Pojecie atomu

Słowa atom używano już w IV wieku p.n.e.. Po raz pierwszy użył go Demokryt, grecki filozof

z Abwery. Pochodzi od „Athomos” znaczy niepodzielny w języku greckim. Dopiero w XIX udowodniono, że atom zbudowany jest z jeszcze mniejszych cząstek.

Postulaty teorii Daltona

John Dalton,  angielski uczony, opracował w 1804r. tezę atomistyczno - cząsteczkową budowy materii. We współczesnej formie jest ona aktualna do dzisiaj.

Jej postulaty zakładają, że:

  1. Pierwiastek chemiczny złożony jest z bardzo małych cząstek, które nazwano atomami. 
  1. Wszystkie atomy danego pierwiastka wykazują  identyczne właściwości chemiczne.
  1. Atomy należące do różnych pierwiastków cechują się  odrębnymi własnościami fizycznymi oraz chemicznymi. W przyrodzie jest tyle atomów ile pierwiastków.
  1. Atom określonego pierwiastka nie ulega przekształceniu w innego rodzaju atom (który charakteryzuje inny pierwiastek) w wyniku standardowej reakcji chemicznej.
  1. Tworzenie związków chemicznych przez pierwiastki jest związane z łączeniem różnych atomów (należących do różnych pierwiastków) w wyniku czego powstają cząsteczki. 
  1. Związek chemiczny składa się cząsteczek. Cząsteczki, wchodzące w skład związku chemicznego,
  2.  są identyczne pod względem budowy i właściwości.
  1. Rozkład związku chemicznego następuje w wyniku rozpadu cząsteczek na atomy pierwiastków. 
  1. Atomy należące do tego samego  pierwiastka również mogą tworzyć cząsteczki.
Alotropia

Pierwiastki mogą występować w paru różnych odmianach, różniących się strukturą oraz własnościami fizycznymi. Zjawisko to określa się wielopostaciowością albo alotropią. 

Przykłady:

  • Odmiany tlenu:
      • O2
      • O3
  • Odmiany węgla:
      •   Grafit
      •   Diament
      •   Fulleren
Masy atomowe i cząsteczkowe

Masy atomów bądź cząsteczek wyrażone są w specjalnych jednostkach masy unitach [u]. 1 u odpowiada 1/12 masie atomu węgla izotopu 12C. Przy obliczaniu stosuje się przeliczniki:

1 u = 0,166 * 10-23 g

1 g = 6,023 * 10 23 u

Masa bezwzględna jest podawana w gramach.

Masa atomowa danego pierwiastka jest wyrażona w jednostkach masy atomowe [u], stanowi masę atomu tego pierwiastka.

Masa cząsteczkowa danego pierwiastka jest wyrażona w jednostkach masy atomowe [u], stanowi masę cząsteczki tego pierwiastka.

Masa cząsteczkowa danego związku chemicznego wyrażona jest w jednostkach masy atomowe [u], stanowi masę tego związku, jest sumą składników wchodzących w skład związku.

Każda reakcja chemiczna podlega prawu zachowania masy, mówiącym, że masa substratów reakcji jest równa masie produktów tej reakcji.

Budowa atomu

Atom jest najmniejszą częścią pierwiastka chemicznego wykazującą jego właściwości. Średnica atomu wynosi ok. 10-10m, natomiast jądro atomowe mieści się w granicach 10-15m. W centralnej części atomu znajduje się jądro o ładunku dodatnim. Jego składnikami są nukleony: protony oraz neutrony. Liczba neutronów n jest większa albo równa od liczby protonów. Wokół jądra znajdują się ujemnie naładowane elektrony w postaci tzw. chmury (gazu) elektronowej.

Skład atomowy charakteryzują dwie liczby: atomowa (Z) i masowa (A):

Liczba atomowa jest równa ilości protonów znajdujących się w jądrze atomowym. Stanowi ona zarazem liczbę porządkową.

Liczba masowa stanowi sumę nukleonów jądra atomowego.

Pierwiastek jest zbiorem atomów o identycznej liczbie atomowej.

