2.3: Атомна теорія
- Page ID
- 22919
Розвиток атомної теорії багато в чому зобов'язаний роботі двох чоловіків: Антуана Лавуазьє, який сам не думав про матерію з точки зору атомів, але чия робота заклала організаційну основу для мислення про елементи, і Джона Далтона, якому приписується атомна теорія. Значна частина робіт Лавуазьє як хіміка була присвячена вивченню горіння. Він переконався, що коли речовина спалюється в повітрі, воно поєднується з якоюсь складовою повітря. Врешті-решт він зрозумів, що цей компонент - це дефлогістичне повітря, яке було виявлено Джозефом Прістлі (1733-1804) кількома роками раніше. Лавуазьє перейменував цю речовину кисень. У важливій серії експериментів він показав, що при нагріванні ртуті в кисні при помірній температурі виходить червона речовина - калькс ртуті. (Калкс - це попіл, що залишився, коли речовина згорає на повітрі.) При більш високій температурі ця калькс розкладається на ртуть і кисень. Ретельні експерименти Лавуазьє також виявили, що об'єднані маси ртуті і кисню були в точності рівні масі калькса ртуті. Тобто зміни маси при утворенні або розкладанні калькса не спостерігалося. Лавуазьє висунув гіпотезу, що це повинно бути вірно з усіма хімічними змінами, і подальші експерименти показали, що він мав рацію. Цей принцип зараз називається законом збереження маси.
Оскільки Лавуазьє продовжував свої експерименти з киснем, він помітив щось інше. Хоча кисень поєднувався з багатьма іншими речовинами, він ніколи не поводився так, ніби сам по собі був комбінацією інших речовин. Лавуазьє зміг розкласти червону телятину на ртуть і кисень, але він не міг знайти способу розщепити кисень на два і більше нових речовин. Через це він припустив, що кисень повинен бути елементом - в кінцевому рахунку простою речовиною, яка не може бути розкладена хімічними змінами.
Лавуазьє не виник ідеї про те, що певні речовини (елементи) є основними, а всі інші можуть бути отримані з них. Це було вперше запропоновано в Греції протягом п'ятого століття до н.е. Емпедоклом, який припускав, що вся матерія складається з комбінацій землі, повітря, вогню та води. Ці ідеї надалі розвивалися і викладав Аристотель і залишалися впливовими протягом 2000 років.
Лавуазьє зробив першу таблицю елементів, яка містила велику кількість речовин, які сучасні хіміки погодяться, слід класифікувати як елементи. Він опублікував його, знаючи, що подальші дослідження можуть досягти успіху, розклавши деякі з перерахованих речовин, таким чином показуючи, що вони не є елементами. Однією з його цілей було підштовхнути своїх сучасників саме до такого роду досліджень. Звичайно, «земні речовини», перераховані внизу, врешті-решт виявилися комбінаціями певних металів з киснем. Цікаво також відзначити, що навіть Лавуазьє не зміг повністю втекти від впливу Аристотеля. Другий елемент у його списку - «вогонь» Аристотеля, який Лавуазьє назвав «калорійним», і який ми зараз називаємо «теплом». І тепло, і світло, перші два пункти в таблиці, тепер розглядаються як форми енергії, а не матерії.
Хоча його таблиця елементів була неповною, а в деяких випадках навіть некоректною, робота Лавуазьє представляла собою великий крок вперед. Класифікуючи певні речовини як елементи, він стимулював багато додаткових хімічних досліджень і привів порядок і структуру предмету, де раніше ніхто не існував. Його сучасники дуже охоче сприйняли його ідеї, і він став відомий як батько хімії.
