Chemie für Hauptfächer

In in den zwei Jahrhunderten, seit Dalton seine Ideen entwickelt hat, haben Wissenschaftler bedeutende Fortschritte bei der Förderung unseres Verständnisses der Atomtheorie gemacht., Ein Großteil davon stammte aus den Ergebnissen mehrerer bahnbrechender Experimente, die die Details der inneren Struktur von Atomen enthüllten. Hier, Wir werden einige dieser wichtigsten Entwicklungen diskutieren, mit einem Schwerpunkt auf der Anwendung der wissenschaftlichen Methode, sowie zu verstehen, wie die experimentellen Beweise analysiert wurden. Während die historischen Personen und Daten hinter diesen Experimenten sehr interessant sein können, ist es am wichtigsten, die Konzepte zu verstehen, die sich aus ihrer Arbeit ergeben.

Atomtheorie nach dem neunzehnten Jahrhundert

Wenn Materie aus Atomen bestand, woraus bestanden Atome?, Waren sie die kleinsten Partikel oder gab es etwas Kleineres? Jahrhunderts untersuchten eine Reihe von Wissenschaftlern, die sich für solche Fragen interessierten, die elektrischen Entladungen, die in Niederdruckgasen erzeugt werden könnten, mit der bedeutendsten Entdeckung des englischen Physikers J. J. Thomson unter Verwendung einer Kathodenstrahlröhre. Diese Vorrichtung bestand aus einem versiegelten Glasrohr, aus dem fast die gesamte Luft entfernt worden war; Das Rohr enthielt zwei Metallelektroden. Wenn Hochspannung über die Elektroden angelegt wurde, erschien ein sichtbarer Strahl, ein Kathodenstrahl genannt, zwischen ihnen., Dieser Strahl wurde in Richtung der positiven Ladung und weg von der negativen Ladung abgelenkt und wurde auf die gleiche Weise mit identischen Eigenschaften erzeugt, wenn verschiedene Metalle für die Elektroden verwendet wurden. In ähnlichen Experimenten wurde der Strahl gleichzeitig durch ein angelegtes Magnetfeld abgelenkt, und Messungen des Ausmaßes der Auslenkung und der Magnetfeldstärke ermöglichten es Thomson, das Ladungs-zu-Massen-Verhältnis der Kathodenstrahlpartikel zu berechnen. Die Ergebnisse dieser Messungen zeigten, dass diese Teilchen viel leichter waren als Atome (Abbildung 1).,

Abbildung 1. (a) J. J. Thomson erzeugte einen sichtbaren Strahl in einer Kathodenstrahlröhre. (b) Dies ist eine frühe Kathodenstrahlröhre, die 1897 von Ferdinand Braun erfunden wurde. (c) Im Kathodenstrahl kommt der Strahl (gelb dargestellt) von der Kathode und wird an der Anode vorbei zu einer Fluoreszenzskala am Ende der Röhre beschleunigt. Gleichzeitige Ablenkungen durch angelegte elektrische und magnetische Felder ermöglichten Thomson die Berechnung des Masse-zu-Ladung-Verhältnisses der Teilchen, aus denen der Kathodenstrahl besteht., (credit a: Modifikation der Arbeit von Nobel Foundation; credit b: Modifikation der Arbeit von Eugen Nesper; credit c: Modifikation der Arbeit von „Kurzon“/Wikimedia Commons)

Basierend auf seinen Beobachtungen schlug Thomson Folgendes vor und warum: Die Teilchen werden von positiven (+) Ladungen angezogen und von negativen (-) Ladungen abgestoßen, so dass sie negativ geladen sein müssen (wie Ladungen abstoßen und im Gegensatz zu Ladungen anziehen); Sie sind weniger massiv als Atome und unabhängig vom Ausgangsmaterial nicht zu unterscheiden, daher müssen sie grundlegend sein, subatomare Bestandteile aller Atome., Obwohl zu dieser Zeit umstritten, wurde Thomsons Idee allmählich akzeptiert, und sein Kathodenstrahlteilchen ist das, was wir jetzt ein Elektron nennen, ein negativ geladenes subatomares Teilchen mit einer Masse, die mehr als tausendmal geringer ist als die eines Atoms. Der Begriff „Elektron „wurde 1891 vom irischen Physiker George Stoney aus „electric Ion“ geprägt.“

Im Jahr 1909 wurden weitere Informationen über das Elektron vom amerikanischen Physiker Robert A., Millikan über seine“ Öltropfen “ – Experimente. Millikan schuf mikroskopisch kleine Öltröpfchen, die durch Reibung oder Röntgenstrahlen elektrisch geladen werden konnten. Diese Tröpfchen fielen anfangs aufgrund der Schwerkraft, aber ihr Abwärtsfortschritt konnte durch ein in der Vorrichtung niedrigeres elektrisches Feld verlangsamt oder sogar umgekehrt werden. Durch die Einstellung der elektrischen Feldstärke und sorgfältige Messungen und entsprechende Berechnungen konnte Millikan die Ladung einzelner Tropfen bestimmen (Abbildung 2).

