Atómy sú základnými stavebnými časticami hmoty. Ich rozmery sú síce veľmi malé avšak ich štruktúra je pomerne zložitá. Napriek tomu, že prvé teórie o existencii atómov pochádzajú už spred 2000 rokov, štruktúrou atómov sa začali vedci zaoberať až v 19.storočí. Pojem Atóm zaviedli grécki filozofi Leukippos (5. stor. pred n. l.) a Demokritos (460 - 370 pred n. l.). Demokritos vyjadril presvedčenie, že látky sú zložené z malých neviditeľných a nedeliteľných častíc, ktoré nazval atómy (gr. atomos - nedeliteľný).
Názov atóm zaviedol až v 19. storočí anglický chemik John Dalton, ktorý vypracoval vlastnú teóriu o štruktúre a zložení látok z atómov. Táto teória umožnila kvantitatívne objasňovanie chemických reakcií. Nielenže jednoznačne objasňovala zákon zachovania hmotnosti, zákony stálych zlučovacích pomerov a stálych násobných pomerov, ale ako experimentálne zdôvodnená teória podnietila a podporila ďalší rozvoj chémie.
Súčasná teória atómu vychádza z prác Ernesta Rutherforda a Nielsa Bohra zo začiatku 20. storočia. Títo vedci ukázali, že atóm nie je nedeliteľnou časticou hmoty, ako si fyzici mysleli predtým, ale v skutočnosti sa skladá z prázdneho priestoru a záporne nabitých elektrónov, ktoré obiehajú okolo kladne nabitého jadra po určitých „vrstvách“ alebo „energetických hladinách“. Aj samo jadro má štruktúru - skladá sa z kladne nabitých protónov a nenabitých neutrónov.
Rutherford v roku 1911 ostreľoval veľmi tenkú zlatú fóliu časticami α . Ak by platil pudingový model, mali by sa častice prechodom cez fóliu odchyľovať len nepatrne. Pri pokusoch dochádzalo aj k veľkým odchýlkam od pôvodného smeru. Z výsledkov pokusov usúdili, že všetok kladný náboj je sústredený v jeho jadre, ktoré je oveľa menšie než celý atóm. Rutherfordov model atómu predpokladal, že okolo kladne nabitého jadra krúžia elektróny so záporným nábojom. Dánsky fyzik Niels Bohr upravil a doplnil Rutherfordov model: atóm je stabilná sústava zložená z kladne nabitého jadra a z elektrónového obalu, v jadre je sústredená takmer celá hmotnosť atómu, elektrón sa môže bez vyžarovania energie pohybovať okolo jadra len po určitých dráhach, môže sa nachádzať iba v určitých kvantových stacionárnych stavoch. Každému kvantovému stavu je priradené hlavné kvantové číslo.
Dôležitým sa stal objav Jamesa Chadwicka, ktorý experimentom objasnil nezrovnalosť teórie zakladajúcej sa na poznatku, že jadrá atómov všetkých prvkov sa skladajú iba z protónov. Nájdenú časticu pomenoval neutrón (lat. neuter - žiadny z dvoch) Častica bola objavená v dobe, kedy sa ešte ani len netušilo, že neutrón sa stane kľúčovou časticou riadenej štiepnej reakcie využívanej napríklad v jadrových elektrárňach.
Prečítajte si tiež: Princípy kladného náboja
Atómové jadro
Atómové jadro pozostáva z dvoch druhov častíc, z protónov a neutrónov. Protón je častica s kladným nábojom. Počet protónov v jadre sa označuje ako protónové číslo(Z). Podľa protónového čísla sú prvky zoradené do periodickej tabuľky. V prírode sa vyskytujú atómy s protónovým číslom od Z = 1 (vodík) po Z = 92 (urán) a laboratórne sa podarilo pripraviť atóm s Z=116. Hmotnosť protónu je 1836-krát väčšia ako hmotnosť elektrónu.
Neutrón - n0 - neutrálna častica. Neutrón je častica bez náboja. Počet neutrónov v jadrách toho istého prvku môže byť odlišný. Spoločný názov protónov a neutrónov je nukleóny (lat. nucleus - jadro) Súhrnný počet protónov a neutrónov vyjadruje nukleónové číslo (A). Rozdiel A-Z zodpovedá počtu neutrónov a je vyjadrený neutrónovým číslom (N).
