ATOM Autor: Mgr. Stanislava Bubíková Datum (období) tvorby: 25. 7. 2012 Ročník: osmý Vzdělávací oblast: Člověk a příroda / Chemie / Částicové složení látek a chemické prvky 1
Anotace: Žáci se seznámí se strukturou atomu, jeho historií a jednotlivými částmi. V rámci tohoto modulu žáci definují atom, vyjmenují jeho části a elementární částice. Popíší modely atomu a jejich rozdíly. Modul obsahuje středoškolskou část učiva kvantová čísla a zaplňování orbitalů. 2
Definice atomu Atom je nejmenší částice hmoty, kterou nelze dále dělit chemickýmiprostředky (fyzikálními ano např. jaderná reakce). Atom definuje vlastnosti daného chemického prvku. Atom se skládá z atomového jádraobsahujícího protony a neutronya obaluobsahujícího elektrony. Femtometr (fm) = 10-15 m Ångström(Å) = 0,1 nmneboli 10-10 m Nejedná se o jednotku SI. Obr. č. 1: Stavba a velikost atomu helia [2] dostupné z: http://commons.wikimedia.org/wiki/file:helium_atom_qm.svg 3
Stavba atomu obsahuje nukleony (kladné protony a neutrony bez náboje) obsahuje záporné elektrony, skládá se z vrstev, poslední vrstva se nazývá valenční Obr. č. 2: Atom helia [3] dostupné z: http://commons.wikimedia.org/wiki/file:atom.svg 4
Jádro atomu vnitřní kladně nabitá část atomu tvoří jeho hmotové i prostorové centrum představuje 99,9% hmotnosti atomu průměr jádra je přibližně 10-15 m obsahuje protony a neutrony Obr. č. 3: Atom berylia[4] dostupné z: http://commons.wikimedia.org/wiki/file :ScientificLinux-Logo.gif Protonové číslo (Z) udává počet protonů podle něj jsou seřazeny prvky v PSP Nukleonové číslo (A) udává počet všech částic v jádře (protony i neutrony) 5
Elektronový obal vnější záporná část atomu hmotnost přibližně 0,01% hmotnosti atomu průměr obalu je cca 10-10 m obsahuje elektrony skládá se z vrstev vrstvy odpovídají periodám PSP valenční vrstva poslední vrstva elektronového obalu účastní se tvorby chemických vazeb Obr. č. 4: Vrstvy elektronového obalu [5] dostupné z: http://commons.wikimedia.org/wiki/file:bohr_atom _model_notext.svg 6
Elementární částice elektron (e - ) částice se záporným nábojem v elektronovém obalu objev r. 1896 (J. J. Thomson) proton (p + ) částice s kladným nábojem v jádře atomu objev r. 1918 (E. Rutherford) neutron (n 0 ) částice s neutrálním nábojem v jádře atomu objev r. 1932 (J. Chadwick) Obr. č. 5: Pohyb elektronů v magnetickém poli cyklotronu [6] dostupné z: http://commons.wikimedia.org/wiki/file:cyclotron_motion_wider_view.jpg 7
Historie atomu Démokritos 5. století př. n. l. (Řecko) filosofická teorie: hmotu nelze dělit donekonečna, existují dále nedělitelné částice (atomos). John Dalton začátek 19. století (Británie) teorie: každý chemický prvek se skládá ze stejných atomů, které nelze měnit ani ničit, ale lze je skládat do složitějších struktur (sloučenin). Obr. č. 6: Socha Johna Daltona [7] dostupné z: http://commons.wikimedia.org/wiki/file:johndaltonstat uemanchestercityhall20051020_copyrightkaihsutai.jpg 8
Modely atomu Thomsonův (pudinkový) 1904 záporné elektrony jsou obklopeny kladnou hmotou Rutherfordův(planetární) 1911 záporné elektrony obíhají malé kladné jádro 1913 Bohrův elektrony obíhají jádro po přesně určených energetických drahách; při přeskoku mezi drahami vyzáří nebo emitují kvantum energie 1924-26 Kvantově-mechanický (de Broglie, Schrödinger) elektron je částicí a zároveň vlněním (má duální charakter); orbital je oblast nejpravděpodobnějšího výskytu elektronu 9
Modely atomu Thomsonův model Rutherfordův model Bohrův model elektron Obr. č. 7: Rutherfordůvmodel [8] dostupné z: http://commons.wikimedia.org/wiki/file:ato me_de_rutherford.png Obr. č. 3: Bohrůvmodel [4] dostupné z: http://commons.wikimedia.org/wiki/file: Bohr_atom_model_English.svg 10
