Атоми, молекули и йони
Oще древногръцките философи Левкип и Демокрит са смятали, че веществата се състоят от много малки невидими частици. Днес вече знаем, че веществата са изградени от атоми, молекули и йони.
Какви частици са атомите
Атомите са сложни частици. Всеки атом се състои от положително заредено ядро, около което се движат електрони (е–) с отрицателен електричен заряд (фиг. 1). Ядрото е положително заредено, защото в състава му влизат положително заредени частици, наречени протони. Протоните се бележат с p+ (латинска буква p (пе) и горен индекс +). Всеки протон има един положителен електричен заряд. В ядрото на всеки вид атоми има точно определен брой протони. Например водородните атоми имат по един протон, а въглеродните атоми – по шест протона (фиг. 1а и 1б).
Броят на протоните е равен на броя на електроните във всеки атом и затова атомите са електронеутрални. В ядрата на атомите на въглерода има шест протона и около него се движат шест електрона (фиг. 1б).
Атомите са електронеутрални частици. Видът на атомите се определя от броя на протоните в ядрата им.
Какви частици са молекулите
Повечето атоми не могат да съществуват дълго време в свободно състояние и се свързват помежду си. Така те образуват по-сложни частици – молекули. Молекулата на кислорода се състои от два кислородни атома (фиг. 2а). Молекулата на водата се състои от два атома водород и един атом кислород (фиг. 2б).
Молекулите могат да съществуват като свободни частици продължително време. Те определят свойствата на веществата, които изграждат.
Молекулите са електронеутрални частици, които се образуват при свързването на два или повече атома.
Какви частици са йоните
Много вещества са изградени от положително и отрицателно заредени частици, наречени йони. Такова вещество е добре познатият ви натриев хлорид (готварска сол).
При образуването на натриевия хлорид електронеутралният натриев атом отдава един електрон и се превръща в положителен натриев йон (фиг. 3а). Електронеутралният хлорен атом приема един електрон и се превръща в отрицателен хлориден йон (фиг. 3б). При образуването на йоните броят на протоните в атомните ядра не се променя.
Йоните са заредени частици. Те се образуват, когато атомите приемат или отдават един или повече електрони.
Натриевият хлорид се състои от положително заредени натриеви и отрицателно заредени хлоридни йони, които се привличат (фиг. 4).
Нещо повече
Колко малки са атомите? Ако сравним атома със стъклено топче за игра, той е толкова по-малък от него, колкото футболна топка е по-малка от Земята.
Поради безкрайно малкия размер на атомите те не могат да бъдат видени, затова се представят с модели. Моделите ни дават известна представа за строежа на истинските частици.
Всеки електрон има по един отрицателен заряд, който е равен по големина, но противоположен по знак на заряда на протона. Електроните са много леки частици. Масата им е само [latex]\frac{1}{1836}[/latex] част от масата на протоните.
Атомизъм
Първите представи, че веществото се състои от отделни неделими частици, се появили в дълбока древност и отговаряли на общите философски представи за света. Например някои философски школи в Древна Индия (I хил. пр.н.е.) признавали не само съществуването на първични неделими частици на веществото (ану), но и тяхната способност да се съединяват една с друга и да образуват нови частици. Аналогични учения съществували и в други страни на древния свят. Най-голяма известност и влияние върху следващото развитие на науката е оказала древногръцката атомистика.
Първата научна хипотеза за строежа на веществата – идеята за атомизма, е изказана от Левкип и неговия ученик Демокрит. Демокрит е роден в Абдера, Тракия, през 460 г. пр.н.е. Баща му бил много богат. Демокрит похарчил наследството си, за да утоли жаждата си за знания. Според него всичко се състои от атоми, които са физически неделими. Между атомите се намира празно пространство. Те са неразрушими и винаги са в движение. Атомите се различават по форма и размери и са безкраен брой.
Начало на научната теория
Към края на ХVIII в. са формулирани два химични закона, в които не е било използвано понятието атом. Първият е Законът за запазване на масата, формулиран от Антоан Лавоазие през 1789 г., според който общата маса на веществата в дадена химична реакция остава постоянна. Вторият закон е формулиран от френския химик Жозеф Пруст през 1799 г. и гласи, че „химичните съединения имат винаги постоянен състав независимо от начина на получаването им“.
Следват откритията на Джон Далтон, които изиграват решаваща роля за възприемане на понятието за атом. Далтон прави извода, че всеки химичен елемент се състои от атоми, които не могат да бъдат променяни или разрушавани с химични методи, но могат да се съчетават и да образуват сложни вещества — химични съединения. Тъй като той стига до това заключение чрез експерименти и анализ на резултатите, това поставя началото на истинската научна теория за строежа на атома.
Атомно-молекулна теория
Недостатъците на теорията на Далтон са коригирани през 1811 г. от Амедео Авогадро. Той прави изводи за строежа на молекулата на много газове, като изследва точните обеми, при които те реагират един с друг. Например, след като 2 л водород реагират само с 1 л кислород и резултатът е 2 л водни пари, следва, че всяка молекула кислород се разделя на две, за да образува две молекули вода. Така Авогадро потвърждава разликата между атоми и молекули.
През 1827 г. шотландският ботаник Робърт Браун наблюдава движението на цветни прашинки върху водна повърхност и забелязва, че те без видима причина хаотично променят движението си. Доста по-късно, през 1905 г., Алберт Айнщайн предполага, че това брауново движение е породено от водните молекули, които непрекъснато удрят цветните прашинки. Този модел е доказан експериментално през 1908 г. от френския физик Жан Батист Перен и така атомно-молекулната теория за строежа на веществото е потвърдена.
Откриване на електрона
През 1897 г. Томпсън открил електрона и неговия заряд и му дал названието корпускула. Станало ясно, че атомът не е неделим. Частиците, които го изграждат, били наречени елементарни частици. Терминът електрон като елементарна частица с неделим заряд е предложен от Джордж Джонсън Стоун. Думата електрон идва от гръцката ήλεκτρον, което означава кехлибар.
През 1911 г. Ръдърфорд – ученик на Томпсън, открил съществуването на атомното ядро, а през 1913 г. открил протона.
Днес знаем, че атомът е изграден от положително заредено ядро и отрицателно заредени електрони, движещи се по определен начин около ядрото. Броят на протоните в атомното ядро определя вида на химичния елемент. Атомът е електронеутрален, защото броят на протоните в ядрото е равен на броя на електроните в електронната обвивка.