Е.В. Савинкина, Г.П. Логинова, С.С. Плоткин - История химии. Элективный курс (1118120), страница 31
Текст из файла (страница 31)
Г. Гельмгольц утверждал: «Если мы примем гипотезу,что простые вещества состоят из атомов, мы не можем избежать заключения, что и электричество, как положительное,так и отрицательное, разделяется на определенные порции,которые ведут себя подобно атомам электричества».6,5.
Строение вещества 159Эту идею необходимо было подтвердить экспериментально,что попытались сделать при изучении явления проводимостигазов. Было известно, что под действием постоянного электрического тока высокой мощности газы начинают проводитьток. Ученые обнаружили, что если в трубке, в которую впаяныкатод (отрицательный электрод) и анод (положительный электрод), создать глубокий вакуум, в ней появляются катодныелучи, представляющие собой поток быстрых отрицательныхчастиц, размер которых значительно меньше атома.В 1897-1898 гг. английскому физику Джозефу Джону Томсону (1856-1940) удалось определить заряд, массу и размеры«атома электричества», который к тому времени уже получилназвание «электрон».
В 1903 г. он предложил одну из первыхмоделей атома, представлявшую собой сферу, заполненнуюнеким положительным зарядом и отрицательно заряженнымиэлектронами («пудинг с изюмом»). А в 1906 г. Томсон сталлауреатом Нобелевской премии по физике.В 1899 г. Э. Резерфорд показал, что уран испускает два видалучей, и назвал их а- и /3-лучами. Совместно с немецким физиком Г. Гейгером в 1908 г.
он доказал, что а-частицы являютсядважды ионизированными атомами гелия. В 1911 г. Резерфордпровел опыты по рассеянию а-частиц тонкой металлическойфольгой. Оказалось, что примерно одна из каждых 20 тыс.о>частиц возвращается назад. По словам Резерфорда, «этобыло почти столь же неправдоподобно, как если бы вы произвели выстрел по обрывку папиросной бумаги 15-дюймовымснарядом, а он бы вернулся назад и угодил в вас». Такоеявление можно было объяснить лишь тем, «что атом содержитцентральный заряд, сосредоточенный в очень малом объеме».Резерфорд рассчитал, что ядро атома должно быть в 10 тысячраз меньше всего атома.Вскоре было доказано, что каждый химический элементхарактеризуется определенным зарядом ядра атома. При этомзаряд ядра атома элемента совпадает с его номером в периодической системе.Как только выяснилось, что атом не является мельчайшейчастицей вещества, а состоит из ядра и электронов, всталвопрос: а из чего же построено ядро атома? Наиболее простоеядро имеет атом водорода — у него самые маленькие заряд имасса.
В 1920 г. Резерфорд предложил называть ядро атомаводорода протоном и высказал предположение, что существуетядерная частица, имеющая такую же массу, как протон, нобез заряда. Эта частица — нейтрон — была открыта лишь в160Часть 6. Развитие физической химии1932 г. английским физиком Дж. Чедвиком (1891—1974), который исследовал эффекты, возникающие при облучении бериллия а-частицами. По словам самого Чедвика, «нескольких днейнапряженной работы оказалось достаточно, чтобы показать,что эти странные эффекты обязаны своим происхождениемнейтральной частице».
Чедвик сумел также оценить ее массу.За это открытие в 1935 г. он был удостоен Нобелевской премиипо физике.Сразу после открытия нейтрона Дмитрием ДмитриевичемИваненко (1904-1994) и Евгением Никитичем Талоном (19041950) в нашей стране и Берне ром Гейзенбергом (1901-1976)в Германии была выдвинута гипотеза, согласно которой атомное ядро состоит из протонов и нейтронов.
При этом числопротонов равно заряду ядра, а суммарное число протонов инейтронов определяет его относительную массу.Вопросы1. Почему исследования строения ядра проводились параллельно с исследованием радиоактивности?2. Предположения о планетарном строении атома выдвигалисьнеоднократно, начиная с 1901 г. Почему автором планетарной модели тем не менее считают Резерфорда?6.5.3. Появление квантовой химииКакие экспериментальные данные можно использоватьдля подтверждения или опровержения гипотез о строенииэлектронной оболочки атома?После того как было установлено, что атом состоит из ядраи электронов, стало окончательно ясно, что индивидуальностьэлемента определяется зарядом ядра его атома, или количеством протонов в ядре.
