атомно молекулярное учение в физике
Урок №16. Атомно-молекулярное учение
Атомно-молекулярное учение развил и впервые применил в химии великий русский ученый Ломоносов. Сущность учения Ломоносова можно свести к следующим положениям :
Все вещества состоят из «корпускул» (так Ломоносов называл молекулы).
Молекулы состоят из «элементов» (так Ломоносов называл атомы).
Частицы — молекулы и атомы — находятся в непрерывном движении. Тепловое состояние тел есть результат движения их частиц.
Молекулы простых веществ состоят из одинаковых атомов, молекулы сложных веществ из различных атомов.
Атомистическое учение в химии применил английский ученый Джон Дальтон. В своей основе учение Дальтона повторяет учение Ломоносова. Вместе с тем оно развивает его дальше, поскольку Дальтон впервые пытался установить атомные массы известных тогда элементов. Однако Дальтон отрицал существование молекул у простых веществ, что по сравнению с учением Ломоносова является шагом назад. По Дальтону, простые вещества состоят только из атомов, и лишь сложные вещества — из «сложных атомов» (в современном понимании — молекул). Отрицание Дальтоном существования молекул простых веществ мешало дальнейшему развитию химии. Атомно-молекулярное учение в химии окончательно утвердилось лишь в- середине XIX в. Молекула — это наименьшая частица данного вещества, обладающая его химическими свойствами. Химические свойства молекулы определяются ее составом и химическим строением. Атом — наименьшая частица химического элемента, входящая в состав молекул простых и сложных веществ. Химические свойства элемента определяются строением его атома. Отсюда следует определение атома, соответствующее современным представлениям: атом — это электронейтральная частица, состоящая из положительно заряженного атомного ядра и отрицательно заряженных электронов. Согласно современным представлениям из молекул состоят вещества в газообразном и парообразном состоянии. В твердом состоянии из молекул состоят лишь вещества, кристаллическая решетка которых имеет молекулярную структуру.
Основные положения атомно-молекулярного учения можно сформулировать так:
Существуют вещества с молекулярным и немолекулярным строением.
Между молекулами имеются промежутки, размеры которых зависят от агрегатного состояния вещества и температуры. Наибольшие расстояния имеются между молекулами газов. Этим объясняется их легкая сжимаемость. Труднее сжимаются жидкости, где промежутки между молекулами значительно меньше. В твердых веществах промежутки между молекулами еще меньше, поэтому они почти не сжимаются.
Молекулы находятся в непрерывном движении. Скорость движения молекул зависит от температуры. С повышением температуры скорость движения молекул возрастает.
Между молекулами существуют силы взаимного притяжения и отталкивания. В наибольшей степени эти силы выражены в твердых веществах, в наименьшей — в газах.
Молекулы состоят из атомов, которые, как и молекулы, находятся в непрерывном движении.
Атомы одного вида отличаются от атомов другого вида массой и свойствами.
При физических явлениях молекулы сохраняются, при химических, как правило, разрушаются.
У веществ с молекулярным строением в твердом состоянии в узлах кристаллических решето находятся молекулы. Связи между молекулами, расположенными в узлах кристаллической решетки, слабые и при нагревании разрываются. Поэтому вещества с молекулярным строением, как правило, имеют низкие температуры плавления.
У веществ с немолекулярным строением в узлах кристаллических решеток находятся атомы или другие частицы. Между этими частицами существуют сильные химические связи, для разрушения которых требуется много энергии. Поэтому вещества с немолекулярным строением имеют высокие температуры плавления.
Объяснение физических и химических явлений с точки зрения атомно-молекулярного учения. Физические и химические явления получают объяснение с позиций атомно-молекулярного учения. Так, например, процесс диффузии объясняется способность молекул (атомов, частиц) одного вещества проникать между молекулами (атомами, частицами) другого вещества. Это происходит потому, что молекулы (атомы, частицы) находятся в непрерывном движении и между ними имеются промежутки. Сущность химических реакций заключается в разрушении химических связей между атомами одних веществ и в перегруппировке атомов с образованием других веществ.
Строение атома
История открытия. Демокрит. Начала атомистики
Уже в древности философы задумывались, из чего же состоит природа вокруг них. Демокрит первым из античных ученых предположил, что все в мире состоит из крошечных неделимых частиц. Эту частицу он назвал атом, что в переводе с греческого означает «неделимый».
К сожалению, возможности ученых в те времена были весьма ограничены. Каких-либо приборов, позволяющих исследовать строение вещества, у них не было. Но значение Демокрита в зарождении атомистики невозможно сбросить со счетов истории.
