Desde el período de la antigüedad hasta mediados del siglo XVIII, la ciencia estuvo dominada por la idea de que un átomo es una partícula de materia que no se puede dividir. El científico inglés, al igual que el naturalista D. D alton, definió al átomo como el componente más pequeño de un elemento químico. M. V. Lomonosov en su teoría atómica y molecular pudo definir el átomo y la molécula. Estaba convencido de que las moléculas, a las que llamó "corpúsculos", estaban formadas por "elementos" - átomos - y estaban en constante movimiento.
D. I. Mendeleev creía que esta subunidad de sustancias que componen el mundo material conserva todas sus propiedades solo si no se somete a separación. En este artículo definiremos el átomo como un objeto del micromundo y estudiaremos sus propiedades.
Requisitos previos para la creación de la teoría de la estructura del átomo
En el siglo XIX, la afirmación sobre la indivisibilidad del átomo era generalmente aceptada. La mayoría de los científicos creían que las partículas de un elemento químico bajo ninguna circunstancia podían convertirse en átomos de otro elemento. Estas ideas sirvieron como base sobre la que se basó la definición del átomo hasta 1932. A finales del siglo XIX, la ciencia hizodescubrimientos fundamentales que cambiaron este punto de vista. En primer lugar, en 1897, el físico inglés J. J. Thomson descubrió el electrón. Este hecho cambió radicalmente las ideas de los científicos sobre la indivisibilidad de la parte constituyente de un elemento químico.
Cómo demostrar que el átomo es complejo
Incluso antes del descubrimiento del electrón, los científicos acordaron unánimemente que los átomos no tienen carga. Luego se encontró que los electrones se liberan fácilmente de cualquier elemento químico. Se pueden encontrar en una llama, son portadores de corriente eléctrica, son liberados por sustancias durante la emisión de rayos X.
Pero si los electrones son parte de todos los átomos sin excepción y tienen carga negativa, entonces hay algunas otras partículas en el átomo que necesariamente tienen una carga positiva, de lo contrario los átomos no serían eléctricamente neutros. Para ayudar a desentrañar la estructura del átomo, ayudó un fenómeno físico como la radiactividad. Dio la definición correcta del átomo en física y luego en química.
Rayos invisibles
El físico francés A. Becquerel fue el primero en describir el fenómeno de la emisión por átomos de ciertos elementos químicos, rayos visualmente invisibles. Ionizan el aire, atraviesan sustancias, provocan el ennegrecimiento de las placas fotográficas. Más tarde, los Curie y E. Rutherford descubrieron que las sustancias radiactivas se convierten en átomos de otros elementos químicos (por ejemplo, uranio en neptunio).
La radiación radiactiva no es homogénea en su composición: partículas alfa, partículas beta, rayos gamma. Asi queAsí, el fenómeno de la radiactividad confirmó que las partículas de los elementos de la tabla periódica tienen una estructura compleja. Este hecho fue la razón de los cambios realizados en la definición del átomo. ¿De qué partículas se compone un átomo, dados los nuevos hechos científicos obtenidos por Rutherford? La respuesta a esta pregunta fue el modelo nuclear del átomo propuesto por el científico, según el cual los electrones giran alrededor de un núcleo con carga positiva.
Contradicciones del modelo de Rutherford
La teoría del científico, a pesar de su carácter sobresaliente, no pudo definir objetivamente el átomo. Sus conclusiones iban en contra de las leyes fundamentales de la termodinámica, según las cuales todos los electrones que giran alrededor del núcleo pierden su energía y, sea como fuere, tarde o temprano deben caer en él. El átomo se destruye en este caso. En realidad, esto no sucede, ya que los elementos químicos y las partículas que los componen existen en la naturaleza desde hace mucho tiempo. Tal definición del átomo, basada en la teoría de Rutherford, es inexplicable, así como el fenómeno que ocurre cuando sustancias simples calientes pasan a través de una rejilla de difracción. Después de todo, los espectros atómicos resultantes tienen una forma lineal. Esto estaba en conflicto con el modelo del átomo de Rutherford, según el cual los espectros deberían haber sido continuos. De acuerdo con los conceptos de la mecánica cuántica, en la actualidad, los electrones en el núcleo no se caracterizan como objetos puntuales, sino que tienen la forma de una nube de electrones.
Su mayor densidad en un determinado lugar del espacio alrededor del núcleo ySe considera que es la ubicación de la partícula en un punto dado en el tiempo. También se encontró que los electrones en el átomo están dispuestos en capas. El número de capas se puede determinar conociendo el número del período en el que se encuentra el elemento en el sistema periódico de D. I. Mendeleev. Por ejemplo, un átomo de fósforo contiene 15 electrones y tiene 3 niveles de energía. El indicador que determina el número de niveles de energía se denomina número cuántico principal.
