Chemia dla kierunków

w ciągu dwóch stuleci od kiedy Dalton rozwinął swoje idee, naukowcy poczynili znaczne postępy w pogłębianiu naszego zrozumienia teorii atomowej., Wiele z tego pochodzi z wyników kilku przełomowych eksperymentów, które ujawniły szczegóły wewnętrznej struktury atomów. Tutaj omówimy niektóre z tych kluczowych osiągnięć, z naciskiem na zastosowanie metody naukowej, a także zrozumienie, w jaki sposób eksperymentalne dowody były analizowane. Podczas gdy osoby historyczne i Daty tych eksperymentów mogą być dość interesujące, najważniejsze jest zrozumienie pojęć wynikających z ich pracy.

teoria atomowa po XIX wieku

Jeśli Materia składała się z atomów, z czego składały się Atomy?, Były to najmniejsze cząstki, czy było coś mniejszego? Pod koniec XIX wieku wielu naukowców zainteresowanych takimi zagadnieniami badało wyładowania elektryczne, które mogą być wytwarzane w gazach niskociśnieniowych, przy czym najbardziej znaczące odkrycie dokonał angielski fizyk J. J. Thomson przy użyciu lampy elektronopromieniowej. Aparat ten składał się z zamkniętej szklanej rurki, z której prawie całe powietrze zostało usunięte; rurka zawierała dwie metalowe elektrody. Po przyłożeniu wysokiego napięcia przez elektrody między nimi pojawiła się widoczna wiązka zwana promieniem katodowym., Wiązka ta była odchylana w kierunku ładunku dodatniego i z dala od ładunku ujemnego, i była wytwarzana w ten sam sposób z identycznymi właściwościami, gdy różne metale były używane do elektrod. W podobnych eksperymentach promień był jednocześnie odchylany przez przyłożone pole magnetyczne, a pomiary zakresu ugięcia i natężenia pola magnetycznego pozwoliły Thomsonowi obliczyć stosunek ładunku do masy cząstek promieniowania katodowego. Wyniki tych pomiarów wykazały, że cząstki te były znacznie lżejsze od atomów (ryc. 1).,

Rysunek 1. a) J. J. Thomson wyprodukował widzialną wiązkę w kineskopie. (b) jest to wczesna lampa elektronopromieniowa, wynaleziona w 1897 roku przez Ferdinanda Brauna. (c) w promieniu katodowym wiązka (pokazana na Żółto) pochodzi z katody i jest przyspieszana obok anody w kierunku skali fluorescencyjnej na końcu lampy. Jednoczesne ugięcia przez przyłożone pola elektryczne i magnetyczne pozwoliły Thomsonowi obliczyć stosunek masy do ładunku cząstek składających się na Promień katodowy., (credit a: modification of work by Nobel Foundation; credit b: modification of work by Eugen Nesper; credit c: modification of work by „Kurzon”/Wikimedia Commons)

opierając się na jego obserwacjach, oto co zaproponował Thomson i dlaczego: cząstki są przyciągane przez ładunki dodatnie (+) i odpychane przez ładunki ujemne ( – ), więc muszą być naładowane ujemnie (tak jak ładunki odpychają i w przeciwieństwie do ładunków przyciągają); są mniej masywne niż atomy i nie do odróżnienia, niezależnie od materiału źródłowego, więc muszą być fundamentalne, a nie subatomowe składniki wszystkich atomów., Chociaż w tamtym czasie był kontrowersyjny, pomysł Thomsona został stopniowo zaakceptowany, a jego cząstka katodowa jest tym, co nazywamy teraz elektronem, ujemnie naładowaną cząstką subatomową o masie ponad tysiąc razy mniejszej niż atom. Termin” elektron „został ukuty w 1891 roku przez irlandzkiego fizyka George 'a Stoney' a, od „electric ion.”

w 1909 roku więcej informacji na temat elektronu odkrył amerykański fizyk Robert A., Millikan poprzez swoje eksperymenty „oil drop”. Millikan stworzył mikroskopijne krople oleju, które mogły być naładowane elektrycznie przez tarcie podczas ich formowania lub za pomocą promieni rentgenowskich. Krople te początkowo spadały z powodu grawitacji, jednak ich postęp w dół mógł być spowolniony lub nawet odwrócony przez pole elektryczne niższe w aparacie. Dzięki regulacji natężenia pola elektrycznego oraz dokładnym pomiarom i odpowiednim obliczeniom, Millikan był w stanie określić ładunek na poszczególnych kroplach (ryc. 2).

