ATOM

1. HISTORIE ATOMU Téměř odjakživa se chemici zabývali tím, co je nejmenší částicí látek – jestli lze rozbít i tu nemenší částici – a snažili se vysvětlit, co přesně se děje při slučování látek (při chemických reakcích) Kořeny hypotéz o tom, co je nejmenší částicí sahají až do starověku, ale zakladatelem moderní – seriózní teorie je JOHN DALTON (1766 – 1844)

Daltonova atomová teorie John Dalton ve své teorii vyšel ze zákona o stálých poměrech slučovacích (Lavoisier, konec 18.stol.), který říká, že složení každé sloučeniny je neměnné a nezávisí na tom, jakou cestou byla sloučenina připravena. Připravil 3 základní poznatky platné dodnes: Prvky se skládají z nedělitelných částic atomů – které jsou nezničitelné a nelze je vyrobit. Atomy téhož prvku jsou stejné, mají stejnou hmotnost a liší se od atomů jiných prvků Nejmenší částice sloučenin vznikají sloučením atomů různých prvků a počty atomů v nich lze vyjádřit malými celými čísly.

Další objevy Přesvědčivý důkaz o pravdivosti této teorie ale přinesly až následující práce fyziků: 1896 – objev radioaktivity 1897 – objev elektronu jako nositele náboje Ernest Rutherford (1871 – 1937) - V roce 1911 experimentálním zkoumáním rozptylu částic při průchodu paprsku zlatou fólií zjistil, že hmotnost atomu je soustředěna v jeho kladně nabitém jádře, které má nepatrné rozměry ve srovnání s celkovou velikostí atomu (je 10-100 tisíckrát menší)

2. ELEMENTÁRNÍ ČÁSTICE = částice vytvářející jádro a obal atomů – 300 různých druhů, ale základní jsou: 1. NUKLEONY (nukleus = lat.jádro – ty, které se vyskytují v jádře) Protony – p+ (kladně nabité částice) Neutrony – n0 (neutrální částice) 2. ELEKTRONY - e- (záporně nabité částice) - 1/1840 hmotnosti protonu

3. JÁDRO ATOMU Atomy se od sebe liší počtem elementárních částic. Ten se vyjadřuje těmito veličinami: Protonové číslo (Z) = počet protonů v jádře 11Na (Z = 11) - základní veličina charakterizující atom - jednoznačně určuje prvek (jako otisk prstu) – jeho postavení v tabulce - všechny atomy se stejným protonovým číslem mají stejné chemické vlastnosti a tvoří prvek - určuje kladný náboj atomu (při stejném počtu p+ a e- jsou atomy elektroneutrální)

Nukleonové číslo (A) = počet nukleonů (p++ n0) 2311Na (A = 23 = 11 + 12) - látky se stejným Z i stejným A = nuklidy - látky se stejným Z, ale jiným A = izotopy Izotopy mají stejné chemické vlastnosti, ale liší se fyzikálními vlastnostmi (teplota varu, rozpustnost, hmotnost…) Nukleony jsou v jádře poutány jadernými silami, které nejsou ještě zcela objasněny, ale víme, že: - jsou značně velké - působí jen na malé vzdálenosti (10-15 m)

Radioaktivita = samovolný rozpad jader atomů v případě: - příliš těžkých jader (vysoké protonové číslo) - nevyváženosti mezi počtem p+ a n0. Rozpad je provázen vznikem neviditelného, ale zcela fatálního záření, které má zhoubný účinek na všechny živé organismy → radioaktivního záření.(radius = lat.paprsek) Bylo objeveno v roce 1896 p. Becquerelem, ale význam mu přineslo až zkoumání Marie Curie – Sklodowské a jejího manžela (od r. 1898), kteří ho zkoumali na sloučeninách uranu.

3 základní druhy radioaktivního záření: 1. Záření α (alfa) - příliš těžká jádra (A>210) podléhají samovolnému odštěpování velice stabilních částic α, které odpovídají atomu helia 42He př. 22688Ra → 42 α + 22286Rn 2. Záření β (beta) - při nadbytku neutronů se jejich počet snižuje vnitrojaderným procesem, při němž: n0 → p+ + e-, tedy odštěpí se částice 0-1β př. 23992U → 23993Np + 0-1β 3. Záření γ (gama) = elektromagnetické vlnění pohybující se téměř rychlostí světla a pronikající téměř všemi materiály – proud fotonů krátké vlnové délky, ale velmi vysoké energie, který vzniká: - na slunci - při explozi vodíkové pumy: 11H + 21H → 32He + γ - složení jádra se nemění, změní se pouze jeho energie

Při těchto reakcích vznikají izotopy prvků = radioizotopy. - kromě těch přírodních se také vyrábějí uměle - neslouží jen k výrobě energie a zbraní, ale využívají se i v lékařství (sledování a léčení nádorů), v průmyslu (kontrola materiálů), potravinářství (konzervace potravin)

4. ELEKTRONOVÝ OBAL ATOMU V obalu atomu se pohybují záporně nabité částice (elektrony) – představíme si ho ne jako kuličku, která obíhá jádro, ale jako neostře ohraničený oblak záporného náboje mající různou hustotu. (obr.str.17) Oblast nejpravděpodobnějšího výskytu elektronového oblaku v okolí atomu = atomový orbital. Rozlišujeme více druhů atomových orbitalů, které se liší: - velikostí - tvarem - prostorovou orientací Tyto parametry se popisují tzv. kvantovými čísly.