Джон Далтон (1766 по 1844) був поколінням молодше Лавуазьє і відрізнявся від нього майже у всіх відношеннях. Далтон походив з родини робітничого класу і відвідував лише початкову школу. Крім цього, він був цілком самоучкою. Навіть після того, як він прославився, він ніколи не прагнув за межі скромного існування бакалавра, в якому підтримував себе, навчаючи математику приватним учням. Далтон зробив багато внесків у науку, і він, здається, не зрозумів, що його атомна теорія була найважливішою з них. У його «Новій системі хімічної філософії», опублікованій у 1808 році, їй присвячені лише останні сім сторінок із загальної кількості 168!
Постулати атомної теорії наведені нижче. Перший - це не просування давньогрецького філософа Демокріта, який майже 2000 років раніше теоретизував, що матерія складається з дуже дрібних частинок.
- Вся матерія складається з дуже великої кількості дуже дрібних частинок, званих атомами.
- Для даного елемента всі атоми ідентичні за всіма параметрами. Зокрема, всі атоми одного елемента мають однакову постійну масу, в той час як атоми різних елементів мають різну масу.
- Атоми є одиницями хімічних змін. Хімічні реакції передбачають поєднання, поділ або перестановку атомів, але атоми не створюються, не руйнуються, не діляться на частини або перетворюються на атоми будь-якого іншого виду.
- Атоми об'єднуються, утворюючи молекули у фіксованих співвідношеннях малих цілих чисел.
Другий постулат, однак, показує знак оригінального генія; тут Далтон пов'язує ідею атома з ідеєю елемента. Критерій Лавуазьє для елемента був по суті макроскопічним, експериментальним. Якщо речовина не вдалося розкласти хімічним шляхом, то, ймовірно, це був елемент. На відміну від цього, Далтон визначає елемент в теоретичному, субмікроскопічному плані. Елемент - це елемент, тому що всі його атоми однакові. Різні елементи мають різні атоми. Існує так само багато різних видів елементів, як є різні види атомів.
Тепер озирніться на момент на фізичні стани ртуті, де були надані субмікроскопічні знімки твердої, рідкої та газоподібної ртуті. Застосовуючи другий постулат Дальтона до цієї цифри, можна відразу зробити висновок, що ртуть - це елемент, адже з'являється тільки один вид атома. Хоча атоми ртуті намальовані як сфери на малюнку, сьогодні було б частіше представляти їх за допомогою хімічних символів. Хімічний символ елемента (або атома цього елемента) - це одно- або двобуквене скорочення його назви. Зазвичай, але не завжди, використовуються перші дві літери. Щоб ще більше ускладнити ситуацію, хімічні символи іноді походять з мови, відмінної від англійської. Наприклад, символ Hg для ртуті походить від першої та сьомої букв латинської назви елемента, hydrargyrum.
| Ім'я | Символ | Атомний номер | Атомна вага | Ім'я | Символ | Атомний номер | Атомна вага |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Актиній 2 | Ac | 89 | (227) | Молібден | Пн | 42 | 95.96 (2) |
| Алюміній | Аль | 13 | 26.981 5386 (8) | Неодим | Нд | 60 | 144.242 (3) |
