Zastanawiałeś/aś się kiedyś, jak wygląda mikroświat i jakie są właściwości substancji, które tworzą materię? Atom, jako podstawowy element, z którego zbudowana jest materia, ma masę, objętość i kształt. Każdy pierwiastek składa się z atomów tylko jednego rodzaju, np. żelazo z atomów żelaza, a złoto z atomów złota. Atomy mają swoje nazwy i symbole, a ich różnice pozwalają na tworzenie pierwiastków o odmiennych właściwościach.
Atom składa się z elektronów, protonów i neutronów. Elektrony krążą wokół jądra atomowego, składającego się z protonów i neutronów. Liczba protonów określa, jakim pierwiastkiem jest dany atom, a liczba neutronów wpływa na jego stabilność. Warto zwrócić uwagę na pojęcia takie jak: nukleony, liczba masowa i liczba atomowa, które są kluczowe w opisie atomu.
Niewielkie rozmiary atomów nie pozwalają na ich oglądanie w sposób, w jaki przywykliśmy obserwować otaczający nas świat. Obecnie nie dysponujemy urządzeniami, które pozwalałyby nam swobodnie wnikać w głąb każdego rodzaju materii. Od niedawna jednak w bardzo niskich temperaturach możemy dostrzec cienką warstwę atomów unieruchomionych na powierzchni innych ciał stałych.
Zapoznanie się z budową atomu oraz pojęciami związanymi z tym tematem pozwoli na zrozumienie różnych zjawisk, które zachodzą w świecie materialnym.
Historia pojęcia atom
Badania atomów w XIX wieku
W XIX wieku angielski uczony John Dalton sformułował teorię, że atomy różnych pierwiastków są kulami o różnej wielkości. Jednakże, brakowało wtedy narzędzi, które pozwoliłyby na bezpośrednie obserwacje atomów.
Skanningowy mikroskop tunelowy
Dzięki postępowi w dziedzinie technologii, dzisiaj możemy bezpośrednio obserwować atomy dzięki urządzeniu zwanemu skaningowym mikroskopem tunelowym (STM). Jest to narzędzie, które pozwala na uzyskanie czarno-białych obrazów atomów.
Zjawisko dyfuzji w XIX wiecznym laboratorium
W XIX wiecznych laboratoriach badacze zauważyli zjawisko dyfuzji, które pomogło w zrozumieniu zachowania atomów. W filmie pokazano ówczesnego badacza przed menzurką, naczyniem przypominającym cylinder bez skali i o nieidealnych kształtach i brzegach, w którym można zobaczyć zjawisko dyfuzji.
Obrazowanie atomów w STM
W skanningowym mikroskopie tunelowym obrazy atomów są uzyskiwane za pomocą przesuwającej się kulki, która unosi się nad warstwami atomów. Kulki w urządzeniu i w warstwie nie dotykają się, są podczas całego eksperymentu w pewnej stałej odległości. W czasie przesuwania kulka nie może ominąć innej kulki na trasie przejazdu, co najwyżej może ustawić się obok niej. Uzyskane w ten sposób obrazy pozwalają na zobaczenie, że atomy mają kształt kulisty, a ich rozmiary są różne i zależą od rodzaju badanego pierwiastka.
Budowa atomu
Jądro atomowe
W środku każdego atomu znajduje się jądro atomowe, które składa się z dodatnio naładowanych protonów oraz neutronów pozbawionych ładunku. Protony i neutrony określa się jako nukleony.
Złożona budowa jądra atomowego
Samo jądro atomu ma złożoną budowę, a jego skład stanowią różnie naładowane cząstki. Poruszające się w różnych kierunkach z dużą szybkością ujemnie naładowane cząstki, zwane elektronami, tworzą chmurę elektronową.
Różnice w rozmiarach
Przestrzeń, którą zajmuje jądro atomowe, jest znacznie mniejsza od przestrzeni zajmowanej przez elektrony – średnica atomu jest około 000 razy większa od średnicy jądra. Gdyby jądro powiększyć do rozmiarów małej monety o średnicy kilku milimetrów, wówczas cały atom byłby kulą o przekroju wielkości stadionu sportowego.
Elektrony
Elektrony to ujemnie naładowane cząstki, które poruszają się wokół jądra atomowego, tworząc chmurę elektronową.
Wnętrze atomu
Każdy atom jest elektrycznie obojętną drobiną (nie jest obdarzony żadnym ładunkiem). W jego wnętrzu ładunki ujemne i dodatnie równoważą się. Oznacza to, że liczba protonów i elektronów w każdym atomie jest jednakowa.
Budowa atomu helu
Ilustracja
Ilustracja przedstawia schemat budowy atomu helu. Po lewej stronie znajduje się małe niebieskie koło, symbolizujące jądro atomu otoczone dużym fioletowym kołem z rozmytymi krawędziami, oznaczającym obszar występowania elektronów. Same elektrony w liczbie dwóch zaznaczone są w postaci plam o rozmytych krawędziach, co ma symbolizować niemożność dokładnego stwierdzenia ich położenia i kierunku ruchu. Po prawej stronie rysunku znajduje się zbliżenie na jądro. Niebieskie koło zawiera wewnątrz siebie dwa mniejsze koła czerwone podpisane jako neutrony oraz dwa mniejsze koła białe podpisane jako protony.
Cząstki wchodzące w skład atomów
| Nazwa | Symbol | Ładunek* | Miejsce w atomie |
|---|---|---|---|
| elektron | e– | -1 | obszar poza jądrem |
| proton | p+ | +1 | jądro |
| neutron | n | 0 | jądro |
*Ujemny ładunek elektronu i dodatni ładunek protonu mają tę samą wartość bezwzględną (różnią się tylko znakami). Ustalono, że ładunek ujemny elektronu jest elementarnym ładunkiem ujemnym. Zatem proton ma elementarny ładunek dodatni.
Model atomów wodoru i uranu
Ilustracja przedstawia rysunki schematów atomów wodoru z lewej strony i atomów uranu z prawej strony. Są to odpowiednio najmniejszy i największy atom występujący na Ziemi naturalnie.
Model atomu wodoru
Model atomu wodoru składa się z jądra zawierającego jeden proton w postaci czerwonego koła i jednej powłoki elektronowej z jednym elektronem. Średnica wynosi 60 pikometrów, a liczba elektronów i protonów wynosi 1.
Model atomu uranu
Model atomu uranu składa się z jądra zawierającego 92 protony oraz pewną nieokreśloną bliżej liczbę kulek niebieskich, czyli neutronów. Dookoła jądra zaznaczonych jest 7 powłok elektronowych z łącznie 92 elektronami. Średnica wynosi 276 pikometrów, a liczba elektronów i protonów wynosi 92.
Cząstki elementarne
Czy składniki atomu są niepodzielne? Obecny stan wiedzy pozwala nam powiedzieć, że elementarnymi składnikami materii są dwa rodzaje cząstek: leptony i kwarki. Nie wiemy, czy cząstki te mają strukturę wewnętrzną. Elektron należy do leptonów, jest niepodzielny, czyli nie ma wewnętrznej struktury. Natomiast neutrony i protony są zbudowane z kwarków. Znaleziono dowody na istnienie sześciu rodzajów kwarków.
Rodzaje kwarków
Każdemu z kwarków fizycy nadali angielskie nazwy, nawiązujące bardziej do życia codziennego niż do świata nauki. W języku polskim nazwy te brzmią: górny (u), dolny (d), dziwny (s), powabny (c), niski (spodni) (b), wysoki (t). Kwarki nie istnieją samodzielnie w przyrodzie, a tylko w grupie, tworząc inne cząstki. Dwa z nich (górny i dolny) biorą udział w tworzeniu nukleonów.
Opis atomów
Aby opisać atom, należy podać liczby protonów (lub elektronów) i neutronów wchodzących w jego skład.
Opis atomu helu
Atom helu zawiera dwa elektrony oraz dwa protony i dwa neutrony w jądrze atomowym. Można go opisać jako najprostszy atom dwuelementowy. Struktura helu jest przedstawiona w ilustracji budowy materii.
Sposoby prezentacji atomów
Atomy można opisywać na różne sposoby, można je narysować, scharakteryzować słownie, przedstawić w tabeli. Możliwe jest również tworzenie modeli przestrzennych atomów.
Według mnie, najbardziej czytelny sposób prezentacji zależy od konkretnego celu i odbiorcy prezentacji. W przypadku osób o mniej zaawansowanej wiedzy na temat chemii, bardziej czytelne mogą być modele przestrzenne, podczas gdy osoby bardziej zaawansowane mogą w pełni zrozumieć opis słowny lub tabelaryczny.
Opis budowy atomu
Wykorzystywany przez chemików sposób prezentacji
Choć istnieje wiele sposobów prezentacji budowy atomu, chemicy wykorzystują tylko jeden – opisują atomy za pomocą dwóch liczb: atomowej i masowej.
Liczba atomowa
Liczba atomowa (Z) to liczba protonów w jądrze.
Liczba masowa
Liczba masowa (A) to liczba nukleonów (suma protonów i neutronów).
Symbole pierwiastków
Liczby te umieszcza się w odpowiedniej kolejności i miejscu przy symbolu pierwiastka. Z lewej strony symbolu w indeksie górnym umieszcza się liczbę masową A, a w indeksie dolnym – liczbę atomową Z: EZA.
