Модели строения атома и природа химической связи

 

Содержание

 

 

Введение

Вопрос о том, как же устроено вещество и из каких частиц состоит, будоражил и будоражит мысли ученых – начиная со времен Древней Греции и заканчивая настоящим временем, временем Большого Адронного Коллайдера.

Этот вопрос является актуальным, поскольку дает нам знание о течении процессов, следовательно, позволяет грамотно объяснить и трактовать механизмы превращений. Цель этой небольшой работы заключается в том, чтобы рассказать читателю самые азы строения вещества, не вдаваясь в детальные описания с точки зрении квантовой механики и не нагружая большими формулами. Задачи работы – в описании исторического экскурса, рассказе о моделях, предложенных разными учеными и о природе химической связи.

 

Глава 1. Исторический экскурс

А сейчас давайте заглянем за завесу истории. Догадки о строении вещества высказывались еще древними греками. Первым ученым, а точнее, философом, выдвинувшим догадку о том, что материя дискретна, т.е. состоит из дискретных, отдельных частиц, был Демокрит (ок.470 г. до н.э.). Демокрит утверждал, что все тела состоят из огромного количества очень малых, совершенно невидимых глазу частиц. Демокрит называл их атомами (от греч. «неделимый»). Они весьма разнообразны по форме, имеют выпуклости, впадины и зазубрины, которыми сцепляются друг с другом, из-за чего могут существовать материальные тела, которые являются мегаскоплениями таких частиц. А по сути, в природе существуют лишь атомы и пустота. Демокрит полагал, что атомы вечны, неизменны во времени и неделимы. А все изменения во Вселенной есть следствие изменения связи между атомами, но не есть следствие изменений самих атомов.

Затем эта мысль, как эстафетная палочка, была подхвачена и развивалась далее – появились предположения о том, что молекулы могут иметь разную форму, например, куба (атомы «земли»), тетраэдра (атомы «огня»), октаэдра (атомы «воздуха»), икосаэдра (атомы «воды»). По причине чего мир, что состоит из таких атомов, бесконечно многогранен в качествах и свойствах. Вода растекается и принимает любую форму, потому что ее атомы скользки и гладки. У атомов более вязких веществ начинают появляться зазубрины. В пустоте, в воздухе, только изредка встречаются отдельные редкие атомы. Огонь обжигает, т.к. его атомы остры и колючи. Прежде чем учеными были получены экспериментальные подтверждения атомной теории, прошло более двадцати веков. [1]

 

Глава 2. Атомные модели в XIX-XX вв

К XIX-XX вв. уже сформировалась химия как наука о веществах и их превращениях. Уже было установлено, что молекула есть самая мелкая частица вещества, что ей присущи все химическими свойствами ее вещества, что сама молекула есть скопление атомов, которых связывают химические связи. А вот что внутри атомов, еще не известно. Но теперь это знают даже школьники. Однако на тот момент, вывод о том, что внутри атома вещества находится огромное и тяжелое положительно заряженное ядро, а вокруг него вращаются отрицательно заряженные и почти с нулевой массой электроны, звучал действительно сенсационно.

2.1 Атомная модель Бора-Резерфорда

Появление сообщений об открытии радиоактивного излучения, а также новой квантовой теории обусловили появление квантовой модели атома Резерфорда-Бора. Однако до этой теории были неоднократные попытки создания атомной модели исходя из представлений классической электродинамики и механики.

В начале XX в., появляются первые сообщения о строении атома, датируется это 1904 годом и сообщения принадлежат японскому физику Хантаро Нагаоке (1865-1950), а также английскому физику Дж.Дж.Томсону.

Нагаока проводит параллель в строении атома со строением солнечной системы: Солнце есть положительно заряженное огромное ядро атома, вокруг него по стационарным орбитам движутся «планеты» – электроны.

Модель атома Томсона носит название «булочка с изюмом» - здесь положительный заряд «размазан» по сфере, а в сферу включены, как изюм в булочку, электроны. Томсон считал, что атомах электроны находятся в устойчивых конфигурациях, и пытался рассчитать их, утверждая, что от каждой из таких конфигураций зависят химические свойства вещества. То есть это была попытка найти теоретическое объяснение периодической системы элементов Д. И. Менделеева. Бор говорил о ней как о «знаменитой», утверждая, что с этой попытки «мысль о разделении электронов в атоме на группы стала исходным пунктом и более новых воззрений». [2]

К так называемой планетарной модели атома приходили многие исследователи: Л. Пуанкаре, Вин и Перрен (в своем докладе считавший себя одним из пионеров этой модели). Однако, новые «маленькие открытия» фактов свидетельствовали против модели Томсона. Факты эти обнаружил Э.Резерфорд.

