Toute substance est constituée de très petites particules appelées atomes . Un atome est la plus petite particule d'un élément chimique qui conserve toutes ses propriétés caractéristiques. Pour imaginer la taille d'un atome, il suffit de dire que s'ils pouvaient être placés à proximité les uns des autres, alors un million d'atomes occuperaient une distance de seulement 0,1 mm.
Le développement ultérieur de la science de la structure de la matière a montré que l'atome a également une structure complexe et est constitué d'électrons et de protons. C'est ainsi qu'est née la théorie électronique de la structure de la matière.
Dans l’Antiquité, on a découvert qu’il existe deux types d’électricité : positive et négative. La quantité d’électricité contenue dans le corps est désormais appelée charge. Selon le type d’électricité que possède un corps, la charge peut être positive ou négative.
Il a également été établi expérimentalement que les charges semblables se repoussent et que les charges différentes s'attirent.
Considérons structure électronique de l'atome. Les atomes sont constitués de particules encore plus petites qu'eux, appelées électrons.
DÉFINITION:Un électron est la plus petite particule de matière possédant la plus petite charge électrique négative.
Les électrons gravitent autour d'un noyau central composé d'un ou plusieurs protons Et neutrons, sur des orbites concentriques. Les électrons sont des particules chargées négativement, les protons sont chargés positivement et les neutrons sont neutres (Figure 1.1).
DÉFINITION:Un proton est la plus petite particule de matière possédant la plus petite charge électrique positive.
L’existence des électrons et des protons ne fait aucun doute. Les scientifiques ont non seulement déterminé la masse, la charge et la taille des électrons et des protons, mais les ont même fait fonctionner dans divers appareils électriques et radioélectriques.
Il a également été constaté que la masse d'un électron dépend de la vitesse de son mouvement et que l'électron non seulement avance dans l'espace, mais tourne également autour de son axe.
La structure la plus simple est l'atome d'hydrogène (Fig. 1.1). Il se compose d’un noyau de protons et d’un électron tournant à grande vitesse autour du noyau, formant l’enveloppe externe (orbite) de l’atome. Les atomes plus complexes possèdent plusieurs couches à travers lesquelles les électrons tournent.
Ces coquilles sont remplies séquentiellement d’électrons à partir du noyau (Figure 1.2).
Maintenant, regardons-le . La coque la plus externe s'appelle valence, et le nombre d'électrons qu'il contient s'appelle valence. Plus on s'éloigne du noyau coquille de valence par conséquent, moins chaque électron de valence subit de force d’attraction de la part du noyau. Ainsi, l'atome augmente la capacité d'attacher des électrons à lui-même si la couche de valence n'est pas remplie et est située loin du noyau, ou de les perdre.
Les électrons de la couche externe peuvent recevoir de l'énergie. Si les électrons situés dans la couche de valence reçoivent le niveau d'énergie requis provenant de forces extérieures, ils peuvent s'en détacher et quitter l'atome, c'est-à-dire devenir des électrons libres. Les électrons libres sont capables de se déplacer de manière aléatoire d’un atome à l’autre. Les matériaux qui contiennent un grand nombre d'électrons libres sont appelés conducteurs
.
Isolateurs
, est l'opposé des conducteurs. Ils empêchent la circulation du courant électrique. Les isolants sont stables car les électrons de valence de certains atomes remplissent les couches de valence d’autres atomes et les rejoignent. Cela empêche la formation d’électrons libres.
Occuper une position intermédiaire entre isolants et conducteurs semi-conducteurs
, mais nous en reparlerons plus tard
Considérons propriétés de l'atome. Un atome qui possède le même nombre d’électrons et de protons est électriquement neutre. Un atome qui gagne un ou plusieurs électrons devient chargé négativement et est appelé ion négatif. Si un atome perd un ou plusieurs électrons, il devient un ion positif, c'est-à-dire qu'il devient chargé positivement.
