Vlastnosti atomu a jeho struktura – otázka z chemie

 

   Otázka: Vlastnosti atomu a jeho struktura

   Předmět: Chemie

   Přidal(a): LS

 

ATOM

= základní stavební částice všech látek

– atomisté: Leukippos a Démokritos (5 stol. př. n. l.) vymysleli představu atomu, že látky jsou složené z nepatrných a nedělitelných částeček – atomů (atomos=nedělitelný)

-> až do roku 1803

 

– John Dalton zformuloval ATOMOVOU TEORII -> upřesňuje:

• prvky jsou složeny z malých částic atomů, kdy atomy jednoho prvku jsou stejné a atomy různých prvků se liší svými vlastnostmi
• při chem. reakcí dochází ke spojování, oddělování a přeskupování atomů, atomy při nich nevznikají, nemizí, nemění se na atomy jiných prvků
• spojováním atomů 2 nebo více prvků vznikají nové látky -> chemické sloučeniny
• v určité sloučenině připadá na 1 atom jednoho prvku vždy stejný počet atomů prvku jiného

– 1898 – Thompson objevil elektron

-> vymyslel THOMPSNŮV PUDINGOVÝ MODEL = celý atom je kladně nabitý rosol a v tom plavou záporně nabité elektrony

 

-1911 – E. Rutherford – objevil proton -> Rotherfordův planetární model = atomy mají svou vnitřní strukturu a skládají se z kladně nabitého jádra obklopeného záporně nabitými částicemi

 

– 1913 – N. Bohr -> Bohrův model atomu

– dnes víme, že atomy mají vnitřní strukturu: prvek-> atom-> jádro a elektrony-> neutrony a protony-> kvarky->kvark

– atomy tvoří kladně nabité jádro a záporně nabitý elektronový obal

– protony, elektrony a neutrony -> ELEMENTÁRNÍ ČÁSTICE

– elektrony jsou také FUNDAMENTÁLNÍ ČÁSTICEMI (nemají vnitřní strukturu)

– protony a neutrony jsou tvořeny TROJICÍ FUNDAMENTÁLNÍCH ČÁSTIC = KVARKY

 

• ATOMOVÉ JÁDRO

– jádro se skládá:

1. z PROTONŮ p⁺ = částice s kladným nábojem, jejich počet v jádře udává protonové číslo Z (definuje prvek)
2. z NEUTRONŮ n⁰ = částice bez náboje, jejich počet v jádře udává neutronové číslo N

– charakterizuje každý prvek

– protony a neutrony nazýváme NUKLEONY -> počet v jádře udává nukleonové číslo A

 

– NUKLEONOVÉ ČÍSLO

         – platí: A= N+Z

– A se píše jako horní index před značkou prvku

– Z se píše jako dolní index před značkou prvku

– např.: atom kyslíku má 8 protonů, 8 neutronů, 16 nukleonů

– látky složené z atomu, jejichž jádra mají stejný počet protonů a neutronů -> stejný počet nukleonů -> se nazývají NUKLIDY (všechny atomy jsou stejné)

– atomy se stejným počtem protonů a různým počtem neutronů -> IZOTOPY

 

– IZOTOPY

– většina přírodních prvků má více izotopů

-většina prvků se vyskytuje jako směs více izotopů, v přírodě převládá jeden z nich

– izotopy se zahrnují k jednomu prvku

– izotopy jednoho prvku se liší fyzikálními vlastnostmi, fyzikálně-chemickými vlastnostmi (hmotnost atomů)

– mohou mít odlišný vliv na živé organismy (D₂O je toxická na rozdíl od H₂O)

 

– PRVEK = látka tvořená atomy se stejným protonovým číslem

 

– ISOBARY= 2 atomy, které mají stejné nukleonové číslo

– čím větší je poměr neutronů k protonu v jádře, tím je prvek méně stabilní

– nejméně stabilní jsou radioaktivní prvky

 

• STAVBA ELEKTRONOVÉHO OBALU

– tvořen elektrony se záporným nábojem

– podmiňuje chemické vlastnosti každého prvku

 

– ELEKTRONOVÁ HUSTOTA = hodnota pravděpodobnosti výskytu elektronu v daném místě

– oblasti nejhustšího výskytu elektronů v elektronovém obalu  se nazývají ORBITALY

– kvantová čísla popisují každý 1 elektron v orbitalu

– máme 4 orbitaly proto také 4 kvantová čísla

– kvantová čísla jsou:

 

• HLAVNÍ KVANTOVÉ ČÍSLO n

= určuje energii elektronu v atomu (orbitalu)

– nabývá hodnot 1 až ∞ (přirozená čísla)

– elektrony se stejným hlavním kvantovým číslem tvoří elektronovou vrstvu, jednotlivé vrstvy se značí K.L.M.N.O.P.Q.,,, nebo čísly 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7,… podle rostoucího n