2.2 Атом Резерфорда.

Эрнст Резерфорд исследовал законы прохождения α-лучей через золотую фольгу (ее можно сделать настолько тонкой, что она станет прозрачной). Пользуясь статистическим распределением, выяснил, что из двух миллионов «вспышек» (сцинцилляций) на экране, покрытом слоем сульфида цинка, масса атома, несущая положительный заряд, локализуется в очень малом объеме. Резерфорд пришел к выводу о существовании положительного ядра у атома и о том, что электроны находятся около ядра атома, а от электронной оболочки зависят пространственные размеры. Часто, говоря о планетарной модели, называют ее «моделью Резерфорда».

Но несмотря на это, Э.Резерфорд определил наличие ядра атома на основе статистического распределения α-частиц по их прохождении через золотую фольгу. В качестве доказательств статистические закономерности были использованы ученым впервые, а потому возникали большие сомнения. Планетарная модель строения атома была против законов классической электродинамики. Нужны были новые доказательства. [7]

В 1896 г. Анри Беккерель неожиданно обнаружил, что уран постоянно испускает проникающее излучение неизвестной природы. Это излучение, как оказалось, имеет совершенно иную, в отличие от природы рентгеновских лучей основу. Беккерель обнаружил существование радиоактивности, начавшее новую эпоху в истории науки и человечества. Суть явления в том, что некоторые вещества (соответственно, радиоактивные) излучают неощутимые, невидимые «лучи», с большой проникающей способностью и тем самым «засвечивают» фотопластинку, даже если ее завернуть в темную бумагу. Нашли, что природа «лучей» у веществ различна. Появилась классификация – α-, β-, γ-лучи. (потом установили, что α-лучи есть это ядра атомов гелия, β-лучи есть поток электронов, а γ-лучи – очень «жесткое» рентгеновское излучение). Беккерель предположил, что это световые лучи.

Резерфорд опроверг предположение Беккереля о сходстве урановых лучей со световыми. Излучение урана не обладало свойствами, характерными для света. Оно не подчинялось законам световой оптики: отражению, преломлению и поляризации. Уже при проведении экспериментов Резерфорд предполагал, что α-частицы помогут исследовать структуру атома, являясь мощными инструментами для проникновения внутрь атома. [3]

Однако, эти модели строения атома имели серьезные недостатки. Они никак не объясняли закономерности и устойчивость движения электронов внутри атома (нет так называемой «атомной катастрофы», т.е. падения отрицательно заряженного электрона на положительно заряженное ядро).

 

2.3 Атом Бора.

Нильс Бор считается Колумбом квантовой теории атома. Именно он, как первопроходец, известен по новой теории. Его предшественники – Никольсон, Штарк, Бьеррум и др., на которых Бор указывает в своих первых статьях, сейчас малоизвестны. Вполне возможно что они – авторы только малых результатов, которые не объединены в систему.

Бор вывел свои знаменитые постулаты, на основе которых началось развитие теоретической атомной физики.

В модели Бора были конкретно обозначенное множество разрешенных орбит, которые выделены так называемыми квантовыми условиями. Каждая разрешенная орбита была устойчива по определению, и ей ставилось в соответствие определенное состояние атома. В любом стационарном, разрешенном состоянии атом мог быть сколь угодно долго. Это отметало единственность стационарного состояния атома «самого по себе». [2]

Во многих стационарных состояниях есть одно основное состояние – в рамках модели оно абсолютно устойчиво. Чтобы «перевести» атом в другие состояния, которые устойчивы лишь относительно, должна была быть некоторая вероятность спонтанного перехода атома в другое, менее возбужденное состояние. Подобные спонтанные переходы осуществлялись в сторону снижения энергии состояния, снижения степени возбуждения атома. Спонтанно возрасти энергия атома не могла. [5]

 

Глава 3. Новая модель строения атома

Итак, закономерный вопрос – для чего нужны в ядре атома, кроме протонов, электрически нейтральные нейтроны? Протон есть «свободный» позитрон. Он окружён «облаком» поляризованных им частиц позитрония. По мере перемещения позитрона в пространстве «облако» сохраняется, но там происходит замена одних частиц позитрония на другие.

