PChOl – Wewnętrzna budowa materii – cz. III

PChOl – Wewnętrzna budowa materii – cz. III

Oczywiście zapraszam najpierw do poprzedniej części :

  • 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

2.5  Prawo okresowości – co można odczytać z układu okresowego?

Generalnie, prawo okresowości sformułowane przez Mendelejewa brzmi następująco :

Właściwości pierwiastków chemicznych uporządkowanych zgodnie ze wzrastająca liczbą atomową powtarzają się okresowo.

To po prostu oznacza, że można je pogrupować dokładnie tak jak zrobił to Mendelejew (on miał w swoich czasach do dyspozycji jedynie 63 pierwiastki i przewidział, że muszą istnieć jeszcze jakieś, dlatego też był takim chemicznym kozakiem!). Pogrupował je zatem okresowo (periodycznie) i okazuje się, że te pierwiastki zebrane w grupach mają bardzo podobne właściwości (np. sód ma wiele podobieństw do potasu).

Kilka praktycznych informacji, które możemy zebrać, patrząc na dane miejsce pierwiastka w układzie okresowym :

  1. numer grupy – pozwala nam na określenie liczby elektronów walencyjnych. 
  2. numer okresu – pozwala nam na określenie liczby powłok elektronowych
  3. liczba atomowa – wiemy ile jest protonów oraz elektronów w atomie
  4. liczba masowa – wiemy ile jest protonów i neutronów (nukleonów) w atomie
  5. metal czy niemetal
  6. względne położenie dwóch pierwiastków celem ich porównania (patrz kolejny podrozdział).

2.6  Metale i niemetale – właściwości  ogólne :

  • Metale – atomy metali podczas reakcji chemicznych oddają elektrony, dążąc oczywiście do trwałego oktetu elektronowego.
    • Im łatwiej to oddanie elektronu zachodzi, tym metal jest reaktywniejszy, prosta sprawa! Oderwanie elektronu wymaga jednak energii. Ujemne elektrony są przyciągane (na zasadzie sił elektrostatycznych) przez dodatnio naładowane jądro, pełne protonów. Ale każda kolejna powłoka jest coraz dalej, a co za tym idzie – elektrony na każdej następnej powłoce są coraz słabiej przytrzymywane przez jądro. Im wyższy numer powłoki (im niżej w układzie okresowym = większy numer okresu) tym reaktywność będzie rosła, bo elektrony łatwiej będzie oderwać. Spodziewamy się zatem, że sód będzie mniej reaktywny od potasu!
    • A jak to będzie w obrębie okresu? Co będzie bardziej reaktywne, sód czy magnez? Otóż sód. Bo magnez musi oddać aż dwa elektrony. Po oddaniu jednego elektronu, oddanie kolejnego jest już DUŻO większym wyzwaniem, bo odrywamy go już od dodatniego jonu (=kationu), a zatem przyciąganie jest silniejsze!
  • Niemetale – atomy niemetali podczas reakcji chemicznych przyjmują elektrony, dążąc oczywiście do trwałego oktetu elektronowego. Wszystko jest zatem tutaj odwrotnie.
    • Przesuwając się w dół grupy reaktywność będzie malała : fluor będzie bardziej reaktywny od chloru (łatwiej będzie przyjmował elektron).
    • Przesuwają się w obrębie okresu, reaktywność rośnie w prawo, czyli tlen mniej reaktywny od fluoru. (bo tlen musi przyjąć aż dwa elektrony).

Chciałbym jeszcze przy okazji powiedzieć czym jest wartościowość.

  • wartościowość – jest równa liczbie elektronów, które atom oddaje (jeśli tworzy się kation) lub które przyjmuje (jeśli tworzy się anion) czy też uwspólnia (jeśli tworzy się wiązanie kowalencyjne). Wartościowość opisuje się cyframi rzymskimi.