Abbildung 2., Millikans Experiment maß die Ladung einzelner Öltropfen. Die tabellarischen Daten sind Beispiele für einige mögliche Werte.

Wenn Sie sich die Ladungsdaten ansehen, die Millikan gesammelt hat, haben Sie möglicherweise erkannt, dass die Ladung eines Öltropfens immer ein Vielfaches einer bestimmten Ladung ist, 1,6 × 10-19 C. Millikan kam zu dem Schluss, dass dieser Wert daher eine Grundladung sein muss-die Ladung eines einzelnen Elektrons-mit seinen gemessenen Ladungen aufgrund eines Überschusses von einem Elektron (1 mal 1,6 × 10-19 C), zwei Elektronen (2 mal 1,6 × 10-19 C), drei Elektronen (3 mal 1.,6 × 10-19 C), und so weiter, auf einem gegebenen Öltröpfchen. Da die Ladung eines Elektrons nun aufgrund von Millikans Forschung bekannt war und das Ladungs-Masse-Verhältnis bereits aufgrund von Thomsons Forschung bekannt war (1.759 × 1011 C/kg), erforderte es nur eine einfache Berechnung, um auch die Masse des Elektrons zu bestimmen.

\text{Masse des Elektrons}=1.602\times {10}^{-19}\text{C}\times\frac{1\text{kg}}{1.759\times {10}^{11}\text{C}}=9.,107 \ times {10}^{-31} \ text{kg}

Wissenschaftler hatten nun festgestellt, dass das Atom nicht unteilbar war, wie Dalton geglaubt hatte, und aufgrund der Arbeit von Thomson, Millikan und anderen waren die Ladung und Masse der negativen subatomaren Teilchen—der Elektronen—bekannt. Der positiv geladene Teil eines Atoms war jedoch noch nicht gut verstanden. 1904 schlug Thomson das „Plum Pudding“ – Modell von Atomen vor, das eine positiv geladene Masse mit gleicher negativer Ladung in Form von darin eingebetteten Elektronen beschrieb, da alle Atome elektrisch neutral sind., Ein konkurrierendes Modell wurde 1903 von Hantaro Nagaoka vorgeschlagen, der ein saturnähnliches Atom postulierte, das aus einer positiv geladenen Kugel bestand, die von einem Elektronenhalo umgeben war (Abbildung 3).

Abbildung 3. (a) Thomson schlug vor, dass es Pflaumenpudding ähnelte, einem englischen Dessert, das aus feuchtem Kuchen mit eingebetteten Rosinen („Pflaumen“) bestand. (b) Nagaoka schlug vor, dass Atome dem Planeten Saturn ähnelten, wobei ein Ring von Elektronen einen positiven „Planeten umgab.,“(credit a: Modifikation der Arbeit von“Man vyi „/Wikimedia Commons; credit b: Modifikation der Arbeit von“NASA“ /Wikimedia Commons)

Die nächste große Entwicklung beim Verständnis des Atoms kam von Ernest Rutherford, einem Physiker aus Neuseeland, der seine wissenschaftliche Karriere größtenteils in Kanada und England verbrachte., Er führte eine Reihe von Experimenten mit einem Strahl von Hochgeschwindigkeits -, positiv geladenen Alphateilchen (α-Teilchen) durch, die durch den radioaktiven Zerfall von Radium erzeugt wurden; α-Teilchen bestehen aus zwei Protonen und zwei Neutronen (Sie erfahren mehr über den radioaktiven Zerfall im Modul Kernchemie)., Rutherford und seine Kollegen Hans Geiger (später berühmt für den Geigerzähler) und Ernest Marsden richteten einen Strahl von α-Teilchen, deren Quelle in einen Bleiblock eingebettet war, um den größten Teil der Strahlung zu absorbieren, auf ein sehr dünnes Stück Goldfolie und untersuchten die resultierende Streuung der α-Teilchen unter Verwendung eines Lumineszenzschirms, der kurz glühte, wo er von einem α-Teilchen getroffen wurde.

Was haben Sie entdeckt? Die meisten Partikel passierten direkt durch die Folie, ohne überhaupt abgelenkt zu werden., Einige wurden jedoch leicht umgeleitet, und eine sehr kleine Anzahl wurde fast direkt zur Quelle zurückgelenkt (Abbildung 4). Rutherford beschrieb das Finden dieser Ergebnisse: „Es war das unglaublichste Ereignis, das mir jemals in meinem Leben passiert ist. Es war fast so unglaublich, als hättest du eine 15-Zoll-Granate auf ein Stück Seidenpapier abgefeuert und es kam zurück und traf dich.“

Abbildung 4., Geiger und Rutherford feuerten α-Partikel auf ein Stück Goldfolie und entdeckten, wohin diese Partikel gingen, wie in diesem schematischen Diagramm ihres Experiments gezeigt. Die meisten Partikel passierten direkt durch die Folie, aber einige wurden leicht abgelenkt und eine sehr kleine Anzahl wurde signifikant abgelenkt.

