Страница 136 - гдз по химии 8 класс учебник Габриелян, Остроумов

9. Подготовьте сообщение и презентацию на тему «Эволюция представлений о сложном строении атома».

Представления о строении вещества прошли долгий путь развития, от чисто философских умозаключений древних мыслителей до сложнейших математических моделей современной квантовой физики. Идея о том, что вся материя состоит из мельчайших неделимых частиц — атомов, — зародилась еще в античности. Однако лишь в XIX-XX веках, благодаря ряду революционных открытий, ученые смогли не только доказать существование атомов, но и заглянуть внутрь них, обнаружив сложную структуру. Эволюция представлений о строении атома — это яркий пример того, как научная мысль, опираясь на эксперимент, шаг за шагом приближается к более точному описанию реальности. Рассмотрим ключевые этапы этого пути.

Античные представления: Атомизм Демокрита

Еще в V веке до н.э. древнегреческий философ Демокрит, развивая идеи своего учителя Левкиппа, выдвинул гипотезу о том, что все тела в мире состоят из мельчайших, невидимых глазу и неделимых частиц, которые он назвал атомами (от др.-греч. ἄτομος — «неделимый»). Согласно его учению, атомы вечны, неизменны и находятся в постоянном движении в пустоте. Разнообразие веществ в мире объяснялось различиями в форме, размере, порядке и положении атомов, из которых они состоят. Важно понимать, что это была чисто философская, умозрительная концепция, не подкрепленная никакими экспериментальными данными. Она объясняла мир, но не позволяла делать предсказания или проводить расчеты.
Ответ: Атом — это мельчайшая, неделимая и вечная частица вещества. Эта модель была философской и не основывалась на экспериментах.

Атомная теория Дальтона (начало XIX века)

Первую научную, основанную на экспериментальных фактах (таких как закон сохранения массы и закон постоянства состава) теорию строения вещества предложил в 1808 году английский ученый Джон Дальтон. Он вернулся к идее атомов, но придал ей количественный характер. Основные положения его теории:
1. Все вещества состоят из атомов.
2. Атомы неделимы и не могут быть созданы или уничтожены в ходе химических реакций.
3. Атомы одного и того же элемента идентичны по своим свойствам и массе.
4. Атомы разных элементов имеют разные свойства и массу.
5. Сложные вещества (соединения) образуются из атомов разных элементов, соединенных в определенных простых числовых отношениях.
В модели Дальтона атом представлялся в виде крошечной, твердой, неделимой сферы. Эта теория блестяще объяснила многие законы химии и заложила основы для дальнейшего развития науки.
Ответ: Атом — это крошечная, неделимая, сплошная сфера. Атомы одного элемента одинаковы, а атомы разных элементов отличаются массой и свойствами.

Модель Томсона, или «пудинг с изюмом» (1904 г.)

В 1897 году английский физик Джозеф Джон Томсон, изучая катодные лучи, открыл электрон — первую субъатомную частицу. Это открытие доказало, что атом не является неделимым, а имеет сложную структуру. Томсон установил, что электроны несут отрицательный заряд и имеют массу, почти в 2000 раз меньшую массы атома водорода. Поскольку атом в целом электронейтрален, Томсон предположил, что в его состав должен входить и положительный заряд, который компенсирует заряд электронов.
В 1904 году он предложил свою модель атома, которую неофициально назвали «пудинг с изюмом». Согласно этой модели, атом представляет собой сферу, равномерно заполненную положительным зарядом («пудинг»), внутри которой находятся отрицательно заряженные электроны («изюм»). Суммарный отрицательный заряд электронов равен положительному заряду сферы, что обеспечивает нейтральность атома.
Ответ: Атом — это сфера из положительного заряда, в которую вкраплены отрицательно заряженные электроны для обеспечения общей электронейтральности.

Планетарная модель Резерфорда (1911 г.)

