Struktura atomowa

Atomy są podstawowym budulcem wszystkiego, co nas otacza. Występują one w różnych rodzajach, zwanych pierwiastkami, ale każdy atom ma pewne wspólne cechy. Wszystkie atomy mają gęste centralne jądro zwane jądrem atomowym. W jądrze znajdują się dwa rodzaje cząstek: protony, które mają dodatni ładunek elektryczny, i neutrony, które nie mają ładunku. Wszystkie atomy mają co najmniej jeden proton w swoim jądrze, a liczba protonów określa rodzaj pierwiastka, którym jest atom. Na przykład, atom tlenu ma 8 protonów. Jeśli w jakiś sposób udałoby się zmienić liczbę protonów w tym atomie na 7, nawet jeśli wszystko inne pozostałoby bez zmian, nie byłby to już atom tlenu, lecz azotu. Z tego powodu wymieniamy różne pierwiastki według ich liczby protonowej, czyli atomowej. Układ okresowy pierwiastków to tabela wszystkich odkrytych do tej pory pierwiastków, uporządkowanych według ich liczby atomowej.

Oprócz protonów i neutronów wszystkie atomy mają elektrony, ujemnie naładowane cząstki, które poruszają się w przestrzeni otaczającej dodatnio naładowane jądro atomowe. Elektrony są zwykle przedstawiane na rysunkach jako dużo mniejsze niż protony i neutrony, ponieważ ich masa jest dużo mniejsza. W rzeczywistości masa elektronu jest tak mała, że nie jest ona wliczana do masy atomu. Jednak siła ładunku pojedynczego elektronu jest równa sile ładunku pojedynczego protonu i pomimo swojej małej masy, elektrony są ważne dla zrównoważenia ładunku atomu. Jeśli nie zaznaczono inaczej, atomy zawsze mają taką samą liczbę elektronów jak protony; dlatego można znaleźć liczbę elektronów patrząc na liczbę atomową. Ale w przeciwieństwie do protonów, liczba elektronów może się zmieniać bez wpływu na rodzaj pierwiastka, którym jest atom!

Wiemy teraz, jak znaleźć liczbę protonów i liczbę elektronów dla danego atomu, ale co z neutronami? Ile neutronów mają atomy danego pierwiastka? Nie zawsze jest to ta sama liczba co liczba protonów i elektronów. Na przykład, wodór ma jeden proton i jeden elektron, ale nie ma w ogóle neutronów! Ustalamy to patrząc na masę atomową. Chociaż atom jest tak mały, że potrzeba prawie miliona, abyś mógł zobaczyć nawet maleńką kropkę na ekranie swojego komputera, to każdy maleńki atom ma masę i zajmuje miejsce. Ta masa pochodzi z jądra. Każdy proton i neutron ma mniej więcej taką samą masę, mierzoną w daltonach, czyli atomowych jednostkach masy (amus). Ponieważ jednostka miary jest określona przez jeden proton, 1 proton = 1 neutron = 1 dalton = 1 amu. Elektrony mają pewną masę, ale jest ona prawie 2000 razy mniejsza niż masa protonu. W żadnym ze znanych nam atomów nie ma wystarczającej liczby elektronów, aby wpłynąć na całkowitą masę; dlatego całkowita masa jest równa sumie protonów i neutronów w atomie.

Ponieważ możemy znaleźć liczbę protonów i masę atomową atomu, patrząc na informacje o jego pierwiastku w układzie okresowym, możemy obliczyć liczbę neutronów w tym atomie, odejmując liczbę protonów od masy atomowej.

Gdy liczba neutronów jest różna dla poszczególnych atomów tego samego pierwiastka, każdy atom nazywany jest izotopem. Kiedy czytasz układ okresowy, podana masa atomowa jest średnią masą atomową dla wszystkich izotopów danego pierwiastka występujących w przyrodzie. Na przykład, węgiel ma masę atomową 12,01 w układzie okresowym. Węgiel nie może mieć 6,01 neutronów, ponieważ nie można mieć części neutronu. Wartość przekracza 6 ponieważ, podczas gdy większość atomów węgla ma 6 neutronów, niektóre atomy węgla występują z 7 neutronami, a inne z 8 neutronami. Dla naszych celów, zaokrąglamy masę atomową do najbliższej liczby całkowitej, aby obliczyć liczbę neutronów.

