1. Główne etapy rozwoju wiedzy o budowie atomu.

Starożytność - Demokryt twierdził, że materia składa się z bardzo małych niepodzielnych „cząstek”Początki XIX – John Dalton materia zbudowana jest z niepodzielnych atomówOdkrycie elektronów w atomie przez Michaela Faradaya – początek XX wieku.Model atomu J.J Thomsona jako materialnej kulki, o dodatnim ładunku, w, wewnątrz której znajdują się elektrony.

Niels Bohr przedstawił planetarną koncepcję budowy atomu. Atom zbudowany jest z dodatnie naładowanego jądra skupiającego prawie całą masę, a wokół po orbitach porusza się ściśle określona liczba elektronów.

Kwantowo mechaniczny model budowy atomu zakłada: atom zbudowany jest z dodatniego jądra, w skład, którego wchodzą protony i neutrony. Jądro każdego atomu otacza chmura elektronowa. Liczba elektronów w atomie jest równa liczbie protonów w jądrze.

2. Cząstki elementarne, charakterystyka. Budowa jądra atomowego.

Atom jest to najmniejsza część pierwiastka chemicznego zachowująca jego właściwości.

Każdy atom zbudowany jest z jądra atomowego, który stanowi jego centralną część skupiającą całą masę, ma ładunek dodatni, oraz z chmury elektronowej – przestrzeni wokół jądra, w której krążą ujemnie naładowane elektrony.

W skład każdego atomu wchodzą tzw. cząstki elementarne.Wyróżniamy: protony neutrony – obecne w jądrze atomowym i elektrony – krążące wokół jądra (w obszarze chmury elektronowej)

Nazwa cząstki elementarnej

Symbol cząstki

Masa cząstki

Ładunek cząstki

ProtonNeutronElektron

pne

1u1u0

+0-

Masa protonów i neutronów jest zbliżona natomiast masa elektronów jest tak mała, że przyjmuję się, że jest równa 0.

3. Liczba atomowa i masowa.

Skład jądra atomowego charakteryzują dwie wielkości:Liczba atomowa – ZLiczba masowa – A

AEZZ liczba atomowa równa się liczbie protonów i liczbie elektronów w obojętnym atomie pierwiastkaA liczba masowa równa się liczbie nukleonów (protonów i neutronów) w jądrze atomowym

A – Z równa się liczbie neutronów

Dokonaj interpretacji zapisu2814SiOkreśl budowę jądra atomowego krzemu.

Rozwiązanie:Liczba masowa – A – (zapisana na górze) = 28. Określa liczbę nukleonówLiczba atomowa – Z – ( zapisana na dole) = 14. Określa liczba protonów i elektronów w atomie obojętnym.

Zatem:Liczba nukleonów = 28Liczba elektronów = 14Liczba protonów = (tyle samo, co elektronów) 14Liczba neutronów = A – Z = 28-14 = 14

Podaj liczbę protonów, neutronów, elektronów i nukleonów znajdujących się w jądrze atomu fluoru – F.

Rozwiązanie:Z układu okresowego odczytujemy: liczbę atomową, która równa jest 9 oraz wartość masy atomowej, która równa jest liczbowo wartości liczby masowej = 19.Na podstawie informacji z układu zapisujemy:199F

Zatem:Liczba nukleonów = 19Liczba elektronów = 9Liczba protonów = (tyle samo, co elektronów) 9Liczba neutronów = A – Z = 19 - 9 = 10

4. Masa atomowa i cząsteczkowa.

Masa atomowa to masa atomu, wyrażona w atomowych jednostkach masy [u],

Atomowa jednostka masy [u] to masa112masy atomu izotopu węgla 12C wynosi 1u = 1,66·10-24.

Masa cząsteczkowa (ciężar cząsteczkowy) jest to masa cząsteczki równa sumie mas atomowych wszystkich atomów wchodzących w skład cząsteczki. Wyraża się ją w jednostkach masy atomowej u.

Zadanie:Oblicz masę cząsteczkową tlenu.

Cząsteczka tlenu O2

Odczytujemy z układu okresowego masę atomową tlenumO = 16u

22 16 32Om u u= ⋅ =

Odp. Masa atomowa cząsteczki tlenu wynosi 32u.

5. Izotopy.

Przeanalizujmy zapis: 126C 146C

Czym różnią się jądra tych atomów? Sprawdźmy.126C

146C

Liczba nukleonów =12 Liczba nukleonów = 14Liczba elektronów = 6 Liczba elektronów = 6Liczba protonów = 6 Liczba protonów = 6Liczba neutronów = 6 Liczba neutronów = 8

Odmiany pierwiastka o tej samej liczbie atomowej, a o różnej liczbie masowej nazywamy izotopami

Ten sam pierwiastek może składać się z kilku izotopów, których atomy różnią się liczba neutronów w jądrze. Niektóre z tych izotopów są trwałe inne znów ulegają przemianom, w których powstają nowe atomy (zjawisko promieniotwórczości).

Np. znamy trzy izotopy wodoru:

Wodór Deuter TrytLiczba nukleonów =1 Liczba nukleonów = 2 liczba nukleonów = 3Liczba elektronów = 1 Liczba elektronów = 1 Liczba elektronów = 1Liczba protonów = 1 Liczba protonów = 1 Liczba protonów = 1Liczba neutronów = 0 Liczba neutronów = 1 Liczba neutronów = 2

Rekordzistka pod tym względem jest cyna – ma 10 izotopów.

Pierwiastki naturalne są mieszaniną różnych izotopów, co ma wpływ na wyznaczoną doświadczalnie wartość masy atomu. W tym przypadku o rzeczywistej wartości masy atomu decyduje zawartość procentowa poszczególnych izotopów. Tak wyznaczona masa atomowa nosi nazwę średniej masy atomowej.

Ustalanie masy atomowej danego pierwiastka na podstawie procentowej zawartości izotopów

Wzór na obliczenie masy atomowej danego pierwiastka:% % ... %1 1 2 2

100%

m m mn nmat⋅ + ⋅ + + ⋅

=

m at – masa atomowa danego pierwiastka

%n – procentowa zawartość danego izotopuAn – liczba masowa danego izotopu pierwiastka

Tlen występuje w 8 izotopach w przyrodzie, a najważniejsze z nich to 16O (99,759 %), 17O (0,037 %) i 18O (0,204 %). Oblicz masę atomową tlenu.

99,759% 16 0,037% 17 0,204% 18100%at

u u um ⋅ + ⋅ + ⋅=

16,00445atm u=

Odp. Masa atomowa tlenu wynosi 16,00445 u.

6. Zjawisko promieniotwórczości i pierwiastki promieniotwórcze

Zjawisko promieniotwórczości odkrył francuski fizyk Becquerel w 1896 roku. Dokładniejszym zbadaniem tego zjawiska zajęli się Maria Curie-Skłodowska i Piotr Curie. Odkryli oni promieniotwórczość uranu i toru oraz pierwiastki polon i rad. Pierwiastki przez nich odkryte i zbadane należą do najważniejszych naturalnych pierwiastków promieniotwórczych. Małżonkowie Curie zostali nagrodzeni za odkrycie radu nagrodę Nobla w 1903 roku.

Wyróżniamy: promieniotwórczość naturalną (towarzysząca przemianom jądrowym izotopów występujących w przyrodzie) i promieniotwórczość sztuczną (zachodzącą w jądrach atomów otrzymywanych sztucznie - poprzez bombardowanie jąder trwałych pierwiastków cząstkami α oraz β).

Promieniowanie zachodzi, kiedy jądro atomowe jest nietrwałe, niestabilne w skutek, czego ulega ciągłemu rozpadowi. Rozpadając się emituje:- Cząstki α (jądra atomów helu)- Cząstki β (elektrony) - Promieniowanie γ Przekształcają się one tym samym w jądra atomów nowych, lżejszych pierwiastków. Po jednym lub kilku następujących po sobie aktach rozpadu przechodzą w jądra trwałe

Promieniowanie α polega na emisji cząstek złożonych z 2 protonów i 2 neutronów – tj. jąder helu 42He

W wyniku tej przemiany powstaje pierwiastek o liczbie masowej mniejszej o 4 i liczbie atomowej mniejszej o 2.

4 42 2

A AE E HeZ Z−→ +−

Promieniowanie β polega na emisji elektronów pochodzących z rozpadu neutronów. Uwalniany podczas rozpadu neutronu elektron nazywany jest cząstką β-.

W wyniku przemiany β- powstaje pierwiastek o takiej samej liczbie masowej jak pierwiastek wyjściowy, natomiast liczba atomowa zwiększa się o 1 (przybywa jeden proton).

1A AE EZ Z β −→ ++

Zadanie:Podaj nazwę pierwiastka, który powstanie, jeżeli izotop 23992U ulegnie jednej przemianie α, a następnie dwóm przemianom β-.

Pierwsza przemiana αZapisujemy równanie : 2239 4

93

2 29 492 2 HeEU −→ +− otrzymujemy : 2239 4

9 290235EU He→ +

Odszukujemy w układzie okresowym pierwiastek o liczbie atomowej 90 i zapisujemy ostateczne równanie pierwszej przemiany

23239 492 90 2

5ThU He→ +

Powstały pierwiastek 23590Th uległ następnie dwóm przemianom β-.23235

9059123235 59291

Pah

Pa U

T β

β

−→ +

−→ +

Pierwiastek, który powstał w wyniku tych przemian to 23592U .

Zastosowanie zjawiska promieniotwórczości- Reaktory jądrowe wykorzystuje się w elektrowniach jądrowych do produkcji energii, źródła napędu statków i okrętów- W medycynie: promieniotwórcze izotopy jodu stosuje się w diagnostyce i leczeniu chorób tarczycy. Promienie Roentgena wykorzystuje się do prześwietlania ciała ludzkiego- Promieniotwórczość w archeologii i geologii. Dzięki badaniu zawartości radioaktywnego węgla-14 można wyznaczyć wiek znalezisk i wykopalisk.

7. Chmura elektronowa: powłoka elektronowa, powłoka walencyjna.

Chmura elektronowa to fragment przestrzeni wokół jądra atomowego, w którym istnieje duże prawdopodobieństwo znalezienia elektronów.

W obrębie chmury wyróżnia się obszary o szczególnie dużym prawdopodobieństwie występowania elektronów są to tzw. powłoki elektronowe.

Liczba powłok w atomie równa jest numerowi okresu, w którym leży dany pierwiastek.

Np. magnez jest w 3 grupie układu okresowego, więc ma trzy powłoki. Powłokę K, L i M

Powłoka najbardziej oddalona od jądra (powłoka zewnętrzna) to powłoka walencyjna.

Np. w magnezie są trzy powłoki K, L i M, trzecia ostatnia (M) jest powłoką walencyjną

8. Konfiguracja elektronów w atomach.

Konfiguracja elektronowa to umowny zapis przedstawiający rozkład (rozmieszczenie) elektronów na poszczególnych powłokach i podpowłokach chmury elektronowej.

Liczba elektronów w atomie jest równa liczbie atomowej pierwiastka, którą możemy odczytać z układu okresowego.

Liczba atomowa magnezu równa jest 12. Zatem w chmurze elektronowej magnezu znajduje się 12 elektronów. 12Mg

Należy pamiętać, że na danej powłoce może się znajdować ściśle określona liczba elektronów. Dana powłoka może pomieścić 2n2 elektronów

Powłoka K L M NMax ilość elektronów 2 8 18 32

Konfiguracja elektronów w atomie magnezu będzie następująca:12Mg: K2L8M2, 2+8+2=12 elektronów.