| Америцій 2 | Ам | 95 | (243) | Неон | Ne | 10 | 20.1797 (6) |
| сурма | Сб | 51 | 121.760 (1) | Нептуній 2 | Нп | 93 | (237) |
| Аргон | Ар | 18 | 39.948 (1) | Нікель | Ni | 28 | 58.6934 (4) |
| Миш'як | Як | 33 | 74.92160 (2) | Ніобій | Нб | 41 | 92.90638 (2) |
| Астатин 2 | В | 85 | (210) | Азот | П | 7 | 14.0067 (2) |
| Барій | Ба | 56 | 137.327 (7) | Нобеліум 2 | Ні | 102 | (259) |
| Беркелій 2 | Бк | 97 | (247) | Осмій | Ос | 76 | 190.23 (3) |
| Берилій | Бути | 4 | 9.012182 (3) | Кисень | O | 8 | 15.9994 (3) |
| Вісмут | Бі | 83 | 208.98040 (1) | Паладій | Pd | 46 | 106.42 (1) |
| Боріум 2 | Bh | 107 | (272) | Фосфор | Р | 15 | 30.973762 (2) |
| Бор | Б | 5 | 10.811 (7) | Платина | Пт | 78 | 195.084 (9) |
| Бром | Br | 35 | 79.904 (1) | Плутоній 2 | Пу | 94 | (244) |
| Кадмій | Cd | 48 | 112.411 (8) | Полоній 2 | По | 84 | (209) |
| Кальцій | Ca | 20 | 40.078 (4) | Калій | К | 19 | 39.0983 (1) |
| Каліфорнія 2 | Cf | 98 | (251) | Празеодим | Пр | 59 | 140.90765 (2) |
| Вуглець | C | 6 | 12.0107 (8) | Прометій 2 | Пм | 61 | (145) |
| Церій | Ce | 58 | 140.116 (1) | Протактиній 2 | Па | 91 | 231.03588 (2) |
| Цезій | Cs | 55 | 132.9054519 (2) | Радій 2 | Ра | 88 | (226) |
| хлор | Cl | 17 | 35.453 (2) | Радон 2 | Rn | 86 | (222) |
| Хром | Cr | 24 | 51.9961 (6) | Реній | Re | 75 | 186.207 (1) |
| Кобальт | Co | 27 | 58.933195 (5) | Родій | Rh | 45 | 102.90550 (2) |
| Мідь | Cu | 29 | 63.546 (3) | Рентгеній 2 | Рг | 111 | (280) |
| Курій 2 | См | 96 | (247) | Рубідій | Рб | 37 | 85.4678 (3) |
| Дармштадтіум 2 | Ds | 110 | (281) | Рутеній | Ру | 44 | 101.07 (2) |
| Дубній 2 | Дб | 105 | (268) | Резерфордіум 2 | Rf | 104 | (267) |
| диспрозій | День | 66 | 162.500 (1) | Самарій | См | 62 | 150.36 (2) |
| Ейнштейній 2 | Es | 99 | (252) | Скандій | Sc | 21 | 44.955912 (6) |
| Ербій | Ер | 68 | 167.259 (3) | Сіборгіум 2 | Sg | 106 | (271) |
| Європій | ЄС | 63 | 151.964 (1) | Селен | Се | 34 | 78.96 (3) |
| Фермій 2 | Fm | 100 | (257) | Кремній | СІ | 14 | 28.085 (3) |
| Фтор | F | 9 | 18.9984032 (5) | Срібло | Ag | 47 | 107.8682 (2) |
| Франціум 2 | Пт | 87 | (223) | Натрій | Na | 11 | 22.98976928 (2) |
| Гадоліній | бог | 64 | 157.25 (3) | Стронцій | Sr | 38 | 87.62 (1) |
| Галій | Га | 31 | 69.723 (1) | Сірка | S | 16 | 32.065 (5) |
| Германій | Ге | 32 | 72.64 (1) | Тантал | Та | 73 | 180.94788 (2) |
| Золотий | Au | 79 | 196.966569 (4) | Технеціум 2 | Тк | 43 | (98) |
| Гафній | Hf | 72 | 178.49 (2) | Телур | Te | 52 | 127.60 (3) |
| Галій 2 | Hs | 108 | (277) | Тербій | Tb | 65 | 158.92535 (2) |
| Гелій | Він | 2 | 4.002602 (2) | Талій | Тл | 81 | 204.3833 (2) |
| Гольмій | Хо | 67 | 164.93032 (2) | Торій 2 | Чт | 90 | 232.03806 (2) |
| Водень | Ч | 1 | 1.00794 (7) | Тулій | Тм | 69 | 168.93421 (2) |
| Індій | В | 49 | 114.818 (3) | Олово | Сн | 50 | 118.710 (7) |
| Йод | Я | 53 | 126.90447 (3) | Титан | Ti | 22 | 47.867 (1) |
| Іридій | Ір | 49 | 192.217 (3) | Вольфрам | Ш | 74 | 183.84 (1) |
