BUDOWA

BUDOWA

MATERII

MATERII

© Rafał Kwiek. All rights reserved.

CHEMIA

CHEMIA

BUDOWA MATERII

Materia ma budowę ziarnistą, nieciągłą, gdyż dowolnie mała przestrzeń pomyślana w jej wnętrzu nie jest nią
całkowicie wypełniona.

» Budowa materii

» Budowa materii

«

Strona

główna

O nieciągłej budowie materii wnioskujemy z szeregu potocznych zjawisk. Na
przykład proces dyfuzji, czyli zjawisko samorzutnego mieszania się różnych
substancji we wszystkich stanach skupienia zachodzi dzięki temu, że
pomiędzy skupieniami /cząsteczkami/ jednej substancji istnieją wolne
przestrzenie, przez które mogą przenikać cząsteczki innej substancji.

Przykładem jest proces dyfuzji jaki zachodzi w czasie parzenia herbaty w
szklance. Zalana wrzątkiem herbata uwalnia esencję, która samorzutnie
przemieszcza się w całej objętości naczynia. W wyniku samorzutnego
przemieszczania się drobin wody i drobin substancji esencji następuje
wyrównanie stężeń w całej objętości szklanki. W tym przypadku dyfuzja jest
wywołana ruchem termicznym cząsteczek. Podczas dyfuzji stężenia
wyrównują się i otrzymujemy mieszaninę jednorodną.

Na rysunku 1 został przedstawiony proces dyfuzji jaki zachodzi między
czystym rozpuszczalnikiem nawarstwionym na roztwór, który zawiera
rozpuszczoną sól. Po pewnym czasie zaobserwujemy wyrównanie stężeń obu
części.

Gdyby materia była ciągła, wówczas nie występowałoby zjawisko dyfuzji (oraz np. rozchodzenie się

zapachów)

|

Budowa materii

|

Rozmiary atomów

|

Budowa atomu

|

Oznaczenia i symbole

|

Elektrony w atomie

|

|

Wartościowość pierwiastków

|

Właściwości pierwiastków a rozmieszczenie elektronów w atomie

|

BUDOWA MATERII

Pytanie - co jest najmniejszą częścią materii?

Wyobraźmy sobie, że rozdrabniamy węgiel w moździerzu, który jest substancją prostą (pierwiastkiem). W czasie
rozdrabniania rozpada sie na pył i dochodzimy do momentu, kiedy dalsze rozdrabnianie nie daje efektów. Okazuje
się, że te najmniejsze drobiny jakie uzyskaliśmy w czasie rozdrabniania zawierają jeszcze mniejsze drobiny i to kilka
tysięcy. Te najmniejsze drobiny niepodzielne posiadające właściwości pierwiastka nazywamy atomami.

Podobny efekt osiągniemy rozdrabniając substancję złożoną (związek chemiczny). Ale te najmniejsze drobiny
nazywamy cząsteczkami.

Współczesny stan wiedzy o budowie materii przyjmuje, że z kolei atom zbudowany jest jeszcze z mniejszych
składników tj. jądra, w którego niezwykle małej objętości skupiona jest niemal cała masa atomu, oraz elektronów
znajdujących się w stosunkowo dużej przestrzeni otaczającej jądro.

» Budowa materii

» Budowa materii

«

Strona

główna

WAŻNE

WAŻNE

POJĘCIA

POJĘCIA

BUDOWA MATERII

Jak mały jest atom?

Badania atomów różnych pierwiastków pokazały, że jego średnica jest wielkością bardzo małą i wynosi

ok. 0,0000000002 = 2 * 10-10 m, a masa ok. 0,00000000000000000000000005 = 5 * 10-26 kg.

Atom jest tak mały, że nie dostrzeżemy go ani pod lupą, ani pod mikroskopem. Wyodrębnienie pojedyńczego atomu
jest więc praktycznie niemożliwe. Obrazy atomów uzyskano dopiero niedawno przy olbrzymich powiększeniach w
specjalnym mikroskopie; wyglądają one jak małe kulki.

Trudno wyobrazić sobie, jak małe są atomy. Pewien pogląd na to mogą dać porównania.

