Do período da antiguidade até meados do século 18, a ciência foi dominada pela ideia de que um átomo é uma partícula de matéria que não pode ser dividida. O cientista inglês, assim como o naturalista D. D alton, definiu o átomo como o menor componente de um elemento químico. M. V. Lomonosov em sua teoria atômica e molecular foi capaz de definir o átomo e a molécula. Ele estava convencido de que as moléculas, que ele chamava de "corpúsculos", eram compostas de "elementos" - átomos - e estavam em constante movimento.
D. I. Mendeleev acreditava que esta subunidade de substâncias que compõem o mundo material mantém todas as suas propriedades apenas se não for submetida à separação. Neste artigo, vamos definir o átomo como um objeto do micromundo e estudar suas propriedades.
Pré-requisitos para a criação da teoria da estrutura do átomo
No século 19, a afirmação sobre a indivisibilidade do átomo era geralmente aceita. A maioria dos cientistas acreditava que partículas de um elemento químico sob nenhuma circunstância poderiam se transformar em átomos de outro elemento. Essas ideias serviram de base para a definição do átomo até 1932. No final do século XIX, a ciênciadescobertas fundamentais que mudaram esse ponto de vista. Em primeiro lugar, em 1897, o físico inglês J. J. Thomson descobriu o elétron. Este fato mudou radicalmente as ideias dos cientistas sobre a indivisibilidade da parte constituinte de um elemento químico.
Como provar que o átomo é complexo
Mesmo antes da descoberta do elétron, os cientistas concordaram unanimemente que os átomos não têm cargas. Então descobriu-se que os elétrons são facilmente liberados de qualquer elemento químico. Eles podem ser encontrados em uma chama, são portadores de corrente elétrica, são liberados por substâncias durante a emissão de raios X.
Mas se os elétrons fazem parte de todos os átomos sem exceção e são carregados negativamente, então existem algumas outras partículas no átomo que necessariamente têm uma carga positiva, caso contrário os átomos não seriam eletricamente neutros. Para ajudar a desvendar a estrutura do átomo, um fenômeno físico como a radioatividade ajudou. Deu a definição correta do átomo na física e depois na química.
Raios invisíveis
O físico francês A. Becquerel foi o primeiro a descrever o fenômeno da emissão por átomos de certos elementos químicos, raios visualmente invisíveis. Ionizam o ar, atravessam substâncias, causam escurecimento das chapas fotográficas. Mais tarde, os Curie e E. Rutherford descobriram que as substâncias radioativas são convertidas em átomos de outros elementos químicos (por exemplo, urânio em neptúnio).
A radiação radioativa tem composição não homogênea: partículas alfa, partículas beta, raios gama. entãoAssim, o fenômeno da radioatividade confirmou que as partículas dos elementos da tabela periódica têm uma estrutura complexa. Este fato foi o motivo das mudanças feitas na definição do átomo. De que partículas consiste um átomo, dados os novos fatos científicos obtidos por Rutherford? A resposta a essa pergunta foi o modelo nuclear do átomo proposto pelo cientista, segundo o qual os elétrons giram em torno de um núcleo carregado positivamente.
Contradições do modelo de Rutherford
A teoria do cientista, apesar de seu caráter marcante, não conseguiu definir objetivamente o átomo. Suas conclusões foram contra as leis fundamentais da termodinâmica, segundo as quais todos os elétrons que giram em torno do núcleo perdem sua energia e, seja como for, mais cedo ou mais tarde devem cair nele. O átomo é destruído neste caso. Isso não acontece de fato, pois os elementos químicos e as partículas que os compõem existem na natureza há muito tempo. Tal definição do átomo, baseada na teoria de Rutherford, é inexplicável, assim como o fenômeno que ocorre quando substâncias simples quentes passam por uma rede de difração. Afinal, os espectros atômicos resultantes têm uma forma linear. Isso estava em conflito com o modelo do átomo de Rutherford, segundo o qual os espectros deveriam ser contínuos. De acordo com os conceitos da mecânica quântica, atualmente, os elétrons no núcleo são caracterizados não como objetos pontuais, mas como tendo a forma de uma nuvem eletrônica.
Sua maior densidade em um certo locus do espaço ao redor do núcleo econsiderada como a localização da partícula em um determinado ponto no tempo. Verificou-se também que os elétrons no átomo estão dispostos em camadas. O número de camadas pode ser determinado conhecendo o número do período em que o elemento está localizado no sistema periódico de D. I. Mendeleev. Por exemplo, um átomo de fósforo contém 15 elétrons e tem 3 níveis de energia. O indicador que determina o número de níveis de energia é chamado de número quântico principal.
Foi descoberto experimentalmente que os elétrons do nível de energia mais próximo do núcleo têm a energia mais baixa. Cada camada de energia é dividida em subníveis, e estes, por sua vez, em orbitais. Elétrons localizados em orbitais diferentes têm a mesma forma de nuvem (s, p, d, f).