Un atome est la plus petite particule de matière. Son étude a commencé dans la Grèce antique, lorsque la structure de l'atome a attiré l'attention non seulement des scientifiques, mais aussi des philosophes. Quelle est la structure électronique de l’atome et quelles informations de base connaît-on sur cette particule ?
Structure atomique
Déjà, les scientifiques grecs de l'Antiquité avaient deviné l'existence des plus petites particules chimiques qui composent tout objet et organisme. Et si aux XVII-XVIII siècles. les chimistes étaient sûrs que l'atome est une particule élémentaire indivisible, puis au tournant des XIXe-XXe siècles, il a été possible de prouver expérimentalement que l'atome n'est pas indivisible.
Un atome, étant une particule microscopique de matière, est constitué d’un noyau et d’électrons. Le noyau est 10 000 fois plus petit qu’un atome, mais la quasi-totalité de sa masse est concentrée dans le noyau. La principale caractéristique du noyau atomique est qu’il possède une charge positive et qu’il est constitué de protons et de neutrons. Les protons sont chargés positivement, tandis que les neutrons n’ont aucune charge (ils sont neutres).
Ils sont reliés les uns aux autres par une forte interaction nucléaire. La masse d’un proton est approximativement égale à la masse d’un neutron, mais elle est 1 840 fois supérieure à la masse d’un électron. Les protons et les neutrons ont un nom commun en chimie : nucléons. L'atome lui-même est électriquement neutre.
Un atome de n'importe quel élément peut être désigné par une formule électronique et une formule graphique électronique :
Riz. 1. Formule graphique électronique de l'atome.
Le seul élément chimique du tableau périodique qui ne contient pas de neutrons dans son noyau est l'hydrogène léger (protium).
Un électron est une particule chargée négativement. La couche électronique est constituée d'électrons se déplaçant autour du noyau. Les électrons ont la propriété d'être attirés vers le noyau, et entre eux ils sont influencés par l'interaction coulombienne. Pour vaincre l’attraction du noyau, les électrons doivent recevoir de l’énergie provenant d’une source externe. Plus l’électron est éloigné du noyau, moins il lui faut d’énergie.
Modèles d'atomes
Depuis longtemps, les scientifiques cherchent à comprendre la nature de l’atome. Le philosophe grec Démocrite a apporté très tôt une contribution majeure à ce sujet. Bien que sa théorie nous paraisse désormais banale et trop simple, à une époque où les idées sur les particules élémentaires commençaient tout juste à émerger, sa théorie sur les morceaux de matière était prise très au sérieux. Démocrite croyait que les propriétés de toute substance dépendaient de la forme, de la masse et d'autres caractéristiques des atomes. Ainsi, par exemple, le feu, croyait-il, possède des atomes pointus - c'est pourquoi le feu brûle ; L'eau a des atomes lisses, elle peut donc s'écouler ; Dans les objets solides, à son avis, les atomes étaient grossiers.
Démocrite croyait qu’absolument tout était constitué d’atomes, même l’âme humaine.
En 1904, J. J. Thomson propose son modèle de l'atome. Les principales dispositions de la théorie se résumaient au fait que l'atome était représenté comme un corps chargé positivement, à l'intérieur duquel se trouvaient des électrons chargés négativement. Cette théorie a ensuite été réfutée par E. Rutherford.
Riz. 2. Le modèle atomique de Thomson.
Toujours en 1904, le physicien japonais H. Nagaoka proposa un premier modèle planétaire de l'atome par analogie avec la planète Saturne. Selon cette théorie, les électrons sont réunis en anneaux et tournent autour d’un noyau chargé positivement. Cette théorie s'est avérée fausse.