» Rozmiary atomów

» Rozmiary atomów

«

Strona

główna

BUDOWA MATERII

» Rozmiary atomów

» Rozmiary atomów

«

Strona

główna

BUDOWA MATERII

» Budowa atomu

» Budowa atomu

«

Strona

główna

Atomów, ze względu na ich niewielkie rozmiary, nie można było bezpośrednio obserwować. Dlatego przez wiele lat
od chwili opracowania podstaw atomu uważano je za niepodzielne. Wyobrażano je sobie jako kulki o różnych
średnicach i masach. Dopiero prace i obserwacje wielu uczonych, doprowadziły do stworzenia modeli atomów.

Jednym z uczonych był Rutherford który badając procesy rozpraszania
cząstek ( rys.2 ) przechodzących przez cienką folię metalową doszedł do
przekonania, że prawie cała masa atomu skupiona jest w bardzo małym
dodatnio naładowanym jądrze atomowym a na zewnątrz poza jądrem
rozmieszczone są elektrony.

Promienie jąder atomowych są rzędu 10

-14

do 10

-15

m.

Wnioski które sformułował Rutherford stały się podstawą wszystkich
współczesnych teorii budowy atomu.

Badania procesów promieniotwórczych pozwoliły wyciągnąć wniosek, że jądra
atomowe są również tworami złożonymi. Ustalono, że elementami składowymi
jądra są neutrony i protony. Protonom i neutronom nadaje się często
wspólną nazwę nukleonów.

Gdybyśmy mogli powiększyć wymiary liniowe kawałka złotej folii 10

9

razy, obserwowalibyśmy go jako olbrzymi stos

atomów o średnicy ponad pół metra. Praktycznie cała masa atomu byłaby jednak skoncentrowana w jądrze - o
średnicy ok. 0,025 mm, czyli o wielkości bardzo małego ziarenka piasku.

BUDOWA MATERII

» Budowa atomu

» Budowa atomu

«

Strona

główna

Części składowe atomu i ich charakterystyka

WAŻNE

WAŻNE

POJĘCIA

POJĘCIA

BUDOWA MATERII

» Oznaczenia i symbole

» Oznaczenia i symbole

«

Strona

główna

Jądro składa się z Z protonów i N neutronów. Wobec tego liczba nukleonów
(protonów i neutronów), będzie odpowiadać zaokrąglonej sumie protonów i
neutronów, co zapisujemy równaniem.

A = Z + N

gdzie - A nosi nazwę liczby masowej i jest ona równa sumie protonów i
neutronów.

Liczba protonów (Z) i liczba masowa (A) są wielkościami charakterystycznymi
dla określonego typu pierwiastka i przyjęto je symbolicznie oznaczać przy
symbolu pierwiastka (rys. 4), co ma zastosowanie w układzie okresowym
pierwiastków. Na rysunku 4 liczba nukleonów jest równa liczbie masowej.

W tablicy układu okresowego wykorzystuje się skrótowe oznaczenia
pierwiastka chemicznego (symbole pierwiastka) z dopisanymi wskaźnikami -
dolny z lewej strony z podaniem liczby ładunkowej Z, górny - z podaniem
liczby masowej A (rys. 5). Liczba ładunkowa nazywana jest liczbą atomową.

Przykłady z układu okresowego

• Wszystkie atomy danego pierwiastka cechuje stała liczba protonów w jądrze, określana jako liczba
atomowa.

• Liczba atomowa ustala miejsce pierwiastka w układzie okresowym.

• Suma liczby protonów Z (liczba atomowa) i liczby neutronów N nazywa się liczbą masową.

BUDOWA MATERII

» Oznaczenia i symbole

» Oznaczenia i symbole

«

Strona

główna

Proton pod względem wartości bezwzględnej ma taki sam ładunek elementarny jak elektron, zatem Z
jest liczbą ładunkową jądra, która dla elektrycznie obojętnych atomów jest równa liczbie elektronów w
powłokach.

Mając podaną liczbę masową i liczbę atomową możemy obliczyć liczbę neutronów jako różnicę

N = A - Z

Dla przykładu z rys. 5 atom sodu (Na) zawiera 11 protonów i N = 22 -11 = 11 neutronów, a uran (U) zawiera 92
protony i N = 238 - 92 = 146 neutronów.

