Dodaj do listy

CO TO JEST ATOM ?

Historia a atom

Od niepamiętnych czasów człowiek próbował zgłębić tajniki budowy materii. Np. w starożytności filozof grecki Demokryt twierdził, że materia ma budowę ziarnistą, a więc jest zbudowana z atomów (athomos z greckiego to niepodzielny). Dopiero na początku dwudziestego wieku po różnorodnych badaniach John Dalton przedstawił tezy atomistyczno - cząsteczkowej teorii budowy materii, które brzmiały:

  1. atomy są to najmniejsze elementy materii;
  2. atomy przybierają kształt kulisty;
  3. podczas reakcji chemicznych atomy wiążą się ze sobą tworząc cząsteczki;
  4. atomy wiążą się ze sobą tylko w całości a nie ich elementy;
  5. atomy są to elementarne cząsteczki materii, a więc niepodzielne;

Jednak ten pogląd o niepodzielności atomu został podważony w wyniku zaistnienia nowych odkryć, takich jak:

  1. eksperymenty nad elektrycznością dało odkrycie elektronu;
  2. udało się wyznaczyć masę elektronu i wartość ładunku;
  3. stwierdzono istnienie promieniowania rentgenowskiego, promieni X;
  4. poznano zjawisko promieniowania pewnych związków – promieniotwórczość;
  5. zaczęto eksperymentować z oddziaływaniami promieniowania (np. strumieniem elektronów) na materię, a także z przesyłaniem światła;

Od czasów Daltona próbowano stworzyć pewien model atomu:

  •   model wg Thomsona – atom jest to masa kuli naładowanej materii; atom można przedstawić jako równomiernie naładowaną dodatnim ładunkiem kulę, wewnątrz której wokół swoich położeń równowagi drgają elektrony; sumaryczny ujemny ładunek elektronów jest równy dodatniemu ładunkowi kuli; model Thomsona okazał się błędnym;
  •   model wg Rutherforda (rys. I. 1)– przedstawił 1911 r. tzw. planetarny model atomu, w którym wyróżnił dodatnio naładowane jądro, skupiające prawie cała masę i lekkie elektrony poruszające się z ogromną prędkością w pustej przestrzeni wokół niego;
  •   model wg Bohra (rys. I. 2)– chcąc wyjaśnić stabilność atomu wprowadził pojęcia kwantowanych orbit elektronów jądro, elektron, orbita Orbita droga obiegowego ruchu obiektów astronomicznych. Np. droga planet wokół Słońca, droga komet wokół Słońca lub droga Księżyca wokół Ziemi czy droga gwiazdy wokół innej gwiazdy. Powszechnie... Czytaj dalej Słownik geograficzny elektronu;
  •   model Schrodingera (rys. I. 3)- precyzyjnie określone orbity elektronów (Bohra) został zastąpiony opisem obszarów przestrzeni (nazywanych orbitalami), gdzie najprawdopodobniej znajdują się elektrony;

Niektóre z modeli zostały przedstawione poniżej.

Rys. I. Historyczne modele atomu opis w tekście, A – jądro, B – elektrony, C – orbita elektronu.

Budowa atomu

Obecnie uznawany jest najnowszy model kwantowo –mechaniczno- matematyczny atomu. Kwantowo mechaniczna teoria za pomocą wzorów i funkcji matematycznych opisuje ruch elektronów wokół jądra. W związku z tym atom jest określany jako układ składający się z elementarnych cząsteczek i w którym można rozróżnić dwie sfery:

  •   sfera składająca się z jądra naładowanego dodatnio;
  •   sfera składająca się z chmury elektronowej naładowanej ujemnie;

Cząstki, które nie posiadają struktury nazywane są cząstkami elementarnymi. Za nim stwierdzono obecność kwarków, już znano protony, neutrony, mezony, hiperony, leptony, fotony i cząstki rezonansowe wraz z ich antycząsteczkami. W chwili obecnej jest ich znanych kilkaset.

