Dodaj do listy

O BUDOWIE ATOMU

Trochę historii

W IV wieku p.n.e. greckiego pochodzenia filozof Demokryt z Abdery wprowadził pojecie atomu. Atom po grecku „atomas” znaczy niepodzielny. Pogląd o niepodzielności atomu utrzymywał się, aż do wieku XIX, gdy dzięki znamienitym odkryciom naukowym stwierdzono ze atom jest zbudowany z kilku mniejszych cząstek.

Ojcem atomistyczno-cząsteczkowej teorii budowy materii jest uważany angielski badacz John Dalton, który ogłosił jej tezy i udowodnił naukowo w 1804 roku. Po pewnych modyfikacjach jest ona stosowana do obecnych czasów. A jej postulaty przedstawiono poniżej:

  1. Dowolny pierwiastek chemiczny uważa się jako zbiór atomów, małych cząstek, które posiadają identyczne właściwości chemiczne dla jednego rodzaju pierwiastka;
  2. Różne pierwiastki, a więc ich atomy maja odmienne właściwości fizyczne i chemiczne; a z tego wynika, że istnieje tyle samo rodzajów atomów ile jest pierwiastków;
  3. w wyniku prostej reakcji chemicznej atomy poszczególnych pierwiastków nie są w stanie przekształcać się w atomy innych;
  4. związki chemiczne powstają w wyniku połączenia się różnych pierwiastków a dokładniej mówiąc ich atomów w większe zbiory zwane cząsteczkami;
  5. związki chemiczne są zespołami cząsteczek o jednakowych właściwościach chemicznych; wszystkie takie zbiory konkretnego związku chemicznego składają się z tej samej liczby i takich samych atomów;
  6. rozpad związku chemicznego oznacza rozłożenie cząsteczek związku na poszczególne atomy;
  7. istnieje możliwość łączenia się atomów tych samych pierwiastków w tzw. cząsteczki, np. N2, O2

Pojęcia dotyczące masy atomów i pierwiastków

Atomowa jednostka masy [u] odpowiada masie 1/12 masy atomu węgla izotopu 12C i liczbowo wyraża się:

1u = 0,166 * 10-23 g

czyli 1g = 6,023 * 1023 u

tak, więc masa atomowa jest równa masie bezwzględnej podzielonej przez wartość 0,166 * 10-23

O masie bezwzględnej pierwiastka mówimy o masie wyrażonej w jednostkach gram, [g].

Natomiast o masie atomowej danego pierwiastka mówimy o masie atomu pierwiastka wyrażona w jednostkach [u] a więc wartość masy atomowej przedstawia liczbę o ile jest ona większa od 1/12 masy węgla C 12.

Jednostką masy cząsteczkowej danego pierwiastka jest [u] a więc wartość jej jest wielokrotnością 1/12 masy izotopu węgla 12C.

Jednostką masy cząsteczkowej danego związku chemicznego jest także [u] a więc masa ta jest to wartość wskazująca o ile razy masa cząsteczki danego związku chemicznego przewyższa 1/12 masę izotopu węgla 12C

Inne pojęcia

Alotropią, czyli wielopostaciowością pierwiastka, nazywamy zjawisko występowania kilku odmian tego samego pierwiastka, zwanych odmianami alotropowymi, które mają taki sam skład chemiczny a różnią się między sobą jedynie strukturami wewnętrznymi. Przykładem dobrze znanym mogą być:

  •   odmiany alotropowe pierwiastka węgla: grafit, diament, fullereny a także niedawno poznane nanopianki (struktury, które wyglądają, tak jakby w obrębie jednego fullerenu zostały zamknięte kilka mniejszych fullerenów), nanorurki (wyglądające jak bardzo rozciągnięte fullereny) i karbiny (węgle w hybrydyzacji sp)
  •   odmiany tlenu 2O tlen i 3O ozon

Prawo zachowania masy mówi o tym, że suma mas substratów jest równa sumie mas produktów powstałych w wyniku reakcji chemicznej:

Budowa atomu

Atom węgla zbudowany jest z jądra obdarzony ładunkiem dodatnim, wokół, którego krążą po odpowiednich orbitach elektrony, ujemnie naładowane.

Średnica atomu w przybliżeniu ma rząd wielkości 10-10 m natomiast samego jądra atomowego – 10–15m.

Jądro atomowe jest zbudowane z tzw. nukleonów, a więc z protonów naładowanych dodatnio oraz neutronów elektrycznie obojętnych. Zazwyczaj liczba neutronów jest równa lub większa od ilości protonów w jądrze. Liczba protonów atomu konkretnego pierwiastka jest to liczba atomowa (Z). Można ją odczytać z układu okresowego, gdyż jest równa, co do wartości liczbie porządkowej pierwiastka w tym układzie.

Suma nukleonów w jądrze danego pierwiastka jest to tzw. liczba masowa (A). Ona także charakteryzuje miejsce danego pierwiastka w układzie okresowym, co przedstawia poniższy przykład pierwiastka chloru:

Rys.1 Jądro atomu pierwiastka chloru opisanego w układzie

okresowym zawiera 17 protonów oraz 18 neutronów

W związku z tym, że proton jest dodatnio naładowany, zaś pierwiastki w stanie wolnym są cząstkami obojętnymi liczba protonów jest równa liczbie ujemnie naładowanych elektronów krążących wokół jądra. Podsumowując pierwiastek jest to zbiór atomów mających tę samą liczbę atomową.

Izotopy zwane nuklidami są to atomy zawierające taką samą liczbę protonów – liczbę Z, ale odmienną liczbą masową, a wiec różnią się liczbą neutronów – liczba N. Izotopy tego samego pierwiastka różnią się nieznacznie masą atomową, a także mają bardzo podobne właściwości chemiczne. Jednak subtelna różnica masy atomowej wpływa na zmianę właściwości fizycznych takich jak np.: gęstość, temperatura wrzenia czy topnienia.

Wiązania chemiczne

Wokół jądra krążą na orbitach elektrony, cały układ jest utrzymywany w wyniku działania sił elektrostatycznych. Aby usunąć z atomu jeden elektron należy mu dostarczyć pewną ilość energii, minimalny jej poziom nazywany jest energią jonizacji. Gdy atom przyłącza jeden elektron następuje emisja (wydzielanie) pewnej ilości energii, zwanej powinowactwem elektronowym.

Elektroujemność jest to wartością wypadkową energii jonizacji, długości promieni atomowych oraz powinowactwa elektronowego. 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 – 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;

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;

moment dipolowy jest to iloczyn ładunku (q) któregoś bieguna (bezwzględna wartość) oraz odległości między biegunami (r): m = q*r  

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;

Układ okresowy a budowa atomu

  •   Numer grupy daje nam informacje o ilość elektronów walencyjnych, a wiec o ich wartościowości;
  •   Numer okresu daje nam informacje o liczbie powłok elektronowych atomu pierwiastka
  •   Liczba atomowa mówi nam o ilości protonów, a wiec i elektronów danego atomu;
  •   Liczba neutronów w jądrze jest to różnica między liczbą masową a liczbą atomową tego pierwiastka;