Atom se skládá z jádra a elektronového obalu: v maličkém jádře jsou protony a neutrony a kolem něj se pohybují elektrony. Když znáte jen dvě čísla z Mendělejevovy tabulky, můžete „sestavit“ jakýkoli atom: spočítat všechny jeho částice a rozmístit elektrony do hladin. Na této stránce najdete názorný model atomu, vzorce pro Z a A, izotopy, řešené příklady a interaktivní kvíz na procvičení.
Z čeho se skládá atom
Atom je nejmenší částice chemického prvku, která si zachovává jeho vlastnosti. Jeho stavba je jednodušší, než se zdá – má jen dvě „součástky“:
- Jádro – střed atomu. V něm se nacházejí dva druhy částic: kladně nabité protony a neutrální neutrony. Jádro je nepředstavitelně malé – přibližně 100 000krát menší než samotný atom – ale je v něm soustředěno více než 99,9 % hmotnosti.
- Elektronový obal – veškerý zbývající prostor atomu, kde se kolem jádra pohybují lehké záporně nabité elektrony.
Kdybychom atom zvětšili na velikost stadionu, jádro by bylo jako hrášek uprostřed hřiště – vše ostatní zabírá „téměř prázdný“ elektronový obal.
Protony, neutrony a elektrony: tři částice atomu
Všechny atomy ve vesmíru jsou složeny pouze ze tří druhů částic – liší se jen jejich počty. Částice je vhodné porovnávat podle tří vlastností: náboje, hmotnosti a „místa pobytu“.
Proton a neutron mají téměř stejnou hmotnost – přibližně 1 u (atomová hmotnostní jednotka). Elektron je asi 1836krát lehčí, proto se jeho hmotnost při výpočtech zanedbává. Náboje protonu a elektronu jsou co do velikosti stejné, ale mají opačná znaménka: dokud je v atomu stejný počet protonů jako elektronů, je elektricky neutrální.
Vzorce atomu: Z, A a počet neutronů
Složení jakéhokoli atomu popisují dvě čísla:
- Protonové číslo Z – počet protonů v jádře. Je to zároveň pořadové číslo prvku v Mendělejevově tabulce: č. 1 – vodík (1 proton), č. 8 – kyslík (8 protonů), č. 79 – zlato (79 protonů). V planetárním modelu atomu se počet protonů v jádře rovná počtu elektronů: atom je neutrální a na každý proton připadá právě jeden elektron.
- Nukleonové číslo A – celkový počet částic v jádře: \(A = Z + N\), kde N je počet neutronů. Z toho plyne hlavní vzorec pro školní úlohy: \(N = A - Z\).
Složení atomu se zapisuje takto: \(^{A}_{Z}\text{X}\). Například \(^{35}_{17}\text{Cl}\) – chlor, který má 17 protonů a 35 − 17 = 18 neutronů. Níže uvedený přehled shrnuje celý postup do tří řádků.
Elektronový obal: hladiny 2, 8, 18
Elektrony neobíhají kolem jádra náhodně: jsou uspořádány v energetických hladinách (slupkách). Čím je hladina dál od jádra, tím více elektronů se na ni vejde – maximum se počítá podle vzorce \(2n^2\):
-
- hladina – maximálně 2 elektrony;
-
- hladina – maximálně 8;
-
- hladina – maximálně 18;
-
- hladina – maximálně 32.
Hladiny se zaplňují postupně, od nejbližší k nejvzdálenější. Například u kyslíku (Z = 8) jsou elektrony rozmístěny jako 2, 6; u sodíku (Z = 11) – 2, 8, 1; u chloru (Z = 17) – 2, 8, 7. Elektrony na vnější hladině se nazývají valenční – právě ty se účastní chemických reakcí a určují vlastnosti prvku.
Počet hladin také napovídá Mendělejevova tabulka: rovná se číslu periody, ve které se prvek nachází. Ve vyšších ročnících se hladiny dále dělí na podslupky s, p, d, f a zapisují se elektronové konfigurace – například u kyslíku 1s²2s²2p⁴.
Izotopy: jeden prvek – různé atomy
Počet protonů u prvku nelze změnit: přidejte do jádra proton a vznikne jiný prvek. Ale počet neutronů se může lišit. Izotopy jsou atomy jednoho prvku se stejným Z, ale různým počtem neutronů, a tedy i různým nukleonovým číslem A.
