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)