Rysunek 2., Eksperyment millikana mierzył ładunek pojedynczych kropli oleju. Dane tabelaryczne są przykładami kilku możliwych wartości.

patrząc na dane o ładunku, które zebrał Millikan, być może zauważyłeś, że ładunek kropli oleju jest zawsze wielokrotnością określonego ładunku, 1,6 × 10-19 C. Millikan doszedł do wniosku, że wartość ta musi być zatem podstawowym ładunkiem—ładunkiem pojedynczego elektronu—z jego zmierzonymi ładunkami z powodu nadmiaru jednego elektronu (1 razy 1,6 × 10-19 C), dwóch elektronów (2 razy 1,6 × 10-19 C), trzech elektronów (3 razy 1.,6 × 10-19 C), i tak dalej, na danej kropli oleju. Ponieważ ładunek elektronu był teraz znany dzięki badaniom Millikana, a stosunek ładunku do masy był już znany dzięki badaniom Thomsona (1,759 × 1011 C/kg), wymagało to tylko prostego obliczenia, aby określić masę elektronu, jak również.

,107\times {10}^{-31} \ text{kg}

naukowcy ustalili, że atom nie jest niepodzielny, jak sądził Dalton, a dzięki pracy Thomsona, Millikana i innych, ładunek i masa ujemnych, subatomowych cząstek—elektronów—były znane. Jednak dodatnio naładowana część atomu nie była jeszcze dobrze zrozumiana. W 1904 roku Thomson zaproponował model atomów” plum pudding”, który opisywał masę dodatnio naładowaną z równą ilością ładunku ujemnego w postaci osadzonych w nim elektronów, ponieważ wszystkie atomy są elektrycznie neutralne., Konkurencyjny model został zaproponowany w 1903 roku przez Hantaro Nagaokę, który postulował atom podobny do Saturna, składający się z dodatnio naładowanej kuli otoczonej halo elektronów (Rysunek 3).

Rysunek 3. Thomson zasugerował, że atomy przypominają pudding śliwkowy, angielski deser składający się z wilgotnego ciasta z osadzonymi rodzynkami („śliwkami”). (B) Nagaoka zaproponował, że atomy przypominają planetę Saturn, z pierścieniem elektronów otaczającym pozytywną ” planetę.,”(credit a: modification of work by”Man vyi „/Wikimedia Commons; credit b: modification of work by”NASA” /Wikimedia Commons)

następny duży rozwój w zrozumieniu atomu przyszedł od Ernesta Rutherforda, fizyka z Nowej Zelandii, który w dużej mierze spędził swoją karierę naukową w Kanadzie i Anglii., Przeprowadził serię eksperymentów z wykorzystaniem wiązki szybkich, dodatnio naładowanych cząstek alfa (cząstek α), które zostały wyprodukowane przez radioaktywny rozpad Radu; cząstki α składają się z dwóch protonów i dwóch neutronów (więcej na temat rozpadu radioaktywnego dowiesz się w module dotyczącym chemii jądrowej)., Rutherford i jego współpracownicy Hans Geiger (znany później z licznika Geigera) i Ernest Marsden skierowali wiązkę cząstek α, której źródło zostało osadzone w bloku ołowiu, aby wchłonąć większość promieniowania, na bardzo cienki kawałek złotej folii i zbadali wynikłe rozpraszanie cząstek α za pomocą ekranu luminescencyjnego, który świecił na krótko w miejscu uderzenia przez cząstkę α.

co odkryli? Większość cząstek przechodzi przez folię bez odchyleń., Jednak niektóre zostały nieco przesunięte, a bardzo mała liczba została odchylona prawie prosto w kierunku źródła (Rysunek 4). Rutherford opisał te wyniki: „To było najbardziej niesamowite wydarzenie, które kiedykolwiek zdarzyło mi się w moim życiu. To było prawie tak niesamowite, jakbyś wystrzelił 15-calowy pocisk w kawałek bibułki, a on wrócił i cię uderzył.”