En 1911, E. Rutherford, après avoir mené une série d'expériences, conclut que la structure de l'atome est similaire à celle d'un système planétaire. Après tout, les électrons, comme les planètes, se déplacent sur des orbites autour d’un noyau lourd chargé positivement. Cependant, cette description contredisait l’électrodynamique classique. Ensuite, le physicien danois Niels Bohr a introduit en 1913 des postulats dont l'essence était que l'électron, étant dans certains états particuliers, n'émet pas d'énergie. Ainsi, les postulats de Bohr ont montré que la mécanique classique n'est pas applicable aux atomes. Le modèle planétaire décrit par Rutherford et complété par Bohr s'appelait le modèle planétaire de Bohr-Rutherford.
Riz. 3. Modèle planétaire de Bohr-Rutherford.
Une étude plus approfondie de l'atome a conduit à la création d'une section telle que la mécanique quantique, à l'aide de laquelle de nombreux faits scientifiques ont été expliqués. Les idées modernes sur l'atome se sont développées à partir du modèle planétaire de Bohr-Rutherford.Évaluation du rapport
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Un atome (du grec atomos - indivisible) est une particule mononucléaire, chimiquement indivisible d'un élément chimique, porteur des propriétés d'une substance. Les substances sont constituées d'atomes. L'atome lui-même est constitué d'un noyau chargé positivement et d'un nuage d'électrons chargés négativement. En général, l’atome est électriquement neutre. La taille d’un atome est entièrement déterminée par la taille de son nuage électronique, puisque la taille du noyau est négligeable par rapport à la taille du nuage électronique. Le noyau est constitué de Z protons chargés positivement (la charge d'un proton correspond à +1 en unités arbitraires) et de N neutrons qui ne portent pas de charge (les protons et les neutrons sont appelés nucléons). Ainsi, la charge du noyau est déterminée uniquement par le nombre de protons et est égale au numéro ordinal de l'élément dans le tableau périodique. La charge positive du noyau est compensée par des électrons chargés négativement (charge électronique -1 en unités arbitraires), qui forment un nuage d'électrons. Le nombre d'électrons est égal au nombre de protons. Les masses des protons et des neutrons sont égales (respectivement 1 et 1 amu).
La masse d'un atome est déterminée par la masse de son noyau, puisque la masse d'un électron est environ 1850 fois inférieure à la masse d'un proton et d'un neutron et est rarement prise en compte dans les calculs. Le nombre de neutrons peut être déterminé par la différence entre la masse d'un atome et le nombre de protons (N=A-Z). Un type d'atome d'un élément chimique avec un noyau constitué d'un nombre strictement défini de protons (Z) et de neutrons (N) est appelé un nucléide.
Avant d'étudier les propriétés de l'électron et les règles de formation des niveaux électroniques, il est nécessaire d'aborder l'histoire de la formation des idées sur la structure de l'atome. Nous ne considérerons pas l'histoire complète de la formation de la structure atomique, mais nous concentrerons uniquement sur les idées les plus pertinentes et les plus « correctes » qui peuvent montrer le plus clairement comment se trouvent les électrons dans un atome. La présence d’atomes en tant que composants élémentaires de la matière a été suggérée pour la première fois par les philosophes grecs anciens. Après quoi l'histoire de la structure de l'atome a parcouru un chemin complexe et différentes idées, telles que l'indivisibilité de l'atome, le modèle Thomson de l'atome et d'autres. Le modèle atomique le plus proche a été proposé par Ernest Rutherford en 1911. Il a comparé l’atome au système solaire, où le noyau de l’atome agissait comme le soleil et où les électrons se déplaçaient autour de lui comme des planètes. Placer des électrons sur des orbites stationnaires était une étape très importante dans la compréhension de la structure de l’atome. Cependant, un tel modèle planétaire de la structure de l’atome était en conflit avec la mécanique classique. Le fait est que lorsqu’un électron se déplace le long de son orbite, il devrait perdre de l’énergie potentielle et éventuellement « tomber » sur le noyau et l’atome devrait cesser d’exister. Ce paradoxe a été éliminé par l'introduction des postulats de Niels Bohr. Selon ces postulats, l’électron se déplaçait sur des orbites stationnaires autour du noyau et, dans des conditions normales, n’absorbait ni n’émettait d’énergie. Les postulats montrent que les lois de la mécanique classique ne conviennent pas pour décrire l’atome. Ce modèle de l’atome est appelé modèle de Bohr-Rutherford. Une continuation de la structure planétaire de l'atome est le modèle mécanique quantique de l'atome, selon lequel nous considérerons l'électron.
