4.1: Прелюдія до атомної структури

Last updated
Save as PDF

Page ID: 23582

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Ми розглянули теоретичні наслідки та практичне застосування уявлень Джона Далтона про атоми в нашій дискусії про атоми, молекули та хімічні реакції, а також використання хімічних рівнянь у розрахунках. Очевидно, що атомна теорія є потужним інструментом, який допомагає нам думати про те, скільки однієї речовини може поєднуватися з (або бути вироблено з) заданої кількості іншого. Однак теорія набагато менш корисна, коли ми намагаємося міркувати про те, що утримує атоми разом у молекулах, таких як Br ₂, HgBr ₂ та Hg ₂ Br ₂. Як ви бачили, доступні методи експериментального визначення формули нової сполуки, але теорія Дальтона малоцінна при прогнозуванні формул. Він також не говорить нам, які елементи, ймовірно, поєднуються з якими, а також не вказує, які хімічні та фізичні властивості слід очікувати від сполук, які утворюються.

Здатність робити прогнози щодо хімічної реакційної здатності та властивостей дуже важлива, оскільки вона керує зусиллями хіміків щодо синтезу нових речовин, які представляють цінність для суспільства в цілому. Ліки, метали, транзистори, пластмаси, текстиль, добрива та багато іншого, що ми сьогодні сприймаємо як належне, стали можливими завдяки детальному знанню хімічних та фізичних властивостей. Такі знання також дозволяють краще зрозуміти, як працює природний світ і які зміни (сприятливі або згубні) можуть бути спричинені діяльністю людини.

Знання хімічної реакційної здатності та властивостей можуть бути наближені як на макроскопічному, так і на мікроскопічному рівнях. Макроскопічно це передбачає те, що називається описовою хімією. Людина, яка вперше проводить хімічну реакцію, описує те, що сталося, як правило, з точки зору збалансованого рівняння, і перераховує властивості будь-яких нових речовин. Це дає можливість іншим вченим повторити експеримент, якщо вони бажають. Навіть якщо робота не буде проведена знову, описовий звіт дозволяє передбачити, що буде, якби його повторили.

Мікроскопічний підхід використовує теорію, щоб передбачити, з якими речовинами будуть реагувати. Протягом минулого століття атомна теорія Далтона була модифікована так, що вона може допомогти нам запам'ятати властивості елементів і сполук. Тепер ми приписуємо структуру кожному виду атомів і очікуємо, що атоми, що мають подібні структури, зазнають подібних реакцій. Така робота призвела до класифікації груп елементів, наприклад, лужних металів, галогенів , лужноземельних металів та багатьох інших. Додаткове ускладнення вивчення атомної структури багаторазово компенсується підвищеною здатністю нашої мікроскопічної моделі прогнозувати макроскопічні властивості.

У наступних розділах ви побачите, що ряд досить різних видів експериментів сприяли розширенню атомної теорії Далтона, включивши субатомні частинки та атомну структуру. Періодична варіація валентності та успішна кореляція макроскопічних властивостей таблиці Менделєєва вказують на те, що атоми повинні мати певні специфічні способи з'єднання з іншими атомами. Доцільно припустити, що валентність залежить від якоїсь базової атомної структури. Атоми, які схожі за структурою, повинні проявляти однакову валентність і мати схожі хімічні та фізичні властивості. Хоча періодичність спочатку базувалася на атомній вазі, винятки з періодичного закону, заснованого на вазі, мали на увазі деяку іншу властивість, що призвело до періодичності.

Властивість, на якій заснована періодичність, - це електронна структура атомів. Наша модель електронної структури є як науково, так і філософськи цікавою, оскільки вона заснована на хвильовій моделі для електронів. Щоб дізнатися більше про нашу сучасну електронну структуру атомів і відкриття, які привели до цього розуміння, подивіться відео нижче.

Відкриття радіоактивності та трансмутації означало, що один вид атома може змінитися в інший. Це він може пояснити, якщо атоми мають будову. Зміна цієї структури може спричинити новий вид атома. Експерименти з електронно-променевими трубками показали, що електрони, які дуже легкі і несуть негативний заряд, присутні у всіх атомах. Інтерпретація Резерфорда експерименту Гейгера-Марсдена припустила, що електрони займають більшу частину об'єму атома, тоді як більша частина маси зосереджена в невеликому позитивно зарядженому ядрі. Рентгенівські спектри Мозлі та існування ізотопів дали зрозуміти, що акцент Далтона на важливості атомної ваги доведеться йому впасти. Хімічна поведінка атома визначається тим, скільки протонів знаходиться в ядрі. Зміна кількості нейтронів змінює атомну масу, але дуже мало впливає на хімію. Ідентичність елемента залежить від його атомного номера, а не від його атомної ваги. Якщо періодичний закон повторюється як «Коли елементи перераховуються в порядку збільшення атомного номера, їх властивості періодично змінюються», винятків немає.