De l'Antiquité au milieu du XVIIIe siècle, la science était dominée par l'idée qu'un atome est une particule de matière indivisible. Le scientifique anglais, ainsi que le naturaliste D. D alton, ont défini l'atome comme le plus petit composant d'un élément chimique. M. V. Lomonosov dans sa théorie atomique et moléculaire a pu définir l'atome et la molécule. Il était convaincu que les molécules, qu'il appelait "corpuscules", étaient constituées d'"éléments" - des atomes - et étaient en mouvement constant.
D. I. Mendeleev croyait que cette sous-unité de substances qui composent le monde matériel ne conserve toutes ses propriétés que si elle n'est pas soumise à une séparation. Dans cet article, nous allons définir l'atome comme un objet du micromonde et étudier ses propriétés.
Prérequis pour la création de la théorie de la structure de l'atome
Au 19ème siècle, la déclaration sur l'indivisibilité de l'atome était généralement acceptée. La plupart des scientifiques pensaient que les particules d'un élément chimique ne pouvaient en aucun cas se transformer en atomes d'un autre élément. Ces idées ont servi de base à la définition de l'atome jusqu'en 1932. A la fin du XIXe siècle, la science a faitdes découvertes fondamentales qui ont changé ce point de vue. Tout d'abord, en 1897, le physicien anglais J. J. Thomson découvre l'électron. Ce fait a radicalement changé les idées des scientifiques sur l'indivisibilité de la partie constitutive d'un élément chimique.
Comment prouver que l'atome est complexe
Même avant la découverte de l'électron, les scientifiques s'accordaient à l'unanimité pour dire que les atomes n'avaient pas de charges. Ensuite, il a été constaté que les électrons sont facilement libérés de tout élément chimique. Ils peuvent être trouvés dans une flamme, ils sont porteurs de courant électrique, ils sont libérés par des substances lors de l'émission de rayons X.
Mais si les électrons font partie de tous les atomes sans exception et sont chargés négativement, alors il y a d'autres particules dans l'atome qui ont nécessairement une charge positive, sinon les atomes ne seraient pas électriquement neutres. Pour aider à démêler la structure de l'atome, un phénomène physique tel que la radioactivité a aidé. Il a donné la définition correcte de l'atome en physique puis en chimie.
Rayons invisibles
Le physicien français A. Becquerel a été le premier à décrire le phénomène d'émission par les atomes de certains éléments chimiques, des rayons visuellement invisibles. Ils ionisent l'air, traversent des substances, provoquent le noircissement des plaques photographiques. Plus tard, les Curie et E. Rutherford ont découvert que les substances radioactives sont converties en atomes d'autres éléments chimiques (par exemple, l'uranium en neptunium).
Les rayonnements radioactifs sont de composition inhomogène: particules alpha, particules bêta, rayons gamma. AlorsAinsi, le phénomène de radioactivité a confirmé que les particules des éléments du tableau périodique ont une structure complexe. Ce fait était la raison des changements apportés à la définition de l'atome. De quelles particules un atome est-il constitué, compte tenu des nouveaux faits scientifiques obtenus par Rutherford ? La réponse à cette question était le modèle nucléaire de l'atome proposé par le scientifique, selon lequel les électrons tournent autour d'un noyau chargé positivement.
Contradictions du modèle de Rutherford
La théorie du scientifique, malgré son caractère exceptionnel, n'a pas pu définir objectivement l'atome. Ses conclusions allaient à l'encontre des lois fondamentales de la thermodynamique selon lesquelles tous les électrons tournant autour du noyau perdent leur énergie et, quoi qu'il en soit, doivent tôt ou tard y tomber. L'atome est détruit dans ce cas. Cela ne se produit pas réellement, car les éléments chimiques et les particules qui les composent existent dans la nature depuis très longtemps. Une telle définition de l'atome, basée sur la théorie de Rutherford, est inexplicable, de même que le phénomène qui se produit lorsque des substances simples chaudes traversent un réseau de diffraction. Après tout, les spectres atomiques résultants ont une forme linéaire. Ceci était en contradiction avec le modèle atomique de Rutherford, selon lequel les spectres auraient dû être continus. Selon les concepts de la mécanique quantique, à l'heure actuelle, les électrons du noyau ne sont pas caractérisés comme des objets ponctuels, mais comme ayant la forme d'un nuage d'électrons.
