Budowa atomu, liczba atomowa i masowa, izotopy - To jest chemia 1 (ZR)

1.Atom

Najmniejsza część pierwiastka chemicznego zachowująca jego właściwości. Składa się z dwóch obszarów: jądra atomowego o ładunku dodatnim i otaczającej je chmury elektronowej o ładunku ujemnym.

2.Teoria atomistyczna Daltona

Pierwsza teoria budowy materii potwierdzona doświadczalnie. Założenia: materia składa się z atomów pierwiastków różniących się masą, rozmiarami i właściwościami; atomy danego pierwiastka są jednakowe i mają kształt kuli; atomy są niepodzielne; atomy łączą się i tworzą cząsteczki. Niepodzielność atomu podważyło odkrycie elektronu.

3.Starożytne teorie budowy materii

Empedokles z Akragas (jego teorię rozwijał Arystoteles): materia składa się z czterech żywiołów - ognia, powietrza, wody i ziemi - które na siebie oddziałują i mogą się łączyć. Leukippos i Demokryt z Abdery: materia jest zbudowana z niepodzielnych cząstek (gr. atomos - niepodzielny).

4.Model atomu Thomsona

Atom to przestrzennie ciągły ładunek dodatni, w którym - jak rodzynki w cieście - tkwią punktowe ładunki ujemne, czyli elektrony. Thomson odkrył elektrony: ujemnie naładowane cząstki mniejsze od atomu.

5.Planetarny model atomu Rutherforda

Atom składa się z ujemnie naładowanych elektronów krążących wokół dodatnio naładowanego jądra, które jest bardzo małe w porównaniu z całym atomem - jak planety wokół Słońca. Model był sprzeczny z fizyką klasyczną: krążące elektrony powinny tracić energię i zbliżać się do jądra.

6.Eksperyment Rutherforda

Strumień dodatnio naładowanych cząstek α skierowano na bardzo cienką folię ze złota. Większość cząstek przeniknęła przez folię bez odchylenia, część się odchyliła, a nieliczne odbiły się od folii. Wniosek: atom ma niewielkie w porównaniu ze swoimi rozmiarami, dodatnio naładowane jądro atomowe.

7.Budowa atomu

W centrum atomu jest jądro atomowe zbudowane z protonów $\ce{p+}$ o ładunku dodatnim i obojętnych elektrycznie neutronów $\ce{n^0}$. Wokół jądra z dużą szybkością poruszają się w powłokach elektronowych elektrony $\ce{e-}$ o ładunku ujemnym - nie można im przypisać stałego miejsca. Protonów i elektronów jest tyle samo, więc atom jest elektrycznie obojętny.

8.Powłoki elektronowe

Obszary wokół jądra, w których poruszają się elektrony; oznacza się je literami $K$, $L$, $M$, $N$… Najbliżej jądra leży powłoka $K$. Liczba powłok w atomie jest równa numerowi okresu, a ostatnia powłoka to powłoka walencyjna.

9.Elektrony walencyjne

Elektrony najbardziej oddalone od jądra (w ostatniej powłoce), które biorą udział w tworzeniu wiązań chemicznych. W atomach pierwiastków grup 1.-2. ich liczba jest równa numerowi grupy, a grup 13.-18. - numerowi grupy minus 10 (wyjątek: hel ma 2 elektrony walencyjne).

10.Rdzeń atomowy

Jądro atomowe razem z elektronami niewalencyjnymi, czyli ze wszystkimi elektronami oprócz walencyjnych. Np. w atomie sodu ($K^2L^8M^1$) rdzeń tworzą jądro i 10 elektronów z powłok $K$ i $L$, a jedyny elektron powłoki $M$ jest walencyjny.

11.Rozmiary atomów

Średnica atomu wynosi ok. $10^{-10}~\mathrm{m}$, czyli 0,1 nm, a jądro jest wielokrotnie mniejsze od całego atomu. Rozmiary atomów podaje się w nanometrach ($1~\mathrm{nm} = 10^{-9}~\mathrm{m}$) lub pikometrach ($1~\mathrm{pm} = 10^{-12}~\mathrm{m}$).

