-
اتم چیست؟
اتم چیست؟
اتم کوچکترین واحد تشکیل دهنده یک عنصر شیمیایی است که خواص منحصر به فرد آن عنصر را حفظ می‌کند. تعريف ديگری آن را به عنوان کوچکترين واحدی در نظر ميگيرد که ماده را ميتوان به آن تقسيم کرد بدون اينکه اجزاء بارداری از آن خارج شود.[۲] اتم ابری الکترونی، تشکیل‌شده از الکترونها با بار الکتریکی منفی، که هستهٔ اتم را احاطه کرده‌است. هسته نیز خود از پروتون که دارای بار مثبت است و نوترون که از لحاظ الکتریکی خنثی است تشکیل شده است. زمانی که تعداد پروتون‌ها و الکترونهای اتم با هم برابر هستند اتم از نظر الکتریکی در حالت خنثی یا متعادل قرار دارد در غیر این صورت آن را یون می‌نامند که می‌تواند دارای بار الکتریکی مثبت یا منفی باشد. اتمها با توجه به تعداد پروتون‌ها و نوترون‌های آنها طبقه‌بندی میشوند. تعداد پروتون‌های اتم مشخص کننده نوع عنصر شیمیایی و تعداد نوترون‌ها مشخص‌کننده ایزوتوپ عنصر است. [۳]
نظريه فيزيک کوانتم تصوير پيچيده ای از اتم ارائه ميدهد و اين پيچيدگی دانشمندان را مجبور ميکند که جهت توصيف خواص اتم بجای يک تصوير متوسل به تصاوير شهودی متفاوتی از اتم شوند. بعضی وقت ها مناسب است که به الکترون به عنوان يک ذره متحرک به دور هسته نگاه کرد و گاهی مناسب است به آنها عنوان ذراتی که در امواجی با موقعيت ثابت در اطراف هسته (مدار: orbits) توزيع شده اند نگاه کرد. ساختار مدار ها تا حد بسيار زيادی روی رفتار اتم تأثير گذارده و خواص شيميايی يک ماده توسط نحوه دسته بندی اين مدار ها معين ميشود.
ریشه لغوی
این کلمه ، از کلمه یونانی atomos ، غیر قابل تقسیم ، که از a- ، بمعنی غیر و tomos، بمعنی برش ، ساخته شده است. معمولا به معنای اتمهای شیمیایی یعنی اساسی‌ترین اجزاء مولکول‌ها و مواد ساده می‌باشد.
تاریخچه شناسایی اتم
اتم - ملكول - ساختار اتم
از مدتها قبل ،انسان مي داند كه تمام مواد از ذرات بنيادي يا عناصر شيميايي ساخته شده اند. از ميان اين مواد،مثلاً مي توان از اكسيژن ،گوگرد ،و آهن نام برد .كوچكترين ذره آهن ،يك اتم آهن و كوچكترين ذره گوگرد ،يك اتم گوگرد ناميده مي شود .
آهن خالص فقط داراي اتمهاي آهن است و گوگرد خالصل نيز فقط اتمهاي گوگرد دارد . اتمها جرمهاي گوناگوني دارند .سبكترين آنها اتم هيدوژن است .
اتمهاي آهن بسيار سنگينتر از هيدروژن و اتمهاي "اورانيم" از اتمهاي آهن سنگينترند ،يعني جرمشان بيشتر ايت .واژه اتم ،از بان يوناني گرفته شده و معناي آن در واقع "ناكسستني" يا "تقسيم ناپذير" است .
امروزه ما مي دانيم كه امها را هم مي توان به اجزاء كوچكتر تقسيم كرد.ولي به هر حال ،اگر مثلاً يك اتم آهن را درهم بشكنيم ،اجزاء شكسته شده ،و ديگر آهن نسيتند و خصوصيات آهن را ندارند به اين دليل است كه در بسياري از كتابهاي شيمي تعريف زير در باره واژه "اتم" آورده شده است :
"يك اتم كوچكترين سنگ بناي يك عنصرشيميايي است كه كليه خصوصيات ويژه آن عنصر را دارا بوده و در صورت تقسيم آن به اجزاء كوچكتر ،اين خصوصيات را از دست خواهد داد ".