| Залізо | Fe | 26 | 55.845 (2) | Уран 2 | У | 92 | 238.02891 (3) |
| Криптон | Кр | 36 | 83.798 (2) | Ванадій | V | 23 | 50.9415 (1) |
| Лантан | Ла | 57 | 138.90547 (7) | Ксенон | Xe | 54 | 131.293 (6) |
| Лоуренціум 2 | Lr | 103 | (262) | Ітербій | Yb | 70 | 173.054 (5) |
| Свинець | Пб | 82 | 207.2 (1) | Ітрій | У | 39 | 88.90585 (2) |
| Літій | Лі | 3 | [6.941 (21)] | Цинк | Zn | 30 | 65.38 (2) |
| Лютецій | Лу | 71 | 174.9668 (1) | Цирконій | Зр | 40 | 91.224 (2) |
| Магній | Мг | 12 | 24.3050 (6) | - 2,3,4 | 112 | (285) | |
| Марганець | Мн | 25 | 54.938045 (5) | - 2,3 | 113 | (284) | |
| Метінерій 2 | гора | 109 | (276) | - 2,3 | 114 | (287) | |
| Менделевій 2 | Мд | 101 | (258) | - 2,3 | 115 | (288) | |
| Меркурій | Hg | 80 | 200.59 (2) | - 2,3 | 116 | (293) | |
| - 2,3 | 118 | (294) |
Хімічні символи для всіх відомих на даний момент елементів наведені вище в таблиці, в яку також входять атомні ваги. Ці символи є основним словниковим запасом хімії, оскільки атоми, які вони представляють, складають всю матерію. Ви побачите символи для більш важливих елементів знову і знову, і чим раніше ви дізнаєтеся, який елемент вони стоять, тим легше вам буде вивчити хімію. Ці більш важливі елементи були вказані в наведеній вище таблиці кольоровим затіненням навколо своїх назв.
Четвертий постулат Дальтона стверджує, що атоми можуть об'єднуватися, утворюючи молекули. Прикладом цього є бром, єдиний елемент, крім ртуті, який є рідиною при звичайній кімнатній температурі (20° C). Макроскопічно бром складається з темних кристалів нижче -7,2° C і червонувато-коричневого газу вище 58,8° C. рідина темно-червоно-коричнева і має різкий запах, подібний до хлору, який використовується в басейні. Це може спричинити сильні опіки на шкірі людини, і його не слід обробляти без захисту гумових рукавичок.
 |
|
 |
|---|---|---|
| (а) в газоподібному стані | (б) як рідина | (c) в твердому вигляді |
Рисунок\(\PageIndex{1}\): Субмікроскопічний вигляд двоатомних молекул елемента брому (а) у газоподібному стані (вище 58° C); (b) у рідкій формі (від -7,2 до 58,8° C); і (c) у твердій формі (нижче -7,2° C).
Субмікроскопічний вигляд брому на наступному малюнку узгоджується з його позначенням як елемента - присутній лише один вид атома. Однак, за винятком дуже високих температур, атоми брому завжди подвоюються. Будь то в твердому, рідкому чи газовому, вони обходяться парами. Така щільно утримувана комбінація двох і більше атомів називається молекулою.
Склад молекули позначається хімічною формулою. Індекс праворуч від символу для кожного елемента повідомляє, скільки атомів цього елемента знаходиться в молекулі. Наприклад, таблиця атомних ваг дає хімічний символ Br для брому, але кожна молекула містить два атома брому, і тому хімічна формула - Br 2. Згідно з четвертим постулатом Дальтона, атоми об'єднуються в співвідношенні малих цілих чисел, і тому індекси у формулі повинні бути невеликими цілими числами.