12.Model atomu Bohra

Elektrony krążą wokół jądra po zamkniętych torach - orbitach stacjonarnych - i mają określoną energię. Energia elektronu jest skwantowana, czyli przyjmuje tylko ściśle określone wartości; jej zmiana powoduje przeskok elektronu na inną orbitę. Model sprawdził się tylko dla atomu wodoru.

13.Kwant energii

Najmniejsza porcja energii $E$, jaką atom może jednorazowo emitować lub absorbować. Elektrony w atomie pobierają i oddają energię wyłącznie w kwantach.

14.Absorpcja i emisja energii w modelu Bohra

Absorpcja, czyli pochłanianie (pobieranie) energii z zewnątrz, powoduje przeskok elektronu na orbitę bardziej oddaloną od jądra. Emisja, czyli oddawanie energii, powoduje przeskok elektronu na orbitę bliższą jądra.

15.Stan podstawowy atomu

Stan atomu, w którym wartość energii jego elektronów jest najmniejsza (nazywany też stanem stacjonarnym).

16.Stan wzbudzony atomu

Nietrwały stan atomu, w którym wartość energii jego elektronów jest wyższa od energii elektronów w stanie podstawowym.

17.Dualizm korpuskularno-falowy

Pogląd o dwojakiej naturze cząstek: cząstki, np. elektrony lub atomy, zachowują się jednocześnie jak korpuskuły (obiekty materialne, które mają masę) i jak fale elektromagnetyczne. Wynika z mechaniki kwantowej, która opisuje budowę atomów i cząsteczek zgodnie z wynikami doświadczeń.

18.Nukleony

Cząstki tworzące jądro atomowe: protony ($\ce{p+}$) o ładunku +1 i neutrony ($\ce{n^0}$) obojętne elektrycznie. Poza jądrem znajdują się elektrony ($\ce{e-}$) o ładunku -1; w atomie jest ich tyle samo co protonów.

19.Jon, kation i anion

Jon powstaje, gdy atom ma nadmiar lub niedomiar elektronów w stosunku do liczby protonów. Kation (jon dodatni) ma mniej elektronów niż protonów, np. $\ce{Ca^2+}$: 20 protonów i 18 elektronów. Anion (jon ujemny) ma więcej elektronów niż protonów, np. $\ce{Cl-}$: 17 protonów i 18 elektronów.

20.Ładunek elementarny

Wartość ładunku protonu (+1) i elektronu (-1). Wynosi $1{,}602 \cdot 10^{-19}~\mathrm{C}$; kulomb (C) to jednostka ładunku.

21.Liczba atomowa Z

Liczba protonów w jądrze atomowym. Jest równa ładunkowi jądra i liczbie porządkowej pierwiastka w układzie okresowym, a w atomie - także liczbie elektronów.

22.Pierwiastek chemiczny

Zbiór atomów o takiej samej liczbie atomowej Z, czyli o takiej samej liczbie protonów w jądrze. Liczba atomowa jest cechą charakterystyczną atomów danego pierwiastka, a liczba neutronów w jego atomach może być różna.

23.Liczba masowa A

Suma protonów i neutronów (liczba nukleonów) tworzących jądro atomu; jest liczbą całkowitą. Prawie cała masa atomu jest skupiona w jądrze, dlatego liczba masowa jest bardzo zbliżona do masy atomowej.

24.Jak odczytać liczby cząstek z zapisu $\ce{^{A}_{Z}E}$?

E to symbol pierwiastka, A (u góry) - liczba masowa, a Z (u dołu) - liczba atomowa. W atomie liczba protonów i liczba elektronów są równe Z, a liczba neutronów wynosi $A - Z$. Np. $\ce{^{31}_{15}P}$ ma 15 protonów, 15 elektronów i 16 neutronów.

25.Masa atomowa

Masa atomu pierwiastka chemicznego wyrażona w jednostkach masy atomowej u (unitach), np. masa atomowa sodu wynosi 22,99 u. Odczytuje się ją z układu okresowego; w obliczeniach można ją zaokrąglić do liczby całkowitej.