Nuklidy sú látky, ktorých atómové jadrá majú rovnaké nielen protónové číslo ale aj nukleónové číslo. Okrem vodíka s nukleónovým číslom 1 všetky atómy obsahujú v jadre protóny a neutróny. Protóny a neutróny sú v jadre atómu viazané jadrovými silami. Jadrové sily sú veľmi účinné, majú však dosah iba na malé vzdialenosti. Hmotnosť jadra určuje celkovú hmotnosť atómu, pretože hmotnosť elektrónu je zanedbateľná.
Atómy s rovnakým počtom protónov, ale s rôznym počtom neutrónov sú izotopmi určitého chemického prvku. Izotopy patria jednému prvku - v periodickej sústave prvkov je políčko pre prvok, nie pre jednotlivé izotopy. Izotopy jedného prvku majú rovnaké chemické vlastnosti, líšia sa iba fyzikálnymi vlastnosťami, poprípade fyzikálno-chemickými vlastnosťami - hmotnosť atómov.
Elektrónový obal atómu
Elektrónový obal atómu tvoria elektricky záporne nabité elektróny. Počet elektrónov v elektricky neutrálnom atóme sa rovná počtu protónov v jeho jadre - protónovému číslu (Z). Zaujímavosťou je, že elektrón má dualistický charakter - môže sa prejavovať ako vlnenie ale aj ako častica. Každý elektrón v obale atómu sa nachádza v určitom energetickom stave, ktorý je určený štyrmi kvantovými číslami :
Prečítajte si tiež: Elektrický náboj kladný – definícia
- n - hlavné kvantové číslo (určuje energetickú vrstvu alebo orbitál )
- l - vedľajšie kvantové číslo (určujúce tvar orbitálu)
- m - magnetické kvantové číslo (určujúce priestorové usporiadanie orbitálu)
- s - spinové kvantové číslo (určuje spin elektrónu t.j. orientáciu)
Elektrónový obal určuje vlastnosti atómu. Ak atóm interaguje so žiarením, môže elektrón v jeho obale žiarenie absorbovať a dostať sa tak na vyššiu energetickú hladinu (excitácia). Potom pri spätnom prechode elektrónu z vyššej hladiny na nižšiu, túto absorbovanú energiu opäť vyžaruje späť do prostredia. Toto elektromagnetické žiarenie môže mať formu tepelnej energie alebo svetelného žiarenia (fotónov). Môžeme si predstaviť fosforeskujúce figúrky, ktoré najprv vystavíme svetelnému žiareniu ktoré akoby pohltí (energiu) a nakoniec nám figúrka bude túto svetelnú energiu spätne vyžarovať.
Kvantové čísla charakterizujú orbitály, ich stavy a energie. Hlavné kvantové číslo - n Určuje energiu elektrónu v atóme. Nadobúda hodnoty od 1 po nekonečno (iba celé čísla). Elektróny s rovnakým hlavným kvantovým číslom tvoria elektrónovú vrstvu. Jednotlivé vrstvy sa označujú číslicami 1,2,3,4,5,6,7, ... podľa rastúceho n alebo písmenami K,L,M,N,O,P,Q
- Vedľajšie kvantové číslo - l Určuje orbitál elektrónu - jeho tvar a energiu. Pre dané hodnoty n nadobúda hodnoty od 0 po n-1 pre ktoré platí, že n je celé číslo. Označenie určenými písmenami s, p, d, f.
- Magnetické kvantové číslo - m Určuje presnú orientáciu orbitálu v priestore. Pre dané l nadobúda magnetické kvantové číslo hodnoty m = < -l,+l> vrátane nuly, to jest (2l+1 hodnôt).
- Spinové číslo - s Spinové číslo je charakteristikou elektrónu a určuje spin elektrónu, teda smer rotácie okolo vlastnej osi. Má dve hodnoty s = 1/2 alebo s = -1/2.
Stavba elektrónového obalu
Valenčná vrstva je najvyššia vrstva el. obalu a elektróny ktoré sa zúčastňujú chemických reakcií sú práve z tejto vrstvy. Je to spôsobené tým že ak valenčný elektrón dostane určitú energiu z vonku (podnet), odtrhne sa od atómu a stáva sa tzv. voľným elektrónom. Tieto elektróny sa potom zúčastňujú alebo podieľajú na tvorbe chemických väzieb. Tu sa dostávame k pojmom donor a akceptor. Donorom je atóm ktorý poskytuje voľné elektróny a akceptorom je atóm ktorý tieto voľné elektróny zase príma.
