PChOl – wewnętrzna budowa materii – cz. I

PChOl – wewnętrzna budowa materii cz. I

W tym cyklu ukazało się już :

Rozdział 2 – wewnętrzna budowa materii

W tym rozdziale zajmiemy się następującymi zagadnieniami :

  • 2.1  Budowa atomu 
  • 2.2  Ustalanie liczby elektronów, protonów i neutronów na podstawie położenia w układzie okresowym pierwiastków 
  • 2.3  Rozpisywanie konfiguracji elektronowej
  • 2.4  Wiązania chemiczne (jonowe i kowalencyjne)
  • 2.5  Prawo okresowości – co można odczytać z układu okresowego?
  • 2.6  Metale i niemetale – właściwości ogólne
  • 2.7  Izotopy i promieniotwórczość

2.1   Budowa atomu

Co ciekawe, atom prawie cały jest pusty – tam nic nie ma w >99% ! A skoro nasze ciało jest zbudowane w całości z atomów, to znaczy że i my jesteśmy puści w 99% …

No dobrze, do rzeczy!

Atom = jądro atomowe + elektrony (tzw. chmura elektronowa)

  • jądro atomowe – jest to centralna (środkowa), kulista część atomu,  w której jest zawarta prawie CAŁA masa atomu (bo około 99,9%).
  • chmura elektronowa – to jest bardzo dobre określenie, na to co znajduje się na zewnątrz jądra atomowego. W chmurze elektronowej znajdują się, jak łatwo można się domyśleć, elektrony. I tak jak chmury na niebie mają rozmyte granice, tak samo chmura elektronowa. Nie jesteśmy w stanie powiedzieć, że dany elektron w danym momencie się dokładnie znajduje, ale możemy określić prawdopodobieństwo jakiejś przestrzeni, gdzie może być.

Cząstki elementarne – to dość trudne pojęcie, ponieważ w ostatnich dziesięcioleciach wiele w tym temacie odkryto. My jednak zrobimy sobie uproszczenie i cząstki elementarne zdefiniujemy sobie jako najbardziej podstawowe cząstki, z których zbudowane są atomy.

Cząstki elementarne = protony (p^{+}) + neutrony (n^{o}) +  elektrony (e^{-})

Spróbujmy sobie wyjaśnić po kolei czym jest każda z tych podstawowych cząstek :

  • elektron (e^{-})  –  typowa podręcznikowa definicja wygląda mniej więcej tak : elektron to cząstka elementarna, podstawowy składnik atomu, który zawiera ładunek ujemny (-1 ;  stąd też w jego symbolu mamy na górze minus, oznaczający ładunek równy -1).
  • proton (p^{+})  – bardzo analogicznie jak elektron, z tym że proton ma ładunek dodatni. Atomy są obojętne, dlatego też można już się powoli domyślać, że liczba elektronów musi się równać liczbie protonów, aby ładunek dodatni i ujemny się kasował.
    • jest jeszcze jedna ważna różnica pomiędzy protonem i elektronem : proton ma dużo, dużo razy większą masę. Przyjmuje się, że masa atomu właściwie nie zależy od masy elektronów (bo mają tak malutką masę).
  • neutron (n^{o})  –  neutron z kolei nie będzie miał ładunku, jest on cząstką obojętną.

Powracamy do budowy atomu. Mówiliśmy sobie, że składa on się z jądra atomowego oraz chmury elektronowej. Możemy teraz powiedzieć z czego składają się dokładnie :

  • jądro atomowe = protony (p^{+}) + neutrony (n^{o})  . Zatem jądro atomowe jest naładowane dodatnio (bo zawiera protony).
  • chmura elektronowa = elektrony (e^{-}) . Są one rozmieszczone w różnych odległościach od jądra atomowego (na tzw. powłokach elektronowych). Elektrony, jako że mają ładunek ujemny są przyciągane przez jądro. ALE! Elektrony odpychają same siebie (bo te same, ujemne ładunki się odpychają). Ogółem, istnieje wiele sił (oddziaływań) w obrębie atomu (co ma też oczywiście związek z wieloma innymi, mniejszymi cząstkami), a to wszystko sprawia, że atom jest trwały. Elektrony nie spadają zatem na jądro, ani też (same z siebie) nie uciekają od niego na zawsze.

Znalezione obrazy dla zapytania budowa atomu

Powyższy obrazek podsumowuje nam to wszystko. A więc w środku atomu mamy jądro atomowe, które składa się z protonów o dodatnim ładunku oraz z neutronów, obojętnych elektrycznie. Na zewnątrz ,,rozproszone” w chmurze elektronowej znajdują się elektrony. Elektrony te są rozlokowane na różnych ,,poziomach” , które na rysunku są zaznaczone niebieskimi okręgami. Każdy z takich okręgów, nazywamy powłoką elektronową. 

Tak jak jądro atomowe jest kulą (w sporym przybliżeniu oczywiście, bo nie jest to jednorodna bryła), tak samo kolejne powłoki możemy wyobrażać sobie jako kolejne kule. Czyli mamy kule w kulach. 

Rysunek w 3D :

Znalezione obrazy dla zapytania atom

Z praktycznego punktu widzenia bardzo ważna jest ostatnia powłoka elektronowa = powłoka walencyjna. Elektrony, które się na niej znajdują nazywamy elektronami walencyjnymi. 

Dlaczego te elektrony są najważniejsze? Dlatego, że te ujemne elektrony znajdują się wtedy w największej odległości od dodatnio naładowanego jądra, a zatem ich oddziaływanie elektrostatyczne (=po prostu przyciąganie) jest wtedy najsłabsze. To oznacza, że z tymi elektronami można co nieco ,,podziałać”. Decydują one o tworzeniu wiązań i generalnie wpływają na właściwości danego atomu.

Pozostałe elektrony (niewalencyjne) wraz z jądrem nazywamy rdzeniem atomowym, który już nie uczestniczy bezpośrednio w tworzeniu wiązań, aczkolwiek może on wywierać na nie pewien wpływ.

rdzeń atomowy = elektrony niewalencyjne (wszystkie elektrony, byle nie z ostatniej powłoki) + [(protony + neutrony) = jądro atomowe] 

2.2  Ustalanie liczby elektronów, protonów i neutronów na podstawie położenia w układzie okresowym pierwiastków

Spójrzcie teraz sobie na układ okresowy pierwiastków nazwany na cześć wielkiego, rosyjskiego uczonego Dmitrija Mendelejewa.

Układ Okresowy

Każdy pierwiastek (o symbolu ogólnym np. X) jest przedstawiony w następujący sposób :

Znalezione obrazy dla zapytania liczba atomowa i masow

Liczba masowa może też być ,,na dole”. Zazwyczaj się ją zaokrągla do liczby całkowitej, a więc w przykładach poniżej, wynosiłaby ona odpowiednio :  1 , 12  oraz  197.

Znalezione obrazy dla zapytania liczba masowa

  • liczba masowa = liczba protonów i neutronów. Łatwo zapamiętać, że liczba masowa nie ma nic wspólnego z elektronami, bo mówiliśmy o tym, że ich masa jest pomijalna.
    • przy okazji, nowa definicja :  nukleony = protony + neutrony. Zatem można też powiedzieć, że liczba masowa to liczba nukleonów. 
  • liczba atomowa = jest to liczba protonów w jądrze atomowym. Ta liczba służy nam do identyfikacji danego pierwiastka/atomu. Jeśli powiem, że jakiś pierwiastek ma liczbę atomową równą 20, to od razu wiem, że jest to wapń (Ca).

Jedno pytanie – czym się właściwie różni atom od pierwiastka?

  • pierwiastek = zbiór atomów o tej samej liczbie protonów w jądrze

Zadanie 1 :

Podaj liczbę protonów, elektronów, neutronów, nukleonów oraz liczbę masową i atomową dla atomu potasu oraz jodu

Rozwiązanie :

Dla atomu potasu :   ^{39}_{19} K

  • liczba masowa :  39  (czyli ta na górze)
  • liczba atomowa :  19  (czyli ta na dole)
  • liczba protonów : 19  (czyli liczbę protonów określamy po liczbie atomowej)
  • liczba elektronów :  19 (wspominaliśmy o tym : atom jest elektrycznie obojętny, zatem liczba dodatnich protonów musi się równać liczbie ujemnych elektronów)
  • liczba neutronów :  20 (liczba masowa wynosi 39, a mówiliśmy, że na masę składają się zarówno protony jak i neutrony. Liczbę protonów już ustaliliśmy, wynosi ona 19, a cała liczba masowa to 39, zatem proste odejmowanie i mamy liczbę neutronów :  39 – 19 = 20)
  • liczba nukleonów : 39 (jest to tak naprawdę kolejna definicja do zapamiętania, widzimy, że właściwie liczba nukleonów to w istocie liczba masowa, bo zresztą nukleony odpowiadają za masę atomu).

