Stavba atomu – maturitní otázka

 

   Otázka: Stavba atomu

   Předmět: Chemie

   Přidal(a): Kuba Kubikula

 

 

• Atom = základní stavební částice všech látek
• Atomisté:
  • Leukippos – zakladatelem atomismu – 5 st. př. n. l.
  • Demokritos – charakterizoval, že hmota se skládá z dále nedělitelných částí (=atomů)
  • Dalton – formulace atomové teorie – 19. století
  • Thomson – objevitel elektronu
• Atomová teorie:
• Prvky jsou složeny z atomů, atomy jednoho prvku jsou stejné, atomy různých prvků se liší svými vlastnostmi
• Při chemických reakcích dochází ke spojování, oddělování a přeskupování atomů, atomy nevznikají, nemizí a ani se nemění na atomy jiných prvků
• Spojováním dvou nebo více atomů vznikají sloučeniny
• V určité sloučenině připadá na jeden atom jednoho prvku vždy stejný počet atomů jiného prvku
• Modely atomu
• Rutherford (1911) – planetární model – elektrony v atomovém obalu obíhají jádro po neurčených kružnicích
• Bohr (1913) – stacionární model – elektrony mohou pobíhat jen po kružnicích určitého poloměru = stacionárních drahách, s určitou konstantní energií, energie se mění jen po určitých dávkách = kvantech, a to z přechodu jedné stacionární dráhy na druhou
• Kvantově mechanický model – z kvantové mechaniky, která elektronům přiřazuje vlastnosti částic i vlnění
• Dle Heisenbergova principu neurčitosti nelze současně přesně určit polohu a hybnost elektronů
• Pouze pomocí vlnové veličiny zvané vlnová funkce lze vypočítat pravděpodobnost, s jakou se elektrony v daném okamžiku vyskytují v určité oblasti atomu
• Grafickým vyjádřením vlnové funkce je část prostoru nazývaná orbital
• Atomové jádro

Protony (p⁺) – částice s kladným nábojem, jejich počet v jádře udává protonové číslo Z

Neutrony (n⁰) – částice bez náboje, jejich počet v jádře udává neutronové číslo N

• Nukleony = protony + neutrony – počet v jádře udává nukleonové číslo A; A = Z + N

^A_ZX – A se píše jako horní index před značkou prvku
– Z se píše jako dolní index

Např. Atom kyslíku ¹⁶₈O má 8 protonů, 8 neutronů a 16 nukleonů

• Nuklidy = látky co má stejně protonů, neutronů a nukleonů
• Izotopy = látky co má stejně protonů, ale různě neutronů; např. ¹⁶₈O, ¹⁷₈O, ¹⁸₈O (liší se jen fyzikálně-chemickými vlastnostmi – hmotnost atomů…)
• jádra stabilní – prvek se nepřeměňuje (např. olovo)

nestabilní – uvolňuje se elektromagnetické záření (U, Cs, Sr) > radioaktivní

• Radioaktivita
• = schopnost nestabilního atomového jádra přeměnit se na jiné a stabilnější jádro jiného prvku za uvolnění radioaktivního záření
• Poločas rozpadu = doba za kterou se z výchozího počtu atomů přemění jedna polovina
• Radioaktivita je buď přirozená, nebo umělá
• Přirozená radioaktivita je samovolný rozpad v přírodě v přírodě se vyskytujících nuklidů = radionuklid (je jich cca 50)
• 3 typy záření u přirozených radionuklidů
  • Záření α – zadrží i list papíru; proud rychle letících jader atomů helia ₂⁴He (částice α); proniká několikacentimetrovou vrstvou vzduchu; nejméně nebezpečné; má silné ionizační účinky; původní jádro se rozpadá tzv. rozpadem α: _Z^AX > _Z-2^A-4Y + ₂⁴He – vzniklý prvek má o 4 méně nukleonů a o 2 méně protonů
  • Záření β – proud elektronů, které se uvolňují při přeměně neutronu na proton, 100x pronikavější než záření α, ale má menší ionizační účinky; původní jádro se rozpadá tzv. rozpadem β^–: _Z^AX > _Z+1^AY + _-1⁰e – nový prvek má o 1 proton víc než původní
  • Záření γ – elektromagnetické vlnění podobné světlu, ale s mnohem větší energií, je nejpronikavějším zářením, nejnebezpečnější, obvykle doprovází záření α a β; olovo odolává tomuto záření
  • Umělá radioaktivita nesamovolný rozpad umělých nuklidů = vznikají působením jiných částic nebo záření na stabilní nuklidy
  • Tímto způsobem vznikly transuranové prvky (aktinoidy s vyšším Z než má uran) + Te, Pm, At, Fr; je známo přes 1000 umělých radionuklidů
• Jaderné reakce
  • Přeměny jader, které nastanou při srážkách jader s jinou částicí

Štěpné reakce

• Rozpad těžšího jádra na dvě lehčí (v jaderných reaktorech)