Klasickým příkladem je vodík a jeho tři izotopy: protium \(^{1}_{1}\text{H}\) (žádné neutrony), deuterium \(^{2}_{1}\text{H}\) (1 neutron) a tritium \(^{3}_{1}\text{H}\) (2 neutrony). Chemicky jsou izotopy téměř nerozeznatelné: v reakcích hrají hlavní roli elektrony, a těch mají izotopy stejný počet.
Právě kvůli izotopům jsou atomové hmotnosti v Mendělejevově tabulce desetinná čísla: jedná se o vážený průměr všech přírodních izotopů prvku. U chloru je to například 35,45, protože přírodní chlor se skládá ze směsi chloru-35 a chloru-37.
Modely atomu: od „nedělitelné částice“ po planetární model
Slovo „atom“ pochází z řeckého atomos – „nedělitelný“: tak si ho představoval už Démokritos a na začátku 19. století J. Dalton na myšlence nedělitelného atomu postavil první vědeckou teorii. Ale objevy na přelomu 19. a 20. století ukázaly, že atom má vnitřní strukturu.
- 1897 – Thomsonův model („pudinkový model“). J. J. Thomson objevil elektron a předpokládal, že elektrony jsou vnořeny do kladně nabité „hmoty“ jako rozinky v pudinku.
- 1911 – Rutherfordův planetární model. Při ostřelování zlaté fólie α-částicemi E. Rutherford zjistil, že téměř veškerá hmotnost a celý kladný náboj jsou soustředěny v maličkém jádře a elektrony kolem něj obíhají jako planety kolem Slunce.
- 1913 – Bohrův model. Niels Bohr upřesnil, že elektrony se nepohybují po libovolných, ale po přesně daných drahách s pevnou energií – tak vznikly energetické hladiny.
- 20. léta 20. století – kvantově-mechanický model. Moderní fyzika popisuje elektron ne jako kuličku na dráze, ale jako elektronový oblak – oblast prostoru, kde je možné elektron nalézt s určitou pravděpodobností.
Planetární model s hladinami (jako na schématu výše) se ve školní chemii používá dodnes: pro výpočet částic a rozmístění elektronů je jeho přesnost zcela dostačující.
Řešené příklady: rozbor atomu podle Mendělejevovy tabulky
Příklad 1. Kompletní rozbor atomu chloru
Zadání. Určete složení atomu chloru a rozmístěte elektrony do hladin. V Mendělejevově tabulce: chlor Cl – prvek č. 17, atomová hmotnost 35,45.
Krok 1. Pořadové číslo Z = 17 → v jádře je 17 protonů.
Krok 2. Atom je neutrální → elektronů je stejný počet: 17 elektronů.
Krok 3. Nukleonové číslo – zaokrouhlíme atomovou hmotnost: A = 35. Neutrony: \(N = A - Z = 35 - 17 = 18\).
Krok 4. Rozmístíme 17 elektronů do hladin od nejbližší k nejvzdálenější: 2, pak 8, zbytek 7 → 2, 8, 7. Na vnější hladině je 7 valenčních elektronů – ty určují chemické vlastnosti chloru.
Odpověď: 17 p⁺, 18 n⁰, 17 e⁻; elektronové hladiny: 2, 8, 7.
Příklad 2. Kolik neutronů má uran-235
Zadání. Kolik neutronů je v jádře izotopu uranu \(^{235}_{92}\text{U}\)?
Krok 1. Přečteme zápis: dolní číslo je protonové, Z = 92 (protony); horní je nukleonové, A = 235.
Krok 2. Počítáme: \(N = A - Z = 235 - 92 = 143\).
Odpověď: 143 neutronů. Všimněte si: přírodní uran má i izotop \(^{238}_{92}\text{U}\) – stejných 92 protonů, ale už 146 neutronů.
Příklad 3. Poznáme prvek podle elektronů
Zadání. V atomu jsou elektrony rozmístěny v hladinách takto: 2, 8, 1. O jaký prvek se jedná?
Krok 1. Spočítáme elektrony: 2 + 8 + 1 = 11.
Krok 2. V neutrálním atomu je stejný počet elektronů jako protonů → Z = 11.
