2.2: Struktura atomowa

Przegląd

Cała materia składa się z atomów, najmniejszych pojedynczych jednostek pierwiastków. Każdy atom składa się z trzech cząstek elementarnych: protonów, neutronów i elektronów. Razem te trzy cząstki odpowiadają za masę i ładunek atomu.

Historia teorii atomowej

Pierwszą osobą, która zaproponowała, że wszystko na Ziemi składa się z drobnych cząstek, był grecki filozof Demokryt, żyjący około 450 roku p.n.e. Użył terminu atomos, który po grecku oznacza “niepodzielny“, od którego wywodzi się współczesny termin “atom“. Jednak jego pomysłu nie traktowano wówczas poważnie i minęło wiele wieków, zanim koncepcja atomu została wznowiona. W XIX wieku John Dalton zaproponował teorię atomową, która nadal jest w dużej mierze aktualna. Przedstawił pięć postulatów wyjaśniających, w jaki sposób atomy tworzą otaczający nas świat: (1) cała materia składa się z nieskończenie małych cząstek, czyli atomów; (2) wszystkie atomy danego pierwiastka są ze sobą identyczne oraz (3) różnią się od atomów wszystkich pozostałych pierwiastków; (4) dwa lub więcej pierwiastków można połączyć w ustalonym stosunku, tworząc związek; oraz (5) atomy nie mogą powstać ani zostać zniszczone w reakcji chemicznej, ale można je uporządkować, tworząc nowe substancje.

Odkrywanie cząstek subatomowych tworzących atom

Dalton tylko częściowo miał rację co do cząstek tworzących materię. Chociaż atomów nie można dalej rozbić w zwykłych procesach chemicznych ani fizycznych, składają się one z trzech mniejszych cząstek subatomowych. Pierwsza wskazówka dotycząca budowy subatomowej pojawiła się pod koniec XIX wieku, kiedy J.J. Thomson odkrył elektron. Naukowcy wiedzieli, że całkowity ładunek atomu jest obojętny, ale “model atomu z budyniem śliwkowym“ Thomsona próbował pogodzić te nowe informacje dotyczące istnienia cząstki naładowanej ujemnie, sugerując, że znaleziono elektrony skupione w całym obszarze ładunku dodatniego. Zaledwie kilka lat później Ernest Rutherford przeprowadził eksperyment pokazujący, że większość masy atomu koncentruje się w jądrze, gdzie protony odpowiadają za dodatni ładunek atomu, a maleńkie ujemnie naładowane elektrony zajmują większość przestrzeni poza jądrem. To obaliło model puddingu śliwkowego Thomsona i przybliżyło naukowców o krok do znanego nam dzisiaj modelu atomu. Neutron został odkryty później, w 1932 roku, przez Jamesa Chadwicka. Ten ostatni element układanki oznaczał, że naukowcy obliczyli teraz całą masę obecną w atomie za pomocą protonów i neutronów oraz cały jego ładunek za pomocą protonów i elektronów.

Struktura atomu

Protony znajdują się w jądrze atomu, mają ładunek dodatni i każdy o masie jednej jednostki masy atomowej (AMU). Liczba protonów jest równa liczbie atomowej w układzie okresowym i określa tożsamość pierwiastka. Neutrony znajdują się również w jądrze. Nie mają ładunku, ale mają tę samą masę co protony i w ten sposób przyczyniają się do masy atomowej atomu. Elektrony krążą wokół jądra w chmurach. Mają ładunek ujemny i znikomą masę, więc przyczyniają się do całkowitego ładunku atomu, ale nie do jego masy.

Pierwiastki to substancje o unikalnych właściwościach fizycznych i chemicznych, których nie można rozłożyć na inne substancje w reakcjach chemicznych. Każdy pierwiastek, podobnie jak potas, składa się z unikalnego rodzaju atomu, który różni się od atomów innych pierwiastków. Różnice te występują w cząstkach subatomowych, z których składa się każdy atom.

Dwa z tych typów cząstek są skupione w centralnym jądrze. Protony są naładowane dodatnio, podczas gdy neutrony są nienaładowane, neutralne. Chociaż oba przyczyniają się do masy, niosąc po jednej jednostce masy atomowej każdy, to liczba protonów określa konkretny pierwiastek, określany jako liczba atomowa.

Elektrony, trzeci typ cząstek subatomowych, są naładowane ujemnie i szybko poruszają się w chmurze wokół jądra. Chmura ta jest w większości pustą przestrzenią i stanowi zdecydowaną większość objętości atomu. Elektrony pozostają w pobliżu jądra, ponieważ są przyciągane do dodatniego ładunku protonów.

Ogólnie rzecz biorąc, atom zawiera równą liczbę protonów i elektronów, co znosi ładunki dodatnie i ujemne, co prowadzi do braku ładunku netto. Jednak w zależności od konfiguracji elektronowej mogą być niestabilne jako pojedyncze atomy. W takim przypadku mogą stracić elektrony i stać się dodatnio naładowanymi jonami zwanymi kationami lub zyskać elektrony i stać się bardziej ujemnymi anionami.