Se descubrió experimentalmente que los electrones del nivel de energía más cercano al núcleo tienen la energía más baja. Cada capa de energía se divide en subniveles, y ellos, a su vez, en orbitales. Los electrones ubicados en diferentes orbitales tienen la misma forma de nube (s, p, d, f).
De acuerdo con lo anterior, se deduce que la forma de la nube de electrones no puede ser arbitraria. Se define estrictamente de acuerdo con el número cuántico orbital. También agregamos que el estado de un electrón en una macropartícula está determinado por dos valores más: números cuánticos magnéticos y de espín. El primero se basa en la ecuación de Schrödinger y caracteriza la orientación espacial de la nube de electrones en función de la tridimensionalidad de nuestro mundo. El segundo indicador es el número de espín, se utiliza para determinar la rotación de un electrón alrededor de su eje en sentido horario o antihorario.
Descubrimiento del neutrón
Gracias al trabajo de D. Chadwick, realizado por él en 1932, se dio una nueva definición del átomo en química y física. En sus experimentos, el científico demostró que durante la división del polonio se produce una radiación causada porpartículas que no tienen carga, con una masa de 1,008665. La nueva partícula elemental se denominó neutrón. Su descubrimiento y estudio de sus propiedades permitió a los científicos soviéticos V. Gapon y D. Ivanenko crear una nueva teoría de la estructura del núcleo atómico que contiene protones y neutrones.
Según la nueva teoría, la definición de átomo de materia era la siguiente: es una unidad estructural de un elemento químico, que consta de un núcleo que contiene protones y neutrones y electrones que se mueven a su alrededor. El número de partículas positivas en el núcleo siempre es igual al número atómico del elemento químico en el sistema periódico.
Más tarde, el profesor A. Zhdanov confirmó en sus experimentos que bajo la influencia de la radiación cósmica dura, los núcleos atómicos se dividen en protones y neutrones. Además, se demostró que las fuerzas que mantienen estas partículas elementales en el núcleo consumen mucha energía. Operan a distancias muy cortas (alrededor de 10-23 cm) y se denominan nucleares. Como se mencionó anteriormente, incluso M. V. Lomonosov fue capaz de dar una definición de un átomo y una molécula basada en hechos científicos conocidos por él.
En la actualidad, se reconoce generalmente el siguiente modelo: un átomo consiste en un núcleo y electrones que se mueven a su alrededor a lo largo de trayectorias estrictamente definidas: orbitales. Los electrones exhiben simultáneamente las propiedades de las partículas y las ondas, es decir, tienen una naturaleza dual. Casi toda su masa se concentra en el núcleo de un átomo. Está formado por protones y neutrones unidos por fuerzas nucleares.
¿Se puede pesar un átomo?
Resulta que cada átomo tienemasa. Por ejemplo, para el hidrógeno es 1,67x10-24g. Incluso es difícil imaginar cuán pequeño es este valor. Para encontrar el peso de tal objeto, no usan balanzas, sino un oscilador, que es un nanotubo de carbono. Para calcular el peso de un átomo y una molécula, un valor más conveniente es la masa relativa. Muestra cuántas veces el peso de una molécula o átomo es mayor que 1/12 de un átomo de carbono, que es 1,66x10-27 kg. Las masas atómicas relativas se dan en el sistema periódico de elementos químicos y no tienen unidades.
Los científicos saben muy bien que la masa atómica de un elemento químico es el promedio de los números de masa de todos sus isótopos. Resulta que en la naturaleza, las unidades de un elemento químico pueden tener diferentes masas. Al mismo tiempo, las cargas de los núcleos de dichas partículas estructurales son las mismas.
Los científicos han descubierto que los isótopos difieren en el número de neutrones en el núcleo y que la carga de sus núcleos es la misma. Por ejemplo, un átomo de cloro con una masa de 35 contiene 18 neutrones y 17 protones, y con una masa de 37 - 20 neutrones y 17 protones. Muchos elementos químicos son mezclas de isótopos. Por ejemplo, sustancias tan simples como el potasio, el argón y el oxígeno contienen átomos que representan 3 isótopos diferentes.
Definición de la atomicidad
Tiene varias interpretaciones. Considere lo que significa este término en química. Si los átomos de cualquier elemento químico pueden existir por separado al menos por un corto tiempo, sin esforzarse por formar una partícula más compleja, una molécula, entonces dicen que tales sustancias tienenestructura atomica. Por ejemplo, una reacción de cloración de metano de varias etapas. Es ampliamente utilizado en la química de síntesis orgánica para obtener los derivados halogenados más importantes: diclorometano, tetracloruro de carbono. Divide las moléculas de cloro en átomos altamente reactivos. Rompen los enlaces sigma en la molécula de metano, proporcionando una reacción en cadena de sustitución.
Otro ejemplo de proceso químico de gran importancia en la industria es el uso del peróxido de hidrógeno como desinfectante y blanqueador. La determinación del oxígeno atómico, como producto de la descomposición del peróxido de hidrógeno, se produce tanto en células vivas (bajo la acción de la enzima catalasa) como en condiciones de laboratorio. El oxígeno atómico está determinado cualitativamente por sus altas propiedades antioxidantes, así como por su capacidad para destruir agentes patógenos: bacterias, hongos y sus esporas.