Wyróżniamy w atomie następujące cząstki elementarne:

  •   proton – cząstki o masie 1,67*10-27kg naładowane dodatnio o elementarnym ładunku 1,60* 10-19 Cznajdujące się w jądrze;
  •   neutron – obojętne cząstki o masie 1,67*10-27kg, znajdujące się w jądrze;
  •   elektron (negaton) – cząstki o masie 9,1*10-31kg i naładowane ujemnie o ładunku elektrycznym 1,6*10-19C krążące wokół jądra tworząc tzw. chmurę elektronową;
  •   pozyton (antyelektron) – elektron dodatni, jest to antycząstka elektronu;

Protony i neutrony są nazywane nukleonami. Liczba protonów jest równa liczbie elektronów w pierwiastkach znajdujących się w stanie wolnym, a wiec elektrycznie obojętnych.

Chmura elektronowa jest to obszar wokół jądra, w którym najczęściej znajdują się elektrony, obejmuje w 99 % powłoki, a więc jest to największe prawdopodobieństwo występowania elektronów.

Powłoki elektronowe są to wyodrębnione powierzchnie w atomie o dozwolonej energii elektronów, powłoki złożone są z warstw, tzw. podpowłok elektronowych (struktura subtelna i nadsubtelna), powstałe w rezultacie wzajemnych oddziaływa: magnetycznych momentów orbitalnych i spinowych oraz magnetycznego momentu jądrowego danej powłoki elektronowej. Pozostałością po modelu atomu Bohra jest nazewnictwo poszczególnych powłok: K, L, M...

Minimalna przestrzeń danego jądra, w którym jest największe (90 %) prawdopodobieństwo wystąpienia elektronu jest to tzw. orbital atomowy.

Porządek i rozmieszczenie elektronów na poszczególnych powłokach oraz podpowłokach atomowych jest opisane poprzez tzw. konfigurację elektronową atomów. Elektrony ostatniej powłoki, tzw., walencyjne biorą udział w reakcjach a więc w tworzeniu wiązań chemicznych, tworząc cząsteczki, czy też związek chemiczny w zależności od tego czy są to atomy tego samego pierwiastka czy innych.

Pierwiastek chemiczny i układ okresowy

Pierwiastek chemiczny jest to zbiór atomów posiadających taka samą liczbą protonów w jądrze.

Pierwiastek jest to najprostsza substancja, która w wyniku reakcji chemicznych nie może się rozpaść na mniejsze części. Poznane do tej pory pierwiastki chemiczne (jest ich ponad 100) zostały usystematyzowane w tzw. układ okresowy, grupujący pierwiastki według ich cyklicznie powtarzających się podobieństw właściwości.

W 1969 roku D. I. Mendelejew przedstawił empiryczne prawo, tzw. prawo okresowości, w którym stwierdzono, że właściwości fizyczne i chemiczne pierwiastków ulegają regularnym zmianom wraz ze wzrostem masy atomowej (w najnowszej wersji tego prawa zamiast masy atomowej używa się liczby atomowej). Właściwości, które ulegają takim cyklicznym zmianom to między innymi:

  •   objętość atomowa
  •   elektroujemność
  •   powinowactwo elektronowe
  •   energia jonizacji

Na podstawie powyższego prawa Mendelejew, jako pierwszy, usystematyzował pierwiastki chemiczne w układ okresowy. Jest to tablica, w której poziomo są to szeregi zwane okresami, zaś pionowo to kolumny zwane grupami. Pierwiastki będące w tej samej grupie posiadają taką samą konfigurację walencyjnych powłok elektronowych, w wyniku, czego maja podobne właściwości fizyczne i chemiczne.