Атомно-молекулярное учение. Строение атома
Практически до середины XVIII века, пока М.В. Ломоносов не принес в химию количественные эксперименты, учение об атомах оставалось лишь прерогативой философских размышлений. Михаил Васильевич считал, что лишь знание физических законов поможет правильно истолковать результаты химических опытов.
В своих исследованиях ученый выделил в веществе крупные частицы — «корпускулы», и мелкие — «элементы», или как мы называем их сейчас — атомы.
Ломоносов считал, что каждая молекула по своему составу идентична всему веществу, а также, что различные по химическому строению элементы имеют и разные по составу молекулы. Ученый предполагал, что вещества имеют особенности не только из-за отличий в составе молекул, но и благодаря различному расположению атомов в молекуле.
Следующий шаг в изучении атомов сделал английский естествоиспытатель Джон Дальтон. Проводя различные эксперименты с растворением газов в жидкостях, ученый открыл главное физическое качество атомов: эти мельчайшие частицы имеют вес. Но поскольку атом до сих пор никто не видел, Дальтон назвал вес частицы относительным. Он установил, что самым легким элементом является водород и предложил его вес принять за единицу.
Открытие Дальтона стало прорывом в химии. Ведь теперь к любому химическому соединению можно было подойти с измерительным прибором. Это исследование позволило приблизиться к современной записи химических формул и уравнений. И именно Дальтон придумал первые обозначения для известных химических элементов.
До конца XIX века, несмотря на все старания ученых, химическое строение атома по-прежнему оставалось лишь гипотезой.Ученым не хватало оборудования, чтобы постичь тайну мельчайшей частицы.
Открытие Дальтона дало толчок дальнейшим опытам, в ходе которых ученые вычислили относительную атомную массу разнообразных химических элементов, что позволило их классифицировать, а Д.И.Менделееву – сформулировать периодический закон и представить научному миру Периодическую систему химических элементов.
Протоны и нейтроны
Обнаружение катодных лучей немецким ученым-физиком Юлиусом Плюккером в 1859 году и создание прототипа электронной трубки Ульямом Круксом в 1879 году положили новый виток исследованиям в атомистике.
Однако потребовалось еще несколько десятков лет, чтобы строение атомов химических элементов приоткрыло свои тайны. на заре XX века в одном журнале появились две публикации, которые пытались объяснить структуру атома. Одна из публикаций принадлежала английскому ученому Д.Д. Томсону, автором другой был японский физик Хантаро Нагаока.
При создании своей атомной структуры Нагаока использовал разработанную Максвеллом в 1856 году теорию устойчивости колец Сатурна. Японский ученый был убежден, что опираясь на «сатурнианскую» модель ядра в будущих исследованиях, можно прояснить все основные свойства материи.
Исследователь ошибся, однако два постулата его теории впоследствии подтвердились:
Томсон выдвинул гипотезу о том, что атом напоминает шарообразную, электронейтральную сферу диаметром около 10 –10 м, где положительный заряд равномерно распределен по всей структуре атома, а электроны хаотично расположены в этом поле. Поэтому, можно сказать, что атом напоминает микроскопическую булочку с изюмом.
Опыты продолжались в разных странах. В лаборатории Резерфорда проходили испытания, которые смогли доказать, что в центре атома расположено крупное ядро с диаметром около —10 —15 м, в котором содержится более 99,95 % его массы, а заряд его положительный.
В 1932 году и Джеймс Чедвик обнаружил нейтрон — третий недостающий элемент атома.
Атомное взаимодействие обеспечивает тесную связь протонам и нейтронам в ядре атома. Протоны и нейтроны имеют общее название — нуклоны. Ученые считают, что их характеристики достаточно подобны, чтобы отнести эти частицы к одному семейству, как биологи относят в один вид собак и волков.
Казалось бы, вот оно – тайна ядра разгадана. Но нет, в современной физике считается, что нуклоны состоят из еще более мелких частиц, которые называют кварками, и кварковая модель является ведущей в современной науке.
Эксперименты по исследованию атома и его ядра не прекращаются, и в 2010 году международная группа физиков при исследовании протонов в мюонном водороде установила, что размер радиуса протона меньше на 4%, чем считалось до этого.
Так в фундаментальную физику ворвалась загадка протонного радиуса, почему измерение одной и той же величины в обычном и в мюонном водороде дает разные результаты — и, несмотря на усилия сотен специалистов, она до сих пор не решена.
Изотопы
Работая в лаборатории Резерфорда, Фредерик Содди экспериментально установил, что встречаются атомы одного химического элемента с различной атомной массой. А поскольку к этому времени уже было известно, что количество протонов для ядра постоянно, соответственно, отличались они количеством нейтронов.