Jak duże są atomy pierwiastków i jaka jest ich masa?
Rozmiar atomów
Znane są rozmiary atomów, które są wyrażone w wielkościach rzędu miliardowej części metra (10-9 m). Najmniejszy atom, atom wodoru, ma promień wynoszący 30 pm (0,00000000003 m), podczas gdy promień największego atomu, uranu, wynosi 138 pm (0,000000
Atomowa jednostka masy
Jednostka masy atomowej, nazywana też atomową jednostką masy (u), to jednostka wykorzystywana do określania względnych mas atomów, czyli tzw. mas atomowych. Jej wartość wynosi 1,66 · 10-24 g.
Masa atomowa
Masą atomową nazywamy masę atomu pierwiastka wyrażoną w jednostkach atomowych. Jednostka ta pozwala nam na łatwe określenie względnej masy atomów różnych pierwiastków.
Przykład – masa atomowa helu
Proces obliczania masy atomowej helu można przedstawić na przykładzie. Wartość masy atomu helu wynosi 6,644 · 10-24 g. Aby wyrazić tę wartość w jednostkach atomowych, należy ją podzielić przez wartość jednostki atomowej (1,66 · 10-24 g).
Masa atomowa helu =
6,644 · 10-24 g / (1,66 · 10-24 g) =
4,0024 u
W ten sposób otrzymujemy, że masa atomowa helu wynosi 4,0024 u. Informacje o helu, takie jak jego symbol (He), liczba atomowa (2) i liczba masowa (4,0), pozwalają na łatwe rozpoznanie tego pierwiastka w układzie okresowym pierwiastków.
Obliczanie masy atomowej helu – jak to zrobić?
W filmie dostępnym na portalu epodreczniki.pl prezentowany jest proces obliczania masy atomowej helu. Jest to ważny proces w chemii, który pozwala na określenie masy atomu helu wyrażonej w atomowych jednostkach masy.
Krok po kroku
Rozpoczynając obliczenia, na planszy wyświetla się zadanie: wyraź masę atomu helu w atomowych jednostkach masy, jeśli masa atomu helu wyrażona w gramach wynosi 6,644 razy do minus dwudziestej czwartej potęgi gramów.
Następnie, na ekranie pojawia się zielony kwadrat wycięty z układu okresowego pierwiastków, prezentujący Hel. W tej sekcji wyświetlana jest nazwa pierwiastka, symbol He, liczba atomowa 2 oraz liczba masowa 4,0. Ta czarna kolumna z informacjami o pierwiastku pozostaje widoczna aż do końca filmu.
Kolejno na ekranie wyświetlają się informacje dotyczące jednostki 1 unit wynoszącej 1,66 razy do minus dwudziestej czwartej potęgi gramów oraz masy helu wynoszącej 6,644 razy do minus dwudziestej czwartej potęgi gramów.
Aby obliczyć masę atomową helu, należy sprawdzić, ile unitów mieści się w masie atomu helu. W tym celu dzielimy masę atomu helu wyrażoną w gramach przez atomową jednostkę masy. Pojawia się równanie o którym mowa w opisie, a jego wynik to 4,002 unity.
Proces obliczania masy atomów węgla w gramach
Forma prezentacji
Prezentacja jest podobna do poprzedniej, z czarnym paskiem po lewej stronie, na którym znajduje się wycinek układu okresowego pierwiastków opisujący węgiel, symbol C, liczba atomowa 6, liczba masowa 12,0.
Opis filmu
Film rozpoczyna się planszą z napisem: „Oblicz, jaka jest masa jednego atomu węgla wyrażona w gramach, jeśli jego masa atomowa wynosi 12 unitów.”
Dane wstępne
Następuje zmiana ujęcia, wyświetlane są dane wstępne: masa jednego unitu, czyli 1,66 razy do minus dwudziestej czwartej potęgi gramów oraz masa atomowa węgla, czyli 12 unitów.
Obliczenia
Pojawia się komunikat: „Aby obliczyć masę atomu węgla wyrażoną w gramach należy jego masę atomową 12 unitów pomnożyć przez masę jednego unitu.”
Po tym komunikacie pojawia się równanie mnożenia, a następnie wynik: 19,92 razy do minus dwudziestej czwartej potęgi gramów.
Obliczanie masy atomowej węgla
Masa atomowa węgla
Aby obliczyć masę atomu węgla wyrażoną w gramach, należy jego masę atomową pomnożyć przez masę jednego unitu. Masa atomowa węgla wynosi 12 unitów.
Równanie mnożenia
Mnożąc masę atomową węgla przez masę jednego unitu, otrzymujemy wynik równy 19,92 razy do minus dwudziestej czwartej potęgi gramów.