Com base no exposto, segue-se que a forma da nuvem de elétrons não pode ser arbitrária. É estritamente definido de acordo com o número quântico orbital. Acrescentamos também que o estado de um elétron em uma macropartícula é determinado por mais dois valores - números quânticos magnéticos e de spin. A primeira é baseada na equação de Schrödinger e caracteriza a orientação espacial da nuvem eletrônica com base na tridimensionalidade do nosso mundo. O segundo indicador é o número de spin, ele é usado para determinar a rotação de um elétron em torno de seu eixo no sentido horário ou anti-horário.
Descoberta do nêutron
Graças ao trabalho de D. Chadwick, realizado por ele em 1932, foi dada uma nova definição do átomo na química e na física. Em seus experimentos, o cientista provou que durante a divisão do polônio ocorre radiação, causada porpartículas que não têm carga, com massa de 1,008665. A nova partícula elementar foi chamada de nêutron. Sua descoberta e estudo de suas propriedades permitiram aos cientistas soviéticos V. Gapon e D. Ivanenko criar uma nova teoria da estrutura do núcleo atômico contendo prótons e nêutrons.
Segundo a nova teoria, a definição de átomo de matéria era a seguinte: é uma unidade estrutural de um elemento químico, constituído por um núcleo contendo prótons e nêutrons e elétrons movendo-se ao seu redor. O número de partículas positivas no núcleo é sempre igual ao número atômico do elemento químico no sistema periódico.
Mais tarde, o professor A. Zhdanov confirmou em seus experimentos que sob a influência da radiação cósmica dura, os núcleos atômicos se dividem em prótons e nêutrons. Além disso, provou-se que as forças que mantêm essas partículas elementares no núcleo são extremamente intensivas em energia. Eles operam a distâncias muito curtas (cerca de 10-23 cm) e são chamados de nucleares. Como mencionado anteriormente, até M. V. Lomonosov foi capaz de dar uma definição de átomo e molécula com base em fatos científicos conhecidos por ele.
Atualmente, o seguinte modelo é geralmente reconhecido: um átomo consiste em um núcleo e elétrons movendo-se em torno dele ao longo de trajetórias estritamente definidas - orbitais. Os elétrons exibem simultaneamente as propriedades das partículas e das ondas, ou seja, têm uma natureza dupla. Quase toda a sua massa está concentrada no núcleo de um átomo. É composto de prótons e nêutrons ligados por forças nucleares.
Pode-se pesar um átomo
Acontece que todo átomo temmassa. Por exemplo, para o hidrogênio é 1,67x10-24g. É até difícil imaginar o quão pequeno é esse valor. Para encontrar o peso de tal objeto, eles não usam balanças, mas um oscilador, que é um nanotubo de carbono. Para calcular o peso de um átomo e de uma molécula, um valor mais conveniente é a massa relativa. Mostra quantas vezes o peso de uma molécula ou átomo é maior que 1/12 de um átomo de carbono, que é 1,66x10-27 kg. As massas atômicas relativas são dadas no sistema periódico dos elementos químicos e não possuem unidades.
Os cientistas estão bem cientes de que a massa atômica de um elemento químico é a média dos números de massa de todos os seus isótopos. Acontece que, na natureza, as unidades de um elemento químico podem ter massas diferentes. Ao mesmo tempo, as cargas dos núcleos dessas partículas estruturais são as mesmas.
Os cientistas descobriram que os isótopos diferem no número de nêutrons no núcleo, e a carga de seus núcleos é a mesma. Por exemplo, um átomo de cloro com uma massa de 35 contém 18 nêutrons e 17 prótons, e com uma massa de 37 - 20 nêutrons e 17 prótons. Muitos elementos químicos são misturas de isótopos. Por exemplo, substâncias simples como potássio, argônio e oxigênio contêm átomos que representam 3 isótopos diferentes.
Definindo atomicidade
Tem várias interpretações. Considere o que se entende por este termo em química. Se os átomos de qualquer elemento químico são capazes de existir separadamente pelo menos por um curto período de tempo, sem se esforçar para formar uma partícula mais complexa - uma molécula, eles dizem que essas substâncias têmestrutura atômica. Por exemplo, uma reação de cloração de metano em vários estágios. É amplamente utilizado na química de síntese orgânica para obter os mais importantes derivados contendo halogênio: diclorometano, tetracloreto de carbono. Ele divide as moléculas de cloro em átomos altamente reativos. Eles quebram as ligações sigma na molécula de metano, proporcionando uma reação em cadeia de substituição.
Outro exemplo de processo químico de grande importância na indústria é o uso do peróxido de hidrogênio como desinfetante e alvejante. A determinação do oxigênio atômico, como produto da quebra do peróxido de hidrogênio, ocorre tanto em células vivas (sob a ação da enzima catalase) quanto em condições de laboratório. O oxigênio atômico é determinado qualitativamente por suas altas propriedades antioxidantes, bem como por sua capacidade de destruir agentes patogênicos: bactérias, fungos e seus esporos.
