Читать книгу Единая картина мира. Системно-структурный метод - А. М. Андреюшкин - Страница 5

И так, простое вещество в общем виде представляется структурой атома, элементами которой является ядро, состоящее из протонов, положительно заряженных, нейтральных нейтронов и отрицательно заряженных электронов, объединенных в единое целое ядерными и электромагнитными связями. Множество структур, различающихся количеством элементов, определяет множество свойств различных веществ и свойств их соединений.

Первоначально атом считался неделимым, элементарной частицей (так он и переводится с древнегреческого) в атомической теории Демокрита и Эпикура; в теории Анаксагора, Аристотеля – предела делимости нет. В таком виде теория существовала много веков, вплоть до 20 века. Позднее атом представлялся по аналогии планетарной системы – в центре ядро, состоящее из протонов и нейтронов, тесно связанных, и электронов, вращающихся на удаленных орбитах. Согласно последней, принятой учеными квантово механической теории, для электрона неприменимы понятия координат, скорости, импульса, направления движения (как это принято в макромире), т. е. в микромире для описания движения не применима классическая ньютоновская механика, а есть особенности:

1. квантование энергии (энергия микрообъекта изменяется не непрерывно, а дискретно) квантами;

2. сочетание свойств частицы и волны – корпускулярно-волновой дуализм;

3. вероятностный подход к описанию процессов.

Поэтому можно говорить о вероятности движения электрона в заданной области пространства – в этом большие трудности в понимании и, естественно, сомнения в правильности теории, тем более что опытным путем это достоверно не доказано, единственным доказательством сему является утверждение: «Такова природа микромира». И так, структура атома, с позиций современной науки, принятого учеными мира на основании гипотез, является ядро, положительно заряженное, и отрицательно заряженные электроны, а связи можно описать квантовыми числами – их 4:

1. главное квантовое число, отвечающего за энергию атома (n = 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7);

2. орбитальное квантовое число – энергетический подуровень (l = s, p, d, f);

3. магнитное квантовое число (m¹ = – 1…., – 1, 0, +1…., + 1);

4. спиновое квантовое число (m_s = + 1/2, m_s = – 1/2).

В электронной формуле атома представлено распределение всех электронов атома по энергетическим уровням и подуровням, и указывающих:

1. количество валентных электронов, которые используются в химических реакциях;

2. спинвалентность, которая показывает возможности образования химической связи;

3. принадлежность атома к определенному электронному семейству (s,p,d,f).

Приводить электронные формулы атомов всех химических элементов не имеет смысла, они имеются в учебниках, в данном случае необходимо показать принцип построения единой научной картины мира, а определенные уровни структурной организации материи должны предоставлять соответствующие специалисты.

Названия химическим элементам давались по мере их открытия и по мере их исследования определялись и уточнялись свойства, а электронные формулы атомов не отражают причины столь качественного различия химических элементов, таких как внешний вид, запах, температура плавления и т. п., поэтому приведем другой вариант представления химических элементов.

Первое место в периодической системе Д. И. Менделеева занимает водород, имеющий минимальный атомный вес и заряд, т. к. атом водорода состоит из одного протона и одного электрона, а свое название получил благодаря способности производить воду при горении. Научное название водорода – Hydrogenium (H) от греческих слов "хидро" – вода и "генао" – рождаю. Легкий, бесцветный газ, самый распространенный элемент во Вселенной (92 % всех атомов), основная составная часть звезд и межзвездного газа. Доля атомов водорода на Земле 17 % (второе место после кислорода, доля которого 52 %). Кроме обычного водорода в природе встречаются изотопы: тяжелый, называемый дейтерием (D), состоящего из протона и нейтрона, т. е. в два раза тяжелее обычного водорода; сверхтяжелый водород, называемый тритий, получаемый искусственным путем, содержащий два нейтрона и один протон и, являющийся радиоактивным, с периодом полураспада 12,5 лет. Он излучает бета-частицы и превращается в изотоп лития с атомным весом 3

Изотопы, как обычный водород, тяжелый и сверхтяжелый тоже можно считать уровнями структурной организации материи, но надо иметь в виду, что эти уровни находятся внутри одного химического элемента – атома водорода, то есть изотопы являются подуровнями структурной организации водорода. Другие химические элементы, отличающихся количеством заряда, являются уровнями структурной организации химических элементов, дающие большое разнообразие свойств химических элементов и их соединений.

При рассмотрении атомов, как уровней структурной организации материи, четко прослеживаются законы диалектики: переход от простого к сложному, переход количественных изменений в качественные (при добавлении нейтрона получается новый химический элемент – изотоп того же элемента, с другими свойствами, более высшего уровня; при добавлении протона, появляется другой элемент таблицы Менделеева).

В термоядерных реакциях на Солнце происходит образование нового химического элемента гелия, из 4-х ядер водорода образуется одно ядро гелия, с атомным весом 4, с научным названием Helium (Не), который был открыт в 1868 г. при исследовании спектроскопом солнечных выступов (протуберанцев) при полном солнечном затмении, потому название получил, как "солнечное вещество" от греческого слова "гелиос" – Солнце. В 1895 г. гелий был открыт на Земле в некоторых минералах, а затем в воде и воздухе. Гелий – нейтральный газ, не вступает ни в какие реакции, прозрачный, без запаха и вкуса, имеет самую низкую температуру кипения -269°C, замерзает при – 272°C. (на один градус выше температуры абсолютного нуля).

Следующим химическим элементом в периодической системе является Литий – Lithium (Li), от греческого слова "литос", что значит камень, открытый в 1817 г. Атомный номер химического элемента 3, с атомной массой 6,941. Литий самый легкий щелочной металл, серебристо белого цвета, в 5 раз легче алюминия.

И т. д. каждый последующий атом системы Д. И. Менделеева является следующим уровнем структурной организации материи внутри атомной ветви структурной организации со своими ветвями уровней структурной организации атомов – изотопов. Некоторые атомы были предсказаны благодаря открытой систематизации их в таблице Д. И. Менделеева, некоторые получены искусственным путем и не изучены их свойства.

Сама периодическая система построена таким образом, что есть возможность группировать химические элементы различным способом – это тоже будут уровнями структурной организации материи и тоже как ветви уровней структурной организации атома. Группировать химические элементы таблицы Д.И.Менделеева можно по:

1. однотипности валентных электронов, все они стоят в своих колонках периодической таблицы, т. е. это семейства s, p, d, f, например, щелочные металлы: Li, Na, K, Cs, Fr – у них у всех s¹ – это значит, что валентный слой построен одинаково. Если взять галогены: F, Cl, Br, I, At – у них у всех s²p⁵;

2. электронным энергетическим уровням;

3. элементы семейства f выделены отдельной группой – лантаноиды и актиноиды, т. к. электроны этой группы не являются валентными;

4. Можно выделить другие группы элементов – радиоактивные, тяжелые (устойчивые и не устойчивые) и др.

Поэтому таблица Д.И. Менделеева называется периодической. Она была предложена в 1869 году, как гипотеза, когда не было в помине структуры атома, основным критерием был атомный вес, в то время были известны 63 элемента, некоторые клетки были пустыми и эти элементы открыты благодаря таблице.

Рассмотрен один уровень структурной организации материи – атомный с его ветвями уровней и подуровней. Следующим низшим уровнем структурной организации материи, предшествующий атомному, являются элементарные частицы, начиная с протона, нейтрона и электрона, а высшим уровнем после атомного является молекулярный, который будет рассмотрен позже.