Dari periode kuno hingga pertengahan abad ke-18, sains didominasi oleh gagasan bahwa atom adalah partikel materi yang tidak dapat dibagi. Ilmuwan Inggris, serta naturalis D. D alton, mendefinisikan atom sebagai komponen terkecil dari unsur kimia. M. V. Lomonosov dalam teori atom dan molekulnya mampu mendefinisikan atom dan molekul. Dia yakin bahwa molekul, yang dia sebut "sel darah", terdiri dari "elemen" - atom - dan selalu bergerak.
D. I. Mendeleev percaya bahwa subunit zat yang membentuk dunia material ini mempertahankan semua sifatnya hanya jika tidak mengalami pemisahan. Pada artikel ini, kita akan mendefinisikan atom sebagai objek dari dunia mikro dan mempelajari sifat-sifatnya.
Prasyarat terbentuknya teori struktur atom
Pada abad ke-19, pernyataan tentang atom yang tidak dapat dibagi-bagi diterima secara umum. Sebagian besar ilmuwan percaya bahwa partikel dari satu unsur kimia dalam keadaan apa pun tidak dapat berubah menjadi atom unsur lain. Ide-ide ini menjadi dasar definisi atom sampai tahun 1932. Pada akhir abad ke-19, sains membuatpenemuan mendasar yang mengubah sudut pandang ini. Pertama-tama, pada tahun 1897, fisikawan Inggris J. J. Thomson menemukan elektron. Fakta ini secara radikal mengubah gagasan para ilmuwan tentang bagian penyusun unsur kimia yang tidak dapat dibagi-bagi.
Cara membuktikan atom itu kompleks
Bahkan sebelum penemuan elektron, para ilmuwan sepakat bahwa atom tidak memiliki muatan. Kemudian ditemukan bahwa elektron mudah dilepaskan dari unsur kimia apa pun. Mereka dapat ditemukan dalam nyala api, mereka adalah pembawa arus listrik, mereka dilepaskan oleh zat selama emisi sinar-X.
Tetapi jika elektron adalah bagian dari semua atom tanpa kecuali dan bermuatan negatif, maka ada beberapa partikel lain di dalam atom yang pasti memiliki muatan positif, jika tidak, atom tidak akan netral secara listrik. Untuk membantu mengungkap struktur atom, fenomena fisik seperti radioaktivitas membantu. Ini memberikan definisi yang benar tentang atom dalam fisika dan kemudian dalam kimia.
Sinar tak terlihat
Fisikawan Prancis A. Becquerel adalah orang pertama yang menggambarkan fenomena emisi oleh atom unsur kimia tertentu, sinar yang tidak terlihat secara visual. Mereka mengionisasi udara, melewati zat, menyebabkan menghitamnya pelat fotografi. Kemudian, Curie dan E. Rutherford menemukan bahwa zat radioaktif diubah menjadi atom unsur kimia lain (misalnya, uranium menjadi neptunium).
Radiasi radioaktif tidak homogen dalam komposisi: partikel alfa, partikel beta, sinar gamma. JadiDengan demikian, fenomena radioaktivitas menegaskan bahwa partikel unsur-unsur tabel periodik memiliki struktur yang kompleks. Fakta ini adalah alasan untuk perubahan yang dilakukan pada definisi atom. Partikel apa yang terdiri dari atom, mengingat fakta ilmiah baru yang diperoleh Rutherford? Jawaban atas pertanyaan ini adalah model nuklir atom yang diusulkan oleh ilmuwan, yang menurutnya elektron berputar di sekitar inti bermuatan positif.