Содди предложил термин изотоп (от греческих слов изос — «равный» и топос — «место») для обозначения веществ, идентичных по химическим свойствам, но отличающихся атомной массой и определенными физическими свойствами.
При графической записи изотоп выглядит как знак химического элемента, которому он соответствует. А что бы обозначить разницу, в массовом числе используют индекс слева вверху: ( 12 C, 222 Rn)
Протий, дейтерий, и тритий — исторические собственные названия изотопов водорода.
Электронное строение атома
Исследование таинственного микромира продолжается. Изучение движения электронов и внутриатомных взаимодействий выделилось в отдельную область физики — квантовую механику. Главный постулат квантовой механики — все волны обладают свойствами частиц, а микрочастицы имеют волновую природу.
В макромире физическое тело всегда находится в какой-то конкретной точке пространства. Даже если вы сфотографируете летящую муху и на фотографии она будет в виде черной полосы, вы все равно будете уверены, что в конкретный момент времени она была в определенном месте.
В мире атома все иначе. Легкий подвижный электрон находится одновременно во всех точках околоядерного пространства. Если провести аналогию с макромиром, больше всего это напомнит неплотный клубок мягкой пушистой шерсти.
И именно эта зона пространства, где существует вероятность встретить электрон, называется электронным облаком. Плотность электронного облака неравномерна.
В электронном облаке выделяют зону, где вероятность встречи с электроном более 90% — эта область обозначена как атомная или электронная орбиталь.
Все электроны в атоме обладают определенной энергией. Чтобы описать состояние электрона, ученые используют квантовые числа. Всего их четыре. Целое число n, которое определяет энергию электронов на конкретном энергетическом уровне, называют главным квантовым числом.
На одной электронной оболочке находятся атомные орбитали с единым значением главного квантового числа n.
У невозбужденного атома электроны расположены на орбиталях 4-х видов: s, p, d и f.
Но почему нельзя было обозначить буквами по алфавиту a, b, c? Все не так просто, для обозначения атомных орбиталей ученые решили использовать начальные буквы от прилагательных, описывающих спектральные линии в атомных спектрах:
Чтобы графически представить расположение электронов на уровнях и подуровнях атомной оболочки, ученые ввели электронные формулы. Это такие численно-буквенные комбинации, где подуровень обозначен строчной латинской литерой, а цифровой индекс вверху справа обозначает количество электронов на подуровне.
Несмотря на свои способности быть одновременно в любой точке пространства, электроны при заполнении орбиталей соблюдают определенный порядок:
У этого правила есть еще одно мнемоническое название — правило троллейбуса. Расположение электронов напоминает рассадку в общественном транспорте. Если есть свободные места и человек входит один, он сядет на свободное сиденье, и только если нет свободных сидений, подсядет к кому-то на свободное место.
Итак, подведем выводы, на которые ученым понадобилось более сотни лет опытов, исследований, научных дискуссий и даже трагедий.
Чтобы проверить насколько хорошо усвоен материал, предлагаем вашему вниманию тест на тему «Строение атома» для 8-11 классов:
Атомно-молекулярное учение
Атомно-молекулярное учение развил и впервые применил в химии великий русский ученый Ломоносов. Сущность учения Ломоносова можно свести к следующим положениям.
1. Все вещества состоят из «корпускул» (так Ломоносов называл молекулы).
2. Молекулы состоят из «элементов» (так Ломоносов называл атомы).
3. Частицы — молекулы и атомы — находятся в непрерывном движении. Тепловое состояние тел есть результат движения их частиц.
4. Молекулы простых веществ состоят из одинаковых атомов, молекулы сложных веществ — из различных атомов.
Атомистическое учение в химии применил английский ученый Джон Дальтон. В своей основе учение Дальтона повторяет учение Ломоносова. Вместе с тем оно развивает его дальше, поскольку Дальтон впервые пытался установить атомные массы известных тогда элементов. Однако Дальтон отрицал существование молекул у простых веществ, что по сравнению с учением Ломоносова является шагом назад. По Дальтону, простые вещества состоят только из атомов, и лишь сложные вещества — из «сложных атомов» (в современном понимании — молекул). Отрицание Дальтоном существования молекул простых веществ мешало дальнейшему развитию химии. Атомно-молекулярное учение в химии окончательно утвердилось лишь в середине XIX в. Молекула — это наименьшая частица данного вещества, обладающая его химическими свойствами. Химические свойства молекулы определяются ее составом и химическим строением. Атом — наименьшая частица химического элемента, входящая в состав молекул простых и сложных веществ. Химические свойства элемента определяются строением его атома. Отсюда следует определение атома, соответствующее современным представлениям: атом — это электронейтральная частица, состоящая из положительно заряженного атомного ядра и отрицательно заряженных электронов. Согласно современным представлениям из молекул состоят вещества в газообразном и парообразном состоянии. В твердом состоянии из молекул состоят лишь вещества, кристаллическая решетка которых имеет молекулярную структуру.
