มาดูกันว่าอะตอมถูกสร้างขึ้นอย่างไร โปรดทราบว่าเราจะพูดถึงแต่โมเดลเท่านั้น ในทางปฏิบัติ อะตอมเป็นโครงสร้างที่ซับซ้อนกว่ามาก แต่ด้วยการพัฒนาที่ทันสมัย เราสามารถอธิบายและทำนายคุณสมบัติขององค์ประกอบทางเคมีได้สำเร็จ (แม้ว่าจะไม่ใช่ทั้งหมด) ดังนั้นโครงสร้างของอะตอมคืออะไร? "ทำ" จากอะไร?
แบบจำลองดาวเคราะห์ของอะตอม
เสนอครั้งแรกโดยนักฟิสิกส์ชาวเดนมาร์ก N. Bohr ในปี 1913 นี่เป็นทฤษฎีแรกของโครงสร้างของอะตอมตามข้อเท็จจริงทางวิทยาศาสตร์ นอกจากนี้ เธอยังได้วางรากฐานสำหรับคำศัพท์เฉพาะเรื่องที่ทันสมัย ในนั้นอนุภาคอิเล็กตรอนทำให้เกิดการเคลื่อนที่แบบหมุนรอบอะตอมในลักษณะเดียวกับดาวเคราะห์รอบดวงอาทิตย์ บอร์แนะนำว่าสามารถดำรงอยู่ในวงโคจรที่อยู่ห่างจากนิวเคลียสที่กำหนดไว้อย่างเคร่งครัด ทำไมนักวิทยาศาสตร์จากตำแหน่งวิทยาศาสตร์จึงไม่สามารถอธิบายได้ แต่แบบจำลองดังกล่าวได้รับการยืนยันจากการทดลองหลายครั้ง เลขจำนวนเต็มถูกใช้เพื่อกำหนดวงโคจร โดยเริ่มจากหน่วยที่มีหมายเลขใกล้กับนิวเคลียสมากที่สุด วงโคจรทั้งหมดเหล่านี้เรียกว่าระดับ อะตอมไฮโดรเจนมีเพียงระดับเดียวเท่านั้นที่อิเล็กตรอนหนึ่งตัวหมุนแต่อะตอมที่ซับซ้อนมีระดับมากกว่า พวกมันถูกแบ่งออกเป็นส่วนประกอบที่รวมอิเล็กตรอนที่มีศักย์พลังงานใกล้เคียงกัน ดังนั้นอันที่สองมีสองระดับย่อยแล้ว - 2s และ 2p อันที่สามมีสาม - 3s, 3p และ 3d แล้ว เป็นต้น อย่างแรก ระดับย่อยที่ใกล้กับนิวเคลียสคือ "ประชากร" และระดับย่อยที่อยู่ไกลออกไป แต่ละคนสามารถเก็บอิเลคตรอนได้จำนวนหนึ่งเท่านั้น แต่นี่ไม่ใช่จุดสิ้นสุด แต่ละระดับย่อยจะแบ่งออกเป็นออร์บิทัล มาเปรียบเทียบชีวิตธรรมดากัน เมฆอิเล็กตรอนของอะตอมเปรียบได้กับเมือง ระดับคือถนน ระดับย่อย - บ้านหรืออพาร์ตเมนต์ส่วนตัว Orbital เป็นห้อง แต่ละคน "มีชีวิตอยู่" หนึ่งหรือสองอิเล็กตรอน ทั้งหมดมีที่อยู่เฉพาะ นี่เป็นแผนภาพแรกของโครงสร้างของอะตอม และสุดท้ายเกี่ยวกับที่อยู่ของอิเล็กตรอน: ถูกกำหนดโดยชุดตัวเลขที่เรียกว่า "ควอนตัม"
แบบจำลองคลื่นของอะตอม
แต่เมื่อเวลาผ่านไป แบบจำลองดาวเคราะห์ก็ได้รับการแก้ไข มีการเสนอทฤษฎีที่สองเกี่ยวกับโครงสร้างของอะตอม มันสมบูรณ์แบบกว่าและช่วยให้อธิบายผลลัพธ์ของการทดลองภาคปฏิบัติได้ แบบจำลองคลื่นของอะตอมที่เสนอโดย E. Schrödinger ได้เข้ามาแทนที่รูปแบบแรก จากนั้นเป็นที่ยอมรับแล้วว่าอิเล็กตรอนสามารถแสดงออกได้ไม่เพียง แต่เป็นอนุภาคเท่านั้น แต่ยังเป็นคลื่นด้วย ชโรดิงเงอร์ มีอะไรทำ? เขาใช้สมการที่อธิบายการเคลื่อนที่ของคลื่นในพื้นที่สามมิติ ดังนั้นไม่มีใครสามารถค้นหาวิถีของอิเล็กตรอนในอะตอมไม่ได้ แต่ความน่าจะเป็นของการตรวจจับ ณ จุดหนึ่ง ทั้งสองทฤษฎีรวมกันเป็นหนึ่งโดยข้อเท็จจริงที่ว่าอนุภาคมูลฐานตั้งอยู่บนระดับเฉพาะ ระดับย่อย และออร์บิทัล นี่คือจุดที่ความคล้ายคลึงกันของแบบจำลองสิ้นสุดลง ฉันจะยกตัวอย่าง - ในทฤษฎีคลื่น การโคจรเป็นบริเวณที่จะสามารถหาอิเล็กตรอนที่มีความน่าจะเป็น 95% ส่วนที่เหลือของพื้นที่คิดเป็น 5% แต่สุดท้ายกลับกลายเป็นว่าลักษณะโครงสร้างของอะตอมนั้นแสดงโดยใช้แบบจำลองคลื่น แม้ว่าจะมีการใช้คำศัพท์ในลักษณะทั่วไปก็ตาม
แนวคิดของความน่าจะเป็นในกรณีนี้
ทำไมจึงใช้คำนี้? ไฮเซนเบิร์กได้กำหนดหลักการความไม่แน่นอนในปี พ.ศ. 2470 ซึ่งปัจจุบันใช้เพื่ออธิบายการเคลื่อนที่ของอนุภาคขนาดเล็ก มันขึ้นอยู่กับความแตกต่างพื้นฐานจากร่างกายทั่วไป มันคืออะไร? กลศาสตร์คลาสสิกสันนิษฐานว่าบุคคลสามารถสังเกตปรากฏการณ์โดยไม่กระทบต่อพวกเขา (การสังเกตเทห์ฟากฟ้า) จากข้อมูลที่ได้รับ เป็นไปได้ที่จะคำนวณว่าวัตถุจะอยู่ ณ จุดใดในช่วงเวลาหนึ่ง แต่ในพิภพเล็ก ๆ สิ่งต่าง ๆ จำเป็นต้องแตกต่างกัน ตัวอย่างเช่น การสังเกตอิเล็กตรอนโดยไม่กระทบกระเทือน ตอนนี้มันเป็นไปไม่ได้ เนื่องจากข้อเท็จจริงที่ว่าพลังงานของเครื่องมือและอนุภาคนั้นหาที่เปรียบมิได้ สิ่งนี้นำไปสู่ความจริงที่ว่าตำแหน่งของอนุภาคมูลฐาน สถานะ ทิศทาง ความเร็วของการเคลื่อนที่และพารามิเตอร์อื่น ๆ เปลี่ยนไป และมันไม่สมเหตุสมผลเลยที่จะพูดถึงลักษณะที่แน่นอน หลักการความไม่แน่นอนบอกเราว่าเป็นไปไม่ได้ที่จะคำนวณวิถีโคจรของอิเล็กตรอนรอบนิวเคลียสที่แน่นอน คุณสามารถระบุความน่าจะเป็นที่จะหาอนุภาคได้เฉพาะในบางพื้นที่เท่านั้นช่องว่าง. นี่คือลักษณะเฉพาะของโครงสร้างอะตอมขององค์ประกอบทางเคมี แต่สิ่งนี้ควรนำมาพิจารณาโดยนักวิทยาศาสตร์โดยเฉพาะในการทดลองภาคปฏิบัติ
องค์ประกอบของอะตอม
แต่มาเน้นให้ครบทั้งเรื่อง ดังนั้น นอกเหนือจากเปลือกอิเล็กตรอนที่พิจารณาอย่างดีแล้ว องค์ประกอบที่สองของอะตอมก็คือนิวเคลียส ประกอบด้วยโปรตอนที่มีประจุบวกและนิวตรอนที่เป็นกลาง เราทุกคนคุ้นเคยกับตารางธาตุ จำนวนของแต่ละองค์ประกอบสอดคล้องกับจำนวนของโปรตอนที่มีอยู่ จำนวนนิวตรอนเท่ากับผลต่างระหว่างมวลของอะตอมกับจำนวนโปรตอน อาจมีการเบี่ยงเบนจากกฎนี้ จากนั้นพวกเขาก็บอกว่ามีไอโซโทปของธาตุอยู่ โครงสร้างของอะตอมมีลักษณะที่ "ล้อมรอบ" ด้วยเปลือกอิเล็กตรอน จำนวนอิเล็กตรอนมักจะเท่ากับจำนวนโปรตอน มวลของมวลหลังนี้มากกว่ามวลเดิมประมาณ 1840 เท่า และมีน้ำหนักเท่ากับนิวตรอนโดยประมาณ รัศมีของนิวเคลียสมีเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 1/200,000 ของอะตอม ตัวเขาเองมีรูปร่างเป็นทรงกลม โดยทั่วไปนี่คือโครงสร้างของอะตอมขององค์ประกอบทางเคมี แม้จะมีความแตกต่างในด้านมวลและคุณสมบัติ แต่ก็ดูเหมือนกัน
