Atom a jeho stavba – maturitní otázka

Otázka: Atom a jeho stavba

Předmět: Chemie

Přidal(a): Hana R.

Atom

Základní stavební částice všech látek
Již v 5. století př. n. l. řečtí učenci Démokritos a Leikippos – názor, že látky jsou složeny z nepatrných a nedělitelných částic – atomů
19. století – J. Dalton – Atomová teorie:
- Prvky jsou složeny z malých částic – atomů, atomy různých prvků se liší svými vlastnostmi
- Při chem. reakcích dochází ke spojování, oddělování a přeskupování atomů, atomy při nich nevznikají, nemizí ani se nemění na atomy jiných prvků
- V určité sloučenině připadá na jeden atom jednoho prvku vždy stejný počet atomů jiného prvku
Atomy mají svou vnitřní strukturu. Jsou tvořeny kladně nabitým jádrem a záporně nabitým elektronovým obalem (1911 – E. Rutherford) – ty se skládají z elementárních částic – protonů, neutronů a elektronů

Atomové jádro

Jádro atomu se skládá z:

Z protonů – částic s + nábojem, jejich počet v jádře udává protonové číslo Z
Z neutronů – částic bez náboje, jejich počet v jádře udává neutronové číslo N
Protony a neutrony nazýváme NUKLEONY, jejich počet udává nukleonové číslo A, platí že Z + N = A
– A jako horní index prvku a Z jako dolní index prvku, např. atom kyslíku má 8 protonů, 8 neutronů a 16 nukleonů
Látky složené z atomů, jejichž jádra mají stejná protonové, neutronové, a tedy stejné nukleonové číslo se nazývají NUKLIDY
Atomy se stejným počtem protonů, ale různým počtem neutronů se nazývají IZOTOPY
Většina prvků se vyskytuje jako směs více izotopů, izotopy se zahrnují k jednomu prvku (v periodické soustavě je políčko pro prvek), izotopy jednoho prvku mají stejné chemické vlastnosti, liší se fyzikálními

Elektronový obal

Je tvořen elektrony – částicemi se záporným nábojem, které kompenzují kladný náboj jádra, jejich počet v atomu je roven počtu protonů v jádře (Z)
a mají elektrický náboj
Jádro je ve srovnání s atomem nepatrné, ale připadá na něj většina hmotnosti atomu, má obrovskou hustotu ()

Modely atomu

Názory na stavbu atomu se v minulosti vyvíjely následovně:

Rutherford – 1911 – tzv. PLANETÁRNÍ MODEL ATOMU – elektrony v atomovém obalu obíhají atomové jádro po blíže neurčených kružnicích
Bohr – 1913 – elektrony mohou obíhat v obalu pouze po kružnicích určitého poloměru, tzv. STACIONÁRNÍCH DRAHÁCH s určitou konstantní energií, která se mění po určitých dávkách – kvantech, a to při přechodu z jedné stac. Dráhy na druhou
Nelze popsat klasickou mechanikou KVANTOVĚ MECHANICKÉ MODEL:
- Elektrony – vlastnosti částic i vlnění
- Heisenbergův princip neurčitosti – nelze současně určit polohu a hybnost elektronů
- Veličina vlnová funkce – pravděpodobnost s jakou se elektrony vyskytují v určité oblasti atomu v daném okamžiku
- vyjádřením vln. Funkce je část prostoru nazývaná orbital

Stavba elektronového obalu

Elektronová hustota = hodnota pravděpodobnosti výskytu v daném místě, oblasti nejvyšší elektronovou hustotou se nazývají orbitaly
Orbitaly, jejich stavy a energii charakterizují 3 kvantová čísla. Jejich kombinací můžeme popsat jakýkoliv orbital v elektronovém obalu:
- Hlavní kvantové číslo n
  - Určuje energii v atomu a nabývá hodnot 1 až nekonečno, se stejným n tvoří elektronovou vrstvu – slupku
- Vedlejší kvantové číslo l
  - Určuje tvar a energii orbitalu, nabývá hodnot 0 až n – 1, hodnoty l se značí písmeny s, p, d, f
  - Energie roste se stoupajícím n a v rámci jedná slupky se stoupajícím l
- Magnetické kvantové číslo m
  - Určuje orientaci orbitalu v prostoru a nabývá hodnot od -l do +l včetně 0
  - Orbital sje kulově symetrický, pouze jedna hodnota m = 0
  - Orbital p má 3 možné prostorové orientace, m = -1, 0, 1, má tvar prostorové osmičky
  - Orbital d má 5 možných prostor. orientací, m = -2, -1, 0, 1, 2, má tvar prostorové dvojosmičky
  - Orbital f má 7 možných prostorových uspořádání, m = -3, -2, -1, 0, 1, 2, 3, tvar prostorové trojosmičky
- Elektrony se stejným hlavním i vedlejším kvant. Číslem tvoří podslupku, mají stejnou energii a liší se pouze m, orbitaly se stejnou energií se nazývají DEGENEROVANÉ ORBITALY
- Spinové kvantové číslo s
  - Charakterizuje rotaci kolem své osy, nabývá pouze hodnot