Sa densité la plus élevée dans un certain lieu de l'espace autour du noyau etconsidéré comme l'emplacement de la particule à un instant donné. Il a également été constaté que les électrons de l'atome sont disposés en couches. Le nombre de couches peut être déterminé en connaissant le numéro de la période dans laquelle l'élément est situé dans le système périodique de D. I. Mendeleev. Par exemple, un atome de phosphore contient 15 électrons et possède 3 niveaux d'énergie. L'indicateur qui détermine le nombre de niveaux d'énergie est appelé le nombre quantique principal.
Il a été découvert expérimentalement que les électrons du niveau d'énergie le plus proche du noyau ont l'énergie la plus faible. Chaque enveloppe énergétique est divisée en sous-niveaux, et eux-mêmes en orbitales. Les électrons situés dans différentes orbitales ont la même forme de nuage (s, p, d, f).
Sur la base de ce qui précède, il s'ensuit que la forme du nuage d'électrons ne peut pas être arbitraire. Il est strictement défini en fonction du nombre quantique orbital. Nous ajoutons également que l'état d'un électron dans une macroparticule est déterminé par deux autres valeurs - les nombres quantiques magnétiques et de spin. La première est basée sur l'équation de Schrödinger et caractérise l'orientation spatiale du nuage d'électrons en fonction de la tridimensionnalité de notre monde. Le deuxième indicateur est le nombre de spin, il est utilisé pour déterminer la rotation d'un électron autour de son axe dans le sens des aiguilles d'une montre ou dans le sens inverse des aiguilles d'une montre.
Découverte du neutron
Grâce aux travaux de D. Chadwick, menés par lui en 1932, une nouvelle définition de l'atome en chimie et en physique fut donnée. Dans ses expériences, le scientifique a prouvé que lors de la scission du polonium, des radiations se produisent, causées parparticules qui n'ont pas de charge, avec une masse de 1,008665. La nouvelle particule élémentaire s'appelait le neutron. Sa découverte et l'étude de ses propriétés ont permis aux scientifiques soviétiques V. Gapon et D. Ivanenko de créer une nouvelle théorie de la structure du noyau atomique contenant des protons et des neutrons.
Selon la nouvelle théorie, la définition d'un atome de matière était la suivante: c'est une unité structurelle d'un élément chimique, constituée d'un noyau contenant des protons et des neutrons et des électrons se déplaçant autour de lui. Le nombre de particules positives dans le noyau est toujours égal au numéro atomique de l'élément chimique dans le système périodique.
Plus tard, le professeur A. Zhdanov a confirmé dans ses expériences que sous l'influence du rayonnement cosmique dur, les noyaux atomiques se sont divisés en protons et en neutrons. De plus, il a été prouvé que les forces retenant ces particules élémentaires dans le noyau sont extrêmement énergivores. Ils fonctionnent à très courte distance (environ 10-23 cm) et sont appelés nucléaires. Comme mentionné précédemment, même M. V. Lomonossov a pu donner une définition d'un atome et d'une molécule basée sur des faits scientifiques connus de lui.
À l'heure actuelle, le modèle suivant est généralement reconnu: un atome est constitué d'un noyau et d'électrons se déplaçant autour de lui le long de trajectoires strictement définies - les orbitales. Les électrons présentent simultanément les propriétés des particules et des ondes, c'est-à-dire qu'ils ont une double nature. La quasi-totalité de sa masse est concentrée dans le noyau d'un atome. Il est composé de protons et de neutrons liés par les forces nucléaires.