Często napisana przy symbolu pierwiastka liczba masowa nie ma wartości liczby całkowitej.

Izotopy

W 1912 roku J.J. Thomson, podczas badań promieniowania katodowego (promienie wysyłane przez katodę) w polu
elektrycznym i magnetycznym, stwierdził występowanie dwóch rodzajów neonu (Z = 10), jednego o masie około 20
razy, a drugiego około 22 razy większej od protonu. Nazwano je izotopami, od greckich słów isos - taki sam i tops -
miejsce (w układzie okresowym).

W kolejnych latach badania nad pierwiastkami wykazały, że wszystkie znane pieriwastki mają dwa lub więcej
izotopów.

Izotopy różnią się liczbą masową.

BUDOWA MATERII

» Oznaczenia i symbole

» Oznaczenia i symbole

«

Strona

główna

Wszystkie atomy węgla (C), niezależnie od pochodzenia, mają 6 protonów i 6
elektronów. Ta ilość protonów i elektronów określa wartość liczby atomowej.
Jest to uwidoczniane w postaci zapisu przy symbolu pierwiastka jako wskaźnik
dolny z lewej strony symbolu pierwiastka:

Druga liczba nazywana, "liczbą masową" jest zapisywana z lewej strony jako
górny wskaźnik. I okazuje się, że dla atomu węgla ma ona dwie wartości, tj.
12 i 14 (rys. 9). W powyższym przykładzie izotop węgla ma 6 protonów i 6
neutronów.

Następny izotop węgla: ma 6 protonów (liczba atomowa) i 8 neutronów
(8=14-6).

Te izotopy znane są jako "węgiel-14" i "wegiel-12". Z ogólnej ilości izotopów węgla - węgla-12 jest najwięcej
(ok.99%).

Większość naturalnych pierwiastków zawiera mieszaninę różnych izotopów. Najwięcej typów trwałych izotopów
zawiera cyna - bo aż 10 rodzajów. Pierwiastków czystych składających się z jąder (izotopów) tylko jednego rodzaju
jest 22 tj. Be, F, Na, Al., P, Sc, V, Mn, Co, As, Y, Nb, Rh, I, Cs, Pr, Tb, Ho, Tm, Tl, Au, Bi.

Izotopy tego samego pierwiastka mają bardzo zbliżone właściwości chemiczne, ponieważ o właściwościach
chemicznych atomu decyduje liczba elektronów oraz energia oddziaływań.

WAŻNE

WAŻNE

POJĘCIA

POJĘCIA

BUDOWA MATERII

» Elektrony w atomie

» Elektrony w atomie

«

Strona

główna

Powłoki elektronowe

Co to jest elektron?

Nasza wiedza o elektronowej budowie atomów powstała głównie dzięki badaniu światła wysyłanego przez atomy, pobudzane działaniem
wysokiej temperatury, łuku elektrycznego lub iskry. Światło emitowane przez atomy składa się z linii o określonych częstotliwościach drgań;
określa się je jako widmo liniowe atomu.

Dopiero w 1913 roku N.Bohr dał podwaliny pod niezwykły postęp z zrozumieniu budowy atomu, opracowując model budowy atomu wodoru.
Pózniejsze uzupelnienia tej teorii nie zmieniły jej podstawowych założeń, ale wzbogacona aparatem matematycznym dała nam pełny obraz
budowy atomu, zjawisk jakie obserwujemy podczas reakcji chemicznych i budowy cząsteczek.

N.Bohr proponując model atomu wodoru, przyjął następujące założenia;

» elektron krąży wokół jądra na jednej ze stacjonarnych orbit

» emisja lub absorbcja promieniowania jest wynikiem zmiany orbity stacjonarnej

Przyjęta przez N.Bohra założenia sprawdzały się tylko dla atomu wodoru, natomiast dla atomow wieloelektronowych nie sprawdzały się.