Wyróżniamy:

  •   grupy główne – należą pierwiastki, które zabudowują podpowłoki ns albo np., gdzie n jest to numer okresu, do której należy dany pierwiastek a dokładniej mówiąc jest to tzw. główna liczba kwantowa opisująca energię ostatniej powłoki atomów tego okresu; nazwy grup głównych to: litowce (nr grupy 1), berylowce Berylowce chem. - pierwiastki chemiczne tworzące drugą grupę układu okresowego: beryl, magnez, wapń, stront, bar, rad; metale aktywne chemicznie, występujące w przyrodzie w związkach.
    Czytaj dalej Słownik wyrazów obcych
    (2), borowce (3), węglowce (4), azotowce Azotowce pierwiastki chemiczne tworzące 15 grupę układu okresowego (azot, fosfor, arsen, antymon i bizmut).
    Czytaj dalej Słownik wyrazów obcych
    (5), tlenowce Tlenowce aerobowe organizmy.
    Czytaj dalej Słownik biologiczny
    (6), fluorowce (7), helowce (8);
  •   grupy poboczne– są to pierwiastki:
    • tzw. zewnętrzno-przejściowych, które rozbudowują podpowłokę (n-1)d, gdzie n = 4, 5, 6, są to kolejno miedziowce (grupa nr 11), cynkowce Cynkowce chem. - pierwiastki 12 grupy układu okresowego (cynk, kadm, rtęć), metale występujące w przyrodzie przeważnie w stanie związanym.
      Czytaj dalej Słownik wyrazów obcych
      (12), skandowce(3), tytanowce(4), wanadowce(5), chromowce(6), manganowce(7), żelazowce(8), kobaltowce (9) i niklowce(10);
    • tzw. wewnątrz-przejściowych, które rozbudowują podpowłokę (n-2)f, gdzie n = 6, 7, a są to szeregi lantanowców oraz aktynowców, leżące poza właściwym układem;

Liczba protonów będących w jądrze danego atomu jest to tzw. liczba atomowa (Z), jest to liczba porządkowa układu okresowego, czyli kolejny numer pierwiastka układu.

Pierwiastek w stanie wolnym jest cząstką elektrycznie obojętną, a więc liczba protonów jest równa liczbie elektronów w jądrze atomów. A więc Z jest to liczba zarówno protonów jak i elektronów.

Suma liczby protonów (p) oraz neutronów (n) w atomie danego pierwiastka jest to tzw. liczba masowa (A). W związku z tym, że liczba neutronów jest zmienna w danym pierwiastku (izotopy), liczba masowa może się różnić.

A = p + n = Z + n

W układzie okresowym:

Numer grupy jest to liczba elektronów z walencyjnej powłoki;

Numer okresu jest to liczba powłok elektronowych atomu danego pierwiastka;

Promieniotwórczość i izotopy

Izotopy zwane nuklidami są to atomy zawierające taką samą liczbę protonów – liczbę Z, ale odmienną liczbą masową, a wiec różnią się liczbą neutronów. A więc poszczególne izotopy danego pierwiastka różnią się liczbą masową, z czego wynikają różnice we właściwościach fizycznych takich jak gęstość, temperatura wrzenia czy topnienia. Ich właściwości chemiczne są podobne do siebie ze względu na to, że posiadają taką samą ilość elektronów. Niektóre z nich mają zdolność do samoistnych rozpadów czy też przemian jąder atomowych. Mogą one zachodzić spontanicznie, poprzez rozpad alfa, beta, czy też wychwyt elektronów.

W środowisku naturalnym poznano ponad 60 izotopów emitujących naturalne promieniowanie. Zjawisko to jest nie uwarunkowany od działalności człowieka i nazywamy promieniotwórczością naturalną.