Termonukleární reakce

• Spojování lehčích jader vznikají jádra těžší (zdroj energie hvězd, termonukleární zbraně)
  • Jaderné reaktory
    • Využívá se energie uvolněné při řízených štěpných reakcích
    • Na jádro ²³⁵U dopadá neutron a může je štěpit na 2 jádra jiných prvků, při tom se uvolní energie a 2-3 další neutrony (mohou vyvolat další štěpení) > řetězová reakce
    • Reakci vyvolávají štěpné neutrony, co se pohybují dostatečně pomalu (když se pohybují rychle, je jádrem uranu pohlcen a jádro se neštěpí)
    • Moderátory = zpomalují neutrony, ale nepohltí (např. grafit)
    • Uvolněná energie se mění na elektrickou energii
    • Řídící tyče (z karbidu boru nebo slitiny kadmia) – nadbytečné neurony jsou jimi pohlcovány, aby nedošlo k neřízenému prudkému vzrůstu rychlosti štěpné reakce
  • Jaderné zbraně
    • Energie se uvolňuje neřízeně
  • Elektronový obal
    • Tvořeno elektrony (e^–) = částice se záporným nábojem, kompenzují kladný náboj jádra; jejich počet je v neutrálním atomu roven počtu protonů v jádře (Z)
    • Elektronová hustota = hodnota pravděpodobnosti výskytu elektronu v daném místě
      • Orbitaly = oblasti, kde je nejhustší hustota elektronů v elektronovém obalu
    • Hlavní kvantové číslo n – určuje energii elektronu v atomu – hodnoty od 1 do nekonečna; elektrony se stejným kvantovým číslem tvoří elektronovou vrstvu (slupku), jednotlivé slupky se značí písmeny K, L, M, N, O, P, Q (1,2,3,4,5,6,7)
    • Vedlejší kvantové číslo l určuje tvar a energii orbitalu – hodnoty od 0 až n-1
    • Magnetické kvantové číslo m určuje orientaci orbitalu – od –l do +l včetně 0
    • Rozlišujeme orbitaly s, p, d, f
      • Orbital sje kulově symetrický (pro dané n je jen 1 orbital s)
      • Orbital p má 3 možné prostorové orientace (pro dané n existují 3 orbitaly p)
      • Orbital d má 5 možných prostorových orientací (pro dané n existuje 5 orbitalů d)
      • Orbital f má 7 možných prostorových orientací (pro dané n existuje 7 orbitalů f)
    • Podslupka = degenerované orbitaly – elektrony se stejným l a n, mají stejnou energii a liší se pouze m
    • Spinové kvantové číslo s – určuje rotaci elektronu kolem vlastní osy – má jen dvě hodnoty – charakteristika samotného elektronu
  • Elektronová konfigurace atomu
    • Ukazuje obsazení atomových orbitalů elektrony (opačný směr šipek značí, že mají opačný spin – opačné s)
    • Pauliho princip – v atomu nemohou být elektrony, které by měly všechna 4 kvantová čísla shodná, musí se lišit alespoň s, v každém orbitalu mohou být maximálně 2 e^–

Orbital s max. 2 e^–              Orbital p max. 6 e^–

 

 

Orbital d max. 10 e^–                               Orbital f max. 14

• Hundovo pravidlo – orbitaly se stejnou energií (degenerované) se obsazují nejprve všechny po jednom elektronu se stejným s, a teprve pak druhým elektronem s opačným spinem

                                                                 ₇N

• Výstavbový princip – orbitaly s nižší energií se zaplňují dříve než orbitaly s vyšší energií, nejprve se zaplňují orbitaly s menším součtem n+l, v případě rovnosti se nejdříve obsadí orbitaly s menším n

n = 1	l = 0	1s	1
n = 2	l = 0	2s	2
	l = 1	2p	3
n = 3	l = 0	3s	3
	l = 1	3p	4
	l = 2	3d	5
n = 4	l = 0	4s	4
	l = 1	4p	5

 

1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p – 4s má nižší energii než 3d

 

1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p 5s 4d 5p 6s 4f 5d 6p

 

 

 

 

• Elektrony obsazené v nejvýše položené vrstvě = ve valenční vrstvě se nacházejí valenční elektrony; určují chemické vlastnosti atomu prvku

Př. dusík ₇N  1s² 2s² 2p³  má 5 valenčních elektronů 2s² 2p³

• Platí pro atomy v základním stavu = stav s nejnižší energií
• Při dodání energie se atom dostane do excitovaného stavu – 1 nebo více elektronů přejde do vyšší energetické hladiny = excitace

₆C                                               ₆C*

• Ionizace = proces, při kterém se dodáním dostatečně velké energie odtrhne jeden nebo postupně více elektronů od atomu a z elektroneutrálního atomu vznikne kladně nabit ion = kation < ionizační energie

Elektrony  se po odtržení mohou spojit s jinou, doposud neutrální částicí a vzniká náporně nabitý ion = anion < energie = elektronová afinita