Объяснение физических и химических явлений с точки зрения атомно-молекулярного учения. Физические и химические явления получают объяснение с позиций атомно-молекулярного учения. Так, например, процесс диффузии объясняется способность молекул (атомов, частиц) одного вещества проникать между молекулами (атомами, частицами) другого вещества. Это происходит потому, что молекулы (атомы, частицы) находятся в непрерывном движении и между ними имеются промежутки. Сущность химических реакций заключается в разрушении химических связей между атомами одних веществ и в перегруппировке атомов с образованием других веществ.
Дайте ответы на следующие вопросы:
Атомно-молекулярное учение
В развитие атомно-молекулярного учения большой вклад внесли М. В. Ломоносов, Дж. Дальтон, А. Лавуазье, Ж. Пруст, А. Авогадро, Й. Берцелиус, Д. И. Менделеев, А. М. Бутлеров.
Связанные понятия
В 1690 году женевский математик Никола Фатио де Дюилье и в 1756 Жорж Луи ЛеСаж в Женеве предложили простую кинетическую теорию гравитации, которая дала механическое объяснение уравнению силы Ньютона. Из-за того, что работа Фатио не была широко известна и оставалась неопубликованной длительное время, именно описание теории Ле Сажем стало темой повышенного интереса в конце XIX века, когда данная теория была изучена в контексте только что открытой кинетической теории газов. Это механическое объяснение.
Основные положения статистической интерпретации волновой функции были сформулированы М. Борном в 1926 году, как только было опубликовано волновое уравнение Шрёдингера. В отличие от интерпретации Шрёдингера, представляющей электрон в атоме в виде волнового пакета, интерпретация М.Борна рассматривала электрон в атоме как отрицательно заряженную элементарную частицу и сохраняла структуру электрона. Но при этом законы движения электрона в атоме приобретают вероятностный характер, определяемый волновой.
В астрономии и космологии темная жидкость является альтернативой теории как темной материи, так и темной энергии и пытается объяснить оба явления в единой структуре.Темная жидкость предполагает, что темная материя и темная энергия не являются отдельными физическими явлениями, как считалось ранее, и не имеют отдельного происхождения, но они тесно связаны друг с другом и могут рассматриваться как две грани одной жидкости. В галактических масштабах темная жидкость ведет себя как темная материя, а в.
Атомно молекулярное учение в физике
В основе физики и химии лежит атомно-молекулярное учение. Источником для зарождения атомно-молекулярного учения являются труды древнегреческих философов, основным научным методом которых являлись дискуссия, спор. Для поиска первопричин в спорах обсуждались многие логические задачи, одной из которых являлась задача о камне: что произойдет, если начать его дробить? Большинство философов считало, что этот процесс можно продолжать бесконечно, и только Левкипп утверждал, что этот процесс не бесконечен: при дроблении, в конце концов, получится такая частица, дальнейшее деление которой будет просто невозможно. Основываясь на этой концепции, Левкипп (500–440 гг. до н.э.) утверждал: «Материальный мир дискретен, он состоит из мельчайших частиц и пустоты».
Ученик Левкиппа Демокрит (460–370 гг. до н.э.) назвал мельчайшие частицы, из которых состоит вещество, «неделимые», что в переводе на греческий значит «атомы». Демокрит, развивая новое учение – атомистику, приписал атомам такие современные свойства, как размер и форму, способность к движению.
Последователь Демокрита Эпикур (342–270 гг. до н.э.) придал древнегреческой атомистике завершенность, предположив, что у атомов существует внутренний источник движения и они сами способны взаимодействовать друг с другом.
Хотя атомистика древних греков и выглядит удивительно современно, ни одно из ее положений не было доказано. Об учении атомистов не вспоминали почти 20 веков. И только в середине XVIII в. учение было возрождено, развито и впервые применено в химии великим русским ученым М.В. Ломоносовым. Основные положения учения были изложены впервые в 1741 г. в работе «Элементы математической химии».
Несколько позднее атомистическое учение в химии было применено и развито Дальтоном («Новая система химической философии», 1808 г.).