Cómo funciona la capa atómica
Ya hemos descubierto anteriormente que la unidad estructural de un elemento químico tiene una estructura compleja. Los electrones giran alrededor de un núcleo cargado positivamente. El premio Nobel Niels Bohr, basado en la teoría cuántica de la luz, creó su doctrina, en la que las características y la definición de un átomo son las siguientes: los electrones se mueven alrededor del núcleo solo a lo largo de ciertas trayectorias estacionarias, mientras que no irradian energía. La doctrina de Bohr probó que las partículas del microcosmos, que incluyen átomos y moléculas, no obedecen leyes que sean justaspara cuerpos grandes - objetos macrocósmicos.
La estructura de las capas de electrones de las macropartículas fue estudiada en trabajos sobre física cuántica por científicos como Hund, Pauli, Klechkovsky. Entonces se supo que los electrones realizan movimientos de rotación alrededor del núcleo no al azar, sino a lo largo de ciertas trayectorias estacionarias. Pauli descubrió que dentro de un nivel de energía en cada uno de sus orbitales s, p, d, f, no se pueden encontrar más de dos partículas cargadas negativamente con espines opuestos +½ y -½ en las celdas electrónicas.
La regla de Hund explica cómo los orbitales con el mismo nivel de energía se llenan correctamente de electrones.
La regla de Klechkovsky, también llamada regla n+l, explica cómo se llenan los orbitales de los átomos multielectrónicos (elementos de 5, 6, 7 períodos). Todos los patrones anteriores sirvieron como justificación teórica para el sistema de elementos químicos creado por Dmitry Mendeleev.
Estado de oxidación
Es un concepto fundamental en química y caracteriza el estado de un átomo en una molécula. La definición moderna del estado de oxidación de los átomos es la siguiente: esta es la carga condicional de un átomo en una molécula, que se calcula con base en la noción de que la molécula tiene solo una composición iónica.
El grado de oxidación se puede expresar como un número entero o fraccionario, con valores positivos, negativos o cero. Muy a menudo, los átomos de los elementos químicos tienen varios estados de oxidación. Por ejemplo, el nitrógeno tiene -3, -2, 0, +1, +2, +3, +4, +5. Pero un elemento químico como el flúor, en todas suscompuestos tiene un solo estado de oxidación, igual a -1. Si está representado por una sustancia simple, entonces su estado de oxidación es cero. Esta cantidad química es conveniente para la clasificación de sustancias y para describir sus propiedades. Muy a menudo, el estado de oxidación de un átomo se usa en química al compilar ecuaciones para reacciones redox.
Propiedades de los átomos
Gracias a los descubrimientos de la física cuántica, la definición moderna del átomo, basada en la teoría de D. Ivanenko y E. Gapon, se complementa con los siguientes hechos científicos. La estructura del núcleo de un átomo no cambia durante las reacciones químicas. Solo los orbitales de electrones estacionarios están sujetos a cambios. Su estructura puede explicar muchas propiedades físicas y químicas de las sustancias. Si un electrón sale de una órbita estacionaria y se dirige a una órbita con un índice de energía más alto, dicho átomo se llama excitado.
Cabe señalar que los electrones no pueden permanecer en orbitales tan inusuales durante mucho tiempo. Volviendo a su órbita estacionaria, el electrón emite un cuanto de energía. El estudio de características de las unidades estructurales de los elementos químicos como la afinidad electrónica, la electronegatividad, la energía de ionización, permitió a los científicos no solo definir el átomo como la partícula más importante del microcosmos, sino también explicar la capacidad de los átomos para formar un estado molecular estable y energéticamente más favorable de la materia, posible debido a la creación de varios tipos de enlaces químicos estables: iónico, covalentepolar y no polar, donante-aceptor (como una especie de enlace covalente) y metálico. Este último determina las propiedades físicas y químicas más importantes de todos los metales.
Se ha establecido experimentalmente que el tamaño de un átomo puede cambiar. Todo dependerá de en qué molécula esté incluido. Gracias al análisis de difracción de rayos X, es posible calcular la distancia entre los átomos de un compuesto químico, así como conocer el radio de la unidad estructural del elemento. Conociendo los patrones de cambio en los radios de los átomos incluidos en un período o grupo de elementos químicos, es posible predecir sus propiedades físicas y químicas. Por ejemplo, en períodos con un aumento en la carga del núcleo de los átomos, sus radios disminuyen ("compresión del átomo"), por lo que las propiedades metálicas de los compuestos se debilitan y las no metálicas aumentan.
Así, el conocimiento de la estructura del átomo nos permite determinar con precisión las propiedades físicas y químicas de todos los elementos incluidos en el sistema periódico de Mendeleev.