اتمها در مقايسه با كليه چيزهايي كه ما در زندگي معمولي خود با آنها برخورد مي كنيم ،خيلي خيلي كوچك هستند .قطر يك اتم تقريباً سانتيمتر يا 8 - 10×1 سانتيمتراست . با ذكر يك مثال مي توان پي برد كه اتمها چقدر كوچك هستند :
برروي كره زمين تقريباً 5 ميليارد نفر زندگي مي كنند. اگر هر نفر را يك اتم حساب كنيم و با اين اتمها يك زنجير بسازيم طول اين زنجير به زحمت 50 سانتيمتر خواهد شد .
مولكول چيست؟ اتمها مي توانند براي ايجاد ذرات بزرگنر با يكديگر پيوند پيدا كنند و به اصطلاح "مولكولها " را تشكيل دهند.به عنوان مثال ،دو اتم اكسيژن با يكديگر تشكيل يك مولكول اكسيژن را مي دهند. در طبيعت اغلب اوقات اتفاق مي افتد كه امهاي عناصر مختلف به صورت مولكول با يكديگر اتحاد مي يابند .
يكي از معروفترين اين اتحادها مولكول آب است . كه ازيك اتم اكسيژن و دو اتم هيدوژن تشكيل شده است . يك مولكول آمونياك ،يك اتم نيتروژن وسه اتم هيدوژن دارد .
آب و آمونياك برخلاف اكسيژن و كربن عناصر شيميايي نيستند بلكه تركيبات شيميايي از عناصر متقاوت هستند .كوچكترين ذره چنين تركيبي مولكول ناميده مي شود .چنانچه يك مولكول آب را تجزيه كنيم خصوصيات آب از دست مي رود و فقط ذرات تشكيل دهنده آن يعني هيدروژن و اكسيژن باقي مي مانند كه خصوصياتي كاملاً متفاوت با آب دراند .
مولكولهانيز مثل اتمها به طرز غيرقابل تصوري كوچك هستند دريك ليوان ـآب معمولي تقريباً 6000000000000000000000000 يا 24 10×6 مولكول آب وجود دارد . اگر اين لوان آب را به ميزان مساوي بر روي تمام اقيانوسها و درياهاي كره زمين پخش كنيم درهر ليتر از آب درياها ،چندين هزار مولكول از آب ليوان وجود خواهد داشت .
ساختار اتم چيست ؟ تقريباً 75سال پيش "ارنست رادر فورد " در انگلستان مطلبي را كشف كرد كه فيزيك اتمي جديد را نبيان گذارد . اما اكنون به اين مطلب مي پردازيم .اين فيزيكدان بريتانيايي يك ورق نازك طلايي را مورد اصابت ذرات آلفا قرار داد تا در ون اتمها را شناسايي كند .
اگر مواد در يك چنين ورق فلزي بطور متناسب و يكنواخت پخش بودند ذرات آلفا درهمان مسير پرواز خود به حركت ادامه مي دادند،اگر چه در اين حالت كمي از سرعت ذرات آلفا كاسته مي شد. تمام "ذرات آلفا" تقريباً به همين شكل رفتار كردند .البته تعداد كمي نيز كاملاً از مسير خود منحرف شدند درست مثل اينكه به يك گلوله كوچك اما خيلي سنگين برخورد كرده باشند "رادرفورد " از اين آزمايش چنين نتيجه گيري كرد كه تقريبا تمام جرم اتم طلا در يك هسته بسيار كوچك وناچيز تمركز يافته است .
هسته اتم كشف شده بود.امروز ه ما دقيقاً مي دانيم ساختار اتم چيست ."اتم ماننديك منظومه شمسي كوچك است ". در مركز اتم يك هسته بسيار كوچك قرار دارد كه از نظر الكتريكي داراي با ر مثبت است و تقريباً تمام جرم اتم را تشكيل مي دهد به دور اين هسته ذرات كوچك و بسيار سبكي كه داراي بار الكتريكي منفي هستند يعني الكترونها در حركت هستند.
اتمها ي سنگين تر ين فلزات در وقاع داراي "ساختماني اسفنجي " هستند و تقريبا فقط از فضاي خالي تشكيل شده اند اگر هسته اتم را به برزگي يك گيلاس فرض كنيم ،ساختمان اتم با مدارهاي اكتروني خود تقريبا به بزرگي "كليساي دم " در شهر كلن خواهد بود .
