Budowa atomu

Atom, najmniejsza jednostka materii, stanowi fundament naszego zrozumienia świata. Choć niewidoczny dla ludzkiego oka, jego rola jest niezwykle istotna. Zrozumienie budowy atomu jest kluczowe dla zgłębienia tajemnic reakcji chemicznych i właściwości substancji. W tym artykule przyjrzymy się podstawowym elementom budowy atomu i poznamy, jak z postępem naukowym rozwijała się teoria dotycząca jego budowy.

Podstawowe składniki atomu

Atom jest najmniejszą jednostką budowy pierwiastka chemicznego, która zachowuje jego właściwości fizykochemiczne.

Atom składa się z protonów, neutronów i elektronów. Protony i neutrony (razem zwane nukleonami) tworzą jądro atomowe, które znajduje się w centrum atomu. Elektrony krążą wokół jądra na różnych poziomach energetycznych.

Neutrony są elektrycznie obojętne (nie posiadają ładunku), protony posiadają elementarny ładunek dodatni, a elektrony ujemny. Masy protonów i neutronów są w przybliżeniu takie same, a masa elektronu, w porównaniu do masy nukleonów, jest zaniedbywalnie mała. Dlatego niemal cała masa atomu zlokalizowana jest w jądrze.

1. Protony: To cząstki o dodatnim ładunku elektrycznym. Liczba protonów w jądrze, zwana liczbą atomową (Z), określa liczbę porządkową pierwiastka. Jest ona równa liczbie elektronów znajdujących się w obojętnym atomie.
2. Neutrony: Neutrony są cząstkami neutralnymi pod względem ładunku elektrycznego i znajdują się w jądrze atomowym. Ich rola polega na stabilizacji jądra i zapobieganiu wzajemnemu odpychaniu protonów. Liczba neutronów w atomie to różnica pomiędzy liczbą masową, a liczbą atomową A-Z.
3. Elektrony: Elektrony krążą wokół jądra. Funkcją która przybliża nam tor po jakim się one poruszają są orbitale atomowe. Elektrony mają ładunek ujemny i równoważą ładunek dodatni protonów w obojętnym atomie. Zatem w obojętnym atomie liczba protonów i elektronów jest taka sama i jest określona przez liczbę atomową (Z). Elektrony znajdują się na różnych poziomach energetycznych. Każdy spośród tych poziomów  może pomieścić określoną liczbę elektronów, którą można wyliczyć ze wzoru: 2n², gdzie n to numer powłoki. 

Łączna liczba protonów i neutronów określa liczbę masową (A).

A – Liczba masowa – suma protonów i neutronów.
Z – Liczba atomowa – równa liczbie protonów w jądrze atomowym =  liczbie elektronów w obojętnym atomie  danego pierwiastka chemicznego.+

Historia modelu budowy atomu

Historię modelu budowy atomu można przedstawić jako opowieść o stopniowym rozwijaniu się wiedzy naukowej, eksperymentach i teoriach, które przyczyniły się do zrozumienia struktury i właściwości atomów.

John Dalton był jednym z pierwszych uczonych, który zaproponował model budowy atomu w 1803 roku. Jego model opierał się na założeniu, że atomy są nierozszczepialne i jednorodne. Następnie odkrycie elektronu prze J.J. Thomsona w 1987 roku doprowadziło do rewizji modelu Daltona. Model Thomsona, zaproponowany 1903 roku zakładał, że elektrony są rozproszone w równomiernie naładowanej masie dodatniej, co przypominało rozkład budowy ,,ciasta z rodzynkami”. 

W latach 1909-1911 Ernest Rutherford przeprowadził eksperymenty, w których bombardował cząstkami alfa różne substancje. Odkrył, że większość cząstek przechodziła przez substancję, ale niektóre były odbijane w różnych kierunkach. To doprowadziło do sformułowania modelu atomu, w którym jądro atomowe jest małe, gęste i dodatnio naładowane, a elektrony krążą wokół niego. Jest to tak zwany planetarny model budowy atomu. Elektrony krążą wokół jądra po orbitach. Teoria ta została rozwinięta i przeredagowana przez Nielsa Bohra, który  wprowadził koncepcję orbitali i poziomów energetycznych dla elektronów. Bohr uważał że elektrony krążą po orbitach o stałych energiach.

Model Bohra, który został zaproponowany w 1913 roku, przedstawiał atom jako układ planetarny, gdzie elektrony krążą po orbitach (okręgach) wokół jądra – tak jak planety wokół Słońca. 

Poniżej przedstawiono uproszczony model budowy atomu węgla, zgodny z teorią Bohra, która obecnie uznawana jest za poprawną dla atomu wodoru czy też helu. Atom węgla posiada po 6 neutronów i protonów w jądrze atomowym, oraz 6 elektronów krążących na orbitach wokół jądra.

Oraz uproszczony model budowy atomu tlenu:

Zgodnie z teorią Bohra elektrony mają się znajdować na konkretnych orbitach, które są w różnej odległości od jądra. Pierwszą orbitę oznacza się literą ,,n” i przyjmować ma ona kolejne liczby naturalne (1,2,3…). 