Pierwiastki mogą występować a postaci rożnych izotopów (są to atomy danego pierwiastka o różnej masie, co spowodowane jest różną ilością  neutronów wchodzących w skład jądra). Terminem nuklidy określa się rodzaj atomów o określonym jądrze, to znaczy o określonej liczbie protonów i neutronów w jądrze. 

Z atomu można usunąć elektrony, czyli go zjonizować. Oderwanie pierwszego elektronu wiąże się

z dostarczeniem energii, którą nazywamy pierwszą energią jonizacji. Elektron może także być przyłączony.

Ilość energii jaka wydzieli się podczas przyłączania przez atom pierwszego elektronu jest nazywana pierwszym powinowactwem elektronowym. Pojęciem związanym z preferencją atomu do oddawania lub przyjmowania elektronów jest elektroujemność, zmieniająca się w sposób okresowy.

Rodzaje wiązań
Wiązanie jonowe

Tworzy się ono przy różnicy elektroujemności pierwiastków, wchodzących w skład związku chemicznego, równej co najmniej 1,7. Wynika z tego, że pierwszy atom musi być  silnie elektrododatni, a drugi silnie elektroujemny.

Przykład:

Utworzenie takiego wiązania polega na przejściu elektronów z powłoki walencyjnej atomu pierwiastka elektrododatniego na powłokę walencyjną atomu pierwiastka elektroujemnego. Tworzą się, wówczas jony: dodatni i ujemny, które przyciągają się wzajemnie. 

Pierwiastkami elektrododatnimi są atomy metali 1 i 2 gr., a silnie elektroujemnymi -  niemetale 16 i 17 gr.

Związki o budowie jonowej posiadają wysokie temperatury wrzenia i topnienia. W roztworach wodnych

i po stopieniu przewodzą prąd elektryczny. Związki jonowe nie tworzą cząsteczek. Kryształ jonowy zawiera  naprzemiennie ułożone jony,  które wzajemnie się przyciągają.

Wiązanie atomowe niespolaryzowane

Tworzy się wówczas, gdy atomy tego samego pierwiastka posiadają jednakową elektroujemność.

Dążąc do oktetu (lub dubletu) uzupełniają ostatnia powlokę poprzez uwspólnianie elektronów. Wspólna para lub pary elektronów należą do obu atomów. Znajduje się ona w jednakowej odległości od obu jąder łączących się atomów tak, więc ładunek rozmieszczony jest symetrycznie.

Wiązanie atomowe spolaryzowane

Tworzy się, gdy łączą się ze sobą atomy różnych pierwiastków, których różnica  elektroujemności jest mniejsza niż 1,7. 

Przykład:

Polega na uwspólnieniu par lub pary elektronów. Ładunek w tym wypadku nie jest rozmieszczony symetrycznie, ale przesunięty w stronę  jądra atomu pierwiastka bardziej elektroujemnego.

Tworzy się wtedy dipol, czyli układ posiadający budowę biegunową. Cechą charakterystyczna polarnej cząsteczki jest moment dipolowy, będący iloczynem bezwzględnej wartości ładunku jednego z biegunów

i odległości między biegunami. Moment dipolowy jest miarą polaryzacji wiązania, czyli także miarą niesymetryczności rozmieszczenia ładunku. Polarne cząsteczki mogą oddziaływać ze sobą na wzajem

(w przypadku wody takie zjawisko nazywa się asocjacją) lub z innymi cząsteczkami polarnymi, otaczając

je (jeśli mamy do czynienia z cząsteczkami wody wówczas proces ten nosi nazwę  hydratacji).

Wiązanie koordynacyjne (domorowo-akceptorowe)

Tworzy się, gdy para elektronowa pochodzi od jednego atomu. Atom dostarczający parę elektronową nazywany jest donorem, a atom korzystający z tej pary - akceptorem.

Konsekwencje struktury elektronowej:

  • Dla pierwiastków grup 1 i 2 jej numer określa liczbę elektronów walencyjnych, w przypadku grup 13 – 18 liczba ta wynosi nr grupy – 10
  • Numer okresu jest równy ilości powłok elektronowych
  • Liczba atomowa określa liczbę protonów (elektronów)
  • Liczbę neutronów wyznacza się z zależności:

n = A – Z