Przykładowo :

  • Na_{2}S   :  sód ma wartościowość równą jeden (I), bo oddał jeden elektron z utworzeniem kationu sodu  Na^{+}   , natomiast siarka ma wartościowość dwa (II), bo przyjęła dwa elektrony z utworzeniem anionu siarczkowego  S^{2-}
  • NH_{3}   :  azot ma wartościowość równą trzy (III), bo uwspólnił swoje trzy elektrony , natomiast wodór ma wartościowość jeden (I), bo oddał swój jeden elektron.
  • CO_{2}   :  węgiel ma wartościowość równą cztery (IV), bo uwspólnił swoje cztery elektrony , natomiast tlen ma wartościowość jeden (I), bo oddał swoje dwa elektrony.

2.7  Izotopy i promieniotwórczość :

Izotopy to takie jakby ,,różne wersje” danego atomu, które różnią się tylko liczbą masową (czyli tą na górze). Liczba atomowa pozostaje bez zmian. Można to też ująć inaczej, że izotopy różnią się liczbą neutronów (bo neutrony oblicza się przecież odejmując liczbę atomową od masowej). Protony ciągle pozostają w takim razie bez zmian. 

Izotopy wodoru to jedyne izotopy, które mają swoje własne nazwy i dlatego też należy je pamiętać.

  • ^{1} H   = prot
  • ^{2} H   = deuter
  • ^{3} H   = tryt

Inne izotopy mają bardzo proste nazewnictwo np.  ^{13}C \ , ^{14}C   to po prostu węgiel-13 oraz węgiel-14.

Patrząc na te izotopy nasuwa się pytanie – jaka jest zatem ,,prawdziwa masa” wodoru, skoro istnieją 3 jego rożne wersje?

Uwzględnić wtedy należy procentowe zawartości każdego izotopu i wylicza się tzw. średnią masę atomową. I to jest właśnie ta masa, którą widzimy w układzie okresowym. Dla wodoru jest to wartość = 1,008  z czego wnioskujemy, że wodór to w zdecydowanej większości  ^{1} H

Z izotopów jest jedno klasyczne zadanie obliczeniowe. Oto   przykład :

Zadanie 1

Dwa główne izotopy chloru to :  ^{35}Cl   oraz ^{37}Cl . Oblicz zawartości procentowe tych izotopów. 

Rozwiązanie : 

Sprawdzamy średnią masę atomową w układzie okresowym :  wynosi ona w przybliżeniu 35,5 . W takim razie układamy odpowiednio układ równań, przy czym niech  x   i  y   oznacza zawartość procentową odpowiednio chloru-35 oraz chloru-37 :

\begin{cases} 35x + 37y = 35,5 \cdot 100\%  \\  x + y = 100 \% \end{cases}

Po obliczeniach uzyskujemy :

\begin{cases} x = 75 \%  \\ y = 25 \%  \end{cases}


  • promieniotwórczość (radioaktywność) – mamy wtedy, kiedy jądra atomowe ulegają rozpadowi promieniotwórczemu (następuje emisja (,,wydzielanie”) pewnych cząstek, o których za chwilę). Dzieje się tak wtedy, kiedy te jądra atomowe są niestabilne i zaczynają po prostu tracić energię. Samo promieniowanie  natomiast to po prostu wysyłanie (emisja) cząsteczek (lub fal) przez ciało (czyli nasze jądro atomowe).
  • jakie cząsteczki mogą być emitowane?
    • cząsteczki alfa (\alpha ), zapisywane też jako : ^{4}_{2} \alpha lub  ^{4}_{2} He^{2+}  . Zobaczcie jedną rzecz – cząsteczki alfa to nie to samo co atomy helu. Jaka jest różnica? Atom Helu ma 2 protony, 2 neutrony oraz 2 elektrony, natomiast cząsteczka alfa jest pozbawiona elektronów, więc cząsteczka alfa = 2 protony oraz 2 neutrony (stąd zobaczcie się wziął ładunek 2+ , bo zabraliśmy dwa elektrony). Z tego wynikają kompletnie różne zachowania tych dwóch cząsteczek – Hel jest stabilnym atomem, inertnym, nie wchodzi w reakcje. Natomiast taka cząsteczka alfa będzie intensywnie szukać tych dwóch elektronów, stąd mówimy, że mamy do czynienia z promieniowaniem jonizującym, a za tą jonizację (czyli proces odrywania z czegoś elektronu) są odpowiedzialne te cząstki alfa.
    • cząsteczki beta (\beta ) , zapisywane też jako :  ^{0}_{-1} \beta lub  \beta ^{-} . To są po prostu elektrony na ,,speedzie” czyli takie, które zasuwają z olbrzymią prędkością.