W kolejnych latach badania samego elektronu pokazały, że w swojej naturze ma on cechy falową i materialną, dlatego nie jesteśmy w stanie
dokładnie określic jego położenia w atomie. Ostąpiono od pojęcia "orbita" a w to miejsce wprowadzono pojęcie "powłoka", a elektron
spostrzegany jest jako "chmura elektronowa" posiadającą swoją energię.

Mówi się, że elektrony o zbliżonych energiach zajmują jedną powłokę a jeżeli różnią się energią to zajmują różne powłoki (oznaczone przez n
= 1, 2, 3, 4,..).

BUDOWA MATERII

» Elektrony w atomie

» Elektrony w atomie

«

Strona

główna

Powłoki elektronowe

Powłoki oprócz oznaczeń cyfrowych opisuje się często symbolami literowymi (patrz tabela)

Rozmieszczenie powłok K, L, M, N w atomie przedstawia rysunek 7.

Każda z powłok może pomieścic maksymalnie ściśle określoną ilośc
elektronów, która wynosi: K - 2, L - 8, M - 18, N - 32, O - 50.

Oznaczenia K, L, M, N, O, P są obecnie traktowane jako historyczne i nie
zaleca się ich stosować.

BUDOWA MATERII

» Elektrony w atomie

» Elektrony w atomie

«

Strona

główna

Zmiana poziomów energetycznych i towarzyszące im zjawiska

Elektrony w atomie mogą zmieniać poziomy energetyczne (powłoki). Jeżeli
elektron przechodzi z poziomu wyższego na niższy to wtedy będziemy
obserwowali emisję światła (patrz rysunek 8)

Chcąc przenieść elektron z poziomu niższego na wyższy musimy dostarczyć
energie do atomu.

Zapełnianie powłok elektronami następuje od powłok najbliżej położonych jądra, tj. powłoki 1 (K), dalej 2 (L), itd. Na
zewnętrznej ostatniej powłoce znajdują się elektrony słabo związane z jądrem atomu. Elektrony te nazywamy
elektronami walencyjnymi.

Elektrony walencyjne

Znając ilość elektronów w atomie, kolejność zapełniania powłok i ich maksymalną pojemność, jesteśmy w stanie zbudować
modele atomów.

BUDOWA MATERII

» Elektrony w atomie

» Elektrony w atomie

«

Strona

główna

Elektrony walencyjne

Przykładem są modele atomów sodu (Na) i magnezu (Mg) (patrz rysunki 9 i 10).

Ilości elektronów walencyjnych w przedstawionych
modelach odpowiednio wynoszą:

» 1 elektron walencyjny dla sodu (Na)

» 2 elektrony walencyjne dla magnezu (Mg).

Konfiguracje elektronowe

Często rozmieszczenie elektronów na powłokach przedstawia się pod postacią tzw. konfiguracji elektronowej.
W tym sposobie wykorzystujemy symbole literowe powłok, dopisując przy symbolu powłoki ilości elektronów.

Przykład: Na - K

2

L

8

M

1

, Mg - K

2

L

8

M

2

, lub inaczej

Na - (2, 8, 1), Mg - (2, 8, 2)

BUDOWA MATERII

» Elektrony w atomie

» Elektrony w atomie

«

Strona

główna

Elektrony walencyjne

W tabeli zamieszczonej niżej przwedstawiono kofiguracje elektronowe pierwiastków o liczbach atomowych od 1 do
20.

Symboliczne przedstawianie elektronów walencyjnych

Często ilości elektronów walencyjnych rysuje się kropkami przy symbolu pierwiastka (patrz rysunek).

WAŻNE

WAŻNE

POJĘCIA

POJĘCIA

BUDOWA MATERII

» Wartościowość pierwiastków

» Wartościowość pierwiastków

«

Strona

główna

Stosunki ilościowe w związkach chemicznych

Wiemy już, że pierwiastki łączą sie ze sobą tworząc związek chemiczny, którego najmniejszą częścią jest cząsteczka.
I tu pojawia się pytanie, czy pierwiastki mogą łączyć się ze sobą w dowolny sposób i od czego to zależy

Otóż dowiedziono, że pierwiastki łączą się ze sobą w określonym porządku i określonych stosunkach ilościowych.
Przykładem woda o wzorze chemicznym H2O z którego wynika, że zawsze w cząsteczce wody na jeden atom tlenu
przypadają dwa atomy wodoru.