Como funciona a casca atômica
Já descobrimos anteriormente que a unidade estrutural de um elemento químico tem uma estrutura complexa. Os elétrons giram em torno de um núcleo carregado positivamente. O ganhador do Prêmio Nobel Niels Bohr, baseado na teoria quântica da luz, criou sua doutrina, na qual as características e a definição de um átomo são as seguintes: os elétrons se movem ao redor do núcleo apenas ao longo de certas trajetórias estacionárias, enquanto não irradiam energia. A doutrina de Bohr provou que as partículas do microcosmo, que incluem átomos e moléculas, não obedecem a leis que são justaspara corpos grandes - objetos macrocósmicos.
A estrutura das camadas eletrônicas das macropartículas foi estudada em trabalhos sobre física quântica de cientistas como Hund, Pauli, Klechkovsky. Assim, ficou conhecido que os elétrons fazem movimentos rotacionais ao redor do núcleo não aleatoriamente, mas ao longo de certas trajetórias estacionárias. Pauli descobriu que dentro de um nível de energia em cada um de seus orbitais s, p, d, f, não mais do que duas partículas carregadas negativamente com spins opostos + ½ e - ½ podem ser encontradas em células eletrônicas.
A regra de Hund explica como os orbitais com o mesmo nível de energia são preenchidos corretamente com elétrons.
A regra de Klechkovsky, também chamada de regra n+l, explica como os orbitais de átomos multielétrons (elementos de 5, 6, 7 períodos) são preenchidos. Todos os padrões acima serviram como justificativa teórica para o sistema de elementos químicos criado por Dmitry Mendeleev.
Estado de oxidação
É um conceito fundamental em química e caracteriza o estado de um átomo em uma molécula. A definição moderna do estado de oxidação dos átomos é a seguinte: esta é a carga condicional de um átomo em uma molécula, que é calculada com base na noção de que a molécula tem apenas uma composição iônica.
O grau de oxidação pode ser expresso como um número inteiro ou fracionário, com valores positivos, negativos ou zero. Na maioria das vezes, os átomos de elementos químicos têm vários estados de oxidação. Por exemplo, o nitrogênio tem -3, -2, 0, +1, +2, +3, +4, +5. Mas um elemento químico como o flúor, em todas as suascompostos tem apenas um estado de oxidação, igual a -1. Se for representado por uma substância simples, seu estado de oxidação é zero. Esta quantidade química é conveniente para a classificação de substâncias e para a descrição de suas propriedades. Na maioria das vezes, o estado de oxidação de um átomo é usado em química ao compilar equações para reações redox.
Propriedades dos átomos
Graças às descobertas da física quântica, a definição moderna do átomo, baseada na teoria de D. Ivanenko e E. Gapon, é complementada pelos seguintes fatos científicos. A estrutura do núcleo de um átomo não muda durante as reações químicas. Apenas orbitais de elétrons estacionários estão sujeitos a alterações. Sua estrutura pode explicar muitas propriedades físicas e químicas das substâncias. Se um elétron deixa uma órbita estacionária e vai para uma órbita com um índice de energia mais alto, tal átomo é chamado de excitado.
Deve-se notar que os elétrons não podem permanecer em orbitais tão incomuns por muito tempo. Retornando à sua órbita estacionária, o elétron emite um quantum de energia. O estudo de tais características das unidades estruturais dos elementos químicos como afinidade eletrônica, eletronegatividade, energia de ionização, permitiu aos cientistas não apenas definir o átomo como a partícula mais importante do microcosmo, mas também explicar a capacidade dos átomos de formar um estado molecular estável e energeticamente mais favorável da matéria, possível devido à criação de vários tipos de ligações químicas estáveis: iônicas, covalentespolar e apolar, doador-aceptor (como uma espécie de ligação covalente) e metálico. Este último determina as propriedades físicas e químicas mais importantes de todos os metais.
Foi estabelecido experimentalmente que o tamanho de um átomo pode mudar. Tudo vai depender de qual molécula ele está incluído. Graças à análise de difração de raios X, é possível calcular a distância entre os átomos de um composto químico, bem como descobrir o raio da unidade estrutural do elemento. Conhecendo os padrões de mudança nos raios dos átomos incluídos em um período ou grupo de elementos químicos, é possível prever suas propriedades físicas e químicas. Por exemplo, em períodos com aumento da carga do núcleo dos átomos, seus raios diminuem (“compressão do átomo”), de modo que as propriedades metálicas dos compostos enfraquecem e as não metálicas aumentam.
Assim, o conhecimento da estrutura do átomo nos permite determinar com precisão as propriedades físicas e químicas de todos os elementos incluídos no sistema periódico de Mendeleev.
