Teorie atomistyczne

Istnieje wiele takich teorii, poniżej zaprezentowano najważniejsze z nich:

  • teoria Empedoklesa oraz Arystotelesa, dotycząca tzw. "czterech żywiołów"
  • teza Demokryta oraz Leukipposa, głosząca że materia składa się z niepodzielnych cząstek
  • hipoteza Johna Daltona, wygłoszona w 1803r., mówi że atomy stanowią najmniejszą oraz niepodzielną drobinę materii
  • teoria Thomsona z 1897r , podaje że atom w swoim wnętrzu posiada ładunki, elektrony rozprzestrzenione są w całej objętości atomowej, a sam atom ma kształt kulisty jest to dodatnie naładowana kula
  • teoria Ernesta Rutherforda stworzona w 1911r. przedstawia atom jako drobinę złożoną z niewielkiego jądra (posiadającego ładunek dodatni) oraz elektronów, poruszających się naokoło
  • hipoteza Nielsa Bohra z 1913r. podaje, że elektrony poruszają się po wytyczonych torach - orbitach, które charakteryzują się określoną energią
  • model kwantowo - mechaniczny zakłada, że w atomie można wyróżnić jądro złożone protonów (ładunek dodatni) i neutronów (ładunek 0) oraz gazu elektronowego, znajdującego wokół jądra

Atom

Atom zbudowany jest z dodatnio naładowanego jądra, które tworzą nukleony, czyli protony oraz neutrony oraz elektronów, występujących wokół jądra w postaci ujemnie naładowanej chmury. W Tabeli 1 podano cechy charakterystyczne składników atomu.

Nazwa cząstki

Symbol cząstki

Masa [u]

Ładunek

proton

p

1

+1

neutron

n

1

0

elektron

e

1/1840

-1

Tabela 1. Cechy charakterystyczne składników atomu

Jednostka masy atomowej u wynosi 1,66x10-24g, co stanowi 1/12 masy atomu węgla izotopu 12C. Służy ona do wyrażania masy dla atomów oraz cząsteczek.

Każdy pierwiastek charakteryzują dwie liczby: masowa i atomowa:

A - liczba masowa = liczba nukleonów = liczba protonów + neutronów

Z - liczba atomowa - liczba protonów = ładunek jądra = liczba elektronów

Dla berylu liczby te wynoszą:

liczba atomowa = 4, czyli atom ten posiada 4 protony oraz 4 elektrony

liczba masowa = 9, czyli w atomie mamy 9 nukleonów, 9 - 4 = 5, 5 neutronów

Izotopy

Izotopy są odmianami danego pierwiastka o jednakowej liczbie atomowej, ale odmiennej liczbie masowej (tak więc posiadają różną liczbę neutronów).

Ponieważ pierwiastki występują w postaci różnych izotopów występujących w przyrodzie w różnym stosunku procentowym, dlatego masa atomowa większości pierwiastków stanowi średnią masę atomową jego izotopów. Masę tą oblicza się ją ze wzoru:

gdzie:

%m1, %m2 - procentowy udział izotopów

A1, A2 - liczby masowe izotopów

Przykładem może być miedź występująca jako mieszanina izotopu  (68,9%) i  (31,1%), zatem jej średnia masa atomowa wynosi:

u 

Promieniotwórczość

Zjawisko naturalnej promieniotwórczości polega na samorzutnym przekształceniu nietrwałych jąder atomowych pierwiastków w trwalsze, przy jednoczesnej proces emisji cząstek α i β oraz promieniowaniu γ. Proces ten obejmuje w znacznej mierze jądra należące do pierwiastków ciężkich (Z>82).

Rodzaje przemian promieniotwórczych:

  • Przemiana α jest emisją jąder helu (cząstek składających się z 2 protonów i 2 neutronów)

  • Przemiana β związana jest z emisją elektronu

Szeregi promieniotwórczych nuklidów, charakteryzujące się tym, że następny zostaje wytworzony

z poprzedniego poprzez z przemianą promieniotwórczą, nazywają się szeregami promieniotwórczymi. Znane są 4 takie szeregi, 3 z nich: torowy, aktynowy oraz radowy dotyczą naturalnych przemian, a 4 - neptunowy, powstał w sztuczny sposób.

Teoria kwantowa

Stan energetyczny elektronów znajdujących się w danym atomie określa się przy użyciu funkcji falowej psi, która nosi nazwę orbitalu atomowego. Elektrony nie krążą po orbitach, ale znajdują się przestrzeni atomowej wokół jądra. Możemy mówić o prawdopodobieństwie spotkania elektronu w określonym obszarze. Wyznaczenie tej wartości opiera się na obliczeniu kwadratu funkcji falowej.

Kontury orbitali atomowych różnią się od siebie kształtem, wielkością i orientacją w przestrzeni:

  • Orbital s posiada najniższą energię

  • Orbital p

  • Orbital d

  • Orbital f

Stan kwantowy elektronu jest charakteryzowany przez 4 liczb kwantowe:

1. n - główna liczba kwantowa, określająca energię elektronu, przyjmuje wartości kolejnych liczb naturalnych

n = 1, 2, 3, 4 ...

2. l - poboczna liczba kwantowa, dzięki której możliwe jest rozróżnienie stanów elektronów na danej powłoce, przyjmuje wartości:

0 ≤ l ≤ (n-1)

n=1, l=0

n=2, l=0

l=1

Wartości pobocznej liczby kwantowej dla poszczególnych powłok kształtują się następująco:

l

0

1

2

3

4

5

podpowłoka

s

p

d

f

g

h

3. m - magnetyczna liczba kwantowa, decydująca o rozmieszczaniu przestrzennym orbitalu, przyjmuje następujące wartości:

-l < m < l

l=0, m=0

l=1, m=-1, 0, 1

  1. ms - spinowa liczba kwantowa, decydująca o spinie elektronu przyjmuje jedynie dwie wartości:

ms = +1/2 lub

ms = -1/2

Konfiguracja elektronowa pierwiastków

Konfiguracją elektronową nazywamy lokalizację elektronów na poszczególnych powłokach

i podpowłokach.

n = 1 l = 0 m = 0 , czyli istnieje 1 orbital s, a na nim 2e

s zawiera maksymalnie 2e

n = 2 l = 0 m = -1,0,1 , czyli 3 orbitale p po 2e na każdym

l=1 

p zawiera maksymalnie 6e

n = 3 l = 0 m = -2,-1,0,1,2 , czyli 5 orbitali d po 2e na każdym

l=1

l=2

d zawiera maksymalnie 10e

Elektrony są umieszczone na orbitalach w taki sposób, by były zgodne z reguła Hunda.

Głosi ona, że atom występujący w stanie podstawowym posiada maksymalną ilość elektronów, które

są niesparowane.