Hier ist, was Rutherford abgeleitet hat: Weil die meisten der sich schnell bewegenden α-Teilchen die Goldatome unentdeckt durchquert haben, müssen sie durch im Wesentlichen leeren Raum innerhalb des Atoms gereist sein., Alphateilchen sind positiv geladen, so dass Ablenkungen auftraten, wenn sie auf eine andere positive Ladung stießen (wie Ladungen sich gegenseitig abstoßen). Da sich ähnliche Ladungen gegenseitig abstoßen, müssen die wenigen positiv geladenen α-Teilchen, die ihre Bahnen abrupt wechselten, einen anderen Körper getroffen oder sich ihm nahe genähert haben, der ebenfalls eine hochkonzentrierte, positive Ladung hatte. Da die Ablenkungen einen kleinen Bruchteil der Zeit auftraten, nahm diese Ladung nur einen kleinen Teil des Raumes in der Goldfolie ein., Rutherford analysierte eine Reihe solcher Experimente im Detail und zog zwei Schlussfolgerungen:

1. Das Volumen, das ein Atom einnimmt, muss aus einer großen Menge an leerem Raum bestehen.
2. Ein kleiner, relativ schwerer, positiv geladener Körper, der Kern, muss sich in der Mitte jedes Atoms befinden.

Diese Analyse veranlasste Rutherford, ein Modell vorzuschlagen, in dem ein Atom aus einem sehr kleinen, positiv geladenen Kern besteht, in dem der größte Teil der Masse des Atoms konzentriert ist, umgeben von den negativ geladenen Elektronen, so dass das Atom elektrisch neutral ist (Abbildung 5). Nach vielen weiteren Experimenten entdeckte Rutherford auch, dass die Kerne anderer Elemente den Wasserstoffkern als „Baustein“ enthalten, und er nannte dieses grundlegendere Teilchen das Proton, das positiv geladene subatomare Teilchen im Kern., Mit einem Zusatz, den Sie als nächstes lernen werden, wird dieses vor über einem Jahrhundert vorgeschlagene Atommodell noch heute verwendet.

Abbildung 5. Die α-Teilchen werden nur dann abgelenkt, wenn sie mit dem viel schwereren, positiv geladenen Goldkern kollidieren oder in der Nähe davon vorbeiziehen. Da der Kern im Vergleich zur Größe eines Atoms sehr klein ist, werden nur sehr wenige α-Teilchen abgelenkt. Die meisten passieren den relativ großen Bereich, der von Elektronen besetzt ist, die zu leicht sind, um die sich schnell bewegenden Teilchen abzulenken.,

Ein weiterer wichtiger Befund war die Entdeckung von Isotopen. Jahrhunderts identifizierten Wissenschaftler mehrere Substanzen, die neue Elemente zu sein schienen, und isolierten sie von radioaktiven Erzen. Zum Beispiel erhielt ein“ neues Element“, das durch den radioaktiven Zerfall von Thorium erzeugt wurde, ursprünglich den Namen Mesothorium., Eine detailliertere Analyse zeigte jedoch, dass Mesothorium chemisch identisch mit Radium (einem anderen Zerfallsprodukt) war, obwohl es eine andere Atommasse hatte. Dieses Ergebnis, zusammen mit ähnlichen Ergebnissen für andere Elemente, führte den englischen Chemiker Frederick Soddy zu erkennen, dass ein Element Arten von Atomen mit unterschiedlichen Massen haben könnte, die chemisch nicht zu unterscheiden waren. Diese verschiedenen Typen werden Isotope genannt-Atome desselben Elements, die sich in der Masse unterscheiden. Für diese Entdeckung erhielt Soddy 1921 den Nobelpreis für Chemie.,

Ein Rätsel blieb: Es war bekannt, dass der Kern fast die gesamte Masse eines Atoms enthielt, wobei die Anzahl der Protonen nur die Hälfte oder weniger dieser Masse bereitstellte. Es wurden verschiedene Vorschläge gemacht, um zu erklären, was die verbleibende Masse ausmachte, einschließlich der Existenz neutraler Teilchen im Kern. Wie Sie vielleicht erwarten, ist der Nachweis ungeladener Teilchen sehr schwierig, und erst 1932 fand James Chadwick Hinweise auf Neutronen, ungeladene subatomare Teilchen mit einer Masse, die ungefähr der von Protonen entspricht., Die Existenz des Neutrons erklärte auch Isotope: Sie unterscheiden sich in der Masse, weil sie unterschiedliche Anzahl von Neutronen haben, aber sie sind chemisch identisch, weil sie die gleiche Anzahl von Protonen haben. Dies wird später ausführlicher erklärt.

Alphateilchen (α-Teilchen): positiv geladenes Teilchen bestehend aus zwei Protonen und zwei Neutronen

Elektron: negativ geladenes, subatomares Teilchen mit relativ geringer Masse außerhalb des Kerns

Isotope: Atome, die die gleiche Anzahl von Protonen, aber unterschiedliche Anzahl von Neutronen enthalten

Neutron: ungeladenes, subatomares Teilchen im Kern

kern: massives, positiv geladenes Zentrum eines Atoms aus Protonen und Neutronen

Proton: positiv geladenes, subatomares Teilchen im Kern