Лекция № 1. Строение атома. Предпосылки создания теории строения атома

Вся окружающая нас природа представлена простыми и сложными веществами, которые состоят из атомов. Поэтому изучение общей химии мы начинаем с проникновения в тайны строения мельчайшей частицы вещества – атома.

Рассмотрим теперь научные предпосылки создания атомистической теории. В конце XVIII-начале XIX вв. появилась научная основа для признания учеными атомистического строения материи. В этот период были открыты и установлены многие стехиометрические законы химии (стехиометрия – раздел химии, изучающий количественный состав веществ и количественные соотношения (масс, объемов) между реагирующими веществами).

1. Закон постоянства состава (И. Пруст, 1801 г.).

2. Закон сохранения материи и движения, а также его частный случай – закон сохранения массы, открытый М. В. Ломоносовым в 1760 г. и подтвержденный впоследствии А. Лавуазье, Р. Майером, А. Эйнштейном.

3. Закон эквивалентов (Дж. Дальтон, 1803 г.).

4. Закон кратных отношений и атомистическая гипотеза о строении вещества (Дж. Дальтон, 1803 г.).

5. Закон объемных отношений (Ж. Л. Гей-Люссак, 1808 г.).

6. Закон Авогадро (1811 г.).

Все эти законы подтверждали атомистическую теорию строения вещества. Возрожденное Дж. Дальтоном понятие «атома» и введенное им в химию понятие «атомного веса» получили широкое распространение в науке к концу XIX в. Наука к этому времени достигла такого уровня, что была уже в состоянии заглянуть в более глубокие тайны строения материи.

Основные научные открытия конца XIX-начала XX в. В настоящее время доказано, что атом в первом приближении состоит из электронной оболочки и атомного ядра, состоящего в свою очередь из элементарных частиц. Более 100 лет назад ученые не знали ни о ядре, ни об электронах, его окружающих. Впервые поток электронов (катодные лучи) наблюдал Крукс в 1879 г. Однако название отрицательно заряженным катодным лучам по предложению английского физика С. Стонея дано Дж. Дж. Томсоном в 1870 г. Они были названы электронами.

В 1872 г. Эдисон обнаружил явление термоэмиссии – при сильном нагревании металл терял электроны.

А. Г. Столетов (1888 – 1890 гг.) и Г. Герц обнаружили и всесторонне исследовали явление фотоэффекта – вырывание электронов с поверхности металла под действием света.

В 1896 г. Гольдштейном (Германия) были обнаружены так называемые каналовые лучи – поток положительно заряженных частиц. С открытием катодных и каналовых лучей стало ясно, что атом включает в себя как положительно заряженные частицы, так и отрицательно заряженные электроны.

Дж.Дж. Томсоном в 1887 г. было измерено отношение заряда электрона к его массе:

= 1,75910¹¹ Кл/кг.

Позднее Р. Милликеном (1909-1914 гг.) был определен заряд электрона q_е, равный 1,60210^-19 Кл. А зная заряд электрона, определена его масса m_e = =9,110^-31 кг.

Дж. Дж. Томсон, исследуя каналовые лучи, нашел, что при потере электрона, атом водорода приобретал заряд, равный 1,60210^-19 Кл, а масса этой частицы (протона, р) была в 1836 раз больше массы электрона m_р = =1,6710^-27 кг.

Объяснению сложного строения атома способствовали еще два важных открытия XIX в. Первое – открытие рентгеновских лучей (В.К. Рентген, 1895 г/, X-лучи), которые не отклонялись ни в электрическом, ни в магнитных полях и обладали большой проникающей способностью. Второе открытие – установление в 1896 г. французом Анри Беккереем явления радиоактивности при исследовании действия на фотопленку солей урана. Явление засвечивания фотопленки солями урана было известно еще в 1868 г. (Ниепе де Сен-Виктор), но тогда данному сообщению в Парижской академии наук не придали никакого значения.

Исследование влияния магнитного и электрического полей на радиоактивность показало, что оно не однородно и состоит из , , - лучей. -лучи – поток положительно заряженных частиц с массой, равной четырем атомным массам протона, и которые имеют заряд, в два раза превышающий заряд электрона (это ядра атомов гелия, движущиеся со скоростью 16000 км/с); -лучи – поток электронов, двигающихся со скоростью 150-300 тыс. км/с; - лучи – электромагнитное излучение, подобное рентгеновскому, но с более короткой длиной волны  (_рентг.  1Å (10^-10 м); _{- лучей}  0,1 – 0,02 Å (110^-11 – 110^-12 м)) и с еще большей проникающей способностью, чем рентгеновские лучи.

Изучение радиоактивных лучей привело Э. Резерфорда к мысли, что эти лучи являются результатом самопроизвольного распада атомов (1903 г.). Позднее Сидди показал, что радиоактивное излучение сопровождается превращением атомов одного химического элемента в атомы другого химического элемента.

Важное значение в утверждении атомно-молекулярного учения имели принятые на Международном съезде химиков (г. Карлсруэ, 1860 г.) понятия атома и молекулы.

Атом – наименьшая частица химического элемента, входящая в состав молекул простых и сложных веществ.

Молекула – это наименьшая частица данного вещества, обладающая его химическими свойствами. Химические свойства молекулы определяются составом и химическим строением.

В результате открытий конца XIX-начала XX в. были определены размеры атома, их массы, а также массы и заряды электрона и протона: d_ат.  110^-10 м (1 Å), m_ат.  1,610^-27 - 4,310^-25 кг; m_е  9,110^-31 кг; q_е = q_р = 1,60210^-19 Кл; m_р = 1,6710^-27 кг (1886 m_е).

Учитывая, что атом в целом нейтральная частица, можно дать современное определение атома.

Атом – это электронейтральная микросистема, состоящая из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов. В атоме различают две частицы: ядро, внутреннюю часть, весьма малого объема (110^-13 см³), имеющую невероятно высокую плотность вещества 10¹⁴ –10¹⁵ г/см³ (в 1 см³ 100 млн. т.), и электронную оболочку, внешнюю часть, имеющую значительную протяженность 110^-10 м и очень малую плотность вещества.