Dla atomu jodu :   ^{127}_{53} I

  • liczba masowa :  127 (czyli ta na górze)
  • liczba atomowa :  53  (czyli ta na dole)
  • liczba protonów :  53  (czyli liczbę protonów określamy po liczbie atomowej)
  • liczba elektronów :  53 (wspominaliśmy o tym : atom jest elektrycznie obojętny, zatem liczba dodatnich protonów musi się równać liczbie ujemnych elektronów)
  • liczba neutronów :  74 (liczba masowa wynosi 127, a mówiliśmy, że na masę składają się zarówno protony jak i neutrony. Liczbę protonów już ustaliliśmy, wynosi ona 53, a cała liczba masowa to 127, zatem proste odejmowanie i mamy liczbę neutronów :  127 – 53 = 74)
  • liczba nukleonów : 127 (jest to tak naprawdę kolejna definicja do zapamiętania, widzimy, że właściwie liczba nukleonów to w istocie liczba masowa, bo zresztą nukleony odpowiadają za masę atomu).

Oprócz liczby masowej oraz atomowej, o cechach charakterystycznych danego atomu mówi również jego samo położenie w układzie okresowym. Dzięki niemu możemy np. określić liczbę elektronów walencyjnych, o których niedługo przekonamy się, że faktycznie się nam przydadzą.

Zasada jest prosta : liczba elektronów walencyjnych (przypiszemy sobie do nich symbol :  e_{wal} ) jest równa liczbie jedności numeru grupy. Grupy to były te ,,pionowe kolumny” w układzie i jest ich osiemnaście (18). Na poziomie gimnazjum, na razie pomijamy te takie ,,mniejsze grupy” czyli te od 3 do 12 grupy. Wrócimy do nich w materiale licealnym. Czyli :

  • atomy z pierwszej grupy (np. sód) będą miały jeden elektron walencyjny
  • atomy z drugiej grupy (np. wapń) będą miały dwa elektrony walencyjne
  • atomy z trzynastej grupy (np. glin) będą miały trzy elektrony walencyjne
  • widzimy już schemat? Czyli np. węgiel będzie miał 4 takie elektrony, fosfor pięć i tak dalej… aż do ośmiu elektronów walencyjnych dla np. Helu.

Na osobną uwagę zasługują helowce, czyli pierwiastki z grupy osiemnastej, na które mówimy też : gazy szlachetne. Gazy, bo są gazami, natomiast szlachetne dlatego, że nie chcą reagować z innymi pierwiastkami (ani w ogóle niczym). Można się też spotkać z definicją ,,metal szlachetny” , a sama szlachetność oznacza właśnie małą skłonność do reakcji z innymi chemicznymi związkami.

Dlaczego te gazy szlachetne są szlachetne (czyli nie reagują z niczym innym?)

Krótka odpowiedź (jaka niestety na tym poziomie musi wystarczyć) jest taka : ponieważ mają one oktet elektronowy. Oktet = znaczy osiem, czyli mają osiem elektronów walencyjnych. 

Każdy atom ma powłoki elektronowe. Mówiliśmy już o tym i wspominaliśmy o powłoce walencyjnej, czyli tej ostatniej, położonej najdalej od jądra atomowego, gdzie oczywiście znajdują się elektrony walencyjne.

  • powłoka elektronowa – w takim dużym uproszczeniu, możemy przyjąć, że jest to orbita, po której poruszają się elektrony. Każda powłoka może pomieścić inną, określoną liczbę elektronów.
    • liczbę powłok elektronowych ustala się, patrząc na numer okresu (tym razem poruszamy się poziomo w układzie okresowym), w którym znajduje się atom. Zatem taki wodór będzie miał jedną powłokę, krzem będzie miał trzy powłoki, a bar będzie miał tych powłok sześć.
    • powłoki oznacza się dużymi literkami, zaczynając od litery ,,ka”. Czyli wodór będzie miał powłokę K , krzem będzie miał powłoki K , L oraz M , natomiast bar będzie miał K, L , M , N , O oraz P
    • Podobny obraz
    • maksymalnie na danej powłoce może się znaleźć  2n^{2}   elektronów, gdzie  n   to numer powłoki. Powłoka K to  n = 1   bo jest pierwsza, potem druga powłoka to L, dla której  n = 2   i tak dalej. Więc obliczmy sobie maksymalną liczbę elektronów na każdej powłoce :
      • pierwsza powłoka  (n = 1) ,,K”  : maksymalna liczba elektronów :  2 \cdot 1^{2} = 2
      • druga powłoka  (n = 2 ,,L”  : maksymalna liczba elektronów :  2 \cdot 2^{2} = 8
      • trzecia powłoka (n = 3,,M”  : maksymalna liczba elektronów :  2 \cdot 3^{2} = 18
      • czwarta powłoka  (n = 4) ,,N”  : maksymalna liczba elektronów :  2 \cdot 4^{2} = 32
      • piąta powłoka  (n = 5) ,,O”  : maksymalna liczba elektronów :  2 \cdot 5^{2} = 50

2.3   Rozpisywanie konfiguracji elektronowej

Jak umieścić te elektrony na odpowiednich powłokach dla dowolnego atomu? Pytanie tak naprawdę prosi nas o tzw. rozpisanie konfiguracji elektronowej – czyli jak rozmieszczone są elektrony (ile i na jakich powłokach) w danym atomie.