Kontradiksi model Rutherford
Teori ilmuwan, terlepas dari karakternya yang luar biasa, tidak dapat mendefinisikan atom secara objektif. Kesimpulannya bertentangan dengan hukum dasar termodinamika, yang menurutnya semua elektron yang berputar di sekitar nukleus kehilangan energinya dan, bagaimanapun juga, cepat atau lambat harus jatuh ke dalamnya. Atom dihancurkan dalam kasus ini. Ini sebenarnya tidak terjadi, karena unsur-unsur kimia dan partikel penyusunnya ada di alam untuk waktu yang sangat lama. Definisi atom seperti itu, berdasarkan teori Rutherford, tidak dapat dijelaskan, serta fenomena yang terjadi ketika zat sederhana yang panas dilewatkan melalui kisi difraksi. Bagaimanapun, spektrum atom yang dihasilkan memiliki bentuk linier. Ini bertentangan dengan model atom Rutherford, yang menurutnya spektrum seharusnya kontinu. Menurut konsep mekanika kuantum, saat ini, elektron dalam inti tidak dicirikan sebagai objek titik, tetapi memiliki bentuk awan elektron.
Kepadatan tertingginya di lokus ruang tertentu di sekitar nukleus dandianggap sebagai lokasi partikel pada suatu titik waktu tertentu. Ditemukan juga bahwa elektron dalam atom tersusun berlapis-lapis. Jumlah lapisan dapat ditentukan dengan mengetahui jumlah periode di mana unsur tersebut berada dalam sistem periodik D. I. Mendeleev. Misalnya, atom fosfor mengandung 15 elektron dan memiliki 3 tingkat energi. Indikator yang menentukan banyaknya tingkat energi disebut bilangan kuantum utama.
Eksperimen menemukan bahwa elektron dengan tingkat energi yang paling dekat dengan inti memiliki energi paling rendah. Setiap kulit energi dibagi menjadi sublevel, dan mereka, pada gilirannya, menjadi orbital. Elektron yang terletak pada orbital yang berbeda memiliki bentuk awan yang sama (s, p, d, f).
Berdasarkan hal di atas, maka bentuk awan elektron tidak bisa sembarang. Ini didefinisikan secara ketat sesuai dengan bilangan kuantum orbital. Kami juga menambahkan bahwa keadaan elektron dalam partikel makro ditentukan oleh dua nilai lagi - bilangan kuantum magnetik dan spin. Yang pertama didasarkan pada persamaan Schrödinger dan mencirikan orientasi spasial awan elektron berdasarkan tiga dimensi dunia kita. Indikator kedua adalah bilangan spin, digunakan untuk menentukan putaran elektron pada sumbunya searah atau berlawanan arah jarum jam.
Penemuan neutron
Berkat karya D. Chadwick, yang dilakukan olehnya pada tahun 1932, definisi baru atom dalam kimia dan fisika diberikan. Dalam eksperimennya, ilmuwan membuktikan bahwa selama pemisahan polonium, radiasi terjadi, yang disebabkan olehpartikel yang tidak bermuatan, dengan massa 1,008665. Partikel elementer baru itu disebut neutron. Penemuan dan studi tentang sifat-sifatnya memungkinkan ilmuwan Soviet V. Gapon dan D. Ivanenko menciptakan teori baru tentang struktur inti atom yang mengandung proton dan neutron.
Menurut teori baru, definisi atom materi adalah sebagai berikut: itu adalah unit struktural dari unsur kimia, yang terdiri dari nukleus yang mengandung proton dan neutron dan elektron yang bergerak di sekitarnya. Jumlah partikel positif dalam inti selalu sama dengan nomor atom unsur kimia dalam sistem periodik.
Kemudian, Profesor A. Zhdanov menegaskan dalam eksperimennya bahwa di bawah pengaruh radiasi kosmik keras, inti atom terpecah menjadi proton dan neutron. Selain itu, terbukti bahwa gaya yang menahan partikel-partikel elementer ini di dalam nukleus sangat intensif energi. Mereka beroperasi pada jarak yang sangat pendek (sekitar 10-23 cm) dan disebut nuklir. Seperti disebutkan sebelumnya, bahkan M. V. Lomonosov mampu memberikan definisi atom dan molekul berdasarkan fakta ilmiah yang dikenalnya.
Saat ini, model berikut secara umum dikenal: sebuah atom terdiri dari nukleus dan elektron yang bergerak di sekitarnya sepanjang lintasan yang ditentukan secara ketat - orbital. Elektron secara bersamaan menunjukkan sifat-sifat partikel dan gelombang, yaitu, mereka memiliki sifat ganda. Hampir semua massanya terkonsentrasi di inti atom. Itu terdiri dari proton dan neutron yang terikat oleh gaya nuklir.