26.Jednostka masy atomowej, u

Międzynarodowa jednostka masy równa $\frac{1}{12}$ masy spoczynkowej obojętnego atomu izotopu węgla $\ce{^{12}C}$ w stanie podstawowym; $1~\mathrm{u} = 1{,}66 \cdot 10^{-24}~\mathrm{g}$. Zastępuje gramy, bo masy atomów wyrażone w gramach są niewygodne w użyciu.

27.Masa cząsteczkowa

Suma mas atomowych atomów pierwiastków chemicznych wchodzących w skład cząsteczki, wyrażona w unitach. Np. masa cząsteczkowa $\ce{CO2}$ wynosi $12~\mathrm{u} + 2 \cdot 16~\mathrm{u} = 44~\mathrm{u}$.

28.Masy i ładunki składników atomu

Proton: masa ok. 1 u, ładunek +1. Neutron: masa ok. 1 u, ładunek 0. Elektron: masa ok. $\frac{1}{1840}~\mathrm{u}$, ładunek -1 - jest więc ok. 1840 razy lżejszy od protonu.

29.Masa atomu i masa cząsteczki

Wyraża się je najczęściej w gramach (masy atomowe i cząsteczkowe - w unitach). Masę w gramach oblicza się, mnożąc masę w unitach przez $1{,}66 \cdot 10^{-24}~\mathrm{g}$, a masę w unitach - dzieląc masę w gramach przez tę liczbę.

30.Izotopy

Atomy tego samego pierwiastka chemicznego (o jednakowej liczbie atomowej Z) różniące się liczbą masową A, czyli liczbą neutronów w jądrze. Pierwiastek może mieć kilka, a nawet kilkanaście izotopów.

31.Nazwy izotopów

Tworzy się je, dodając do nazwy pierwiastka liczbę masową izotopu, np. $\ce{^{13}C}$ - węgiel-13 (czyt. węgiel trzynaście). Odrębne nazwy i symbole literowe mają tylko izotopy wodoru, bo znacznie różnią się budową i właściwościami.

32.Izotopy wodoru

Prot $\ce{^{1}_{1}H}$ (symbol H, 0 neutronów, 99,985% wodoru), deuter $\ce{^{2}_{1}H}$ (symbol D, 1 neutron, 0,015%) i tryt $\ce{^{3}_{1}H}$ (symbol T, 2 neutrony, ilości śladowe). Każdy z nich ma 1 proton i 1 elektron.

33.Nuklidy

Atomy o określonej liczbie protonów i neutronów; atomy izotopów noszą nazwę nuklidów. Symbol nuklidu zapisuje się z liczbą atomową i masową, np. $\ce{^{18}_{8}O}$ to atom tlenu, którego jądro ma 8 protonów i 10 neutronów.

34.Skład izotopowy pierwiastków w przyrodzie

Tylko nieliczne pierwiastki występują w przyrodzie w postaci jednego trwałego izotopu, np. sód, beryl, glin, fosfor, fluor, jod i złoto. Większość pierwiastków to mieszaniny różnych nuklidów (izotopów) o stałym składzie procentowym.

35.Średnia masa atomowa pierwiastka

Masa atomowa pierwiastka podana w układzie okresowym to średnia ważona mas atomowych jego izotopów, uwzględniająca ich zawartość procentową w przyrodzie. Dlatego masy atomowe większości pierwiastków nie są liczbami całkowitymi. Masy izotopów są zbliżone do ich liczb masowych, ale nie muszą być całkowite.

36.Wzór na średnią masę atomową

$m_{\mathrm{at.}} = \frac{\%m_1 \cdot A_1 + \%m_2 \cdot A_2 + \ldots + \%m_n \cdot A_n}{100\%}$, gdzie $A_1, A_2, \ldots, A_n$ to masy atomowe izotopów (u), a $\%m_1, \%m_2, \ldots, \%m_n$ - ich zawartości procentowe. W zadaniach często przyjmuje się, że masy izotopów są liczbowo równe ich liczbom masowym.

37.Obliczanie składu procentowego pierwiastka z dwóch izotopów

Do wzoru na średnią masę atomową podstawia się $\%m_1 = 100\% - \%m_2$ i przekształca go do postaci $\%m_2 = \frac{100\% \cdot (m_{\mathrm{at.}} - A_1)}{A_2 - A_1}$. Zawartość pierwszego izotopu to $100\% - \%m_2$.