Elektronová konfigurace

Ukazuje obsazení atomových orbitalů elektrony, k jejímu znázornění se využívá rámečkových diagramů
Opačný směr šipek značí opačný spin elektronů
Pauliho princip – se musí lišit alespoň spinovým kvantovým číslem, v každém orbitalu mohou být nejvýše 2 elektrony:
- V hladině s 2 elektrony, v p 6, v d 10 a v f 14
Hundovo pravidlo – degenerované orbitaly se obsazují všechny nejprve po jednom se stejným spinovým č., pak teprve druhým s opačným spinem
Výstavbový princip – orbitaly s nižší energií se zaplňují dříve než orbitaly s vyšší energií
obsazené v nejvýše položené vrstvě, tzv. valenční vrstvě, se nazývají valenční elektrony
Dodáním energie se tom dostane do excitovaného stavu a jeden nebo více valenčních elektronů přejde do vyšší energetické hladiny
Ionizace je proces, při kterém se dodáním dostatečné energie odtrhne jeden nebo více elektronů od atomu a vznikne kladně nabitý ion – kation, energie nutná k odtržení – ionizační energie, se po odtržení mohou spojit s jinou neutrální částicí a vzniká záporně nabitý ion – anion, energie uvolněná při vzniku aniontu se nazývá elektronová afinita

Radioaktivita

Poprvé byla pozorována francouzském fyzikem H. Becquerelem
Výzkumem přirozené radioaktivity se zabývala Marie Curie-Sklodowska – objev radia a polonia
= schopnost atomových jader některých prvků samovolně se přeměňovat na atomová jádra jiných prvků za současného vyzařování neviditelného radioaktivního záření
- Poločas rozpadu – doba, za kterou se z výchozího počtu atomů přemění jedna polovina (určování stáří hornin, paleontologie)
- Přirozená radioaktivita – samovolný rozpad v přírodě se vyskytujících radioaktivních nuklidů – radionuklidů, v přírodě jich je asi 50
Zjištěny 3 typy záření:
- Záření α – proud rychle letících jader atomu helia
  - Proniká několika cm vrstvou vzduchu, má silné ionizační účinky
  - Jádro se rozpadá rozpadem α: -> , nově vzniklý prvek – A o 4 jednotky menší, Z o 2 jednotky menší než původní
- Záření β – je proud elektronů (částice ), které se uvolňují v jádře při přeměně neutronu na proton
  - 100x pronikavější než α, menší ionizační účinky
  - Rozpadá se rozpadem β: , protonové číslo o 1 větší než původní atom
- Záření γ – elektromagnetické vlnění, mnohokrát větší energie než světlo, je nejpronikavějším jaderným zářením a obvykle doprovází α nebo β
Působením jiných částic na stabilní nuklidy můžeme získat umělé radionuklidy (transurany, Te, Pm, At, Fr), je jich známo víc než 1000, samovolný rozpad se nazývá umělá radioaktivita
Přeměny jader, které nastanou při srážkách s jinou částicí, nazýváme jaderné reakce
- Zvláštním případem jsou reakce štěpné – rozpad těžšího jádra na 2 lehčí, využívají se v jad. Reaktorech
- Opakem jsou reakce termonukleární, spojování lehkých jader a vznik těžšího jádra, využití v termonukleárních zbraních
Jaderné reaktory – zařízení využívající energie uvolněné při štěpných reakcích
- Na atomové jádro U dopadá neutron a může ho štěpit na 2 jádra jiných prvků, při tom se uvolní energie a 2-3 další neutrony, které mohou vyvolat další štěpení, dojde k řetězové reakci
- Neutrony v reaktorech zpomalují pomocí tzv. moderátoru, látky, která neutrony zpomalí, ale nepohltí – např. grafit
- Uvolněná energie je přeměňována na e. elektrickou
- Aby nedošlo k neřízenému štěpení, je nutné udržovat počet štěpících neutronů, nadbytečné jsou pohlcovány řídícími tyčemi (z karbidu boru nebo slitiny kadmia)

Další podobné materiály na webu: