Części składowe atomu

Najważniejszą ze wszystkich teorii chemicznych jest teoria atomistyczna. Twórcą hipotezy atomistycznej był angielski chemik i fizyk John Dalton (1766 - 1844). W 1805 roku ogłosił, że najmniejszą niepodzielną porcją materii, zachowującą jej właściwości chemiczne, jest atom pierwiastka. Nazwa atom, pochodzi od greckiego słowa atoms - niepodzielny.

Atomy są podstawowymi elementami budującymi materię, zdolne do samodzielnego istnienia jak i również do łączenia się między sobą.

Opracowana przez Johna Daltona teoria atomistyczna przybliżyła pojęcie pierwiatka, które wprowadził po raz pierwszy do chemii Robert Boyl (1621 - 1691). A mianowicie John Dalton wykazał, że atom jest najmniejszą ilością pierwiastka chemicznego, a wszystkie atomy tego samego pierwiastka mają takie same właściwości chemiczne. Z tej teorii wynikało jeszcze jedno ważne twierdzenie, że atomy mogą łączyć się w cząsteczki w prostych proporcjach liczbowych, tzn. że pewna liczba atomów jednego pierwiastka łączy się z pewną liczbą atomów innego pierwiastka tworząc związki chemiczne.
Hipoteza ta dała proste wyjaśnienie zależności między masami substancji biorących udział w reakcjach chemicznych. A mianowicie w prosty sposób wyjaśniała;

• prawa zachowania masy

• prawa stosunków stałych

• i prawa stosunków wielokrotnych, które sam sformułował

Po sprawdzeniu w dalszych doświadczeniach fizycznych i chemicznych atomowa hipoteza Daltona stała się teorią atomistyczną. Istnienie atomów uznaje się obecnie za fakt i jest dowodem na nieciągłą budowę materii.

Rys. 1 Schemat dyfuzji

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 między czystym rozpuszczalnikiem nawarstwionym na roztwór (rys. 1). W wyniku samorzutnego przemieszczania się cząsteczek rozpuszczalnika i cząsteczek substancji rozpuszczonej następuje wyrównanie stężeń w każdej z dwóch warstw. Dyfuzja jest wywołana ruchem termicznym cząsteczek. Podczas dyfuzji stężenia wyrównują się i otrzymujemy mieszaninę jednorodną. Innym dowodem na dyfuzję jest zjawisko na rozchodzenie się zapachów w powietrzu. Gdyby materia była ciągła, wówczas nie występowałoby zjawisko dyfuzji

Rys. 2.2 Rozpraszanie cząstek  na foli

Współczesny stan wiedzy o budowie materii przyjmuje, że atom zbudowany jest z jądra, w którego niezwykle małej objętości skupiona jest niemal cała masa atomu, oraz elektronów znajdujących się w stosunkowo dużej przestrzeni otaczającej jądro. Elektrony i jądra atomowe posiadają ładunki elektryczne. Elektrony obdarzone są ładunkiem ujemnym a jądra ładunkiem dodatnim. Taki model atomu zaproponował Rutherford po doświadczeniach jakie przeprowadził w 1911 roku. Doświadczenie (rys. 2.2) polegało na bombardowaniu cienkiej folii ze złota strumieniem szybko pędzących cząstek  i na badaniu stopnia rozproszenia cząstek w funkcji grubości folii. Rozpraszenie cząstek rejestrowano na ekranie z siarczku cynku.

Rys. 2.3 Uproszczony model atomu

Rutherford badając procesy rozpraszania cząstek przechodzących przez cienką folię metalową doszedł do przekonania, że prawie cała masa atomu skupiona jest w bardzo małym dodatnio naładowanym jądrze atomowym a elektrony krążą w odległej chmurze. Otaczające to jądro elektrony wyznaczały całkowity rozmiar atomu. Obraz atomu, który ustalono na podstawie tego doświadczenia, jest niezwykły.

Gdybyśmy mogli powiększyć wymiary liniowe kawałka złotej folii 10⁹ 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.

Rzeczywiste rozmiary atomów i jego części składowych podaje tabela 2.1

Tabela 2.1

Promień atomu i jego części składowych

Lp.	Nazwa	Promień (m)	Masa
1.	Atom	ok. 10^-10	różna w zależności od pierwiastka
2.	Jądro	ok. 10^-15	ok. 99,9% masy atomu
3.	Elektron	tworzą chmurę o promieniu równym promieniowi atomu	ok. 0,1% masy atomu

Wnioski które sformułował Rutherford stały się podstawą wszystkich współczesnych teorii budowy atomu.
Z kolei badania jakie prowadzono nad promieniotwórczością pozwoliły wyciągnąć wniosek, że jądra atomowe są również tworami złożonymi. Ustalono, że elementami składowymi jądra są neutrony i protony.

Protony i neutrony noszą wspólną nazwę nukleonów.

Elektrony oznaczane są symbolem e^-, protony symbolem p a neutrony symbolem n. Znak minus przy symbolu elektronu (e^-) oznacza, że posiadają one ładunek ujemny. Ujemny ładunek elektronów jest równoważony przez dodatni ładunek protonów znajdujących się w atomie a to oznacza, że atom jest elektrycznie obojętny. Każda z wymienionych cząstek posiada charakterystyczne dla siebie właściwości. W tablicy 2.2 zestawiono ich podstawowe właściwowści

Tabela 2.2

Właściwości czastek elementarnych

Lp.	Nazwa	Symbol	Ładunek^*	Masa (g)
1.	Elektron	e^-	-1	9,109*10^-28
2.	Proton	p	+1	1,673*10^-24
3.	Neutron	n	0	1,675*10^-24

^*Masa elektronu wynosi m_e = 1/1823 masy protonu i posiada rzeczywisty ujemny ładunek elementarny, który w jednostkach układu SI ma wartości -1.602 x 10^-19(C). Dla wygody przyjęto, że elektron ma ładunek -1. Podobnie postąpiono z protonem, którego ładunek elementarny w jednostkach układu SI ma wartość +1.602 x 10^-19(C) a w naszych oznaczeniach +1.

Masy części składowych atomu

Masy atomów są ekstremalnie małe. Przykładowo masa atomu węgla wyrażona w kilogramach ma wartość
m_a(₆¹²C) = 1,993*10^-26 kg. Odpowiednio dla magnezu masa atomu wynosi m_a(₁₂²⁴Mg) = 4*10^-26 kg. Faktycznie jak widzimy tak małe wartości mas atomów, zadajemy sobie pytanie; w jaki sposób i to z taką dokładnością wyznaczono masy atomów, tym bardziej że atomu nie jestesmy w stanie zobaczyć ani złapać szczypcami i położyć na szalce wagi.
Otóż w początkowym okresie, oznaczeń mas atomowych dokonywano metodami chemicznymi. Metoda ta polegała na określeniu takiej ilości pierwiastka, która łączy się z gramoatomem innego pierwiastka o znanej masie atomowej. Następnie w oparciu o proste przekształcenia matematyczne obliczno masę atomu.

Rys. 2.4 Schemat spektografu masowego

Nowoczesne metody wyznaczania mas atomów wykorzystują spektografy masowe. Zasadę działania nowoczesnego spektografu masowego można przedstawić na przykładzie prostego aparatu (rys. 4). Z lewej strony znajduje się komora, w której w wyniku wyładowań elektrycznych tworzą się dodatnie jony gazowe, których ruch następnie ulega przyspieszeniu w kierunku strony prawej pod działaniem różnicy potencjałów. Na selektorze prędkości wyodrębnia się jony o prędkości miewiele odbiegającej od pewnej określonej wartości. Strumień rozpędzonych jonów następnie porusza się między dwiema płytami metalowymi, jedną naładowaną dodatnio, a drugą - ujemnie. Jony ulegają przyspieszeniu w kierunku płyty ujemnej i odchyleniu od prostoliniowej drogi A. Stopien odchylenia określa stosunek ze/M (ze - ładunek jonu, M- masa jonu), czyli stosunek ładunku jonu do jego masy. Mierząc odchylenie strumienia jonów oznacza się wielkość ze/M dla różnych jonów i po przekształceniu oblicza się masę M.

Obecnie w użyciu są spektografy, których działanie opiera sie na wykorzystaniu pola elektrycznego jak i magnetycznego i charakteryzują się dużą dokładnością. Przyrządy tego rodzaju mają duże znaczenie w analizie chemicznej.

Posługiwanie się tak małymi wielkościami mas atomów wyrażonych w kilogramach lub gramach jest niedogodne, dlatego w to miejsce wprowadzono względne masy atomowe zwane też krótko masami atomowymi.
Jednostką masy atomowej jest 1/12 cześć masy jądra atomu węgla ₆¹²C. Oznaczeniem jednostki masy atomowej jest litera u i nazywana jest unitem.

1 u (unit) = 1/12 masy atomu 6^12C = 1.66057 x 10^-27 kg = 1.66057 x 10^-24 g.

Wyrażając w jednostkach masy atomowej masy składników atomu otrzymamy

Masy składników atomu

Nazwa	Wartość w unitach (u)	Wartość w gramach (g)
Proton	1.00727 u	1,673*10^-24
Neutron	1.00866 u	1,675*10^-24
Elektron	0,00055 u	9,109*10^-28

Z powyższego wynikają wnioski:

• masy protonu i neutronu są prawie identyczne

• w jądrze (protony plus neutrony) skupiona jest prawie cała masa atomu

• elektrony które równoważą dodatni ładunek protonów mają masę równą tylko 0.05% całej ich masy

Z tabeli 2.1 dowiedzieliśmy się, że rozmiary atomów są bardzo małe. Odpowiednio promienie jąder atomowych są rzędu 10^-14 do 10^-15m a promienie atomów są równe 0,3*10^-10 - 2,7*10^-10m. W wielu tablicach wartości promieni atomów podawane są w pikometrach (skrót pm).

Pikometr jest jedną miliardową częścią milimetra. 1pm = 10^-12 m

Przykłady

Promienie atomów

Nazwa pierwiastka	Wartość w pm	Wartość w m
Wodór	30 pm	0,3*10^-10
Hel	140 pm	1,4*10^-10
Wapń	197 pm	1,97*10^-10
Cynk	133 pm	1,33*10^-10
Siarka	104 pm	1,04*10^-10
Brom	114 pm	1,14*10^-10

Ciekawe porównania

Ile atomów możemy rozmieścić wzdłuż średnicy główki szpilki? Główka szpilki ma średnicę około 1 x 10^-3 m (milimetr długości). Atom ma średnicę 2.5 x 10^-10 m, wtedy (1 atom/2.5 x 10^-10 m) * (1 x 10^-3 m) = 4 x 10^6 atomów Czyli cztery miliony atomów (4000000) można rozmieścić wzdłuż średnicy główki szpilki. Jeżeli ta sama główka szpilki będzie jądrem atomu, to odpowiednio średnica atomu bedzie miała wartość 10m (średnica jądra ma wymiar około 0,01% średnicy atomu).

Jaką gęstość ma jądro atomu? W rozważaniach przyjmiemy, że jądro składa się z 1 protonu i 1 neutronu: Wtedy masa jądra = ~2.0 u = 2 * (1.66 x 10^-24 gram) = 3.32 x 10^-24 gram średnica jądra = 1 x 10^-14 m promień jądra r = 1 x 10^-14 m/2 = 0.5 x 10^-14 m objętość jądra = (4/3)(r)^3 = 5.24 x 10^-43 m^3 masa/objętość = 3.32 x 10^-24 g/5.24 x 10^-43 m^3 = 6.34 x 10^18 g/m^3 oznacza to, że 1 cm^3 materii składającej sie tylko z neutronów i protonów będzie miał masę - 6,34 x 10^18 g/m^3) * (1 x 10^-6 m^3) = 6.34 x 10^12 g/cm^3 czyli sześć miliardów kilogramów, lub sześć milionów ton.

Struktura elektronowa atomów

W poprzednim punkcie omówiono jądrowy model atomu. Wiemy, że każdy atom składa się z dodatnio naładowanego jądra i otaczających go elektronów. Obecnie zajmiemy się rozmieszczeniem elektronów wokół jądra. Znajomość tego w jaki sposób elektrony są rozmieszczone wokół jądra ma zasadnicze znaczenie dla zrozumienia właściwości chemicznych pierwiastków i ich miejsca w układzie okresowym. Sposób przedstawiania rozmieszczenia elektronów wokół jądra nosi nazwę struktury elektronowej.

Nasza wiedza o strukturze elektronowej 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.

Badaniem światła emitowanego przez słońce, gwiazdy, rozgrzane elementy materii zajmuje się spektroskopia.Polega ono na analizowaniu światła emitowanego lub absorbowanego przez substancje.

Przykładem jest przedstawione na rysunku widmo liniowe wzbudzonego atomu sodu.

Widmo liniowe atomu sodu (Na)

Każdy przedstawiony na rysunku kolorowy pasek odpowiada ściśle określonej długości fali światała emitowanego przez atom sodu.

Rys. 2.5 Pochłanianie i emisja fotonu

Pytanie, które tutaj pojawia się jest następujące; dlaczego wszystkie atomy sodu emitują światło o takiej samej długości fali. Otóż odpowiedź jest prosta - elektrony w atomie zajmują ściśle określone poziomy energetyczne a przy przejściu z wyższego poziomu na niższy towarzyszy emisja energii odpowiadająca różnicy poziomów E, w postaci fotonu promieniowania. E = h gdzie;  - częstość promieniowania, h - stała Plancka. I właśnie badania linii widm atomów wielu pierwiastków pozwoliło w latach 1913 - 1925 opracować teorię struktur elektronowych. Teoria ta w kolejnych latach była doskonalona i rozwinięta do dzisiejszej kwantowej teorii struktur elektronowych.

Podwaliny w zrozumieniu budowy atomu dał w 1913 roku N.Bohr, opracowując model budowy atomu wodoru. Późniejsze uzupełnienia 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.

Model Bohra

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 atomów wieloelektronowych nie sprawdzały się.

Współczesny pogląd na struktury elektronowe atomu

W kolejnych latach badania samego elektronu pokazały, że w swojej naturze ma on cechy - falową i korpuskularną, dlatego nie jesteśmy w stanie dokładnie określić jego położenia w atomie.
Zgodnie z nowymi poglądami, elektron nie porusza się po określonej orbicie, lecz raczej w sposób do pewnego stopnia przypadkowy, tak że czasem znajduje sie bardzo blisko jądra, a niekiedy dość daleko od niego. Ruch elektronu odbywa się nie w jednej płaszczyznie, lecz we wszystkich możliwych, ale zawsze w kierunku jądra lub w kierunku przeciwym.
Tak więc zgodnie ze współczesnym poglądem, atom wodoru można opisać jako kulistą przestrzeń z ciężkim jądrem w środku, wypełnioną przez szybko poruszający się dookoła jądra elektron.

Rys. 2.6 Rozmieszczenie elektronów w atomie

W czasach na współczesnych w miejsce orbity wprowadzono pojęcie powłoki, a elektron spostrzegany jest jako "chmura elektronowa" posiadającą swoją energię. Elektrony o zbliżonych energiach zajmują w atomie jedną powłokę a jeżeli różnią się energią to zajmują różne powłoki. Poziomy energetyczne elektronów mają oznaczenia n = 1, 2, 3, 4,..).Często w podręcznikach oprócz oznaczeń cyfrowych, powłokom nadaje się symbole literowe (patrz tabela). Wartość n 1 2 3 4 5 6 Symbol literowy K L M N O P Oznaczenia K, L, M, N, O, P są obecnie traktowane jako historyczne i nie zaleca się ich stosować. Każdy z poziomów energetycznych może pomieścić maksymalnie ściśle określoną ilość elektronów, która odpowiednio wynosi;

Poziom energetyczny	Maksymalna ilość elektronów
1-szy	2
2-gi	8
3-ci	18
4-ty	32
5-ty	50

Elektrony walencyjne

Rys. 2.7 Model atomu sodu 11^23Na Rys. 2.8 Model atomu magnezu 12^24Mg

Zapełnianie powłok elektronami następuje od powłok najbliżej położonych jądra, tj. powłoki 1, dalej 2, itd. Na zewnętrznej ostatniej powłoce znajdują się elektrony słabo związane z jądrem atomu. Elektrony te nazywamy elektronami walencyjnymi. Znając ilość elektronów w atomie, kolejność zapełniania powłok i ich maksymalną pojemność, jesteśmy w stanie zbudować modele atomów. Przykładem są modele atomów sodu (Na) i magnezu (Mg) (patrz rysunki 2.7 i 2.8). 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 w atomie przedstawia się za pomocą tzw. konfiguracji elektronowej, która podaje w jaki sposób rozmieszczone są elektrony na powłokach. Przykład Na - (2,8,1), Mg - (2,8,2) Konfiguracja elektronowa, czyli rozmieszczenie elektronów w atomie, daje chemikowi cenne informacje, pozwalające przewidywać właściwości i zachowanie się pierwiastka w różnych warunkach oraz reakcje chemiczne, w jakie może wchodzić.