Kvantově-mechanický model atomu elektron jádro atomu orbital typu s, ve kterém se vyskytuje elektron 11
Charakteristika orbitalu orbital je oblast nejpravděpodobnějšího výskytu elektronu je charakterizován třemi kvantovými čísly (n, l, m) elektron v orbitalu je charakterizován spinovým číslem (s) kvantové číslo název hodnoty význam n hlavní n = 1, 2, 3, l vedlejší l = 0, 1, 2,, n 1 m magnetické m = 0, ±1, ±2,, ±l určuje energii a velikost orbitalu; odpovídá periodě (řádku) v PSP určuje tvar orbitalu; první čtyři se označují písmeny: s, p, d, f určuje orientaci orbitalu v prostoru a počet orbitalů stejného typu s spinové s = ± ½ určuje moment hybnosti elektronu 12
hlavní kvantové číslo l = 0 (s) n = 4 l = 1 (p) l = 2 (d) l = 3 (f) vedlejší kvantová čísla m = 0 m = -1 m = -2 m = -3 m = 0 m = -1 m = -2 magnetická kvantová čísla m = 1 m = 0 m = 1 m = -1 m = 0 m = 2 m = 1 m = 2 m = 13 3
Elektronové orbitaly Prostorové tvary orbitalů s, p, d, f Obr. č. 8: Elektronové orbitaly [9] dostupné z: http://commons.wikimedia.org/wiki/file:single_electron_orbitals.jpg 14
Pravidla pro zaplňování orbitalů Výstavbový princip Hundovo pravidlo Pauliho vylučovací princip orbitaly s nižší energií se zaplňují elektrony dříve než orbitaly s vyšší energií Pořadí orbitalů: 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p, 5s, 4d, 5p, 6s, 4f, 5d, 6p, 7s, 5f, 6d, 7p energeticky rovnocenné orbitaly se nejprve všechny obsazují nepárovými elektrony se shodným spinem, poté se doplní elektrony s opačným spinem v orbitalu mohou být maximálně dva elektrony, které mají opačný spin Obr. č. 9: Umístění orbitalů [10] dostupné z: http://commons.wikimedia.org/wiki/file:blo cs_taula_peri%c3%b2dica.png 15
elektron Zápis elektronové konfigurace atom síry 16 S: Úplná elektronová konfigurace: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 4 Zkrácená elektronová konfigurace: [ 10 Ne] 3s 2 3p 4 jádro atomu Zápis pomocí rámečků: 1s 2s 2p valenční vrstva elektronového obalu 3s 3p 16
Zdroje 1. BENEŠ, Pavel, Václav PUMPR a Jiří BANÝR. Základy chemie pro 2. stupeň základní školy, nižší ročníky víceletých gymnázií a střední školy. 3. vyd. Praha: Fortuna, 2000, 143 s. ISBN 80-716-8720-0. 2. Helium_atom_QM.svg. Wikimedia Commons[online]. 2004 [cit. 2012-07-25]. Dostupné z: http://commons.wikimedia.org/wiki/file:helium_atom_qm.svg 3. commons.wikimedia.org/wiki/file:atom.svg. Wikimedia Commons[online]. 2004 [cit. 2012-07-25]. Dostupné z: http://commons.wikimedia.org/wiki/file:commons.wikimedia.org/wiki/file:atom.svg 4. ScientificLinux-Logo.gif. Wikimedia Commons[online]. 2004 [cit. 2012-07-25]. Dostupné z: http://commons.wikimedia.org/wiki/file:scientificlinux-logo.gif 5. Bohr_atom_model_notext.svg. Wikimedia Commons[online]. 2004 [cit. 2012-07-25]. Dostupné z: http://commons.wikimedia.org/wiki/file:bohr_atom_model_notext.svg 6. Cyclotron_motion_wider_view.jpg. Wikimedia Commons[online]. 2004 [cit. 2012-07-25]. Dostupné z: http://commons.wikimedia.org/wiki/file:cyclotron_motion_wider_view.jpg 7. JohnDaltonStatueManchesterCityHall20051020_CopyrightKaihsuTai.jpg. Wikimedia Commons[online]. 2004 [cit. 2012-07-25]. Dostupné z: http://commons.wikimedia.org/wiki/file:johndaltonstatuemanchestercityhall20051020_copyrightkaihsutai.jpg 8. Atome_de_Rutherford.png. Wikimedia Commons[online]. 2004 [cit. 2012-07-25]. Dostupné z: http://commons.wikimedia.org/wiki/file:atome_de_rutherford.png 9. Single_electron_orbitals.jpg. Wikimedia Commons[online]. 2004 [cit. 2012-07-25]. Dostupné z: http://commons.wikimedia.org/wiki/file:single_electron_orbitals.jpg 10. Blocs_taula_peri%C3%B2dica.png. Wikimedia Commons[online]. 2004 [cit. 2012-07-25]. Dostupné z: http://commons.wikimedia.org/wiki/file:blocs_taula_peri%c3%b2dica.png 17