 

• VEDLEJŠÍ KVANTOVÉ ČÍSLO l

– určuje tvar a energii orbitalu

– nabývá hodnot 0 až n-1 (celá čísla)

– hodnoty vedlejšího kvantového čísla se označují určitým písmenem, písmena se píšou za hlavní kvantové číslo např.: 1p

 

• MAGNETICKÉ KVANTOVÉ ČÍSLO m

– určuje nám prostorovou orientaci orbitalů

– nabývá hodnot -l do +l včetně 0 (celá čísla)

 

• SPINOVÉ KVANTOVÉ ČÍSLO s

– charakterizuje rotaci elektronu kolem vlastní osy

– nabývá hodnot + ,  –

– zabývá se konkrétním elektronem

 

-> PAULIHO PRINCIP VÝLUČNOSTI = každý elektron má vlastní sestavu kvantových čísel

– máme 4 typy orbitalů: s, p, d, f

• ORBITAL s

– má tvar koule

– elektrony se nacházejí kolem průsečíku s

– pro dané n existuje jen jeden orbital s

 

• ORBITAL p

– pro vedlejší kvantové číslo 1

– má 3 možné prostorové orientace

– pro dané n  existují 3 orbitaly p

 

• ORBITAL d

– pro vedlejší kvantové číslo 2

– má 5 možných prostorových orientací

– pro dané n existuje 5 orbitalů d

 

• ORBITAL f

– pro vedlejší kvantové číslo 3

– má 7 možných prostorových orientací

– pro dané n existuje 7 orbitalů f

– jsou to složité tvary

 

– elektrony se stejným hlavním i vedlejším kvantovým číslem tvoří podslupku, mají stejnou energii a liší se magnetickým kvantovým číslem

– orbitaly se stejnou energií se nazývají DEGENEROVANÉ ORBITALY

– ELEKTRONOVÁ KONFIGURACE = popis energie a rozestavění elektronů v orbitalu

– k znázornění se používá rámečkový diagram

– elektrony značíme šipkami

– opačný směr šipek značí, že mají elektrony opačný spin

 

– pro zaplňování elektronového obalu elektrony platí určitá PRAVIDLA:

• PAULIHO PRINCIP

= v atomu nemohou být elektrony, která by měla všechna kvantová čísla shodná, muší se lišit alespoň skupinovým kvantovým číslem

– v každém orbitalu mohou být nejvýše 2 elektrony a proto:

• na hladině s mohou být nejvýše 2 elektrony
• na hladině p může být nejvýše 6 elektronů
• na hladině d může být nejvýše 10 elektronů
• na hladině f může být nejvýše 14 elektronů

 

• HUNDOVO PRAVIDLO

= orbitaly se stejnou energií se obsazují nejprve všechny po jednom elektronu se stejným spinovým číslem a pak druhým elektronem s opačným spinem

 

• VÝSTAVBOVÝ PRINCIP

= orbitaly s nižší energií se zaplňují dříve, než orbitaly s vyšší energií

– shrnuje všechna předchozí pravidla + graf. zobrazení

– elektrony obsazené v energeticky nejvýše položené vrstvě tzv. VALENČNÍ VRSTVĚ, se nazývají VALENČNÍ ELEKTRONY -> určují chemické vlastnosti prvku např.: dusík s           konfigurací                                                               má 5 valenčních elektronů 2s²2p³

-> uvedená pravidla platí pro elektronovou konfiguraci atomu v ZÁKLADNÍM STAVU (stav s nejnižší energií)

– dodáním energie se atom dostane do EXITOVANÉHO STAVU a 1 nebo více valenčních elektronů přejde do vyšší energetické hladiny -> EXITACE

– IONIZACE = proces, při kterém se dodáním dostatečně velké energie odtrhne 1 nebo postupně více elektronů od atomu a z elektroneutrálního atomu vznikne kladně nabitý ion -> KATION

IONIZAČNÍ ENERGIE = energie nutná k odtržení elektronu od atomu v plynném stavu

– elektrony se po odtržení mohou spojit s jinou, dosud neutrální částicí a vzniká tak záporně nabitý ion -> ANION

– ELEKTRONOVÁ AFINITA = energie uvolněna při vzniku aniontu z atomu v plynném stavu

– ELEKTRONEGATIVITA =

 

MODELY ATOMU

– v minulosti byly různé názory a tak vznikly také různé modely atomu:

• Rutherfors vytvořil PLANETÁRNÍ MODEL ATOMU -> elektrony atomového obalu obíhají atomové jádro po blíže neurčených kružnicích
• Bohr zkoumal atom H, elektrony mohou obíhat v obalu po kružnicích určitého poloměru tzv. STACIONÁRNÍCH DRÁHÁCH s určitou energií, energie elektronu se mění pouze po určitých dávkách – KVANTECH a to při přechodu z jedné stacionární dráhy na druhou
• vznikl KVANTOVĚ MECHANICKÝ MODEL -> chování elektronů není možné popsat klasickou mechanikou:

