას ნიშნავს ეს ტერმინი ქიმიაში. თუ რომელიმე ქიმიური ელემენტის ატომს შეუძლია ცალ-ცალკე არსებობდეს სულ მცირე ხანმოკლე დროით, უფრო რთული ნაწილაკის - მოლეკულის ჩამოყალიბების მცდელობის გარეშე, მაშინ ამბობენ, რომ ასეთ ნივთიერებებს აქვთ.ატომური სტრუქტურა. მაგალითად, მეთანის ქლორირების მრავალსაფეხურიანი რეაქცია. იგი ფართოდ გამოიყენება ორგანული სინთეზის ქიმიაში ყველაზე მნიშვნელოვანი ჰალოგენის შემცველი წარმოებულების: დიქლორმეთანის, ნახშირბადის ტეტრაქლორიდის მისაღებად. ის ყოფს ქლორის მოლეკულებს უაღრესად რეაქტიულ ატომებად. ისინი არღვევენ სიგმას ობლიგაციებს მეთანის მოლეკულაში, რაც უზრუნველყოფს ჩანაცვლების ჯაჭვურ რეაქციას.
მრეწველობაში დიდი მნიშვნელობის ქიმიური პროცესის კიდევ ერთი მაგალითია წყალბადის ზეჟანგის გამოყენება, როგორც სადეზინფექციო და მათეთრებელი საშუალება. ატომური ჟანგბადის, როგორც წყალბადის ზეჟანგის დაშლის პროდუქტის განსაზღვრა ხდება როგორც ცოცხალ უჯრედებში (კატალაზას ფერმენტის მოქმედებით), ასევე ლაბორატორიულ პირობებში. ატომური ჟანგბადი ხარისხობრივად განისაზღვრება მისი მაღალი ანტიოქსიდანტური თვისებებით, ასევე პათოგენური აგენტების: ბაქტერიების, სოკოების და მათი სპორების განადგურების უნარით.
როგორ მუშაობს ატომური გარსი
ჩვენ უკვე გავარკვიეთ, რომ ქიმიური ელემენტის სტრუქტურულ ერთეულს რთული სტრუქტურა აქვს. ელექტრონები ბრუნავენ დადებითად დამუხტული ბირთვის გარშემო. ნობელის პრემიის ლაურეატმა ნილს ბორმა, სინათლის კვანტურ თეორიაზე დაყრდნობით, შექმნა თავისი დოქტრინა, რომელშიც ატომის მახასიათებლები და განმარტება შემდეგია: ელექტრონები ბირთვის გარშემო მოძრაობენ მხოლოდ გარკვეული სტაციონარული ტრაექტორიების გასწვრივ, ხოლო ისინი არ ასხივებენ ენერგიას. ბორის დოქტრინამ დაამტკიცა, რომ მიკროკოსმოსის ნაწილაკები, რომლებიც მოიცავს ატომებსა და მოლეკულებს, არ ემორჩილებიან სამართლიან კანონებს.დიდი სხეულებისთვის - მაკროკოსმოსური ობიექტები.
მაკრონაწილაკების ელექტრონული გარსების სტრუქტურა შეისწავლეს კვანტური ფიზიკის ნაშრომებში ისეთი მეცნიერების მიერ, როგორებიც არიან ჰუნდი, პაული, კლეჩკოვსკი. ასე რომ, ცნობილი გახდა, რომ ელექტრონები ახორციელებენ ბრუნვით მოძრაობებს ბირთვის გარშემო არა შემთხვევით, არამედ გარკვეული სტაციონარული ტრაექტორიების გასწვრივ. პაულიმ აღმოაჩინა, რომ ერთ ენერგეტიკულ დონეზე მის თითოეულ s, p, d, f ორბიტალზე, არაუმეტეს ორი უარყოფითად დამუხტული ნაწილაკი საპირისპირო ტრიალებით + ½ და - ½ შეიძლება მოიძებნოს ელექტრონულ უჯრედებში.
ჰუნდის წესმა ახსნა, თუ როგორ ივსება იგივე ენერგეტიკული დონის ორბიტალები ელექტრონებით.
კლეჩკოვსკის წესი, რომელსაც ასევე უწოდებენ n+l წესს, განმარტა, თუ როგორ ივსება მრავალელექტრონული ატომების ორბიტალები (5, 6, 7 პერიოდის ელემენტები). ყველა ზემოთ ჩამოთვლილი ნიმუში ემსახურებოდა დიმიტრი მენდელეევის მიერ შექმნილი ქიმიური ელემენტების სისტემის თეორიულ დასაბუთებას.
ჟანგვის მდგომარეობა
ეს არის ფუნდამენტური ცნება ქიმიაში და ახასიათებს ატომის მდგომარეობას მოლეკულაში. ატომების დაჟანგვის მდგომარეობის თანამედროვე განმარტება ასეთია: ეს არის ატომის პირობითი მუხტი მოლეკულაში, რომელიც გამოითვლება იმის საფუძველზე, რომ მოლეკულას აქვს მხოლოდ იონური შემადგენლობა.
