Zloženie a štruktúra atómov

Zloženie a štruktúra atómov

Atóm
- základná stavebná častica chemických látok.
- chemicky najmenšia častica, ktorá môže vstupovať do chemickej reakcie
- skladá sa z dvoch častí: 1. atómového jadra

2. elektrónového obalu
Atómové jadro obsahuje protóny a neutróny (spoločne ich nazývame nukleóny).
Protón je mikročastica, ktorá je nositeľom kladného elementárneho náboja. Označujeme ho p+ (pokojová hmotnosť je m = 1,6726.10-24 g a náboj je Q =1,602.10-19 C).
Neutrón je elektricky neutrálna mikročastica, veľkosťou a hmotnosťou sa rovná protónu. Označujeme ho n0 (pokojová hmotnosť m = 1,6750.10-24 g. Náboj Q = 0 C).
Všetky atómy majú v jadre protóny a ich počet je charakteristický pre každý prvok. Počet protónov sa rovná počtu elektrónov a atóm je navonok elektricky neutrálny.
 
Elektrónový obal obsahuje elektróny.
Elektróny sú mikročastice, ktoré sú nositeľom záporného elementárneho náboja. Označuje sa e-. Hmotnosť elektrónu je 1836-krát menšia ako je hmotnosť protónu (pokojová hmotnosť m = 9,110.10-26 g. Náboj Q = -1,602.10-19 C).
Elektrón má dualistický charakter – môže sa prejavovať ako častica, ale aj ako vlnenie.
 
Katión – častica s kladným elektrickým nábojom (počet protónov je vyšší ako počet elektrónov)
Anión – častica so záporným elektrickým nábojom (počet protónov je nižší ako počet elektrónov)
Atómový polomer – je vzdialenosť od atómového jadra k najkrajnejšiemu stabilnému elektrónovému orbitalu v atóme, ktorý je v rovnováhe (polomer modelovej gule, ktorú zaberá v priestore atóm).
Iónový polomer – polomer iónu (polomer nestlačiteľnej nabitej gule, ktorá zodpovedá zjednodušenej predstave iónu)
 
Elektrónová vrstva (sféra) – tvoria ju orbitaly (obsahujú elektróny), ktoré majú rovnakú hodnotu hlavného kvantového čísla
Valenčná vrstva (sféra) – posledná vrstva v atóme, na ktorej ležia elektróny, najvzdialenejšia od jadra.
Valenčné elektróny – elektróny, ktoré ležia na valenčnej vrstve. Určujú chemické vlastnosti prvkov.
 
Každý atóm je charakterizovaný protónovým a nukleónovým číslom.
Protónové (atómové) číslo Z (zapisuje sa vľavo dole pri značke prvku) udáva:
- počet protónov v jadre atómu
- počet elektrónov v elektrónovom obale (elektricky neutrálny atóm)
- zhoduje sa s poradovým číslom prvku v PSP

Nukleónové (hmotnostné) číslo A (zapisuje sa vľavo hore pri značke prvku)  - udáva počet protónov a neutrónov  (nukleónov) v jadre atómu.
Neutrónové číslo N udáva počet neutrónov v jadre.
Napríklad   
· počet protónov = 12
· počet neutrónov = 13
· počet elektrónov = 12
A = Z + N
 
Na základe hodnôt Z a A delíme prvky:
Nuklidy – prvky (súbor atómov) zložené z atómov, ktoré majú rovnaké protónové a nukleónové číslo. Napríklad nuklid:  
 
Izotopy – súbor atómov s rovnakým protónovým, ale rôznym nukleónovým číslom. Sú to atómy toho istého prvku, ktoré sa líšia počtom neutrónov v jadre atómu.
Napríklad izotopy vodíka: , ,
 
Izobary sú nuklidy rozličných prvkov, ktoré majú rovnaké nukleónové číslo a rozdielne protónové číslo. Napríklad  ,
 
 
Kvantovo-mechanický model atómu (1924 - 27)
· hovorí, že pre elektrón nemôžeme v danom časovom okamihu určiť súčasne presnú polohu a hybnosť.
· umožňuje vypočítať pravdepodobnosť, s akou sa elektrón vyskytuje v určitej oblasti atómu.
· (výpočet tejto pravdepodobnosti výskytu elektrónu v okolí bodu daného súradnicami x,y,z v čase t nám umožňuje Schrodingerova rovnica pre vlnovú funkciu Ψ (psí). Ψ = f (x,y,z,t))
 
Kvantové čísla - charakterizujú stav elektrónu v orbitale.
 