Orbitál - predstavuje oblasť, kde sa elektrón vyskytuje s 99% pravdepodobnosťou, teda miesto, kde je najväčšia elektrónová hustota. Elektrónová hustota je hodnota pravdepodobnosti výskytu elektrónu v danom mieste. Elektrónová vrstva je tvorená orbitálmy, ktoré majú rovnakú hodnotu hlavného kvantového čísla.Rozlišujeme 4 typy orbitálov, a to s orbitál, p orbitál, d orbitál a f orbitál.
Pravidlá obsadzovania orbitalov elektrónmi: Keďže základný stav atómu je stavom s najnižšou energiou, obsadzujú elektróny, ktoré v atóme s rastúcim protónovým číslom pribúdajú, hladiny postupne tak, aby výsledný systém mal čo najnižšiu energiu. Tomu zodpovedá poradie: 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p, 5s, 4d, 5p atď. Energie hladín 3d a 4s, 4d a 5s, 5d a 6s sa vzájomne pomerne málo odlišujú.
Prečítajte si tiež: Klesanie kladného náboja: Analýza
Hundovo pravidlo - pravidlo maximálnej multiplicity Stavy (orbitály) s rovnakou energiou (degenerované) sa obsadzujú najprv všetky po jednom elektróne. Spinové magnetické kvantové čísla elektrónov v takto spolovice zaplnených degenerovaných orbitáloch sú rovnaké.Ak je to možné, elektróny zostávajú nespárené, lebo takto pôsobia menšie odpudivé sily a atómy majú menšiu energiu.
Pauliho vyulučovacie pravidlo Každý orbitál charakterizovaný tromi kvantovými číslami (n, l, m) môže byť obsadený najviac dvomi elektrónmi, ktoré sa odlišujú štvrtým kvantovým číslom súvisiacim s vlastným momentom hybnosti elektrónu. Toto číslo je spinové magnetické kvantové číslo (spin) a môže mať len jednu z dvoch hodnôt, a to buď +1/2 alebo -1/2. Na hladine s zodpovedajúcej určitému n teda môžu byť maximálne dva elektróny, na hladine p šesť elektrónov, na hladine d desať elektrónov a na hladine f štrnásť elektrónov. V jednej vrstve môže byť maximálne 2n2 elektrónov.
Výstavbový princíp Elektrónová konfigurácia opisuje usporiadanie elektrónov vo vnútri elektrónového obalu. Predpokladá sa, že sa elektróny vyskytujú prevažne v priestore, ktorý sa nazýva atómový alebo molekulový orbitál Uvedené pravidlá platia pre elektrónovú konfiguráciu atómu v základnom stave - v stave s najnižšou energiou.
Vývoj predstáv o zložení a štruktúre atómu
V 5. storočí p.n.l. - Demokritos a Leukipos prvýkrát použili pomenovanie atóm, z gr. atomos - nedeliteľný. Tvrdili, že každá látka je zložená z atómov, ktoré sú nezničiteľné, maličké, neviditeľné a nedeliteľné. V 18. storočí John Dalton vytvoril prvú ucelenú teóriu - Daltonovu atómovú teóriu. Jej nedostatkom bolo, že atóm považoval za nedeliteľný. Daltonova atómová teória mala niekoľko bodov: - prvky sú zložené z malých, neviditeľných častíc - atómov. Atómy jedného prvku sú rovnaké, atómy rôznych prvkov...
Z nameraných odchýliek vypočítal, že kladný náboj je sústredený na malý priestor, v ktorom je celá hmota atómu. Túto časť atómu nazval atómovým jadrom.
Elektronegativitu vo všeobecnosti môžeme kvalitatívne vysvetliť ako schopnosť atómov chemických prvkov priťahovať väzbový elektrónový pár - väzbové elektróny.
Z elektrónovej konfigurácie atómu prvkov stojacich v skupine vyplýva, že s narastajúcim protónovým číslom zľava doprava: - narastá aj kladný náboj jadra atómu, ktorý spôsobuje, že sú elektróny viac priťahované k jadru a atómový polomer klesá. Atómové polomery prvkov v periódach zľava doprava klesajú. Atómové polomery prvkov v skupinách smerom nadol stúpajú. Hodnoty ionizačnej energie s rastúcim počtom valenčných elektrónov rastú.