Mamy kilka rodzai izotopów promieniotwórczych w zależności od ich pochodzenia:

  •   pierwotne radioizotopy cechujące się bardzo długimi czasami połowicznego zaniku (ponad 0,5 mld lat), powstałe, w wyniku nukleogenezy, razem ze stabilną materią Ziemi; najczęściej występujące i mające największy udział w promieniowaniu naturalnym to m.in. 238 U(t = 4,5 mld lat), 40 K(t = 1,28 mld lat), 232 Th (t = 14 mld lat), a także pierwiastki ziem rzadkich emitujące promieniowanie alfa, np. 147 Sm (t = 105 mld lat);
  •   wtórne izotopy, pochodzące z kolejnych rozpadów radioizotopów pierwotnych, tworzące szeregi promieniotwórcze, najbardziej znanymi są izotopy: 226 oraz 228 Radu, 222 oraz 220 Radonu, 210 ołowiu i 210 polonu
  •   kosmogenne radioizotopy, na które składa się grupa ponad 10 izotopów lekkich pierwiastków ciągle powstających w reakcjach jądrowych (reakcje spalacji) z protonami promieniowania pochodzącego z kosmosu, zachodzące najczęściej w górnych warstwach atmosfery naszego globu, są to np.: 14C (t = 5,7 tys. lat), 7Be (t = 54 dni), 10Be (t = 1,7 mln lat), 3H (t = 12 lat),

Promieniotwórczość sztuczna jest to promieniowanie izotopów powstałe w wyniku bombardowania, przez pewne cząstki, stabilnych izotopów.

Jest obecnie znanych 272 stabilnych izotopów pierwiastków, ale około 2000 radioizotopów wszystkich pierwiastków, różniących się połowicznym czasem zaniku. Izotopy te znalazły zastosowanie w różnych dziedzinach nauki i przemysłu. Stosuje się je:

  •   w badaniach przepływów - śledzenie zewnętrzne układu przepływu w nim płynu zawierającego domieszkę radioizotopów;
  •   w badaniach zużycia materiałów – poprzez implantacje izotopów w elementach konstrukcyjnych, np.motoru czy silnika a także badając zmiany aktywności danego izotopu np. w oleju silnikowym w trakcie pracy;
  •   w przemyśle – izotopowe wagi, czujniki poziomu oraz przeciwpożarowe;
  •   w medycynie - zasilacze izotopowe, radiofarmaceutyki;
  •   biologii - śledzenie obiegu oraz roli mikroelementów;
  •   geologii – metody radiometryczne;
  •   chemii – badania dyfuzji, strukturalne, metoda atomów znaczonych;

Izotopy promieniotwórcze służą także jako źródła promieniotwórcze do wywołania mutacji, modyfikacji materii i struktury polimerów, sterylizacji a także niszczenia tkanek nowotworowych.

Wiązania chemiczne

Elektroujemność jest ona miarą dążenia atomów do przyciągania elektronów. Elektroujemność rośnie ze wzrostem liczby atomowej w okresach i maleje w grupach układu okresowego, więc podlega prawu okresowości.

Cząsteczki są tworzone przez zbiór atomów powiązanych ze sobą wiązaniami chemicznymi. W cząsteczce, za pomocą wiązań, atomy uzyskują najmniejszą energię, poprzez dopełnienie do oktetu (większość atomów grup głównych) lub dubletu (atomy wodoru) na swojej ostatniej powłoce elektronowej.

W zależności od elektroujemności obu atomów tworzących wiązanie, wyróżniamy:

  1. Wiązania jonowe (polarne, biegunowe, heteropolarne, elektrowalencyjne) – powstaje tylko w wyniku spotkania się atomu silnie elektroujemnego z atomem o małej elektroujemności (atomu elektrododatniego), a wiec między atomami o bardzo dużej różnicy elektroujemności, wynoszącej przynajmniej 1,7; podczas zbliżania się atomów następuje przeskok elektronów z powłoki walencyjnej atomu elektrododatniego na ostatnią powłokę elektroujemnego w wyniku, czego powstają jony przyciągane między sobą oddziaływaniami elektrostatycznymi; wiązanie jonowe występują tylko między atomami metali (z I oraz II grupy głównej) i wodoru a atomami pierwiastków niemetalicznych z grupy głównej VI – VIII;

model takiego wiązania stosuje się przeważnie do stałych ciał (kryształów) - pozwala m.in. wyliczyć ciepło tworzenia; związki mające budowę jonową, to znaczy zbudowane z różnoimiennych jonów przyciągające się wzajemnie, charakteryzują się wysokimi temperaturami wrzenia oraz topnienia; w roztworach wodnych lub stopione przewodzą prąd elektryczny, najbardziej znanym takim związkiem jest chlorek sodu (NaCl), którego kryształy są zbudowane z naprzemiennie ułożonych kationów Na+ i anionów Cl-