Peut-on peser un atome
Il s'avère que chaque atome aMasse. Par exemple, pour l'hydrogène, c'est 1,67x10-24g. Il est même difficile d'imaginer à quel point cette valeur est petite. Pour trouver le poids d'un tel objet, ils n'utilisent pas de balance, mais un oscillateur, qui est un nanotube de carbone. Pour calculer le poids d'un atome et d'une molécule, une valeur plus pratique est la masse relative. Il montre combien de fois le poids d'une molécule ou d'un atome est supérieur à 1/12 d'un atome de carbone, soit 1,66x10-27 kg. Les masses atomiques relatives sont données dans le système périodique des éléments chimiques, et elles n'ont pas d'unités.
Les scientifiques savent bien que la masse atomique d'un élément chimique est la moyenne des nombres de masse de tous ses isotopes. Il s'avère que dans la nature, les unités d'un élément chimique peuvent avoir des masses différentes. Dans le même temps, les charges des noyaux de ces particules structurelles sont les mêmes.
Les scientifiques ont découvert que les isotopes diffèrent par le nombre de neutrons dans le noyau et que la charge de leurs noyaux est la même. Par exemple, un atome de chlore avec une masse de 35 contient 18 neutrons et 17 protons, et avec une masse de 37 - 20 neutrons et 17 protons. De nombreux éléments chimiques sont des mélanges d'isotopes. Par exemple, des substances aussi simples que le potassium, l'argon et l'oxygène contiennent des atomes représentant 3 isotopes différents.
Définir l'atomicité
Il a plusieurs interprétations. Considérez ce que l'on entend par ce terme en chimie. Si les atomes d'un élément chimique sont capables d'exister séparément au moins pendant une courte période, sans s'efforcer de former une particule plus complexe - une molécule, alors ils disent que ces substances ontstructure atomique. Par exemple, une réaction de chloration du méthane en plusieurs étapes. Il est largement utilisé en chimie de synthèse organique pour obtenir les dérivés halogénés les plus importants: dichlorométhane, tétrachlorure de carbone. Il divise les molécules de chlore en atomes hautement réactifs. Ils rompent les liaisons sigma dans la molécule de méthane, fournissant une réaction en chaîne de substitution.
Un autre exemple de processus chimique de grande importance dans l'industrie est l'utilisation du peroxyde d'hydrogène comme désinfectant et agent de blanchiment. La détermination de l'oxygène atomique, en tant que produit de la dégradation du peroxyde d'hydrogène, se produit à la fois dans les cellules vivantes (sous l'action de l'enzyme catalase) et dans des conditions de laboratoire. L'oxygène atomique est qualitativement déterminé par ses propriétés antioxydantes élevées, ainsi que par sa capacité à détruire les agents pathogènes: bactéries, champignons et leurs spores.
Comment fonctionne la coque atomique
Nous avons déjà découvert plus tôt que l'unité structurelle d'un élément chimique a une structure complexe. Les électrons tournent autour d'un noyau chargé positivement. Le lauréat du prix Nobel Niels Bohr, basé sur la théorie quantique de la lumière, a créé sa doctrine, dans laquelle les caractéristiques et la définition d'un atome sont les suivantes: les électrons ne se déplacent autour du noyau que le long de certaines trajectoires stationnaires, alors qu'ils ne rayonnent pas d'énergie. La doctrine de Bohr a prouvé que les particules du microcosme, qui comprennent des atomes et des molécules, n'obéissent pas à des lois justespour les grands corps - objets macrocosmiques.
La structure des couches d'électrons des macroparticules a été étudiée dans des travaux sur la physique quantique par des scientifiques tels que Hund, Pauli, Klechkovsky. Ainsi, il est devenu connu que les électrons effectuent des mouvements de rotation autour du noyau non pas au hasard, mais le long de certaines trajectoires stationnaires. Pauli a découvert qu'à l'intérieur d'un niveau d'énergie sur chacune de ses orbitales s, p, d, f, pas plus de deux particules chargées négativement avec des spins opposés + ½ et - ½ peuvent être trouvées dans les cellules électroniques.