Podobnie mamy do czynienia wśród innych związków chemicznych. Dlatego chemicy wprowadzili pojęcie
wartościowości pierwiastka

Definicja wartościowości

BUDOWA MATERII

» Wartościowość pierwiastków

» Wartościowość pierwiastków

«

Strona

główna

Co to oznacza?

To oznacza, że znając stosunki ilościowe w cząsteczkach w których występują atomy wodoru lub tlenu połączone z
innym pierwiastkiem, możemy zawsze obliczyć wartościowość tego pierwiastka.

Przykład - określenie wartościowości pierwiastków w cząsteczce NH

3

.

Przykład - określenie wartościowości pierwiastków w cząsteczce MgO.

Wodór zgodnie z definicją jest jednowartościowy. Ponieważ na jeden atom
azotu przypadają trzy atomy wodoru to oznacza, że atom azotu jest
trójwartościowy.

3*I

H

= 1*III

N

Tlen zgodnie z definicją jest dwuwartościowy. Ponieważ na jeden atom
magnezu przypada jeden atom tlenu dwuwartościowego. To oznacza, że
magnez jest dwuwartościowy.

1*II

O

= 1*II

Mg

BUDOWA MATERII

» Wartościowość pierwiastków

» Wartościowość pierwiastków

«

Strona

główna

Przykład - określenie wartościowości pierwiastków w cząsteczce P

2

O

5

W tym przykładzie pięć atomów dwuwartościowego tlenu wnosi 10
wartościowości, które przypadają na 2 atomy fosforu, przeto fosfor jest
pięciowartościowy.

5*II

O

= 2*V

P

Wartościowość a elektrony walencyjne

Od czego zależy wartościowość pierwiastka w związkach

Otóż okazało się, że wartościowość zależy głównie od konfiguracji elektronowej atomów pierwiastka a szczególnie ilości elektronów
walencyjnych. Ilość elektronów walencyjnych określa maksymalną wartościowość pierwiastka w związkach chemicznych.

np.

> wodór (konfiguracja K - (1) - jeden elektron walencyjny) jest jedno wartościowy

> siarka (konfiguracja K - (2, 8, 6) - sześć elektronów walencyjnych) jest dwuwartościowa w związku z wodorem, cztero- lub
sześciowartościowa w związkach chemicznych z tlenem

> chlor (konfiguracja K - (2, 8, 7) - siedem elektronów walencyjnych) jest jednowartościowy w związku chemicznym z wodorem (HCl), ale z
tlenem siedmiowartościowy

> węgiel (konfiguracja K - (2, 4) - cztery elektrony walencyjne) bywa czterowartościowy w związkach z tlenem i wodorem (CO2, CH4) i
dwuwartościowy z tlenem (CO)

BUDOWA MATERII

» Wartościowość pierwiastków

» Wartościowość pierwiastków

«

Strona

główna

Zastosowanie wartościowości

Do czego wykorzystamy wartościowość?

Zastosowania:

> w nazewnictwie związków chemicznych (tlenek siarki(IV), tlenek siarki(VI))

> rysowaniu kreskowych wzorów chemicznych (będzie w kolejnych rozdziałach)

Ustalanie wartościowości pierwiastków w związkach chemicznych

Wartościowość innych pierwiastków w związkach chemicznych ustala się na podstawie;

> znanej wartościowości tlenu i wodoru wykonując odpowiednie obliczenia

> informacji odczytanych z układu okresowego pierwiastków

WAŻNE

WAŻNE

POJĘCIA

POJĘCIA

BUDOWA MATERII

»

»

Właściwości pierwiastków a rozmieszczenie elektronów w atomie

Właściwości pierwiastków a rozmieszczenie elektronów w atomie

«

Strona

główna

Położenie pierwiastka w układzie okresowym a ilość elektronów walencyjnych

Konfiguracje elektronowe, które były przedstawione w rozdziale "Elektrony w atomie" wskazują na okresową powtarzalność
konfiguracji elektronowych powłok walencyjnych tj. tych powłok na których znajdują się elektrony walencyjne.
Daje się zauważyć, że w obrębie tej samej grupy głównej, pierwiastki mają jednakową ilość elektronów walencyjnych.