Hlavné kvantové číslo - n 
Vyjadruje energiu a veľkosť orbitalu, číslo sféry, na ktorej sa elektrón nachádza. Nadobúda celočíselné hodnoty 1, 2, ...7. (elektrónové vrstvy sa označujú aj veľkými písmenami K, L, M, N, O, P, Q)
hlavné kvantové číslo 1  2  3  4  5  6  7
elektrónová vrstva  K L M N O  P Q
 
Vedľajšie kvantové číslo - l
Udáva tvar a energiu orbitalu.
orbital  s  p d f
hodnota 0 1  2 3
 
Magnetické kvantové číslo – m (niekedy označované ml)
Udáva smerovú orientáciu orbitalu v magnetickom poli. Jeho hodnota je daná číslom l. Pre dané l nadobúda magnetické kvantové číslo hodnoty m =  -l,.., 0,...+l to jest (2l+1 hodnôt). 
Udáva priestorovú orientáciu orbitalu vo vonkajšom magnetickom poli.
Napríklad: ak n=3 (ide o tretiu sféru) a l=2, tak hodnota m môže byť m = -2, -1, 0, 1, 2, ide o d orbitaly.
 
Spinové číslo – s (niekedy označované ms)
Určuje spin elektrónu, teda smer rotácie  elektrónu okolo vlastnej osi. Má dve hodnoty s = ½ alebo s = -½. Ak elektrón rotuje v smere zľava doprava,  s = ½ , ak elektrón rotuje v smere sprava doľava s = -½.
Elektrónová konfigurácia atómu – usporiadanie elektrónov daného atómu v jednotlivých orbitaloch. Riadi sa tromi pravidlami.
Pravidlá obsadzovania orbitalov elektrónmi
Výstavbový princíp – elektróny obsadzujú orbitaly podľa ich stúpajúcej energie (najprv orbitaly s nižšou energiou, potom orbitaly s vyššou energiou).
Energia orbitalov rastie v poradí: 1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p 5s 4d 5p 6s 4f 5d 6p 7s 5f 6d 7p
Pauliho (vylučovací) princíp – v orbitale nemôžu existovať dva elektróny, ktoré by mali všetky štyri kvantové čísla rovnaké (líšia aspoň spinovým číslom)
Hundovo pravidlo – Orbitaly s rovnakou energiou sa obsadzujú najprv elektrónmi s paralelným spinom, až potom elektrónmi s antiparalelným spinom.
 
Atómový orbital  – pravdepodobné miesto výskytu elektrónu (oblasť okolo jadra), v ktorej sa elektrón nachádza s 99% pravdepodobnosťou.
Elektrónová hustota – počet elektrónov v určitom priestore.
Základný stav atómu – atóm, ktorý má všetky elektróny v stave s najnižšou energiou (má elektrónovú konfiguráciu v súlade so všetkými pravidlami).
Excitovaný (vzbudený) stav atómu – atóm po dodaní energie, elektróny sa môžu premiestniť do orbitalov s vyššou energiou.
 
Typy orbitalov 
 s – orbital je guľovo symetrický. Nachádza sa na každej sfére v počte 1 kus.
 p – orbital - začínajú od druhej sféry L, sú 3 a na každej sfére sú energeticky rovnocenné. Majú tvar priestorovej osmičky. A sú na seba kolmé.
d – orbital - začínajú od tretej sféry M a je ich 5. Na jednej sfére sú energeticky rovnocenné. Štyri majú tvar priestorového štvorlístka a jeden má tvar priestorovej osmičky s prstencom.
f – orbital - začínajú od štvrtej sféry a na jednej sfére sú energeticky rovnocenné a je ich 7. Majú priestorovo zložitejšie tvary.
 