Struktura atomu

Ten film ilustruje jak atomy i ich składniki działają razem.

Elektrony walencyjne

Teraz, gdy miałeś okazję pracować z atomami w ogólności, zagłębmy się trochę bardziej. Elektrony pozostają w atomie z powodu ich przyciągania do dodatniego ładunku protonów, ale nie są one tak mocno związane z atomem jak protony czy neutrony. Elektrony są skomplikowanymi cząstkami, ponieważ mają dużo miejsca do zajęcia w atomie, a jednocześnie są przywiązane do konkretnego obszaru w atomie. Chociaż rysunki, z którymi pracowaliśmy, pokazują jądro jako średniej wielkości, widoczny obiekt w centrum atomu, w rzeczywistości jest ono bardzo malutkie, a większość atomu to przestrzeń wokół jądra, w której poruszają się elektrony.

Z powodu ich wspólnego ładunku ujemnego, elektrony odpychają się nawzajem, jeśli znajdą się zbyt blisko. Jednocześnie, elektrony są przyciągane przez dodatni ładunek jądra. Szczegóły dotyczące energii i położenia elektronów mogą stać się naprawdę skomplikowane, ale skupimy się tylko na tym, co musimy zrozumieć, aby badać cząsteczki życia.

Elektrony są rozmieszczone w powłokach energetycznych (znanych również jako powłoki elektronowe) wokół jądra atomowego. Chociaż elektrony mają dużo miejsca, wszystkie chcą być najbliżej dodatniego ładunku jądrowego, który je przyciąga. W tym samym czasie elektrony odpychają się wzajemnie z powodu swojego ujemnego ładunku i tylko kilka z nich może zbliżyć się do jądra w danym momencie. Praktycznie rzecz biorąc, tylko dwa elektrony mogą zmieścić się w trójwymiarowej przestrzeni najbliższej jądru. Przestrzeń ta nazywana jest pierwszą powłoką energetyczną. Jeżeli w atomie znajduj± się trzy elektrony, to pierwsze dwa z nich znajd± się w pierwszej powłoce energetycznej. Trzeci elektron będzie musiał się zadowolić drugą powłoką energetyczną, trójwymiarową przestrzenią nieco dalej od jądra, gdzie będzie samotny. W tym przykładzie, samotny elektron nazywany jest elektronem walencyjnym, a najbardziej zewnętrzna powłoka energetyczna, która zawiera jakiekolwiek elektrony nazywana jest powłoką walencyjną.

Druga powłoka energetyczna jest wystarczająco duża, aby pomieścić aż osiem elektronów, zgrupowanych w pary wewnątrz czterech orbitali elektronowych, lub przestrzeni, gdzie elektrony spędzają większość swojego czasu. Oznacza to, że jeśli w drugiej powłoce energetycznej znajduje się tylko jeden elektron, pozostaje dużo dodatkowej przestrzeni.

Gdy powłoka energetyczna jest niekompletnie wypełniona, elektron(y) w tej powłoce nie są tak stabilne i jest bardziej prawdopodobne, że wejdą w reakcję. Z tego powodu, atomy mają tendencję do reagowania z innymi atomami w sposób, który wypełni lub opróżni ich powłokę walencyjną, aby uzyskać stabilność pełnej zewnętrznej powłoki energetycznej. Atomy mogą to robić poprzez zdobywanie lub tracenie elektronów, aby stać się jonami lub poprzez dzielenie się elektronami z innymi atomami, aby tworzyć stabilne związki.

Używając liczby elektronów i powłok energetycznych, możemy określić liczbę elektronów walencyjnych dla danego atomu i jego oczekiwany poziom reaktywności. Podczas pracy z poniższym przykładem, powinieneś pamiętać, że chociaż rysujemy powłoki energetyczne jako okręgi wokół jądra atomowego, nie jest to równoznaczne z reprezentowaniem rzeczywistej drogi elektronów. Koncentryczny styl rysowania powłok energetycznych ma reprezentować średni± odległo¶ć elektronów w danej powłoce energetycznej od j±dra. W rzeczywistości, elektrony nie poruszają się po orbicie kołowej, jak przedstawiono na rysunku, ale podróżują znacznie bardziej skomplikowanymi ścieżkami wokół jądra atomowego.