Следующий революционный шаг был сделан учеником Томсона, Эрнестом Резерфордом. В 1909–1911 годах под его руководством был проведен знаменитый опыт по рассеянию альфа-частиц на тонкой золотой фольге. Результаты эксперимента были неожиданными: большинство альфа-частиц пролетало сквозь фольгу практически без отклонений, но некоторые отклонялись на большие углы, а единичные частицы (примерно 1 из 8000) отбрасывались назад.
На основании этих данных Резерфорд пришел к выводу, что модель Томсона неверна. Он предложил новую, планетарную (или ядерную) модель строения атома:
1. Почти вся масса и весь положительный заряд атома сосредоточены в очень малом объеме в его центре — в ядре.
2. Вокруг ядра, подобно планетам вокруг Солнца, по орбитам вращаются отрицательно заряженные электроны.
3. Атом в основном состоит из пустого пространства.
Эта модель хорошо объясняла результаты опыта по рассеянию, но столкнулась с серьезным противоречием. Согласно законам классической электродинамики, электрон, движущийся по орбите с ускорением, должен непрерывно излучать энергию, терять скорость и в конечном итоге упасть на ядро. Атомы в модели Резерфорда были бы нестабильны, что противоречит реальности.
Ответ: Атом состоит из крошечного, массивного, положительно заряженного ядра в центре и вращающихся вокруг него по орбитам электронов.

Модель Бора (1913 г.)

Датский физик Нильс Бор попытался разрешить противоречия планетарной модели, объединив ее с зарождавшимися квантовыми идеями Макса Планка и Альберта Эйнштейна. Он предложил модель, основанную на нескольких постулатах:
1. Электроны в атоме могут двигаться не по любым, а только по строго определенным («разрешенным») стационарным орбитам, находясь на которых они не излучают энергию.
2. Каждой стационарной орбите соответствует определенный уровень энергии $E_n$. Энергия электрона в атоме квантована.
3. Излучение или поглощение энергии происходит только в момент перехода электрона с одной стационарной орбиты на другую. При переходе с более высокой орбиты на более низкую излучается квант света (фотон) с энергией, равной разности энергий орбит: $\Delta E = E_{верх} - E_{ниж} = hf$. Для перехода на более высокую орбиту атом должен поглотить фотон с такой же энергией.
Модель Бора позволила блестяще рассчитать спектр излучения атома водорода и стала важнейшим шагом к созданию полноценной квантовой теории. Однако она была внутренне противоречива (смешивая классические и квантовые подходы) и не могла объяснить спектры более сложных атомов и многие другие тонкие эффекты.
Ответ: Электроны вращаются вокруг ядра по особым, стационарным орбитам с квантованной энергией, не излучая при этом. Излучение и поглощение света происходит при «прыжках» электрона между этими орбитами.

Квантово-механическая (волновая) модель (середина 1920-х гг.)

Современная модель атома, разработанная в 1920-е годы усилиями Луи де Бройля, Вернера Гейзенберга, Эрвина Шрёдингера и других ученых, кардинально отличается от всех предыдущих. Она отказалась от понятия траектории электрона и основывается на следующих принципах:
• Корпускулярно-волновой дуализм: Электрон обладает свойствами и частицы, и волны (гипотеза де Бройля, $\lambda = h/p$). Его поведение нельзя описать как движение маленького шарика.
• Принцип неопределенности: Согласно принципу неопределенности Гейзенберга, невозможно одновременно с абсолютной точностью определить и координату, и импульс электрона ($\Delta x \cdot \Delta p \ge \hbar/2$). Чем точнее мы знаем его положение, тем менее точно знаем его скорость, и наоборот. Это фундаментальное свойство природы, а не недостаток измерительных приборов.
• Атомная орбиталь: Вместо понятия «орбита» вводится понятие «атомная орбиталь». Это не траектория, а область пространства вокруг ядра, в которой вероятность нахождения данного электрона наиболее высока (обычно >90%). Форма, размер и энергия орбитали описываются решениями уравнения Шрёдингера и характеризуются набором четырех квантовых чисел ($n, l, m_l, m_s$).
Эта модель является вероятностной. Она не говорит, где именно находится электрон в данный момент, а лишь описывает вероятность его обнаружения в той или иной точке пространства. Несмотря на свою сложность и контринтуитивность, квантово-механическая модель является на сегодняшний день наиболее точной и полной, позволяя описывать и предсказывать свойства атомов, молекул и химических связей.
Ответ: Электрон в атоме не имеет определенной траектории. Его состояние описывается волновой функцией, а его положение — вероятностной областью пространства, называемой атомной орбиталью, форма и энергия которой определяются квантовыми числами.

