نظریههای اتمی
بیان نخستین نظریههای اتمی را معمولا به یونانیان باستان نسبت میدهند؛ اما ریشهی این مفهوم حتی ممکن است در تمدنهای کهنتر نیز باشد. بر اساس نظریهی اتمی دموکریتوس، تقسیم مستمر ماده در نهایت، اتمها را به دست میدهد که امکان تجزیهی آنها وجود ندارد. واژهی یونانی آتوموس به معنی “برش ناپذیر” یا “تقسیم ناپذیر” است. نظریههای دانشمندان یونان باستان برپایه تفکر محض استوار بود؛ و نه بر پایه آزمایشهای طراحی شده. نظریهی اتمی، به مدت دوهزار سال، به صورت گمان محض باقی ماند. رابرت بویل در کتاب خود به نام شیمیدان شکاک، وجود اتم را پذیرفت. ولی آن نظریهی اتمی که رویداد برجستهای در پیشرفت علم شیمی به شمار میرود، توسط جان دالتون بیان شد. مهمترین اصول پیشنهادی دالتون عبارتند از:
- عناصر از ذرات بسیار ریزی به نام اتم تشکیل شدهاند. تمام اتمهای یک عنصر، یکسان اند؛ و عناصر اتمهای مختلف، متفاوتاند.
- تفکیک و اتحاد اتمها، طی واکنشهای شیمیایی رخ میدهد. در این واکنشها، هیچ اتمی به وجود نمیآید یا از بین نمیرود؛ و هیچ یک از اتمهای یک عنصر به اتمی از عنصر دیگر تبدیل نمیشود.
- یک ترکیب شیمیایی، نتیجهی به هم پیوستن اتمهای دو یا چند عنصر است. نوع اتمهای موجود در یک ترکیب و نسبت آنها همیشه ثابت است.
مشاهده و انجام آزمایش در سایت آزتو
نظریهی دالتون، در مفهوم کلی خود هنوز هم معتبر است؛ اما نخستین اصل آن باید اصلاح شود. دالتون بر این باور بود که تمام اتمهای یک عنصر، دارای جرم اتمی یکسان هستند. امروزه، میدانیم که بسیاری از عناصر شامل چندین نوع اتم هستند که از لحاظ جرم متفاوتاند. ولی میتوان گفت که تمام اتمهای یک عنصر از لحاظ شیمیایی یکساناند. اتمهای یک عنصر با اتمهای عنصر دیگر تفاوت دارند. به علاوه، برای اتمهای هر عنصر میتوان جرم میانگین به کار برد. در اغلب محاسبات، میتوان یک عنصر را دارای فقط یک نوع اتم با جرم میانگین در نظر گرفت.
ذره های سازنده ی اتم
در نظریهی دالتون و در نظریههای یونیان، اتم به عنوان کوچکترین جز ممکن ماده در نظر گرفته میشد. در اواخر سدهی نوزدهم، مشخص شد که خود اتم نیز ممکن است از ذرات کوچکتری تشکیل شده باشد. آزمایشهای انجام شده با الکتریسیته، موجب پیدایش این تغییر دیدگاه شده بود. امروزه میدانیم؛ یک اتم از ذرات کوچکتری به نام الکترون، پروتون و نوترون تشکیل شده است.الکترون، اولین ذرهی زیر اتمی شناخته شده دارای بار الکتریکی منفی واحد است و جرم آن قابل محاسبه است. پروتون، نیز جز اصلی ساختار تمام اتمهاست. پروتون دارای یک واحد بار مثبت است؛ که مقدار آن برابر با بار الکترون اما با علامت مخالف است. نوترون، از آنجا که اتمها از نظر بار الکتریکی خنثی هستند؛ تعداد الکترونها و پروتونها در هر اتم باید برابر باشند. ارنست رادرفورد، برای توضیح جرم کلی اتمها وجود یک ذرهی بدون بار به نام نوترون را در هستهی اتم اثبات کرد. در زیر، برخی ویژگیهای این ذرات با یکدیگر مقایسه شده اند.
برخی ویژگی های ذرات کوچک تر از اتم
ذره |
بار الکتریکی نسبی |
جرم نسبی |
الکترون |
۱- |
بسیار کم (تقریبا برابر با صفر) |
پروتون |
۲+ |
۱ |
نوترون |
۰ |
۱ |
نمادهای اتمی
هر اتم به وسیلهی دو عدد مشخص می شود؛ عدد اتمی و عدد جرمی:
عدد اتمی، Z تعداد بار مثبت در هسته را نشان میدهد. اتم از نظر الکتریکی خنثی است؛ درنتیجه، عدد اتمی بیانگر تعداد الکترونهای برون هستهای نیز میباشد.