قطر هستهه اتم تقريبا برابر سانتيمتر يا 12- 10سانتيمتر مي باشد به عبارت ديگر 100ميليارد هسته اتم دركنار هم زنجيري به طول يك ميليمترخواهند ساخت .
ساده ترين اتم هيدروژن است . دراين اتم فقط يك الكترون به دور هسته بسيار كوچكي مي گردد . در شرايط عادي اين اكترون فقط پنج ميليارددم سانتيمتر يا 9- 10×5 سانتيمتر از هسته فاصله دارد .اما اين الكترون مي تواند روي مدارهاي دور تري نسيت به هسته نيز قرار گيرد و در اينجاست كه متاسفانه و جه تشابه بين اتم و منظومه شمسي از بين مي رود .
حركت الكترون فقط روي مدارهاي ويژه و معين يا به عبارت ديگر"تراز انرژي " مشخصي امكان پذير مي بادش در حالي كه سياره ها در هر فاصله دلخواهي از خورشيد مي توانند حركت كنند مثلا اگريك الكترون از يك مدار داخلي يا به عبارت ديگراز يكتراز پر انرژي تر به يك مدارداخلي يا يك تراز كم انرژي تر منتقل شود مقدار انرژي به شكل يك ذره يا "كوانت نوري " يا "فوتون" رها مي وشد چون فقط مدارها يا ترازهاي انرژي كاملاً معيني وجود دارد در نتيجه فقط ذره هاي نوري يا انرژي كاملاً معيني نيز منتشر خواهند شد و به عبارت ديگردرنمودار موجي طول موجهاي كاملا معيني پديدار مي شوند كه انسان ار روي آنها مي تواند درتمام كيهان يك انم هيدروژن را باز شناسايي كند.
اين مطلب براي ساير عناصر شيميايي نيزصادق است زير بناي علم "طيف نگاري و طيف شناسي " مي باشد كه به كمك آن مثلا مي توان تشخيص داد چه نوع اتمهايي در آتمسفر خورشيد وجود دارند .
مواد متنوعی که روزانه در آزمایش و تجربه با آن روبه رو هستیم، متشکل از اتمهای گسسته است. وجود چنین ذراتی برای اولین بار توسط فیلسوفان یونانی مانند دموکریتوس (Democritus) ، لئوسیپوس (Leucippus) و اپیکورینز (Epicureanism) ولی بدون ارائه یک راه حل واقعی برای اثبات آن ، پیشنهاد شد. سپس این مفهوم مسکوت ماند تا زمانیکه در قرن 18 راجر بسکوویچ (Rudjer Boscovich) آنرا احیاء نمود و بعد از آن توسط جان دالتون (John Dalton) در شیمی بکار برده شد.
راجر بوسویچ نظریه خود را بر مبنای مکانیک نیوتنی قرارداد و آنرا در سال 1758 تحت عنوان:
Theoria philosophiae naturalis redacta ad unicam legem virium in natura existentium
چاپ نمود.
براساس نظریه بوسویچ ، اتمها نقاط بی‌اسکلتی هستند که بسته به فاصله آنها از یکدیگر ، نیروهای جذب کننده و دفع کننده بر یکدیگر وارد می‌کنند. جان دالتون از نظریه اتمی برای توضیح چگونگی ترکیب گازها در نسبتهای ساده ، استفاده نمود. در اثر تلاش آمندو آواگادرو (Amendo Avogadro) در قرن 19، دانشمندان توانستند تفاوت میان اتمها و مولکول‌ها را درک نمایند. در عصر مدرن ، اتمها ، بصورت تجربی مشاهده شدند.
اندازه اتم
اتمها ، از طرق ساده ، قابل تفکیک نیستند، اما باور امروزه بر این است که اتم از ذرات کوچکتری تشکیل شده است. قطر یک اتم ، معمولا میان 10pm تا 100pm متفاوت است.
ذرات درونی اتم
در آزمایش‌ها مشخص گردید که اتمها نیز خود از ذرات کوچکتری ساخته شده‌اند. در مرکز یک هسته کوچک مرکزی مثبت متشکل از ذرات هسته‌ای ( پروتون‌ها و نوترون‌ها ) و بقیه اتم فقط از پوسته‌های متموج الکترون تشکیل شده است. معمولا اتمهای با تعداد مساوی الکترون و پروتون ، از نظر الکتریکی خنثی هستند.