Krok 3. Podíváme se do Mendělejevovy tabulky: prvek č. 11 je sodík Na.
Odpověď: sodík. Zároveň je vidět, proč je tak reaktivní: na vnější hladině má pouze jeden elektron a sodík ho snadno odevzdává.
Časté chyby v úlohách na stavbu atomu
-
Pletou si atomovou hmotnost a nukleonové číslo: do vzorce N = A − Z dosazují desetinnou hmotnost z tabulky (například 35,45 u chloru).
Nukleonové číslo A je vždy celé číslo: je to počet částic (protonů a neutronů) v konkrétním atomu. Pro řešení úloh se atomová hmotnost z tabulky zaokrouhluje na celé číslo: u chloru A = 35, tedy N = 35 − 17 = 18.
-
Myslí si, že pořadové číslo prvku je celkový počet všech částic v atomu.
Pořadové číslo prvku Z je pouze počet protonů (a elektronů v neutrálním atomu). Neutrony se do Z nepočítají: zjišťují se zvlášť podle vzorce N = A − Z.
-
Umísťují elektrony do jádra: „atom se skládá z protonů, neutronů a elektronů, které se nacházejí v jádře“.
V jádře jsou pouze protony a neutrony. Elektrony se pohybují kolem jádra v elektronovém obalu – ve vzdálenostech, které desítky tisíckrát přesahují velikost samotného jádra.
-
Pro ionty počítají elektrony podle pořadového čísla prvku: u Na⁺ „11 elektronů“.
Z udává počet elektronů pouze pro neutrální atom. Ion je nabitý: Na⁺ odevzdal jeden elektron – zbylo jich 10; Cl⁻ přijal jeden – je jich 18. Počet protonů se přitom nemění.
-
Zaplňují hladiny rovnoměrně nebo náhodně: u chloru napíší například 8, 8, 1.
Hladiny se zaplňují striktně od jádra směrem ven: nejprve první (maximum 2 elektrony), pak druhá (8), pak třetí. U chloru s jeho 17 elektrony je to správně takto: 2, 8, 7.
Otázky a odpovědi
Z čeho se skládá atom? Stručně
Atom se skládá z jádra a elektronového obalu. Jádro z protonů (náboj +1) a neutronů (bez náboje), obal z elektronů (náboj −1). Počet protonů se rovná pořadovému číslu prvku v Mendělejevově tabulce.
Proč se atom nazývá nedělitelnou částicí, když se dělit dá?
Název pochází ze starořeckého slova atomos – „nedělitelný“: až do konce 19. století byl atom považován za nejjednodušší „stavební kámen“ hmoty. Poté byl objeven elektron a jádro. Ale při chemických reakcích se atom skutečně nedělí – přeskupují se pouze elektronové obaly, takže pro chemii je stále nejmenší částicí prvku.
Je pravda, že se atom skládá z protonů a neutronů?
Jen z poloviny: protony a neutrony tvoří jádro. Kompletní složení atomu je jádro (protony + neutrony) plus elektrony, které se pohybují kolem jádra a tvoří elektronový obal.
Proč je v planetárním modelu atomu počet protonů v jádře roven počtu elektronů?
Protože atom jako celek je elektricky neutrální: kladný náboj jádra (+Z od protonů) musí být plně kompenzován záporným nábojem elektronů (−Z). Pokud atom ztratí nebo přijme elektron, rovnost je porušena a vzniká nabitá částice, ion.
Jak zjistit počet protonů, neutronů a elektronů z Mendělejevovy tabulky?
Protony – to je pořadové číslo prvku Z. Elektronů je v neutrálním atomu stejně. Neutrony – zaokrouhlete atomovou hmotnost na celé číslo (to je nukleonové číslo A) a odečtěte pořadové číslo: N = A − Z. Například železo č. 26 s hmotností 56: 26 protonů, 26 elektronů, 56 − 26 = 30 neutronů.
Proč je atomová hmotnost v Mendělejevově tabulce desetinné číslo?
Protože je to průměr všech přírodních izotopů prvku s ohledem na jejich zastoupení. Každý jednotlivý atom má nukleonové číslo celé (35 nebo 37 u chloru), ale průměr ze směsi izotopů vychází jako desetinné číslo – 35,45.