L'électron est une quasiparticule présentant une dualité onde-particule. C'est à la fois une particule (corpuscule) et une onde. Les propriétés d'une particule incluent la masse de l'électron et sa charge, et les propriétés des ondes incluent la capacité de diffraction et d'interférence. Le lien entre les propriétés ondulatoires et corpusculaires de l’électron se reflète dans l’équation de Broglie.
Un atome est la plus petite particule de matière, constituée d'un noyau et d'électrons. La structure des coquilles électroniques des atomes est déterminée par la position de l'élément dans le tableau périodique des éléments chimiques de D.I. Mendeleïev.
Électron et couche électronique d'un atome
Un atome, généralement neutre, est constitué d'un noyau chargé positivement et d'une couche électronique chargée négativement (nuage électronique), les charges totales positives et négatives étant égales en valeur absolue. Lors du calcul de la masse atomique relative, la masse des électrons n'est pas prise en compte, car elle est négligeable et 1840 fois inférieure à la masse d'un proton ou d'un neutron.
Riz. 1. Atome.
Un électron est une particule tout à fait unique qui a une double nature : il possède à la fois les propriétés d’une onde et d’une particule. Ils se déplacent continuellement autour du noyau.
L’espace autour du noyau où la probabilité de trouver un électron est la plus probable est appelé une orbitale électronique ou un nuage d’électrons. Cet espace a une forme spécifique, désignée par les lettres s-, p-, d- et f-. L'orbitale de l'électron S a une forme sphérique, l'orbitale p a la forme d'un haltère ou d'un huit tridimensionnel, les formes des orbitales d et f sont beaucoup plus complexes.
Riz. 2. Formes des orbitales électroniques.
Autour du noyau, les électrons sont disposés en couches électroniques. Chaque couche est caractérisée par sa distance au noyau et son énergie, c'est pourquoi les couches électroniques sont souvent appelées niveaux d'énergie électronique. Plus le niveau est proche du noyau, plus l'énergie des électrons qu'il contient est faible. Un élément diffère d'un autre par le nombre de protons dans le noyau de l'atome et, par conséquent, par le nombre d'électrons. Par conséquent, le nombre d'électrons dans la couche électronique d'un atome neutre est égal au nombre de protons contenus dans le noyau de cet atome. Chaque élément suivant a un proton supplémentaire dans son noyau et un électron supplémentaire dans sa couche électronique.
L’électron nouvellement entré occupe l’orbitale avec l’énergie la plus basse. Cependant, le nombre maximum d'électrons par niveau est déterminé par la formule :
où N est le nombre maximum d'électrons et n est le numéro du niveau d'énergie.
Le premier niveau ne peut avoir que 2 électrons, le deuxième peut avoir 8 électrons, le troisième peut avoir 18 électrons et le quatrième niveau peut avoir 32 électrons. Le niveau externe d'un atome ne peut contenir plus de 8 électrons : dès que le nombre d'électrons atteint 8, le niveau suivant, plus éloigné du noyau, commence à se remplir.
Structure des coques électroniques des atomes
Chaque élément se situe dans une certaine période. Une période est une collection horizontale d'éléments disposés par ordre croissant de charge des noyaux de leurs atomes, qui commence par un métal alcalin et se termine par un gaz inerte. Les trois premières périodes du tableau sont petites et les suivantes, à partir de la quatrième période, sont grandes, composées de deux lignes. Le numéro de la période dans laquelle se trouve l'élément a une signification physique. Cela signifie combien de niveaux d’énergie électronique il y a dans un atome d’un élément d’une période donnée. Ainsi, l'élément chlore Cl est dans la 3ème période, c'est-à-dire que sa couche électronique comporte trois couches électroniques. Le chlore appartient au groupe VII du tableau et au sous-groupe principal. Le sous-groupe principal est la colonne de chaque groupe qui commence par la période 1 ou 2.