– vychází z kvantové mechaniky, která elektronům přiřazuje vlastnosti částic i vlnění

– podle HEISENBERGOVA PRINCIPU NEURČITOSTI nelze součastně přesně určit polohu a rychlost elektronů

– pomocí veličiny VLNOVÁ FUNKCE Ψ lze vypočítat pravděpodobnost kde se elektrony v dané chvíli nacházejí v oblasti atomu

– grafickým vyjádřením vlnové funkce je část prostoru nazývaná orbital

 

RADIOAKTIVITA

= schopnost atomových jader samovolně se přeměňovat na atomová jádra prvků jiných, za současného vyzařování neviditelného radioaktivního záření

– štěpí se a mění se protonové číslo

– poprvé pozorována roku 1896 H. Bercquerelem -> pojmenoval ji uranové paprsky

– M. Sklodowska – Curie -> dostala Nobelovu cenu za objevení radioaktivity

– POLOČAS ROZPADU = doba, za kterou se z výchozího počtu atomů přemění právě jedna polovina

– dělí se na:

• PŘIROZENOU – samovolný rozpad v přírodě se vyskytujících radioaktivních nuklidů (RADIONUKLIDŮ – v přírodě cca. 50)
• UMĚLOU – vyvolána jaderná reakce, samovolná reakce vyrobených prvků nebo izotopů

 

TYPY ZÁŘENÍ:

– u přirozených radionuklidů

 

– 3 typy:

• ZÁŘENÍ α

– proud kladně nabitých jader hélia

– proniká několikacentimetrovou vrstvou vzduchu

– silné izolační účinky

– neprojde přes list papíru

-nízká prostupnost a krátký dosah

– zcela neškodné

 

– ROZPAD RADIOAKTIVNÍ α:

– z jádra prvku se odštěpují α částice

 

-> nově vzniklý prvek má nukleonové číslo o 4 jednotky menší a protonové číslo o 2 jednotky menší než původní atom

 

• ZÁŘENÍ β

– proud elektronů, které se uvolňují v jádře při přeměně neutronu na proton

– větší průchodnost

– větší dosah a prostupnost

– menší ionizační účinky

– dvě části:

β ⁺ – positron

β^– – elektron

– ROZPAD RADIOAKTIVNÍ β

β^– – děje se když má prvek přebytek elektronů

– při této přeměně se neutron změní na proton a vyzáří elektron

β⁺ – děje se u uměle vyrobených prvků, děje se tehdy, když atom má nadbytek protonu

-> nově vzniklý prvek má protonové číslo o 1 jednotku větší než původní      atom

 

• ZÁŘENÍ γ

– elektromagnetické vlnění podobně jako světlo

– větší energie, extrémně malá vlnová delká

– nejpronikavější jaderné záření

– zastaví ho až 3cm olovněná deska

– obvykle doprovází záření alfa nebo beta

– něco jako rentgenové záření

 

– ROZPAD RADIOAKTIVITY:

– ELEKTRONOVÝ ZÁCHYT – děje se když je přebytek protonů v jádře

– zestabilnění jádra

 

– působením jiných částic nebo záření na stabilní nuklidy můžeme získat UMĚLÉ RADIONUKLINY

– samovolný rozpad umělých radionuklidů se nazývá UMĚLÁ RADIOAKTIVITA

-přeměny jader, které nastanou při srážkách jader s jinou částicí -> JADERNÉ REAKCE

 

– zvláštní případy jaderných reakcí:

• ŠTĚPNÉ

– dochází k rozpadu těžšího jádra na 2 lehčí

– využití jaderné reaktory

• TERMONUKLEÁRNÍ

– spojují se lehká jádra a syntetizují se na jádra těžší

– zdrojem energie hvězd

– účinek zneužíván v termonukleárních zbraních

 

ROZPADOVÉ ŘADY

– posloupnosti vznikajících jader

– v přírodě existují 3+1 je umělá

 

VYUŽITÍ RADIOAKTIVITY

– JADERNÉ REAKTORY

= zařízení využívající energie uvolněné při řízení štěpných reakcí

– uvolněná energie z reaktoru je v elektrárnách přeměněna  na elektrickou energii

– nadbytečné neutrony pohlcovány řídícími tyčemi aby nedošlo k výbuchu reaktoru

– ATOMOVÉ ZBRANĚ – energie se zde uvolňuje neřízeně

– ZDRAVOTNICTVÍ – rentgen, nukleární medicína

– PRŮMYSL – defektoskopie, měření tloušťky materiálů

– HOSPODÁŘSTVÍ – šlechtění semen v zemědělství

– ARCHEOLOGIE – určování stáří kosterních nálezů