Dapatkah sebuah atom ditimbang
Ternyata setiap atom memilikimassa. Misalnya, untuk hidrogen adalah 1,67x10-24g. Bahkan sulit membayangkan betapa kecilnya nilai ini. Untuk mencari berat benda seperti itu, mereka tidak menggunakan timbangan, tetapi osilator, yang merupakan tabung nano karbon. Untuk menghitung berat atom dan molekul, nilai yang lebih tepat adalah massa relatif. Ini menunjukkan berapa kali berat molekul atau atom lebih besar dari 1/12 atom karbon, yaitu 1,66x10-27 kg. Massa atom relatif diberikan dalam sistem periodik unsur kimia, dan mereka tidak memiliki satuan.
Para ilmuwan sangat menyadari bahwa massa atom suatu unsur kimia adalah rata-rata dari nomor massa semua isotopnya. Ternyata di alam, satuan satu unsur kimia dapat memiliki massa yang berbeda. Pada saat yang sama, muatan inti dari partikel struktural tersebut adalah sama.
Para ilmuwan telah menemukan bahwa isotop berbeda dalam jumlah neutron dalam inti, dan muatan inti mereka sama. Misalnya, atom klor dengan massa 35 mengandung 18 neutron dan 17 proton, dan dengan massa 37 - 20 neutron dan 17 proton. Banyak unsur kimia adalah campuran isotop. Misalnya, zat sederhana seperti kalium, argon, oksigen mengandung atom yang mewakili 3 isotop berbeda.
Mendefinisikan atomisitas
Ini memiliki beberapa interpretasi. Pertimbangkan apa yang dimaksud dengan istilah ini dalam kimia. Jika atom dari setiap unsur kimia dapat eksis secara terpisah setidaknya untuk waktu yang singkat, tanpa berusaha untuk membentuk partikel yang lebih kompleks - molekul, maka mereka mengatakan bahwa zat tersebut memilikistruktur atom. Misalnya, reaksi klorinasi metana multi-tahap. Ini banyak digunakan dalam kimia sintesis organik untuk mendapatkan turunan yang mengandung halogen yang paling penting: diklorometana, karbon tetraklorida. Ini membagi molekul klorin menjadi atom yang sangat reaktif. Mereka memutuskan ikatan sigma dalam molekul metana, memberikan reaksi berantai substitusi.
Contoh lain dari proses kimia yang sangat penting dalam industri adalah penggunaan hidrogen peroksida sebagai disinfektan dan pemutih. Penentuan atom oksigen, sebagai produk pemecahan hidrogen peroksida, terjadi baik dalam sel hidup (di bawah aksi enzim katalase) dan dalam kondisi laboratorium. Oksigen atom secara kualitatif ditentukan oleh sifat antioksidannya yang tinggi, serta kemampuannya untuk menghancurkan agen patogen: bakteri, jamur dan sporanya.
Cara kerja kulit atom
Kita telah mengetahui sebelumnya bahwa unit struktural suatu unsur kimia memiliki struktur yang kompleks. Elektron berputar mengelilingi inti yang bermuatan positif. Pemenang Hadiah Nobel Niels Bohr, berdasarkan teori kuantum cahaya, menciptakan doktrinnya, di mana karakteristik dan definisi atom adalah sebagai berikut: elektron bergerak di sekitar nukleus hanya sepanjang lintasan stasioner tertentu, sementara mereka tidak memancarkan energi. Doktrin Bohr membuktikan bahwa partikel-partikel mikrokosmos, yang meliputi atom dan molekul, tidak mematuhi hukum-hukum yang adil.untuk benda besar - objek makrokosmik.
Struktur kulit elektron partikel makro dipelajari dalam karya fisika kuantum oleh ilmuwan seperti Hund, Pauli, Klechkovsky. Jadi diketahui bahwa elektron melakukan gerakan rotasi di sekitar nukleus tidak secara acak, tetapi di sepanjang lintasan stasioner tertentu. Pauli menemukan bahwa dalam satu tingkat energi pada setiap orbital s, p, d, f, tidak lebih dari dua partikel bermuatan negatif dengan spin berlawanan + dan - dapat ditemukan dalam sel elektronik.