Нейтрон – это протон, но «захвативший» «свободный» электрон или электрон из электронной оболочки атома или в результате так называемого «K-захвата», если он в составе ядра атома. [3]

Электрон в нейтроне двигается, смещаясь по отношению к позитрону, сформировавшему протон, как от центра, что имеет положительный электрический заряд. Пара протон + нейтрон есть ядро атома «тяжёлого» водорода – дейтерия. Соответствующая частица – дейтрон. Стабильное ядро дейтерия образует устойчивый изотоп водорода. Дейтрон устойчив из-за бесконечного превращения протона в нейтрон и обратно при переходе электрона. Ядро каждого из следующих после дейтерия в таблице Менделеева атомов химических элементов формируется добавлением к его ядру по одному дейтрону. [6]

По открытии Периодического закона зависимости свойств химических элементов от их массы, Д.И. Менделеев утверждал, что увеличение массы атома приводит и к изменению самого химического элемента. В опубликованной им в феврале 1869 г. статье «Опыт системы элементов, основанный на их атомном весе и химическом сходстве» он пишет: «Величина атомного веса определяет характер (химического) элемента, как величина частицы определяет свойства сложного тела».

 

Глава 4. Природа химической связи

Химическая связь способствует удерживанию атомов в молекуле либо молекул, ионов вместе. Химическая связь по происхождению есть электростатическая сила притяжения между отрицательно заряженными электронами и положительно заряженными ядрами. Размерность этой силы в основном зависит от электронной конфигурации внешней оболочки атомов. К примеру, благородные газы почти не образуют химические связи, потому что они имеют стабильную внешнюю электронную оболочку. А элементы, атомы которых имеют во внешней оболочке только один электрон, легко образуют связи. Это водород, щелочные металлы.

Когда два атома приближаются на малое расстояние, они притягиваются друг к другу. Но если они приближение слишком сильное, то возникает отталкивание. И находится некоторое оптимальное расстояние, когда силы притяжения и отталкивания выравниваются. В таком случае потенциальная энергия двух имеющих взаимодействие атомов минимальна. Это и есть длина связи. Способность атома образовывать химические связи называется его валентностью. Электроны-участники образования химических связей есть валентные электроны.

Теперь принято рассматривать химическую связь не абстрактно, а указывая ее конкретный тип.

4.1 Электронная теория валентности.

Авторы – Г. Н. Льюис и В. Коссель (1916 г.). Атомы, образуя связи, приближаются к достижению самой устойчивой (т.е. имеющей самую низкую энергию) электронной конфигурации. Атомы могут потерять либо присоединить электроны с образованием ионов. Если присоединяют электроны, то превращаются в анионы. В противном случае будут превращаться в катионы. Анионы и катионы с заполненной внешней электронной оболочкой имеют устойчивую электронную конфигурацию. Между анионом и катионом возникает химическая связь, представляющая собой электростатическую силу притяжения. Химическая связь такого типа ранее называлась электровалентной связью, а сейчас – ионной связью.

Другой случай. Атомы могут прийти к устойчивым внешним электронным конфигурациям при обобществлении электронов, возникает химическая связь, которая называется ковалентной связью. Такая связь возникает в результате обобществления пары электронов, поставляемых по одному от каждого атома. Но есть молекулы или многоатомные ионы, где оба таких электрона могут поставляться только одним атомом. Такой вид ковалентной связи называется координационной, донорно-акцепторной или дативной ковалентной связью.

Если атом какого-либо элемента образует химическую связь, приобретая, теряя или обобществляя валентные электроны, его электронная конфигурация становится такой же, как у атома благородного газа, расположенного в конце того периода, где находится данный элемент или в конце предыдущего периода. Атомы всех благородных газов, кроме гелия, имеют во внешней оболочке по восемь электронов, у гелия их два. Это называется устойчивым октетом. Потому образование химических связей посредством достижения устойчивых электронных конфигураций, как в атомах благородных газов, составляет суть так называемого правила октета. Это правило применимо и к ионным, и к ковалентным связям.

Химическая связь в металлах – это отдельный вид связи. Ее не отнесешь ни к ионному типу, ни к ковалентному. В твердом состоянии металлы – это положительно заряженные ионы, плотно упакованные в кристаллическую решетку и удерживаемые вместе свободными электронами, которые «плавают» вокруг ионов в «электронном море». Такой тип связи называется металлической связью.

Существуют другие типы химической связи. Они относятся к слабым взаимодействиям. Это водородная связь и вандерваальсовы силы. 

Заключение.

Можно проследить по истории, что всегда, когда человечество проходит очередную ступень на лестнице, по которой можно проникнуть вглубь вещества, оно получает новое открытие – еще более мощного вида энергии. Горение и взрыв есть перестроение молекул, внутриатомные процессы идут с выделением огромнейшей энергии, еще большее выделение энергии происходит на уровне элементарных частиц. А что будет на следующих ступенях? Резерфорд и Бор показали, что атом не является неделимой частицей, и проливают свет на этот вопрос.