La règle de Hund explique comment les orbitales ayant le même niveau d'énergie sont correctement remplies d'électrons.
La règle de Klechkovsky, également appelée règle n+l, expliquait comment les orbitales des atomes multiélectrons (éléments de 5, 6, 7 périodes) sont remplies. Tous les modèles ci-dessus ont servi de justification théorique au système d'éléments chimiques créé par Dmitry Mendeleev.
État d'oxydation
C'est un concept fondamental en chimie qui caractérise l'état d'un atome dans une molécule. La définition moderne de l'état d'oxydation des atomes est la suivante: il s'agit de la charge conditionnelle d'un atome dans une molécule, qui est calculée sur la base de la notion que la molécule n'a qu'une composition ionique.
Le degré d'oxydation peut être exprimé sous la forme d'un nombre entier ou fractionnaire, avec des valeurs positives, négatives ou nulles. Le plus souvent, les atomes d'éléments chimiques ont plusieurs états d'oxydation. Par exemple, l'azote a -3, -2, 0, +1, +2, +3, +4, +5. Mais un élément chimique tel que le fluor, sous toutes sescomposés n'a qu'un seul état d'oxydation, égal à -1. S'il est représenté par une substance simple, son état d'oxydation est nul. Cette grandeur chimique est pratique à utiliser pour la classification des substances et pour décrire leurs propriétés. Le plus souvent, l'état d'oxydation d'un atome est utilisé en chimie lors de la compilation d'équations pour les réactions redox.
Propriétés des atomes
Grâce aux découvertes de la physique quantique, la définition moderne de l'atome, basée sur la théorie de D. Ivanenko et E. Gapon, est complétée par les faits scientifiques suivants. La structure du noyau d'un atome ne change pas au cours des réactions chimiques. Seules les orbitales d'électrons stationnaires sont susceptibles de changer. Leur structure peut expliquer de nombreuses propriétés physiques et chimiques des substances. Si un électron quitte une orbite stationnaire et se dirige vers une orbite avec un indice d'énergie plus élevé, un tel atome est appelé excité.
Il convient de noter que les électrons ne peuvent pas rester longtemps sur des orbitales aussi inhabituelles. De retour sur son orbite stationnaire, l'électron émet un quantum d'énergie. L'étude de caractéristiques des unités structurelles d'éléments chimiques telles que l'affinité électronique, l'électronégativité, l'énergie d'ionisation, a permis aux scientifiques non seulement de définir l'atome comme la particule la plus importante du microcosme, mais leur a également permis d'expliquer la capacité des atomes à se former. un état moléculaire de la matière stable et énergétiquement plus favorable, possible grâce à la création de différents types de liaisons chimiques stables: ioniques, covalentespolaire et non polaire, donneur-accepteur (comme une sorte de liaison covalente) et métallique. Ce dernier détermine les propriétés physiques et chimiques les plus importantes de tous les métaux.
Il a été établi expérimentalement que la taille d'un atome peut changer. Tout dépendra de la molécule dans laquelle il est inclus. Grâce à l'analyse par diffraction des rayons X, il est possible de calculer la distance entre les atomes d'un composé chimique, ainsi que de connaître le rayon de l'unité structurelle de l'élément. Connaissant les modèles de changement des rayons des atomes inclus dans une période ou un groupe d'éléments chimiques, il est possible de prédire leurs propriétés physiques et chimiques. Par exemple, dans les périodes d'augmentation de la charge du noyau des atomes, leurs rayons diminuent ("compression de l'atome"), de sorte que les propriétés métalliques des composés s'affaiblissent et que celles non métalliques augmentent.
Ainsi, la connaissance de la structure de l'atome nous permet de déterminer avec précision les propriétés physiques et chimiques de tous les éléments inclus dans le système périodique de Mendeleïev.