დაჟანგვის ხარისხი შეიძლება გამოისახოს როგორც მთელი რიცხვი ან წილადი რიცხვი, დადებითი, უარყოფითი ან ნულოვანი მნიშვნელობებით. ყველაზე ხშირად, ქიმიური ელემენტების ატომებს აქვთ რამდენიმე დაჟანგვის მდგომარეობა. მაგალითად, აზოტს აქვს -3, -2, 0, +1, +2, +3, +4, +5. მაგრამ ისეთი ქიმიური ელემენტი, როგორიცაა ფტორი, მთელი თავისითნაერთებს აქვს მხოლოდ ერთი დაჟანგვის მდგომარეობა, ტოლი -1. თუ იგი წარმოდგენილია მარტივი ნივთიერებით, მაშინ მისი დაჟანგვის მდგომარეობა ნულის ტოლია. ეს ქიმიური რაოდენობა მოსახერხებელია ნივთიერებების კლასიფიკაციისთვის და მათი თვისებების აღწერისთვის. ყველაზე ხშირად, ატომის დაჟანგვის მდგომარეობა გამოიყენება ქიმიაში, როდესაც ადგენენ განტოლებებს რედოქსის რეაქციებისთვის.
ატომების თვისებები
კვანტური ფიზიკის აღმოჩენების წყალობით, ატომის თანამედროვე დეფინიცია, რომელიც ეფუძნება დ.ივანენკოსა და ე.გაპონის თეორიას, ავსებს შემდეგი მეცნიერული ფაქტებით. ქიმიური რეაქციების დროს ატომის ბირთვის სტრუქტურა არ იცვლება. ცვლილებას ექვემდებარება მხოლოდ სტაციონარული ელექტრონული ორბიტალი. მათ სტრუქტურას შეუძლია ახსნას ნივთიერებების მრავალი ფიზიკური და ქიმიური თვისება. თუ ელექტრონი ტოვებს სტაციონარულ ორბიტას და მიდის ორბიტაზე უფრო მაღალი ენერგიის ინდექსით, ასეთ ატომს ეწოდება აღგზნებული.
აღსანიშნავია, რომ ელექტრონები ასეთ უჩვეულო ორბიტალებში დიდხანს ვერ დარჩებიან. სტაციონარულ ორბიტაზე დაბრუნებისას ელექტრონი ასხივებს ენერგიის კვანტს. ქიმიური ელემენტების სტრუქტურული ერთეულების ისეთი მახასიათებლების შესწავლამ, როგორიც არის ელექტრონის მიდრეკილება, ელექტრონეგატიურობა, იონიზაციის ენერგია, მეცნიერებს საშუალება მისცა არა მხოლოდ განესაზღვრათ ატომი, როგორც მიკროკოსმოსის ყველაზე მნიშვნელოვანი ნაწილაკი, არამედ აეხსნათ ატომების ფორმირების უნარი. მატერიის სტაბილური და ენერგიულად უფრო ხელსაყრელი მოლეკულური მდგომარეობა, შესაძლებელია სხვადასხვა ტიპის სტაბილური ქიმიური ბმების შექმნის გამო: იონური, კოვალენტურიპოლარული და არაპოლარული, დონორ-მიმღები (როგორც ერთგვარი კოვალენტური ბმა) და მეტალიკი. ეს უკანასკნელი განსაზღვრავს ყველა ლითონის ყველაზე მნიშვნელოვან ფიზიკურ და ქიმიურ თვისებებს.
ექსპერიმენტულად დადგინდა, რომ ატომის ზომა შეიძლება შეიცვალოს. ყველაფერი დამოკიდებული იქნება იმაზე, თუ რომელ მოლეკულაში შედის. რენტგენის დიფრაქციული ანალიზის წყალობით შესაძლებელია ქიმიურ ნაერთში ატომებს შორის მანძილის გამოთვლა, აგრეთვე ელემენტის სტრუქტურული ერთეულის რადიუსის გარკვევა. ქიმიური ელემენტების პერიოდსა თუ ჯგუფში შემავალი ატომების რადიუსების ცვლილების ნიმუშების ცოდნა, შესაძლებელია მათი ფიზიკური და ქიმიური თვისებების პროგნოზირება. მაგალითად, ატომების ბირთვის მუხტის გაზრდის პერიოდებში, მათი რადიუსი მცირდება („ატომის შეკუმშვა“), ამიტომ ნაერთების მეტალის თვისებები სუსტდება და არალითონური თვისებები იზრდება.
ამგვარად, ატომის სტრუქტურის ცოდნა საშუალებას გვაძლევს ზუსტად განვსაზღვროთ მენდელეევის პერიოდულ სისტემაში შემავალი ყველა ელემენტის ფიზიკური და ქიმიური თვისებები.