Aturan Hun menjelaskan bagaimana orbital dengan tingkat energi yang sama terisi elektron dengan benar.
Aturan Klechkovsky, juga disebut aturan n+l, menjelaskan bagaimana orbital atom multielektron (elemen 5, 6, 7 periode) terisi. Semua pola di atas berfungsi sebagai pembenaran teoretis untuk sistem unsur kimia yang dibuat oleh Dmitry Mendeleev.
Keadaan oksidasi
Ini adalah konsep dasar dalam kimia dan mencirikan keadaan atom dalam molekul. Definisi modern dari keadaan oksidasi atom adalah sebagai berikut: ini adalah muatan bersyarat atom dalam molekul, yang dihitung berdasarkan gagasan bahwa molekul hanya memiliki komposisi ionik.
Derajat oksidasi dapat dinyatakan sebagai bilangan bulat atau pecahan, dengan nilai positif, negatif, atau nol. Paling sering, atom unsur kimia memiliki beberapa keadaan oksidasi. Misalnya, nitrogen memiliki -3, -2, 0, +1, +2, +3, +4, +5. Tapi unsur kimia seperti fluor, dalam semua itusenyawa hanya memiliki satu keadaan oksidasi, sama dengan -1. Jika diwakili oleh zat sederhana, maka keadaan oksidasinya adalah nol. Kuantitas kimia ini nyaman digunakan untuk klasifikasi zat dan untuk menggambarkan sifat-sifatnya. Paling sering, keadaan oksidasi atom digunakan dalam kimia ketika menyusun persamaan untuk reaksi redoks.
Sifat atom
Berkat penemuan fisika kuantum, definisi modern tentang atom, berdasarkan teori D. Ivanenko dan E. Gapon, dilengkapi dengan fakta ilmiah berikut. Struktur inti atom tidak berubah selama reaksi kimia. Hanya orbital elektron stasioner yang dapat berubah. Struktur mereka dapat menjelaskan banyak sifat fisik dan kimia zat. Jika sebuah elektron meninggalkan orbit stasioner dan pergi ke orbit dengan indeks energi yang lebih tinggi, atom seperti itu disebut tereksitasi.
Perlu dicatat bahwa elektron tidak dapat bertahan dalam orbital yang tidak biasa untuk waktu yang lama. Kembali ke orbit stasionernya, elektron memancarkan energi kuantum. Studi tentang karakteristik seperti unit struktural unsur kimia seperti afinitas elektron, elektronegativitas, energi ionisasi, memungkinkan para ilmuwan tidak hanya untuk mendefinisikan atom sebagai partikel paling penting dari mikrokosmos, tetapi juga memungkinkan mereka untuk menjelaskan kemampuan atom untuk membentuk. keadaan molekul materi yang stabil dan secara energetik lebih disukai, dimungkinkan karena terciptanya berbagai jenis ikatan kimia yang stabil: ionik, kovalenpolar dan non-polar, donor-akseptor (sebagai semacam ikatan kovalen) dan logam. Yang terakhir menentukan sifat fisik dan kimia yang paling penting dari semua logam.
Telah dibuktikan secara eksperimental bahwa ukuran atom dapat berubah. Semuanya akan tergantung pada molekul mana ia termasuk. Berkat analisis difraksi sinar-X, dimungkinkan untuk menghitung jarak antara atom dalam senyawa kimia, serta untuk mengetahui jari-jari unit struktural elemen. Dengan mengetahui pola perubahan jari-jari atom yang termasuk dalam suatu periode atau golongan unsur kimia, maka sifat fisika dan kimianya dapat diprediksi. Misalnya, dalam periode dengan peningkatan muatan inti atom, jari-jarinya berkurang ("kompresi atom"), sehingga sifat logam dari senyawa melemah, dan sifat non-logam meningkat.
Dengan demikian, pengetahuan tentang struktur atom memungkinkan kita untuk secara akurat menentukan sifat fisik dan kimia semua unsur yang termasuk dalam sistem periodik Mendeleev.