Rysunek 4., Geiger i Rutherford wystrzelili cząstki α w kawałek złotej folii i wykryli, gdzie te cząstki poszły, jak pokazano na schemacie ich eksperymentu. Większość cząstek przeszła prosto przez folię, ale kilka zostało lekko odchylonych, a bardzo mała liczba znacznie odchylonych.

oto, co Rutherford wywnioskował: ponieważ większość szybko poruszających się cząstek α przeszła przez atomy złota niezakłócone, musiały one podróżować przez zasadniczo pustą przestrzeń wewnątrz atomu., Cząstki alfa są naładowane dodatnio, więc ugięcia powstały, gdy napotkały inny ładunek dodatni (podobnie jak ładunki odpychają się nawzajem). Ponieważ podobnie jak ładunki odpychają się nawzajem, kilka dodatnio naładowanych cząstek α, które nagle zmieniły ścieżki, musiało uderzyć lub zbliżyć się do innego ciała, które również miało silnie skoncentrowany ładunek dodatni. Ponieważ ugięcia wystąpiły niewielki ułamek czasu, ładunek ten zajmował tylko niewielką ilość miejsca w złotej folii., Analizując serię takich eksperymentów szczegółowo, Rutherford wyciągnął dwa wnioski:

1. objętość zajmowana przez atom musi składać się z dużej ilości pustej przestrzeni.
2. małe, stosunkowo ciężkie, dodatnio naładowane ciało, jądro, musi znajdować się w centrum każdego atomu.

ta analiza doprowadziła Rutherforda do zaproponowania modelu, w którym atom składa się z bardzo małego, dodatnio naładowanego jądra, w którym większość masy atomu jest skoncentrowana, otoczona ujemnie naładowanymi elektronami, tak aby atom był elektrycznie neutralny (Rysunek 5). Po wielu kolejnych eksperymentach Rutherford odkrył również, że jądra innych pierwiastków zawierają jądro wodoru jako „budulec” i nazwał tę bardziej podstawową cząstkę protonem, dodatnio naładowaną cząstką subatomową znajdującą się w jądrze., Z jednym dodatkiem, którego dowiecie się później, ten nuklearny model atomu, zaproponowany ponad sto lat temu, jest nadal używany do dziś.

Rysunek 5. Cząstki α są odchylane tylko wtedy, gdy zderzają się ze znacznie cięższym, dodatnio naładowanym jądrem złota lub przechodzą blisko niego. Ponieważ jądro jest bardzo małe w porównaniu do wielkości atomu, bardzo niewiele cząstek α jest odchylonych. Większość przechodzi przez stosunkowo duży obszar zajęty przez elektrony, które są zbyt lekkie, aby odbić szybko poruszające się cząstki.,

kolejnym ważnym odkryciem było odkrycie izotopów. Na początku XX wieku naukowcy zidentyfikowali kilka substancji, które wydawały się być nowymi pierwiastkami, izolując je od rud radioaktywnych. Na przykład „nowy pierwiastek” wytwarzany przez radioaktywny rozpad toru otrzymał początkowo nazwę mesothorium., Jednak bardziej szczegółowa analiza wykazała, że mezotorium jest chemicznie identyczne z radem (innym produktem rozpadu), mimo że ma inną masę atomową. Wynik ten, wraz z podobnymi wynikami dla innych pierwiastków, doprowadził angielskiego chemika Fredericka Soddy ' ego do wniosku, że pierwiastek może mieć typy atomów o różnych masach, które były chemicznie nieodróżnialne. Te różne typy nazywane są izotopami-atomami tego samego pierwiastka, które różnią się masą. Za to odkrycie Soddy otrzymał w 1921 roku Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii.,

pozostała jedna zagadka: wiadomo, że jądro zawiera prawie całą masę atomu, a liczba protonów stanowi tylko połowę lub mniej tej masy. Wysuwano różne propozycje, aby wyjaśnić, co stanowi pozostałą masę, w tym istnienie neutralnych cząstek w jądrze. Jak można się było spodziewać, wykrywanie niezładowanych cząstek jest bardzo trudne i dopiero w 1932 roku James Chadwick znalazł dowody neutronów, niezładowanych, subatomowych cząstek o masie w przybliżeniu takiej samej jak protony., Istnienie neutronu wyjaśniało również izotopy: różnią się masą, ponieważ mają różną liczbę neutronów, ale są chemicznie identyczne, ponieważ mają taką samą liczbę protonów. Zostanie to wyjaśnione bardziej szczegółowo później.

Słowniczek

cząstka Alfa (cząstka α): dodatnio naładowana cząstka składająca się z dwóch protonów i dwóch neutronów

elektron: ujemnie naładowana, subatomowa cząstka o stosunkowo niskiej masie znajdująca się poza jądrem

izotopy: atomy, które zawierają tę samą liczbę protonów, ale różne liczby neutronów

neutron: uncharged, subatomowa cząstka znajdująca się w jądrze

jądro: masywny, dodatnio naładowany środek atomu złożonego z protonów i neutronów

Proton: dodatnio naładowana, subatomowa cząstka znajdująca się w jądrze