  1. wiązanie atomowe (kowalencyjne) powstają podczas łączenia się atomów jednakowych pierwiastków a więc o tej samej elektroujemności; w związku z tym, że one nie są w stanie oddać sobie nawzajem elektronów, aby uzupełnić powłoki elektronowe do konfiguracji gazu szlachetnego (najbardziej trwały stan) tworzą tzw. wspólne pary elektronowe, należące zarówno do jednego jak i drugiego atomu tworzącego to wiązanie, pary te leżą w takiej samej odległości od jąder obu atomów a gęstość elektronowa i ładunek jest rozmieszczony symetrycznie;
  1. wiązanie kowalencyjne spolaryzowane – powstaje podczas łączenia się atomów różnych pierwiastków o zbliżonej elektroujemności (mniejszej niż 1,7), w wyniku, czego powstaje uwspólniona para elektronowa; w przeciwieństwie do zwykłego atomowego wiązania ta wspólna para jest przesunięta w kierunku jądra atomu bardziej elektroujemnego, w wyniku, czego ładunek jest rozmieszczony niesymetrycznie; cząsteczki te mają budowę dipolową inaczej zwaną biegunową; miarą polaryzacji (niesymetryczności w rozmieszczeniu ładunku) jest moment dipolowy;

przykładem takich związków jest cząsteczka wody, w związku z polaryzacją cząsteczki te łączą się w większe agregaty, jest to tzw. asocjacja; innym zjawiskiem związanym z polaryzacją jest hydratacja, czyli dipolowe cząsteczki wody mają zdolność otaczania jonów, czy też cząsteczek polarnych rozpuszczonych w wodzie;

  1. wiązanie metaliczne – występuje w metalach oraz w ich stopach; powstaje w wyniku wzajemnego oddziaływania zrębów atomowych tj. atomów nie zawierających elektronów z powłok walencyjnych i gazu elektronowego; zręby atomowe występują w węzłach sieci krystalicznej; a gaz elektronowy Elektronowy działający wskutek wykorzystania ruchu elektronów (np. lampa elektronowa, mikroskop elektronowy itp.).
    Czytaj dalej Słownik wyrazów obcych
    są to swobodnie poruszające się elektrony powłok walencyjnych, które są słabo związane z atomem;

metale są to ciała stałe, których cechy takie jak: duża wytrzymałości, specyficzny połysk, tzw. metaliczny, nie przepuszczalność dla światła, oraz dobre przewodzenie ciepła i prądu elektrycznego, zawdzięczają właśnie wiązaniom metalicznym

  1. wiązanie wodorowe – są to wiązania o wiele słabsze od wcześniej wymienionych, tworzy się pomiędzy atomem wodoru związanym z atomem o dużej elektroujemności, a atomem z wolnymi parami elektronowymi, donorami wodoru mogą być grupy wodorotlenowe, aminowe i tiolowe, a jego akceptorami są najczęściej atomy tlenu, azotu i siarki, choć czasem mogą to być wszystkie atomy niemetali; przykładem zastosowania tych wiązań jest fakt, że właśnie one stabilizują strukturę III‑rzędowej białka;
  1. wiązanie koordynacyjne (donorowo - akceptorowe) – mamy dwa atomy jeden jest donorem (dostarcza parę elektronową), drugi zaś jest akceptorem (przyjmuje elektrony), powstaje w wyniku połączenia się i utworzenia wspólnej pary elektronów;