Ainsi, l'état des couches électroniques de l'atome de chlore est le suivant : le numéro atomique de l'élément chlore est 17, ce qui signifie que l'atome a 17 protons dans le noyau et 17 électrons dans la couche électronique. Au niveau 1, il ne peut y avoir que 2 électrons, au niveau 3 - 7 électrons, puisque le chlore fait partie du sous-groupe principal du groupe VII. Puis au niveau 2 il y a : 17-2-7 = 8 électrons.
Tout dans le monde est constitué d'atomes. Mais d’où viennent-ils et de quoi sont-ils faits ? Aujourd’hui, nous répondons à ces questions simples et fondamentales. Après tout, de nombreuses personnes vivant sur la planète disent ne pas comprendre la structure des atomes qui les composent.
Naturellement, cher lecteur, nous comprenons que dans cet article, nous essayons de tout présenter au niveau le plus simple et le plus intéressant, nous ne le « chargeons » donc pas de termes scientifiques. Il est conseillé à ceux qui souhaitent étudier la question à un niveau plus professionnel de lire la littérature spécialisée. Néanmoins, les informations contenues dans cet article peuvent s’avérer utiles dans vos études et simplement vous rendre plus érudit.
Un atome est une particule d'une substance de taille et de masse microscopiques, la plus petite partie d'un élément chimique, porteur de ses propriétés. En d’autres termes, c’est la plus petite particule d’une substance pouvant entrer dans des réactions chimiques.
Histoire et structure de la découverte
Le concept d’atome était connu dès la Grèce antique. L'atomisme est une théorie physique selon laquelle tous les objets matériels sont composés de particules indivisibles. Parallèlement à la Grèce antique, l'idée de l'atomisme s'est également développée en parallèle dans l'Inde ancienne.
On ne sait pas si les extraterrestres ont parlé des atomes aux philosophes de l'époque ou s'ils l'ont inventé eux-mêmes, mais les chimistes ont pu confirmer expérimentalement cette théorie bien plus tard - seulement au XVIIe siècle, lorsque l'Europe est sortie de l'abîme de l'Inquisition et le Moyen Âge.
Pendant longtemps, l'idée dominante de la structure de l'atome a été l'idée de celui-ci en tant que particule indivisible. Le fait que l’atome puisse encore être divisé n’est apparu clairement qu’au début du XXe siècle. Rutherford, grâce à sa célèbre expérience de déviation des particules alpha, a appris que l'atome est constitué d'un noyau autour duquel tournent des électrons. Le modèle planétaire de l'atome a été adopté, selon lequel les électrons tournent autour du noyau, comme les planètes de notre système solaire autour d'une étoile.
Les idées modernes sur la structure de l’atome ont beaucoup progressé. Le noyau d'un atome, quant à lui, est constitué de particules subatomiques, ou nucléons - protons et neutrons. Ce sont les nucléons qui constituent la majeure partie de l’atome. De plus, les protons et les neutrons ne sont pas non plus des particules indivisibles et sont constitués de particules fondamentales - les quarks.
Le noyau d’un atome a une charge électrique positive et les électrons tournant en orbite ont une charge électrique négative. L’atome est donc électriquement neutre.
Ci-dessous, nous donnons un schéma élémentaire de la structure de l'atome de carbone.
Propriétés des atomes
Poids
La masse des atomes est généralement mesurée en unités de masse atomique - a.m.u. Une unité de masse atomique est la masse de 1/12 d’un atome de carbone en repos libre dans son état fondamental.