วงโคจร
เมื่อพูดถึงโครงร่างของโครงสร้างของอะตอมแล้ว เราไม่สามารถนิ่งเฉยต่อพวกมันได้ มีประเภทเหล่านี้:
- s. พวกมันเป็นทรงกลม
- p. พวกมันดูเหมือนร่างใหญ่แปดหรือแกนหมุน
- d และ f. พวกมันมีรูปร่างซับซ้อนที่อธิบายยากในภาษาที่เป็นทางการ
อิเล็กตรอนแต่ละประเภทสามารถพบได้ในอาณาเขต 95%วงโคจรที่สอดคล้องกัน ข้อมูลที่นำเสนอจะต้องดำเนินการอย่างใจเย็น เนื่องจากเป็นแบบจำลองทางคณิตศาสตร์ที่เป็นนามธรรมมากกว่าสภาพจริงของกิจการ แต่ด้วยทั้งหมดนี้ มันมีพลังในการทำนายที่ดีเกี่ยวกับคุณสมบัติทางเคมีของอะตอมและแม้กระทั่งโมเลกุล ยิ่งระดับนั้นอยู่ห่างจากนิวเคลียสมากเท่าไร อิเล็กตรอนก็จะยิ่งสามารถวางลงบนมันได้มากเท่านั้น ดังนั้น จำนวนของออร์บิทัลสามารถคำนวณได้โดยใช้สูตรพิเศษ: x2 โดยที่ x เท่ากับจำนวนระดับ และเนื่องจากสามารถวางอิเล็กตรอนได้ถึง 2 ตัวบนออร์บิทัล สูตรสุดท้ายสำหรับการค้นหาด้วยตัวเลขจะออกมาดังนี้: 2x2
วงโคจร: ข้อมูลทางเทคนิค
ถ้าพูดถึงโครงสร้างของอะตอมฟลูออรีนก็จะมีออร์บิทัลสามออร์บิทัล ทั้งหมดจะถูกเติมเต็ม พลังงานของออร์บิทัลภายในระดับย่อยเดียวกันนั้นเท่ากัน หากต้องการกำหนด ให้เพิ่มหมายเลขเลเยอร์: 2s, 4p, 6d เรากลับไปที่การสนทนาเกี่ยวกับโครงสร้างของอะตอมฟลูออรีน มันจะมี s- และหนึ่ง p-sublevel มีโปรตอนเก้าตัวและมีจำนวนอิเล็กตรอนเท่ากัน ระดับ s ตัวแรก นี่คืออิเล็กตรอนสองตัว จากนั้นระดับ s ที่สอง อีกสองอิเล็กตรอน และ 5 เติม p-level นี่คือโครงสร้างของเขา หลังจากอ่านหัวข้อย่อยต่อไปนี้แล้ว คุณสามารถดำเนินการที่จำเป็นด้วยตัวเองและดูด้วยตาคุณเอง หากเราพูดถึงคุณสมบัติทางกายภาพของฮาโลเจนซึ่งรวมถึงฟลูออรีนแล้วควรสังเกตว่าแม้ว่าจะอยู่ในกลุ่มเดียวกัน แต่มีลักษณะแตกต่างกันโดยสิ้นเชิง ดังนั้น จุดเดือดของพวกมันจึงอยู่ในช่วง -188 ถึง 309องศาเซลเซียส เหตุใดจึงรวมกัน ต้องขอบคุณคุณสมบัติทางเคมีทั้งหมด ฮาโลเจนทั้งหมดและฟลูออรีนในระดับสูงสุด มีกำลังออกซิไดซ์สูงสุด พวกมันทำปฏิกิริยากับโลหะและสามารถจุดไฟได้เองที่อุณหภูมิห้องโดยไม่มีปัญหาใดๆ
วงโคจรเต็มไปอย่างไร
อิเล็กตรอนเรียงตามกฎและหลักการอะไร? เราขอแนะนำให้คุณทำความคุ้นเคยกับสามคำหลัก มีการใช้ถ้อยคำอย่างง่ายเพื่อความเข้าใจที่ดีขึ้น:
