1. maturitná téma

Atóm

Atóm je základná stavebná častica chemických látok. Je to chemicky najmenšia častica, ktorá môže vstupovať do chemickej reakcie.

Atóm sa skladá 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 = 0C.

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.

Každý atóm je charakterizovaný protónovým a nukleónovým číslom.

 

Protónové číslo Z udáva:

- počet protónov v jadre

  • počet elektrónov v elektrónovom obale
  • hoduje sa s poradovým číslom prvku v PSP

Nukleónové číslo A udáva počet protónov + neutrónov v jadre atómu.

Neutrónové číslo N udáva počet neutrónov v jadre.

Napríklad 2512Mg počet protónov = 12

počet neutrónov = 13

počet elektrónov = 12

A = Z + N

Na základe hodnôt Z a A delíme prvky:

 

Nuklidy – prvky zložené z atómov, ktoré majú rovnaké protónové a nukleónové číslo. Napríklad nuklid2713Al

 

Izotopy – majú rovnaké protónové, ale rôzne nukleónové číslo. 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 7834Se 7836Kr

 

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:

  1. prvky sú zložené z malých, neviditeľných častíc – atómov. Atómy jedného prvku sú rovnaké, atómy rôznych prvkov sa líšia hmotnosťou a veľkosťou.

  2. Počas chemickej reakcie nastáva vzájomné spájanie, oddeľovanie a prestupovanie atómov. Atómy nevznikajú, nezanikajú a ani sa nemenia.

  3. 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.

  1. 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.

  1. 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)

Výraz Ψ2 nazývame orbital.

Orbital je oblasť okolo jadra, v ktorej sa elektrón nachádza s 99% pravdepodobnosťou.

 

Typy orbitálov 

 s – orbital je guľovo symetrický. Nachádza sa na každej sfére v počte 1 kus.

 - s orbital

Zdroj: https://img.sparknotes.com/figures/0/083ee1e849c82204c3d7c342d336a448/

sorbital.gif

 

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.

Zdroj: https://grandinetti.org/Teaching/Chem121/Lectures/Hybridization/assets/sp2.gif

 

d – orbital. Je ich 5 a začínajú od tretej sféry M. Na jednej sfére sú energeticky rovnocenné. Štyri majú tvar priestorového štvorlístka a jeden má tvar priestorovej osmičky s prstencom.

 - typy d-orbitalov

Zdroj : https://www.geo.arizona.edu/xtal/geos306/d-orbitals.gif 

 

f – orbital. Je ich 7, začínajú od štvrtej sféry a na jednej sfére sú energeticky rovnocenné. Majú priestorovo zložitejšie tvary.

Kvantové čísla 

Charakterizujú stav elektrónu v orbitale.

 

Hlavné kvantové číslo - n 

Vyjadruje číslo sféry, na ktorej sa elektrón nachádza (ak n=1 ide o prvú sféru K, ak n=2 ide o druhú sféru L a tak ďalej). Energiu v atóme vyrátame podľa vzťahu En = B/n2, kde En je mólová energia elektrónu, n je hlavné kvantové číslo, B je konštanta rovná

B =1312kJ.mol-1.

 

 

Vedľajšie kvantové číslo l

Určuje orbital elektrónu. Pre dané hodnoty n nadobúda l hodnoty od 0 po n-1.

orbital    s p d f

hodnota l  0 1 2 3

 

Magnetické kvantové číslo m
Určuje presne, v ktorom z orbitalov s rovnakou energiou sa elektrón nachádza. Jeho hodnota je daná číslom l. Pre dané l nadobúda magnetické kvantové číslo hodnoty m = < -l,+l> to jest (2l+1 hodnôt). M 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 
Určuje spin elektrónu, teda smer rotácie okolo vlastnej osi. Má dve hodnoty s = 1/2 alebo s = -1/2.

Ak elektrón rotuje v smere zľava doprava,  s = ½ , ak elektrón rotuje v smere z prava do ľava s = -1/2.

 

Pravidlá obsadzovania orbitalov elektrónmi

Výstavový princíp – elektróny obsadzujú orbitaly podľa ich stúpajúcej energie.

Pauliho (vylučovací) princíp – V orbitale môžu byť maximálne dva elektróny, ktoré sa líšia spinom.

Hundovo pravidlo – Orbitaly s rovnakou energiou sa obsadzujú najprv po 1 elektróne, až potom sa elektróny párujú.