Zadanie 1: Zbiór atomów
Najmniejsza masa atomowa
W zbiorze atomów, najmniejszą masę ma atom neonu (Ne1021), którego masa wynosi 20,18 unit.
Najmniejsza liczba protonów
Atom magnezu (Mg1224) ma najmniej protonów, a mianowicie 12.
Największa liczba neutronów
Atom aluminium (Al1327) ma największą liczbę neutronów, a mianowicie 15.
Zadanie 2: Dlaczego nie można zobaczyć atomów za pomocą mikroskopu optycznego?
Mikroskop optyczny wykorzystuje światło do obrazowania obiektów. Ponieważ rozmiar atomów jest zbyt mały, aby rozpraszane przez nie światło mogło być skupione przez soczewki mikroskopu i utworzyć obraz. Najmniejsza długość fali świetlnej, którą można wykorzystać do obrazowania, to około 400 nm (nanometrów). Jednakże, średnica atomu wynosi zaledwie kilka pikometrów, czyli jest około 100 000 razy mniejsza niż najmniejsza długość fali świetlnej, którą można wykorzystać do obrazowania. Dlatego nie można zobaczyć atomów za pomocą mikroskopu optycznego.
Zadanie 3: Promień atomu o średnicy jądra takiej jak najmniejsza planeta Układu Słonecznego
Zakładając, że najmniejsza planeta Układu Słonecznego, Merkury, ma średnicę 4 879,4 km, a jądro atomowe ma średnicę 1 femtometra (1 fm = 1 × 10^−15 m), możemy obliczyć promień atomu, którego jądro miałoby taką samą średnicę jak Merkury.
Promień atomu wyniósłby około 0,000005 mm, co oznacza, że jest on około 100 000 razy mniejszy niż średnica Merkurego.
Porównanie z odległością między Słońcem a najdalszą planetą Układu Słonecznego
Najdalszą planetą Układu Słonecznego jest Neptun, który oddalony jest od Słońca o około 4,5 miliarda kilometrów. Promień hipotetycznego atomu jest zatem znacznie mniejszy niż ta odległość.
Podstawowe pojęcia związane z atomem
Elektron
Elektron to trwała cząstka elementarna o ładunku ujemnym, która stanowi składnik atomu. Elektron zajmuje obszar w przestrzeń wokół jądra atomowego.
Jądro atomowe
Jądro atomowe to centralna część atomu, zbudowana z jednego lub więcej protonów i neutronów. Stanowi niewielką część objętości całego atomu. W jądrze skupiona jest prawie cała masa atomu.
Liczba atomowa
Liczba atomowa to liczba protonów w jądrze atomowym, która jest równa liczbie elektronów.
Liczba masowa
Liczba masowa to liczba nukleonów w jądrze atomowym, czyli suma liczby protonów i liczby neutronów.
Proton
Proton to cząstka o elementarnym ładunku dodatnim, która stanowi składnik jądra atomowego.
Neutron
Neutron to cząstka bez ładunku elektrycznego, która stanowi składnik jądra atomowego.
Nukleony
Nukleony to składniki jądra atomowego, które zaliczają się do nich protony i neutrony.
Zadania
Ćwiczenie 1
W tym ćwiczeniu mamy opisane różne atomy żelaza. Jeśli w jądrze atomu znajdują się trzydzieści trzy neutrony, a w przestrzeni wokół jądra porusza się dwadzieścia sześć elektronów, to właściwy opis to Fe3326.
Ćwiczenie 2
Poniżej przedstawione są różne opisy atomów pierwiastków. W których przypadkach przedstawiają one te same atomy?
- Atom zawiera 16 protonów w jądrze i identyczną liczbę elektronów w przestrzeni wokół jądrowej.
- W jądrze atomu znajduje się osiem protonów, a jego liczba A wynosi 16.
- Liczba Z atomu ma wartość 16, a liczba nukleonów jest równa 32.
- Ge3274
Opisy 1 i 3 przedstawiają te same atomy.
Ćwiczenie 3
Aby obliczyć masę atomu siarki wyrażoną w gramach, jeśli jego masa atomowa wynosi 32 u, musimy pomnożyć masę jednego atomu siarki wyrażoną w jednostkach atomowych przez masę jednostkową. Wynik to 5,312⋅10−23 g.
Ćwiczenie 4
Jeśli masa atomu azotu wyrażona w gramach wynosi 2,324⋅10−23 g, to możemy wyrazić jego masę w jednostkach atomowych, korzystając z masy jednostkowej. Wynik to 14 u.
Ten artykuł zawiera podstawowe informacje o budowie atomu oraz o składnikach, z których się składa. Dzięki niemu można poznać podstawowe właściwości atomów i zrozumieć, jakie cząstki składowe tworzą ten podstawowy element składowy materii.
ty oglądasz: Atom i jego budowa