Kvantová čísla = parametry, které charakterizují vlnové funkce elektronů v atomových orbitalech. 1. Hlavní kvantové číslo (n) - vyjadřuje velikost orbitalu a jeho energii (udává elektronovou vrstvu, do které orbital patří) - hodnoty 1 až 7 2. Vedlejší kvantové číslo (l) - charakterizuje tvar orbitalu (obr.str.17) - hodnoty 0 až n-1 – písmena s, p, d, f - udává zároveň počet orbitalů na určité elektronové vrstvě 0 = s-orbital → počet: 1 1 = p-orbital → počet: 3 2 = d-orbital → počet: 5 3 = f-orbital → počet: 7 3. Magnetické kvantové číslo (m) - vyjadřuje prostorovou orientaci orbitalu 4. Spinové kvantové číslo (s) - charakterizuje chování elektronů v orbitalu – souvisí se vzájemným ovlivňováním přibližujících se elektronů v orbitalu.

Základní pravidla výstavby elektronových orbitalů = pravidla pro uspořádání elektronů v obalu atomu určitého prvku. 1. Pauliho princip - v každém orbitalu mohou být maximálně 2 elektrony s opačným spinem, největší možný počet elektronů v dané vrstvě je dvojnásobkem počtu orbitalů 2. Orbitaly s menší energií se obsazují elektrony dříve než orbitaly s vyšší energií 3. Hundovo pravidlo – pro orbitaly se stejnou energií platí, že nejdříve se každý z nich obsadí jedním elektronem a teprve pak se tvoří elektronové páry.

Dodáním dostatečně velké energie lze elektron z atomu odtrhnout → vzniká KATIONT (kladně nabitá částice). - energie potřebná k odtržení 1 molu e z 1 molu atomů se nazývá IONIZAČNÍ ENERGIE [ kJ/mol] (k ionizaci dochází i v přírodě – např. za boouřky elektrickým výbojem, nebo při svařování kovů, v neonových trubicích atd.) Neutrální atom může elektron do svých neúplně obsazených orbitalů i přijmout – vzniká ANIONT - při tomto jevu se uvolní energie, která je také vztažena k 1 molu částic a nazývá se: ELEKTRONOVÁ AFINITA [ kJ/mol]

5. PERIODICKÝ ZÁKON Dmitrij I. Mendělejev (1869) – profesor univerzity v Petrohradě: - sestavil tehdy 63 známých prvků do PERIODICKÉ SOUSTAVY PRVKŮ, která vyjadřovala pravidelně se opakující podobnosti prvků v závislosti na rostoucí atomové hmotnosti v řadách, přičemž ve svislých sloupcích se ocitly prvky s podobnými chemickými vlastnostmi. - zjistil, že po určitém zvýšení počtu protonů se periodicky opakuje stejná stavba elektronového obalu (= příčina opakujících se vlastností)

Tyto poznatky pak shrnul do PERIODICKÉHO ZÁKONA: „Vlastnosti prvků jsou periodicky závislé na jejich protonovém čísle.“ Významný vliv na podobnost těchto vlastností má podobné uspořádání hlavně v poslední (nejvyšší) energetické vrstvě → VALENČNÍ VRSTVĚ. Elektrony v ní usazené se nazývají VALENČNÍ ELEKTRONY a jejich parametry jsou nejdůležitější, protože se podílejí na chemické vazbě a na jejich počtu a vlastnostech závisí to: - jaká ta chemická vazba bude - a tím také jaké vlastnosti bude mít výsledná chemická sloučenina, která touto vazbou vznikne.

Periodická tabulka 106 prvků uspořádaných podle vzrůstajícího protonového čísla a uspořádání valenčních elektronových orbitalů Řádky = PERIODY (7 jako hlavních kvantových čísel – elektronových vrstev) Sloupce = SKUPINY (číslo skupiny = počet valenčních elektronů) Uspořádány do bloků podle tvaru valenčních orbitalů: levé sloupce (1.-2.skupina) = s-prvky prostřední sloupce (3.-12.skup.) = d-prvky lanthanoidy a aktinoidy = f-prvky pravé sloupce = p-prvky