طبقه‌بندی اتمها
اتمها عموما برحسب عدد اتمی که متناسب با تعداد پروتون‌های آن اتم می‌باشد، طبقه‌بندی میشوند. برای مثال ، اتم های کربن اتم‌هایی هستند که دارای شش پروتون می‌باشند. تمام اتمهای با عدد اتمی مشابه ، دارای خصوصیات فیزیکی متنوع یکسان بوده و واکنش شیمیایی یکسان از خود نشان می‌دهند. انواع گوناگون اتمها در جدول تناوبی لیست شده‌اند.
اتمهای دارای عدد اتمی یکسان اما با جرم اتمی متفاوت (بعلت تعداد متفاوت نوترون‌های آنها) ، ایزوتوپ نامیده میشوند.
ساده‌ترین اتم
ساده‌ترین اتم ، اتم هیدروژن است که عدد اتمی یک دارد و دارای یک پروتون و یک الکترون می‌باشد. این اتم در بررسی موضوعات علمی ، خصوصا در اوایل شکل‌گیری نظریه کوانتوم ، بسیار مورد علاقه بوده است.
واکنش شیمیایی اتمها
واکنش شیمیایی اتمها بطور عمده‌ای وابسته به اثرات متقابل میان الکترونهای آن می‌باشد. خصوصا الکترون‌هایی که در خارجی‌ترین لایه اتمی قرار دارند، به نام الکترونهای ظرفیتی ، بیشترین اثر را در واکنش‌های شیمیایی نشان می‌دهند. الکترونهای مرکزی (یعنی آنهایی که در لایه خارجی نیستند) نیز موثر می‌باشند، ولی بعلت وجود بار مثبت هسته اتمی ، نقش ثانوی دارند.
پیوند میان اتمها
اتمها تمایل زیادی به تکمیل لایه الکترونی خارجی خود و (یا تخلیه کامل آن) دارند. لایه خارجی هیدروژن و هلیم جای دو الکترون و در همه اتمهای دیگر طرفیت هشت الکترون را دارند. این عمل با استفاده مشترک از الکترونهای اتمهای مجاور و یا با جدا کردن کامل الکترونها از اتمهای دیگر فراهم میشود. هنگامیکه الکترونها در مشارکت اتمها قرار می گیرند، یک پیوند کووالانسی میان دو اتم تشکیل می‌گردد. پیوندهای کووالانسی قویترین نوع پیوندهای اتمی می‌باشند.
یون
هنگامیکه بوسیله اتم ، یک یا چند الکترون از یک اتم دیگر جدا می‌گردد، یون‌ها ایجاد میشوند. یون‌ها اتم‌هایی هستند که بعلت عدم تساوی تعداد پروتو ن‌ها و الکترونها ، دارای بار الکتریکی ویژه میشوند. یون‌هایی که الکترونها را برمی‌دارند، آنیون (anion) نامیده شده و بار منفی دارند. اتمی که الکترونها را از دست می‌دهد کاتیون (cation) نامیده شده و بار مثبت دارد.
پیوند یونی
کاتیون‌ها و آنیون‌ها بعلت نیروی کولمبیک (coulombic) میان بارهای مثبت و منفی ، یکدیگر را جذب می‌نمایند. این جذب پیوند یونی نامیده میشود و از پیوند کووالانسی ضعیفتر است
مرز مابین انواع پیوندها
همانطور که بیان گردید، پیوند کوالانسی در حالتی ایجاد میشود که در آن الکترونها بطور یکسان میان اتمها به اشتراک گذارده میشوند، درحالیکه پیوند یونی در حالی ایجاد می‌گردد که الکترونها کاملا در انحصار آنیون قرار می‌گیرند. بجز در موارد محدودی از حالتهای خیلی نادر ، هیچکدام از این توصیف‌ها کاملا دقیق نیست. در بیشتر موارد پیوندهای کووالانسی ، الکترونها بطور نامساوی به اشتراک گذارده میشوند، بطوریکه زمان بیشتری را صرف گردش بدور اتمهای با بار الکتریکی منفی‌تر می‌کنند که منجر به ایجاد پیوند کووالانسی با بعضی از خواص یونی می‌گردد بطور مشابهی ، در پیوندهای یونی ، الکترونها اغلب در مقاطع کوچکی از زمان بدور اتم با بار الکتریکی مثبت‌تر می‌چرخند که باعث ایجاد بعضی از خواص کووالانسی در پیوند یونی می‌گردد.