Однако в химических превращенияхядра не участвуют. Поэтому началось более внимательноеизучение строения электронных оболочек атомов.Первые ядерные модели атома были похожи на Солнечнуюсистему. Однако описать движение электрона так же, как описывается движение планет, оказалось невозможным, так какзаряженная частица, движущаяся по кругу, должна излучатьэлектромагнитные волны, терять энергию и падать на ядро.В 1912 г.
датский физик Нильс Хендрик Давид Бор (18851962) предложил решить эту проблему, выделив для электронов так называемые стационарные орбиты, двигаясь по6.5. Строение вещества161которым, электроны не излучают энергию. Излучение можетпроисходить лишь при переходе электрона с одной орбиты надругую. Начав с квантовой теории атома водорода, Бор построил модели атомов других химических элементов, разработавсхему формирования электронных конфигураций атомов помере роста заряда ядра. В 1921 г. он заложил теоретическиеосновы периодической системы элементов, в которой связалпериодичность свойств элементов с последовательностью заполнения электронных оболочек атомов. В 1922 г.
Бор сталлауреатом Нобелевской премии по физике.Со временем были сформулированы новые гипотезы, позволившие более точно представить движение электронов.В 1925 г. появилась матричная механика В. Гейзенберга, математический аппарат которой позволил вычислить интенсивность спектральных линий элементов. В 1927 г. Гейзенберг сформулировал принцип неопределенности, который отразил ограниченность применения макромеханики к явленияммикромира.Почти одновременно с Гейзенбергом свою теорию движения электронов разработал австрийский физик-теоретик ЭрвинШрёдингер (1887-1961), который рассматривал электрон какволну. Он вывел уравнение (уравнение Шрёдингера), котороеописывало поведение электрона в атоме водорода.
Это уравнение играет в квантовой физике такую же фундаментальнуюроль, как законы движения Ньютона в классической физике.В 1933 г. Шрёдингер стал лауреатом Нобелевской премии пофизике (совместно с П. Дираком).Шрёдингер установил связь разработанной им волновоймеханики с матричной механикой Гейзенберга и теорией Бораи показал их физическую тождественность. Эти теории былиобъединены в квантовой механике, которая в применении кхимическим объектам получила развитие в квантовой химии.Наиболее удобным методом описания электронного строенияатома оказалось решение волнового уравнения Шрёдингера.Полученные результаты хорошо согласуются с экспериментальными данными.В настоящее время благодаря методам квантовой механики известно электронное строение всех существующих видоватомов.
Атом элемента описывается определенной электронной конфигурацией (электронной формулой), зная которую,можно сделать предположения о химических свойствах этогоэлемента.162Часть 6.6.5.Развитие физической химииСтроение вещества163Вопросы1. Какие свойства веществ помогает понять и предсказатьквантовая теория?2. Достаточно ли знания законов классической и квантовоймеханики для описания живого организма?6.5.4.
Учение о химической связиКак развивались представления о силах, соединяющих атомы, с древности до конца XIX в.?Первые шаги в понимании природы химической с в я з и удалось сделать только после открытия электрона и разработкиэлектронной теории строения атома. Уже в 1899 г. была высказана идея о сродстве атомов к электрону.
На основанииэтой идеи немецкий химик Рихард Абегг (1869-1910) р а з в и лпредставление о полярной валентности или электровалентности. Такой валентностью обладают ионы, причем она определяется зарядом иона. Максимальная положительная и л и отрицательная валентность ионов элементов зависит от п о л о ж е н и яэлемента в периодической системе. Для каждого элемента сумма противоположных по знаку валентностей (по абсолютнойвеличине) равна 8.В начале XX в. многие ученые выступали с попыткамиобъяснения механизма химической связи. В 1916 г. немецкийфизик Вальтер Косее ль (1888-1956) предположил, что всемолекулы состоят из заряженных ионов, взаимодействующихпо закону Кулона. Он заметил, что атомы благородных газовобладают особо устойчивой 8-электронной внешней оболочкой(октет), кроме атома гелия, который обладает 2-электроннойоболочкой, а атомы других элементов имеют во внешнейэлектронной оболочке меньше восьми электронов — неполныйоктет.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