Dobrze, teraz należy poznać następujące rodzaje rozpadów promieniotwórczych – my musimy znać dwa :

  • rozpad alfa = bardzo prosta sprawa, następuje oczywiście emisja cząsteczki alfa.
    • schemat^{A}_{Z} X \rightarrow ^{A - 4}_{Z - 2} Y  + \alpha (^{4}_{2} He^{2+} )     => zauważcie, że zmienił się pierwiastek. Po prawej możecie napisać samo ,,alfa” lub cały kompletny zapis, jak Wam wygodniej.
    •  przykład :  ^{226}_{88} Ra \rightarrow ^{222}_{86} Rn  + \alpha
    • kwestie zdrowotne (praktyczne) = promieniowanie alfa jest bardzo szkodliwe, o wiele bardziej niż promieniowanie beta czy gamma, powoduje m.in raka na szczęście ma mały zasięg, w dodatku jako ochrona wystarczy nawet kartka papieru (ma ono bardzo mały zasięg, wystarczy się odsunąć nawet).

rozpad alfa

Rozpad beta = to nie jest takie jednoznaczne pojęcie, ponieważ mamy tutaj aż trzy możliwości. My na szczęście zajmiemy się tylko jedną z nich :

  • rozpad \beta ^{-} = a więc ten ,,szybki” elektron. Rozpad ten nie jest jednak wyrzutem elektronu z atomu, a bardziej przemianą neutronu w proton, który zostaje w jądrze, a tymczasem następuje emisją cząstki  \beta ^{-} = e^{-}
    • schemat :  ^{A}_{Z} X \rightarrow ^{A }_{Z + 1} Y  + e^{-} + \overline \nu . Ostatni symbol czyli \overline \nu to tzw. antyneutrino, można nawet to pominąć w zapisie. Chętni niech sobie o tym doczytają : wikipedia
    • przykład^{14}_{6} C \rightarrow ^{14}_{7} N  + e^{-}   => to jest najważniejszy przykład jako podstawa datowania radiowęglowego (metoda badania wieku jakiegoś przedmiotu!)

Zapamiętajcie jeszcze poniższy rysunek (alternatywnie, zamiast dłoni jest kartka papieru).

Znalezione obrazy dla zapytania promieniowanie ochrona

Które jądra są trwałe i dlaczego? Co decyduje o rodzaju rozpadu – alfa czy beta? 

Ogólnie, nietrwałe są wszystkie jądra o liczbie atomowej większej niż 82  (Z > 82 ), a zatem dalej od bizmutu. Pamiętamy, że w jądrze znajdują się dodatnie protony oraz obojętne neutrony. Wyróżniamy w nich wiele sił przyciągania i odpychania. Przy  (Z > 82 ), pojawia się problem z protonami, które zbyt mocno się już od siebie odpychają (w końcu są jednoimienne), a całe jądro się rozpada.

Jeżeli neutronów jest zbyt mało to następuje rozpad alfa, jeśli ich jest za dużo to rozpad beta.

Kilka zastosowań promieniotwórczości, które warto kojarzyć :

  • elektrownie jądrowe
  • bomba jądrowa (nie wszystko pozytywne niestety…)
  • medycyna (tzw. bomba kobaltowa, wykorzystująca izotop kobaltu  ^{60}Co )

Badaniem pierwiastków radioaktywnych zajmowała się Maria Curie-Skłodowska. 

Leave a Reply