Na powłoce walencyjnej magnezu znajdują się 2 elektrony. Są to elektrony walencyjne.

Przedstaw konfigurację elektronowe atomów: wodoru, fosforu i chloru. Ile elektronów walencyjnych ma każdy z pierwiastków.

Rozwiązanie:Odczytujemy z układu okresowego liczby atomowe danych pierwiastków. Równa się ona liczbie elektronów w chmurze elektronowej.

Wodór: 1H, fosfor: 15P, chlor: 17Cl,

Odczytujemy także nr grupy, w której leży dany pierwiastek. Odpowiada ona liczbie powłok elektronowych w danym pierwiastku.

Wodór: pierwszy okres jedna powłoka K, Fosfor: trzeci okres trzy powłoki K, L i M Chlor: trzeci okres trzy powłoki K, L i M

Pamiętając, że na poszczególnych powłokach może znajdować się ściśle określona liczba elektronów rozpiszmy konfigurację:

1H: K1, jeden elektron walencyjny,15P: K2L8M5, pięć elektronów walencyjnych,17Cl: K2L8M7, siedem elektronów walencyjnych,

Jak zapisać konfigurację elektronową jonu Mg 2+ czy Cl- ?

Aniony powstają, gdy do atomu dołączy się elektron lub elektrony. Natomiast kation powstanie, gdy z atomu odłączy się elektron lub elektrony.

Chcąc zapisać konfiguracje elektronową kationu magnezu Mg 2+ musimy wiedzieć, że ładunek kationu równa się liczbie odłączonych elektronów. Magnez odłączył 2 elektrony.Zatem w chmurze elektronowej kationu magnezu jest o dwa elektrony mniej, czyli 10.Konfiguracja przyjmie postać: 12Mg2+: K2L8.

Zapisując konfigurację elektronową anionu musimy dodać liczbę elektronów przyjętych (równa liczbowo ładunkowi jonu).Chlor „swoich” elektronów ma 17 + 1(który się dołączył) = 18.Konfiguracja przyjmie postać: 18Cl-: K2L8M8.

Powłoki składają się różnej liczby podpowłok elektronowych równej n:K – z jednej sL – z dwóch s i pM – z trzech s, p i dN – z czterech s, p, d i f

Kolejność zapełniania podpowłok ( zgodna z ich rosnącą energię) przedstawia schemat:

Np. dla atomu chloru o 17 elektronach pełna konfiguracja elektronowa ma postać: 2 2 6 2 51 2 2 3 3s s p s p

9. Współczesny układ okresowy

Współczesny układ okresowy przedstawia tabelę usystematyzowanych pierwiastków chemicznych na podstawie okresowego powtarzania się ich właściwości chemicznych. Pierwiastki ułożone są zgodnie z ich wzrastającą liczbą atomową.

Po raz pierwszy w ten sposób uporządkował znane wówczas pierwiastki Dymitr Mendelejew w 1869 roku.

Sformułował on prawo okresowości: "Po uporządkowaniu pierwiastków według wzrastających mas atomowych właściwości pierwiastków zmieniają się w sposób okresowy".Obecnie wiadomo, że nie masa atomowa decyduje o położeniu pierwiastka w układzie okresowym, a jego liczba atomowa, czyli ilość protonów w jądrze atomu.

Co ósmy pierwiastek w szeregu ułożonym według wzrastających liczb atomowych posiada podobne własności chemiczne i fizyczne? W oparciu o to ułożona została tablica posiadająca osiem kolumn, w których zgrupowano pierwiastki o podobnych własnościach. Kolumny te to grupy układu okresowego. Rzędy poziome to okresy

Układ okresowy zbudowany jest z pionowych kolumn zwanych grupami (18 grup) oraz poziomych wierszy zwanych okresami ( 7 okresów).

Okresowość zman właściwości pierwiastków

W układzie okresowym pierwiastków wyróżnia się trzy bloki: s(grupa I i II), p grupa (13-17) i d (grupa 3-22).