Vývoj predstáv o zložení a štruktúre atómu
V 5. storočí p.n.l. – Demokritos a Leukipos prvýkrát použili pomenovanie atóm, z gr. atomos – nedeliteľný. Tvrdili, že každá látka je zložená z atómov, ktoré sú nezničiteľné, maličké, neviditeľné a nedeliteľné.
V 18. storočí John Dalton vytvoril prvú ucelenú teóriu – Daltonovu atómovú teóriu. Jej nedostatkom bolo, že atóm považoval za nedeliteľný. Daltonova atómová teória mala niekoľko bodov:

- prvky sú zložené z malých, neviditeľných častíc – atómov. Atómy jedného prvku sú rovnaké, atómy rôznych prvkov sa líšia hmotnosťou a veľkosťou.
- Počas chemickej reakcie nastáva vzájomné spájanie, oddeľovanie a prestupovanie atómov. Atómy nevznikajú, nezanikajú a ani sa nemenia.
- Spájaním atómov dvoch a viacerých prvkov vznikajú chemické zlúčeniny.

Z tejto teórie priamo vyplýva zákon zachovania hmotnosti pri chemickej reakcii a zákon stálych hmotnostných pomerov.
 
V 19. storočí vznikol Thomsonov model atómu. Thomson tvrdil, že atóm je guľa, v ktorej je kladný náboj vykompenzovaný záporným elektrickým nábojom. Vytvoril tak „model hrozienkového koláča“.
- kladný náboj
- záporný náboj

Rutherfordov planetárny model – 1911
Rutherford bombardoval kovovú fóliu alfa časticami. Väčšina z nich kovovou fóliou prešla bez zmeny smeru a málo alfa častíc sa odrazilo späť. Z toho usúdil, že alfa častica musela naraziť na kladný elektrický náboj, ktorý zaberá veľmi malú časť atómu, ale v ktorom je sústredených až 99% hmotnosti atómu. Kladnú časť atómu nazval jadro.
Dnes vieme, že priemer jadra atómu je 10 000 až 100 000-krát menší ako priemer celého atómu.
Rutherford vytvoril planetárny model atómu, podľa ktorého okolo kladne nabitého jadra obiehajú záporne nabité elektróny ako planéty okolo Slnka.
 
Bohrov model atómu - 1913 
Podľa Rutherforda sa žiarenie, ktoré vychádzalo z atómu vysvetľovalo tak, že elektrón vyžaruje sústavne svoju energiu pri pohybe okolo jadra. V dôsledku toho sa malo pozorovať spojité spektrum vysielaného žiarenia a elektrón by sa mal po špirálovitej dráhe zrútiť do jadra. Životnosť atómov by bola veľmi malá, čo nebolo pozorované.
Na základe zdokonalenia prístrojov bolo objavené, že spektrum žiariacich atómov je čiarové.
Vysvetlenie podal Neils Bohr svojimi dvoma postulátmi.

- elektrón sa v atóme nachádza len v stavoch s určitou energiou. Chápeme to tak, že elektrón sa môže pohybovať okolo jadra len po takých kruhových dráhach, ktorých dĺžka sa rovná celistvému násobku vlnovej dĺžky elektrónu.

2πr = n.λ
λ – vlnová dĺžka elektrónu, elektrón má dualistický charakter. Môže byť aj častica, aj vlnenie.

- Atóm vyžaruje energiu, iba keď elektrón preskakuje z vyššej energetickej sféry na nižšiu.

Rozdiel energií sa vyjadruje ΔE = E2 – E1, pričom E2> E1
 
Kvantovo-mechanický model atómu (1924 - 27)
Vytvorili ho štyria fyzici - zakladatelia kvantovej fyziky – Louis de Broglie, Ernest Schrodinger, Heisenberg a Max Born.
Kvantovo-mechanický model atómu hovorí, že pre elektrón nemôžeme v danom časovom okamihu určiť súčasne presnú polohu a hybnosť.
Tento model umožňuje vypočítať pravdepodobnosť, s akou sa elektrón vyskytuje v určitej oblasti atómu. Výpočet tejto pravdepodobnosti výskytu elektrónu v okolí bodu daného súradnicami x,y,z v čase t nám umožňuje Schrodingerova rovnica pre vlnovú funkciu Ψ
(psí). Ψ = f (x,y,z,t)
Zones.sk – Zóny pre každého študenta
https://www.zones.sk/studentske-prace/chemia/5354-zlozenie-a-struktura-atomov/