- หลักการพลังงานน้อยที่สุด. อิเล็กตรอนมักจะเติมออร์บิทัลตามลำดับการเพิ่มพลังงาน
- หลักการของเปาลี. หนึ่งออร์บิทัลไม่สามารถมีอิเล็กตรอนเกินสองตัว
- กฎของฮัน ภายในหนึ่งระดับย่อย อิเล็กตรอนจะเติมออร์บิทัลอิสระก่อน จากนั้นจึงสร้างคู่
ระบบเป็นระยะของ Mendeleev จะช่วยเติมเต็ม และโครงสร้างของอะตอมในกรณีนี้จะเข้าใจมากขึ้นในแง่ของภาพ ดังนั้นในการทำงานจริงกับการสร้างวงจรขององค์ประกอบจึงจำเป็นต้องเก็บไว้ในมือ
ตัวอย่าง
เพื่อสรุปทุกอย่างที่กล่าวไว้ในบทความ คุณสามารถสร้างตัวอย่างวิธีการกระจายอิเล็กตรอนของอะตอมในระดับ ระดับย่อย และออร์บิทัล (นั่นคือ การกำหนดค่าระดับคืออะไร) มันสามารถแสดงเป็นสูตร ไดอะแกรมพลังงาน หรือเป็นไดอะแกรมเลเยอร์ มีภาพประกอบที่ดีมากซึ่งเมื่อตรวจสอบอย่างใกล้ชิดจะช่วยให้เข้าใจโครงสร้างของอะตอม ดังนั้นระดับแรกจะเต็มก่อน มันมีเพียงหนึ่งระดับย่อยซึ่งมีเพียงหนึ่งวง ระดับทั้งหมดจะถูกเติมตามลำดับโดยเริ่มจากระดับที่น้อยที่สุด อย่างแรก ภายในหนึ่งระดับย่อย อิเล็กตรอนหนึ่งตัวจะถูกวางในแต่ละออร์บิทัล จากนั้นคู่จะถูกสร้างขึ้น และหากมีตัวว่างก็จะสลับไปที่ตัวเติมอื่น และตอนนี้คุณสามารถค้นหาโครงสร้างของอะตอมไนโตรเจนหรือฟลูออรีนได้อย่างอิสระ (ซึ่งได้รับการพิจารณาก่อนหน้านี้) ในตอนแรกอาจยุ่งยากเล็กน้อย แต่คุณสามารถไปยังส่วนต่างๆ ได้ด้วยการดูรูปภาพ เพื่อความชัดเจน เรามาดูโครงสร้างของอะตอมไนโตรเจนกัน มันมี 7 โปรตอน (รวมกับนิวตรอนที่ประกอบเป็นนิวเคลียส) และจำนวนอิเล็กตรอนเท่ากัน (ซึ่งประกอบเป็นเปลือกอิเล็กตรอน) ระดับ s แรกจะเต็มก่อน มีอิเล็กตรอน 2 ตัว แล้วก็มาถึงระดับ s ที่สอง มีอิเลคตรอน 2 ตัวด้วย และอีกสามตัวถูกวางไว้ที่ระดับ p โดยที่แต่ละอันอยู่ในหนึ่งออร์บิทัล
สรุป
อย่างที่คุณเห็น โครงสร้างของอะตอมไม่ใช่หัวข้อที่ยากนัก (แน่นอนว่าหากคุณเข้าถึงจากมุมมองของหลักสูตรเคมีของโรงเรียน) และไม่ยากที่จะเข้าใจหัวข้อนี้ สุดท้ายนี้ ฉันต้องการแจ้งให้คุณทราบเกี่ยวกับคุณลักษณะบางอย่าง ตัวอย่างเช่น เมื่อพูดถึงโครงสร้างของอะตอมออกซิเจน เรารู้ว่ามีโปรตอนแปดตัวและนิวตรอน 8-10 ตัว และเนื่องจากทุกสิ่งในธรรมชาติมีแนวโน้มที่จะสมดุล อะตอมของออกซิเจนสองอะตอมจึงก่อตัวเป็นโมเลกุล โดยที่อิเล็กตรอนสองตัวที่ไม่มีคู่จะสร้างพันธะโควาเลนต์ ในทำนองเดียวกัน โมเลกุลออกซิเจนที่เสถียรอีกตัวหนึ่งก็ก่อตัวขึ้น - โอโซน (O3) เมื่อทราบโครงสร้างของอะตอมออกซิเจนแล้วจะสามารถกำหนดปฏิกิริยาออกซิเดชันได้อย่างถูกต้องในซึ่งเกี่ยวข้องกับสารที่พบบ่อยที่สุดในโลก