En chimie, le concept est utilisé pour mesurer la masse des atomes "papillon de nuit". 1 mole est une quantité de substance contenant un nombre d’atomes égal au nombre d’Avogadro.
Taille
Les tailles des atomes sont extrêmement petites. Ainsi, le plus petit atome est l'atome d'hélium, son rayon est de 32 picomètres. Le plus gros atome est l'atome de césium, qui a un rayon de 225 picomètres. Le préfixe pico signifie dix à la puissance moins douzième ! Autrement dit, si nous réduisons 32 mètres mille milliards de fois, nous obtenons la taille du rayon d'un atome d'hélium.
En même temps, l’ampleur des choses est telle qu’en réalité l’atome est vide à 99 %. Le noyau et les électrons occupent une part extrêmement petite de son volume. Pour plus de clarté, considérons cet exemple. Si vous imaginez un atome sous la forme d'un stade olympique à Pékin (ou peut-être pas à Pékin, imaginez simplement un grand stade), alors le noyau de cet atome sera une cerise située au centre du champ. Les orbites électroniques se situeraient quelque part au niveau des tribunes supérieures et la cerise pèserait 30 millions de tonnes. Impressionnant, n'est-ce pas ?
D'où viennent les atomes ?
Comme vous le savez, différents atomes sont désormais regroupés dans le tableau périodique. Il contient 118 éléments (et s'il contient des éléments prédits mais pas encore découverts - 126), sans compter les isotopes. Mais cela n’a pas toujours été le cas.
Au tout début de la formation de l'Univers, il n'y avait pas d'atomes, et plus encore, il n'y avait que des particules élémentaires qui interagissaient entre elles sous l'influence d'énormes températures. Comme dirait un poète, ce fut une véritable apothéose des particules. Au cours des trois premières minutes de l'existence de l'Univers, en raison d'une diminution de la température et de la coïncidence de tout un tas de facteurs, le processus de nucléosynthèse primaire a commencé, lorsque les premiers éléments sont apparus à partir de particules élémentaires : l'hydrogène, l'hélium, le lithium et deutérium (hydrogène lourd). C'est à partir de ces éléments que se sont formées les premières étoiles, au fond desquelles se sont produites des réactions thermonucléaires, à la suite desquelles l'hydrogène et l'hélium ont « brûlé », formant des éléments plus lourds. Si l'étoile était suffisamment grande, elle terminait sa vie par une explosion dite de supernova, à la suite de laquelle des atomes étaient projetés dans l'espace environnant. C’est ainsi que s’est avéré l’ensemble du tableau périodique.
Nous pouvons donc dire que tous les atomes qui nous composent faisaient autrefois partie d’étoiles anciennes.
Pourquoi le noyau d’un atome ne se désintègre-t-il pas ?
En physique, il existe quatre types d’interactions fondamentales entre les particules et les corps qu’elles composent. Ce sont des interactions fortes, faibles, électromagnétiques et gravitationnelles.
C’est grâce à la forte interaction, qui se manifeste à l’échelle des noyaux atomiques et est responsable de l’attraction entre les nucléons, que l’atome est une « noix difficile à casser ».
Il n’y a pas si longtemps, les gens ont réalisé que lorsque les noyaux des atomes se divisaient, une énorme énergie était libérée. La fission des noyaux atomiques lourds est la source d’énergie des réacteurs nucléaires et des armes nucléaires.
Alors, mes amis, après vous avoir présenté la structure et les principes fondamentaux de la structure de l'atome, tout ce que nous pouvons faire est de vous rappeler que nous sommes prêts à vous venir en aide à tout moment. Peu importe que vous ayez besoin d'un diplôme en physique nucléaire ou du plus petit test - les situations sont différentes, mais il existe un moyen de sortir de toute situation. Pensez à l'échelle de l'Univers, commandez des travaux à Zaochnik et rappelez-vous : il n'y a aucune raison de s'inquiéter.