В заключение, история изучения атома демонстрирует, как научное знание прогрессирует через смену парадигм. Каждая новая модель не просто отвергала старую, а включала ее в себя как частный случай или объясняла, почему предыдущая модель была успешна в ограниченной области. Путь от неделимого шарика Демокрита до вероятностного «облака» Шрёдингера отражает не только усложнение наших представлений, но и фундаментальные изменения в нашем понимании законов природы.

Как располагаются электроны вокруг атомного ядра — хаотически или в определённом порядке?

Расположение электронов вокруг атомного ядра нельзя однозначно назвать ни хаотическим, ни упорядоченным в классическом понимании этих слов. Современная квантово-механическая модель атома описывает это расположение как вероятностное, но подчиняющееся строгим законам и принципам, что вносит фундаментальный порядок в кажущийся хаос.

Изначально планетарная модель атома Резерфорда-Бора предполагала, что электроны движутся вокруг ядра по строго определённым круговым орбитам, подобно планетам. Это была модель строгого порядка. Однако она имела ряд недостатков и не могла объяснить многие экспериментальные факты.

Современная физика описывает электрон не как крошечный шарик, летящий по траектории, а как объект, обладающий корпускулярно-волновым дуализмом, то есть проявляющий свойства и частицы, и волны. В соответствии с принципом неопределённости Гейзенберга, невозможно одновременно точно измерить координату и импульс (а значит, и скорость) электрона. Поэтому понятие "траектория" для электрона в атоме теряет смысл.

Вместо этого используется понятие атомной орбитали — это не линия движения, а область пространства вокруг ядра, в которой вероятность найти данный электрон максимальна (обычно принимается за 90-95%). Эту область можно визуализировать как "электронное облако" разной формы и плотности. Движение электрона внутри этого облака непредсказуемо, и в этом смысле его можно назвать хаотическим.

Однако сами эти орбитали и их заполнение электронами подчиняются строжайшему порядку, который определяется квантовыми числами и фундаментальными принципами:
1. Энергетические уровни. Электроны могут обладать только определёнными, дискретными значениями энергии. Они располагаются на энергетических уровнях (или электронных слоях), которые нумеруются главным квантовым числом $n = 1, 2, 3, \ldots$. Электрон не может находиться "между" уровнями.
2. Подуровни и форма орбиталей. Каждый уровень (кроме первого) состоит из подуровней ($s, p, d, f$), которым соответствуют орбитали разной формы. Например, $s$-орбитали имеют сферическую форму, а $p$-орбитали — форму объёмной восьмёрки (гантели).
3. Принципы заполнения. Распределение электронов по орбиталям происходит в строгом порядке: согласно принципу наименьшей энергии (сначала заполняются уровни с меньшей энергией), принципу Паули (на одной орбитали может находиться не более двух электронов, причём с противоположными спинами) и правилу Хунда.

Таким образом, электронная структура атома представляет собой высокоорганизованную систему. Хотя движение каждого отдельного электрона в своей орбитали непредсказуемо, общее расположение электронов в атоме строго упорядочено.

Ответ: Электроны вокруг атомного ядра располагаются в строго определённом порядке. Этот порядок носит квантово-механический характер: электроны распределяются по дискретным энергетическим уровням и атомным орбиталям в соответствии с чёткими законами и принципами, а не движутся хаотически.