Weźmy sobie atom magnezu^{24}_{12} Mg

Potrzebujemy do tego trzech informacji :

  • liczba elektronów (którą ustalamy na podstawie liczby ,,na dole” czyli atomowej)
  • numer okresu – dzięki któremu będziemy wiedzieć ile jest tych powłok K, L, M itd. 
  • numer grupy – dzięki niej będziemy wiedzieć OD RAZU ile jest elektronów na ostatniej powłoce, czyli ile jest elektronów walencyjnych.

Dla atomu magnezu widzimy, że liczba elektronów wynosi 12, a sam magnez leży w okresie trzecim = będzie miał trzy powłoki : K, L oraz M.  Magnez leży w grupie drugiej = będzie miał 2 elektrony walencyjne. 

  • Krok pierwszy : rozpisujemy literki oznaczające kolejne powłoki (czyli korzystamy z numeru okresu). Piszemy trzy literki/trzy powłoki bo magnez jest w trzecim okresie.

K \ L \ M

  • Krok drugi : zaczynamy od ostatniej powłoki, zapełniając ją elektronami walencyjnymi (czyli korzystamy z numeru grupy). Piszemy przy literce M dwójkę, bo magnez leży w drugiej grupie i ma dwa elektrony walencyjne (na ostatniej powłoce – więc to piszemy zawsze na ostatniej literce/powłoce).

K \ L \ M^{2}

  • Krok trzeci : zaczynamy od pierwsze powłoki, zapełniając ją maksymalną liczbą elektronów (czyli korzystamy z tego wzoru  2n^{2}   , o którym była już mowa). Uwaga – powłokę przedostatnią (czyli w tym przypadku drugą, zostawiamy na koniec – patrz : krok czwarty).

K^{2} \ L \ M^{2}

  • Krok czwarty : zapełniamy przedostatnią powłokę (czyli od liczby wszystkich elektronów (u nas =12) odejmujemy te elektrony, które już zdążyliśmy przypisać. Zatem 12 – 2 – 2 = 8)

K^{2} \ L^{8} \ M^{2}

O co chodzi z tym krokiem trzecim? Wydaje się on dziwnym, sztucznym utrudnieniem, bo przecież i tak wyszło osiem, czyli maksymalna liczba elektronów na drugiej powłoce. Ale jednak nie zawsze tak będzie – spójrzmy na atom potasu.

Konfiguracja dla potasu to  K^{2} \ L^{8} \ M^{8} \ N^{1}

Zatem przeanalizujmy krok po kroku, jak do tego dojść :

  • Krok pierwszy : rozpisujemy literki oznaczające kolejne powłoki (czyli korzystamy z numeru okresu). Piszemy cztery literki/cztery powłoki bo potas  jest w czwartym okresie.

K \ L \ M \ N

  • Krok drugi : zaczynamy od ostatniej powłoki, zapełniając ją elektronami walencyjnymi (czyli korzystamy z numeru grupy). Piszemy przy literce N jedynkę, bo potas leży w pierwszej grupie i ma jeden elektron walencyjny (na ostatniej powłoce – więc to piszemy zawsze na ostatniej literce/powłoce).

K \ L \ M \ N^{1}

  • Krok trzeci : zaczynamy od pierwsze powłoki, zapełniając ją maksymalną liczbą elektronów (czyli korzystamy z tego wzoru  2n^{2}   , o którym była już mowa). Uwaga – powłokę przedostatnią (czyli w tym przypadku drugą, zostawiamy na koniec – patrz : krok czwarty).

K^{2} \ L^{8}  \ M \ N^{1}

  • Krok czwarty : zapełniamy przedostatnią powłokę (czyli od liczby wszystkich elektronów odejmujmy te, które już przydzieliliśmy, zatem : 19 – 2 – 8 – 1 = 8)

K^{2} \ L^{8}  \ M^{8} \ N^{1}

A przecież na powłoce trzeciej , czyli M zmieściłoby się maksymalnie 18 elektronów. Dlatego postępujemy właśnie w ten sposób.

Zapraszam do drugiej części!

Leave a Reply