W tabeli zamieszczonej niżej przedstawiono konfiguracje elektronowe pierwiastków o liczbach atomowych od 1 do 20.

Konfiguracje elektronowe pierwiastków
Numer grupy Okres	1	2	13	14	15	16	17	18
1	1H (1)							2He (2)
2	3Li (2,1)	4Be (2,2)	5B (2,3)	6C (2,4)	7N (2,5)	8O (2,6)	9F (2,7)	10Ne (2,8)
3	11Na (2,8,1)	12Mg (2,8,2)	13Al (2,8,3)	14Si (2,8,4)	15P (2,8,5)	16S (2,8,6)	17Cl (2,8,7)	18Ar (2,8,8)
4	19K (2,8,8,1)	20Ca (2,8,8,2)

Analiza widm atomów oraz zastosowanie zasad mechaniki kwantowej do wyjaśnienia budowy powłok elektronowych wykazały, że elektrony zajmujące określone poziomy energetyczne wykazują niewielkie różnice energii i są rozmieszczone na podpowłokach. Podpowłoka najniższego poziomu energetycznego ma oznaczenie s a kolejne według wzrastającej energii p, d i f. Maksymalna liczba elektronów na tych podpoziomach wynosi;

Poziom energetyczny	Maksymalna ilość elektronów
s	2
p	6
d	10
f	14

Jeżeli w zapisie konfiguracji elektronowej atomów uwzględnimy podział powłok elektronowych na podpoziomy energetyczne (s, p, d i f), otrzymamy nowy bardziej czytelny sposób rozmieszczenia elektronów w atomie. Oto przykład;

₁₁Na - (2, 8, 1), ₁₂Mg - (2, 8, 2) --> ₁₁Na - 1s²2s²2p⁶3s¹, ₁₂Mg - 1s²2s²2p⁶3s²

Przy nowym sposobie przedstawiania konfiguracji elektronowej atomów, należy przed symbolem podpoziomu energetycznego umieścić liczbę równą numerowi powłoki (n = 1, 2, 3, 4..), a w prawym górnym rogu nad symbolem podpowłoki liczbę elektronów zajmującą dany podpoziom (np. p⁶).

Dla przykładu ₁₁Na - 1s²2s²2p⁶3s¹ odczytamy, że atom sodu ma 11 elektronów, które są rozmieszczone na trzech powłokach. Na pierwszej powłoce znajdują się dwa elektrony i zajmują tylko jeden podpoziom energetyczny s (1s²), na drugiej powłoce znajduje się 8 elektronów i zajmują dwa podpoziomy energetyczne s i p (2s²2p⁶), na ostatniej powłoce znajduje się jeden elektron zajmujący tylko jeden podpoziom energetyczny s (3s¹).

Do napisania konfiguracji elektronowej atomu konieczna jest znajomość;

• liczby elektronów w atomie

• numeru powłoki elektronowej

• symbolu podpoziomu energetycznego

• liczby elektronów w każdej powłoce

• kolejności zapełniania powłok i podpowłok

Kolejność obsadzania poziomów w atomie przedstawia rys. 2.9.

Rys. 2.9 Kolejnośc obsadzania poziomów energetycznych w atomie

Znajomość powyższych zasad pozwala nam przedstawić konfiguracje elektronową atomów każdego pierwiastka.

Przykład

Przedstaw konfiguracje elektronową atomu wapnia.
Z układu okresowego odczytamy, że atom wapnia ma 20 elektronów (Z = 20), które będą rozmieszczone na powłokach w następujących ilościach Ca - atom (2, 8, 8, 2). Z wykresu (rys. 8) odczytamy, że na pierwszej powłoce elektrony zajmują podpoziom s (1s²), na drugiej powłoce elektrony będą rozmieszczone na dwóch podpoziomach s i p (2s²2p⁶), na trzecim poziomie również na dwóch podpoziomach s i p (3s²3p⁶), na ostatnim znajdują się dwa elektrony i tylko na podpoziomie s (4s²). Konfiguracja elektronowa atomu wapnia jest następująca.

₂₀Ca - 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²

Elektrony ostatniej powłoki elektronowej, czyli najwyższego poziomu energetycznego (numer powłoki ma najwyższą wartość) nazywane są elektronami walencyjnymi. Dla atomu wapnia są to elektrony 4s².

---