مشاهده و انجام آزمایش در سایت آزتو
Z= تعداد پروتون ها
عدد جرمی، A، یک اتم برابر با تعداد کل پروتونها و نوترونهای هستهی اتم است:
A = تعداد پروتونها + تعداد نوترونها
A = تعداد نوترونها + z
اتم هر عنصر با نماد شیمیایی آن مشخص میشود و عدد اتمی آن عنصر در قسمت پایین سمت چپ و عدد جرمی در قسمت بالای سمت چپ آن قرار داده میشود:
مثال ۱
نماد عنصر پتاسیم (K) دارای ۱۹ پروتون، ۲۲ نوترون و ۱۹ الکترون را بنویسید.
پاسخ:
چون اتم پتاسیم دارای ۱۹ پروتون و ۱۹ الکترون است، عدد اتمی، Z، برابر با ۱۹ است. عدد جرمی اتم پتاسیم برابر با مجموع تعداد پروتونها و تعداد نوترونهاست:
۴۱ = ۲۲ + ۱۹ = تعداد پروتنهای + تعداد نوترونها = عدد جرمی
به این ترتیب نماد عنصر پتاسیم است
مدل اتمی بور
نیلز بور در مسیر کشف رابطهای معنادار میان الگوی ثابت طیف نشری خطی هیدروژن و ساختار اتمهای آن، توانست مدلی برای اتم هیدروژن ارائه دهد. بور این مدل را با فرضهای زیر مطرح کرد:
- ۱-الکترون در مسیرهای دایرهای شکل به نام مدار، به دور هسته که در مرکز اتم قرار گرفته، گردش میکند.
- ۲-هرچه الکترون از هسته دورتر باشد، انرژی آن افزایش مییابد.
- ۳-الکترون تنها میتواند در فواصل معین و ثابتی اطراف هسته گردش کند؛ که این به این معناست، که الکترون فقط میتواند مقادیر معینی انرژی را بپذیرد. به هر یک از این مقادیر انرژی، تراز انرژی گفته میشود. به عبارت دیگر، بور ترازهای انرژی الکترونی را کوانتیده در نظر گرفت.
- ۴-الکترون تمایل دارد که در پایینترین تراز انرژی ممکن، یعنی نزدیکترین مدار به هسته، قرار گیرد.
- ۵-اگر به اتم در حالت پایه، مقدار انرژی معینی داده شود، الکترون آن با جذب انرژی به لایههای بالاتر انتقال مییابد. به اتم در چنین حالتی اتم برانگیخته میگویند.
- ۶-اتمهای برانگیخته پرانرژی و ناپایدارند؛ به همین دلیل، تمایل دارند دوباره با از دست دادن انرژی به حالت پایدارتر و به حالت پایه برگردند.
مشاهده و انجام آزمایش در سایت آزتو
در این مدل، مدارها را با اعداد صحیح n نشان میدهند و بیشترین تعداد الکترونی که در هر مدار میتواند، ۲n۲ میباشد.
مثال ۲
شکل زیر، ساختار اتمی کلر با نماد Cl را بر اساس مدل بور نشان میدهد. نشانهی شیمیایی این ذره را به همراه عدد اتمی و عدد جرمی آن بنویسید.
پاسخ:
این اتم دارای ۱۷ پروتون در هسته است، پس عدد اتمی آن ۱۷ میباشد. و عدد جرمی، مجموع تعداد پروتونها و نوترونها یعنی ۳۵ است. از آنجایی که تعداد پروتونها و الکترونهای موجود در مدارهای اطراف برابر است؛ این اتم خنثی است.
تعریف یون
اگر اتمی الکترون از دست بدهد، دیگر تعداد الکترونها و پروتونها در ساختار اتم، برابر نخواهد بود؛ بنابراین، بار الکتریکی اتم مثبت خواهد شد. و در مقابل، اگر اتم الکترون جذب کند، بار الکتریکی منفی خواهد شد.
مشاهده و انجام آزمایش در سایت آزتو
همچنین، تبدیل اتم کلر به یون کلر با جذب الکترون در شکل زیر قابل مشاهده است:
