Stavba atomu

Vývoj představ o struktuře atomu. Atomové jádro – izotop, nuklid, radioaktivita. Elektronový obal – stavba elektronového obalu, orbital, kvantová čísla, pravidla o zaplňování orbitalů, degenerované orbitaly, základní a excitovaný stav atomu, ionizační energie a elektronová afinita. Elektronová konfigurace atomů a iontů. Určení počtu atomů v určitém množství látky.

ATOM

• základní stavební částice všech látek
• kladné jádro (protony, neutrony) + záporný obal (elektrony)

Vývojové představy o struktuře atomu

• velikost atomu: 10^-10 m

1. Atomisté
   • 4. stol. př. n. l.
   • Leukippos, Démokritos
   • pohyb > musí existovat prázdný prostor
   • mechanický (materialistický) atomismus
   • jednotlivé jsoucno vznikne a zanikne spojením a rozpojení atomů
   • Atomos: nedělitelný, základní jednotka
   • Arché: atom
   • atomy – k sobě podobné, háčky, duše také z atomů, jen z jemnějších
   • primární vlastnosti (rozdíly ve tvaru, velikosti a uspořádání atomů)
   • po smrti se atomy duše rozptýlí

2. v 17. století se lidé začínají zabývat strukturou hmoty
   • John Dalton (1766 – 1844)
     • britský chemik a fyzik
     • navázal na představy atomistů
     • definoval chemický prvek
   • Joseph John Thompson (1856 – 1940)
     • anglický experimentální fyzik
     • objevil elektron
     • pudingový model (kladný puding, záporné elektrony rozinkami)
   • Ernest Rutherford (1871 – 1937)
     • novozélandský fyzik (zakladatel jaderné fyziky)
     • vyvrácení pudingového modelu
     • planetární model (malé hmotné kladné jádro, obíhají elektrony po kružnicích v obrovské vzdálenosti)
   • Niels Henrick Patrick Bohr (1885 – 1962)
     • dánský fyzik (atomová a jaderná fyzika)
     • Bohrův model atomu (vychází z Rutherforda)
     • vychází z atomu vodíku
     • elektrony po orbitě kolem jádra – po stacionárních drahách (kružnice určitého poloměru)
     • mohou přecházet mezi orbitami
     • každá orbita – vlastní energii
     • přechod na nižší – energie se vytváří
     • přechod na vyšší – dodáváme energii
     • energie v kvantech

3. Kvantově-mechanický model
   • Louis de Broglie, Erwin Schrödinger, Werner Heisenberg
   • elektron vlnovou funkcí i částicí > pravděpodobný výskyt elektronu /Ψ/²
   • elektrony jsou v prostoru (orbitalu)

Atomové jádro – izotop, nuklid, radioaktivita

• izotop: stejné protonové číslo, jiné nukleonové číslo (¹₁H, ³₁H)
• nuklid: stejné protonové i nukleonové číslo – elektroneutrální atomy (¹₁H x ¹₁H)
• izobara: stejné nukleonové číslo, jiné protonové číslo (⁷⁸₃₄Se x ⁷⁸₃₆Kr)
• izotop: H (lehký vodík protium ¹₁H, deutrium ²₁H, tricium ³₁H), C (¹²₆C, ¹⁴₆C)- datování rozpadu, O (¹⁶₈O – nejčastější, ¹⁷₈O, ¹⁸₈O)

Atomové jádro

• protony (p⁺) – protonové číslo Z (atomové číslo)
• neutrony (n⁰) – neutronové číslo N (hmotnostní číslo)
• nukleony = protony + neutrony – nukleonové číslo A = Z + N
• ^AX, _ZX

RADIOAKTIVITA

• dochází k přeměně prvku za vyzáření částic
• týká se pouze atomového jádra
• Henri Becquerel – objevitel přirozené radioaktivity
• jaderné reakce: přeměny jader po srážkách jader s jinou částicí – štěpné x termonukleární

přirozená:

• schopnost prvku se samovolně měnit a přitom vysílat záření
• poločas rozpadu: doba, za kterou se z výchozího počtu atomů přemění polovina
• v přírodě přibližně 50 radionuklidů
• a, b a g záření

umělá:

• prvek ozářím (a/b zářičem) a donutím ho, aby se přeměnil na něco jiného > vznik umělých prvků
• objevená dcerou Marie Curie Sklodowské s manželem
• význam: elektrárny, zdravotnictví
• více než 1000 radionuklidů

Přirozená radioaktivita

• a (heliové jádro ⁴₂He, nejškodlivější, zabráním – listem papíru)
• b (b⁺: pozitrony  ⁰₁e⁺, b^–: elektron ⁰_-1e^–, zabráním dřevěnou deskou)
• g (fotony, nejméně škodlivé, zabráním olověnou deskou, elektromagnetické vlnění)

• ¹₁p⁺ – proton
• ¹₀n⁰ – neutron
• ⁰₁e⁺ – pozitron
• ⁰_-1e^– – elektron

Jak se mění postavení prvků v periodickém systému

• a – posun o dvě místa vlevo
• b⁺ – posun o jedno místo vlevo
• b^– – posun o jedno místo vlevo
• g – neposune se

Elektronový obal – stavba elektronového obalu, orbital, kvantová čísla, pravidla o zaplňování orbitalů, degenerované orbitaly, základní a excitovaný stav atomu, ionizační energie a elektronová afinita.

Elektronový obal

• elektrony (e^–)
• počet elektronů = počet protonů
• elektrony v orbitalech (= oblast výskytu e^– )
• kvantová čísla (charakterizují stav orbitalu, spinové – elektronu)
• elektronová hustota: hodnota pravděpodobnosti výskytu elektronu v daném místě
• orbitaly: oblasti s nejhustším výskytem elektronů
• degenerované orbitaly: stejné hlavní a vedlejší kvantové číslo
• ionizace: dodání energie > odtržení elektronu > kation (ionizační energie), sloučení elektronů s jiným neutrálním atomem > anion > uvolnění energie (elektronová afinita)

Kvantová čísla

* (0, 1, 2, 3) – (s, p, d, f)

Orbitaly (s, p, d, f)

• s: kulově symetrický, 1 orientace – orbitaly,
• p: osmička, 3 orientace
• d: čtyřlístek, 5 orientací
• f: 7 orientací

Elektronová konfigurace

• popisuje obsazení elektronu v obalu
• znázornění elektronů   ↑↓
• znázornění orbitalů  □
• valenční elektrony: v energeticky nejvýše postavené – valenční vrstvě, určují vlastnosti atomu prvku

Pravidla:

1. Výstavbový princip: elektrony obsazují orbitaly dle stoupající energie (2s = 2+0 < 3p = 3+1)
2. Hundovo pravidlo: orbitaly se stejnou energií (degenerované) se nejdříve zaplní 1 e^– pak 2
3. Pauliho vylučovací princip: v každém orbitalu můžou být pouze 2 elektrony s opačným spinem ↑↓

Zkrácená konfigurace

• popisuje valenční vrstvu
• počet valenčních e^– = skupina

Cl _(Ar) 3s [↓↑]  3p [↑↓│↑↓│↑]

• Ar: vzácný plyn s periodou o jednu nižší
• 3: perioda – souvisí s hlavním kvantovým číslem (
• s: skupina – souvisí s vedlejším kvantovým číslem
• počet obsazených elektronů – souvisí s magnetickým kvantovým číslem
• od 4. periody píšu d-prvky vždy o 1 nižší periodu, než má prvek
• od 6. periody píšu f-prvky vždy o 2 nižší periodu, než má prvek

Excitace

• vypuzení elektronu
• v excitovaném stavu se s prvky pracuje
• dodám energii > přechod elektronů do vyšší energetické hladiny
• excitovaný stav označím *

1s

2s-2p

3s-3p-3d

4s-4p-4d-4f

Si_(Ne)      3s [↑↓]  3p [↑ │↑ │    ]     základní stav

Si*_(Ne)    3s [↑  ]  3p [↑ │↑ │↓  ]     excitovaný stav

S_(Ne)       3s [↑↓]  3p [↑↓│↑ │↑  ]                                           základní stav

S*_(Ne)     3s [↑  ]  3p [↑  │↑ │↑  ]   3d  [↑ │↑ │   │   │   ]      excitovaný stav

O_(Ne)       2s [↑↓]  2p [↑↓ │↑ │↑]         nejde excitovat – neexistuje 2d  ani 2f

Elektronová konfigurace atomů a iontů.

• uspořádání atomů prvku v elektronovém obalu
• naznačuje reaktivitu prvků:
  • veškeré nepřechodné prvky se snaží dostat na stabilní konfiguraci nejbližšího vzácného plynu (odevzdáním nebo přijetím elektronu) – proto reagují v určitých oxidačních číslech
• znázornění elektronu: šipkou, která značí spin
• znázornění orbitalu: čtverec, vždy za příslušným tvarem (4p apod.)
• znázornění excitace: jedna nebo více hvězdiček u názvu prvku
• celková elektronová konfigurace:
  • postupně se vypisují elektronové konfigurace všech energetických vrstev (po periodách)
• možné zkrátit zápis napsáním předchozího vzácného plynu, pak je nutné napsat jen valenční vrstvu (poslední elektronovou vrstvu)
• přechodné prvky:
  • většinou se první zaplní s orbital, následuje d orbital a potom p orbital
  • u prvků skupiny I. B a VI. B je v s orbitalu pouze jeden orbital – způsobeno tím, že d orbital má v konfiguraci 5 nebo 10 větší stabilitu a je tedy upřednostněn

Určení počtu atomů v určitém množství látky

• n = látkové množství
• N = počet částic v látce (atomů)
• N_A = Avogadrova konstanta
• Avogadrova konstanta odpovídá počtu atomů 6.10²³, což je celkový počet atomů v 0.012 kg stabilního izotopu uhlíku 
• počet atomů si lze dopočítat, pokud známe látkové množství – to je možné zjistit i ze vztahu pro látkovou koncentraci (C = n/V) nebo ze vztahu pro molární hmotnost (M = m/n)