Przykład

Czyli

> pierwiastki grupy 1 (litowce) mają po jednym elektronie walencyjnym

> grupy 2 (berylowce) - dwa elektrony walencyjne

> grupy 13 (borowce) - trzy elektrony walencyjne

> grupy 14 (węglowce) - cztery elektrony walencyjne

> grupy 15 (azotowce) - pięć elektronów walencyjnych

> grupy 16 (tlenowce) - sześć elektronów walencyjnych

> grupy 17 (fluorowce) - siedem elektronów walencyjnych

> grupy 18 (helowce) - osiem elektronów walencyjnych

BUDOWA MATERII

»

»

Właściwości pierwiastków a rozmieszczenie elektronów w atomie

Właściwości pierwiastków a rozmieszczenie elektronów w atomie

«

Strona

główna

Położenie pierwiastka w układzie okresowym a ilość elektronów walencyjnych

Mając na uwadze powyższe spostrzeżenia, możemy zapisać, że właściwości pierwiastka zależą przede
wszystkim od liczby elektronów na zewnętrznej powłoce elektronowej.

A to oznacza również, że maksymalna wartościowość pierwiastków będzie wynosiła;

> pierwiastki grupy 1 (litowce) - I

> grupy 2 (berylowce) - II

> grupy 13 (borowce) - III

> grupy 14 (węglowce) - IV

> grupy 15 (azotowce) - V

> grupy 16 (tlenowce) - VI

> grupy 17 (fluorowce) - VII

I właśnie ta ostatnia uwaga może być wykorzystana do wyznaczania wartościowości innych pierwistków jak wodór i tlen.

Przykład - określenie wartościowości pierwiastków w cząsteczce Na

2

S .

Sód (Na) jako pierwiastek I grupy układu okresowego jest jednowartościowy (Na

I

). Ponieważ na jeden atom siarki przypadają

dwa atomy sodu. To oznacza, że siarka jest dwuwartościowa (S

II

) - Na

2

I

S

II

.

BUDOWA MATERII

»

»

Właściwości pierwiastków a rozmieszczenie elektronów w atomie

Właściwości pierwiastków a rozmieszczenie elektronów w atomie

«

Strona

główna

Elektrony walencyjne a właściwości pierwiastka

Otóż typowe metale takie jak, sód, magnez, glin, wapń mają na powłokach walencyjnych 1,2 lub 3 elektrony. Czym charakteryzują się
metale to już wiemy (połysk metaliczny, kowalność, przewodnictwo elektryczne, itp.).

Niemetale różnią się właściwościami od metali, a ich atomy mają większą w porównaniu z metalami liczbę elektronów walencyjnych, tj. 4, 5,
6 lub 7.

Helowce ( gazy szlachetne), to pierwiastki trwałe, ponieważ mają kompletnie wypełnione powłoki walencyjne. Tych elektronów walencyjnych
jest 8.

Taki układ, który ma 8 elektronów walencyjnych charakteryzuje się dużą trwałością i odpornością na reakcje chemiczne. Dlatego helowce w
stanie wolnym występują w postaci pojedynczych atomów i nie tworzą związków chemicznych z innymi pierwiastkami.

Wielkość atomu określa promień najbardziej zewnętrznej powłoki elektronowej. W obrębie okresu promienie atomów zmniejszają się malejąc
w danym okresie od strony lewej do prawej. Wiąże się to ze wzrostem liczby protonów w jądrze, tzn. z silniejszym przyciąganiem elektronów
przez jądro. Tak więc w poszczególnych okresach litowce mają największe promienie atomów, a flourowce najmniejsze.

W obrębie grup promienie atomów wzrastają wraz ze wzrostem liczb atomowych. Wiąże się to ze wzrostem liczby powłok elektronowych,
których wpływ na wielkość średnicy atomu przewyższa wpływ wzrostu ładunku jądra, decydującego o zmniejszeniu średnicy atomu. Zostało
to przedstawione na rysunku poniżej

Jak zmieniają się wymiary atomów ze zmianą ilości elektronów?