Eksperymenty z dyfrakcją promieni rentgenowskich prowadzone w latach 1912-1913 przez Henry’iego Moseley’a zidentyfikowały liczbę atomową pierwiastka chemicznego jako kluczowy parametr określający właściwości chemiczne pierwiastków, co doprowadziło do uporządkowania układu okresowego.

Następnie Model Schrödingera zaproponowany w 1926, który oparty jest na pojęciach funkcji falowej, pozwolił na matematyczne opisanie zachowania elektronów w atomie. Schrödinger wprowadził pojęcie orbitali atomowych. Orbital atomowy to obszar przestrzeni, w którym z największym prawdopodobieństwem można znaleźć elektron. Istnieje kilka rodzajów orbitali: s, p, d, i f, z których każdy ma charakterystyczny kształt.

Wraz z rozwijającą się teorią kwantową, model atomu ulegał dalszym modyfikacjom. Współczesny model atomu opiera się na mechanice kwantowej, a elektrony są opisywane jako funkcje falowe i korpuskuły jednocześnie. Model ten obejmuje także koncepcję kwarków jako składników protonów i neutronów.

W skrócie, historia modelu budowy atomu opiera się na o stopniowym rozwijaniu się wiedzy naukowej, eksperymentach i teoriach, które przyczyniły się do zrozumienia struktury i właściwości atomów.

Budowa atomu a właściwości chemiczne

Budowa atomu wpływa na właściwości chemiczne substancji. Elektrony znajdujące się w najbardziej zewnętrznej/ych powłoce/kach atomu nazywane są elektronami walencyjnymi. Mianem elektronów walencyjnych określa się elektrony, atomu danego pierwiastka chemicznego, które mogą tworzyć wiązania chemiczne z elektronami atomów innych pierwiastków chemicznych. Atomy, tworząc jony proste, dążą do osiągnięcia konfiguracji elektronowej atomów gazów szlachetnych (pomijając atomy pierwiastków bloku energetycznego d – atomy grup 3-12 układu okresowego pierwiastków chemicznych). Zewnętrzna powłoka elektronowa atomów helowców jest całkowicie zapełniona elektronami, przez co helowce są bardzo trwałe i w zwykłych warunkach nie wchodzą w reakcje chemiczne. To dążenie do stabilności jest podstawą tworzenia wiązań chemicznych.

Zadania w stylu maturalnym dotyczące budowy atomu

Zadanie 1.

Rdzeń atomowy pewnego pierwiastka chemicznego można opisać za pomocą konfiguracji elektronowej atomu argonu. Pierwiastek ten posiada również całkowicie zapełnioną podpowłokę 3d. Liczba sparowanych elektronów walencyjnych atomu tego pierwiastka chemicznego, jest równa liczbie elektronów niesparowanych. 

Dokonaj identyfikacji tego pierwiastka chemicznego.

………………………………………………………………………………………………………………

Rozwiązanie

Szukanym pierwiastkiem jest german.

Komentarz

Skoro rdzeń atomowy tego pierwiastka chemicznego możemy opisać za pomocą konfiguracji elektronowej atomu argonu, to należy on do czwartego okresu układu okresowego. Skoro pierwiastek ten posiada całkowicie zapełniona podpowłokę d to należy do bloku energetycznego p. Pierwiastki należące do bloku energetycznego p, posiadają elektrony walencyjne na podpowłokach s i p. Aby liczba elektronów sparowanych była równa liczbie elektronów niesparowanych, ich liczba musi wynosić dwa, co sumarycznie daje nam 4 elektrony walencyjne. Czyli szukanym pierwiastkiem chemicznym jest german.

Zadanie 2.

Konfigurację elektronową dwudodatniego kationu pierwiastka X przedstawia zapis: [Ar]3d⁹. 

Podaj symbol chemiczny tego pierwiastka chemicznego, numer grupy i symbol bloku energetycznego, do którego należy ten pierwiastek, oraz przedstaw pełną elektronową konfigurację atomu tego pierwiastka w stanie podstawowym, z uwzględnieniem numerów powłok i symboli podpowłok.

Symbol pierwiastka: ……………………………………..

Numer bloku:…………………………………………………

Symbol bloku energetycznego:………………………

Konfiguracja elektronowa:………………………………

Rozwiązanie

Symbol pierwiastka: Cu

Numer bloku: 11

Symbol bloku energetycznego: d

Konfiguracja elektronowa:1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s¹3d¹⁰

Komentarz

Należy pamiętać, że atom miedzi ulega promocji elektronowej.

Zadanie 3.

Atom pierwiastka X tworzy anion X^2-, którego konfiguracja elektronowa jest taka sama jak konfiguracja elektronowa atomu kryptonu w stanie podstawowym. 

Podaj symbol chemiczny tego pierwiastka, oraz przedstaw pełną elektronową konfigurację atomu tego pierwiastka w stanie podstawowym, z uwzględnieniem numerów powłok i symboli podpowłok w zapisie klatkowym.

Symbol pierwiastka: …………………………………………………

Konfiguracja elektronowa:

Rozwiązanie:

Symbol pierwiastka: Se

Konfiguracja elektronowa:

Komentarz

Należy pamiętać, aby elektrony „groty strzałek” zajmujące tą samą „klatkę” posiadały przeciwne zwroty.