Aatom koosneb tuumast ja elektronkattest: pisikeses tuumas on prootonid ja neutronid, nende ümber tiirlevad elektronid. Teades perioodilisustabelist vaid kahte arvu, saad „kokku panna“ mistahes aatomi: arvutada selle osakesed ja paigutada elektronid tasemetele. Sellel lehel on aatomi visuaalne mudel, Z ja A valemid, isotoobid, ülesannete lahendused ja interaktiivne viktoriin harjutamiseks.
Millest aatom koosneb
Aatom on keemilise elemendi väikseim osake, mis säilitab selle omadused. Selle ehitus on lihtsam, kui tundub – vaid kaks „detaili“:
- Tuum – aatomi kese. Selles elavad kahte tüüpi osakesed: positiivsed prootonid ja neutraalsed neutronid. Tuum on kujuteldamatult väike – umbes 100 000 korda väiksem aatomist endast –, kuid just selles on koondunud üle 99,9% massist.
- Elektronkate – kogu ülejäänud aatomi ruum, kus kerged negatiivsed elektronid tuuma ümber liiguvad.
Kui suurendada aatom staadioni suuruseks, oleks tuum hernetera väljaku keskel – kõik muu on „peaaegu tühi“ elektronkate.
Prootonid, neutronid ja elektronid: aatomi kolm osakest
Kõik universumi aatomid on kokku pandud vaid kolmest osakesest – erinevus on vaid nende koguses. Osakesi on mugav võrrelda kolme tunnuse järgi: laeng, mass ja „elukoht“.
Prooton ja neutron on massilt peaaegu võrdsed – umbes 1 a.ü.m. (aatomiühik). Elektron on neist umbes 1836 korda kergem, mistõttu selle massi arvutustes tavaliselt eiratakse. Kuid prootoni ja elektroni laengud on suuruselt võrdsed ja märgilt vastupidised: kuni aatomis on prootoneid sama palju kui elektrone, on see elektriliselt neutraalne.
Aatomi valemid: Z, A ja neutronite arv
Mistahes aatomi koostist kirjeldavad kaks arvu:
- Laenguarv Z – prootonite arv tuumas. See on elemendi järjekorranumber perioodilisustabelis: nr 1 – vesinik (1 prooton), nr 8 – hapnik (8 prootonit), nr 79 – kuld (79 prootonit). Seetõttu on aatomi planetaarmudelis prootonite arv tuumas võrdne elektronide arvuga: aatom on neutraalne ja iga prootoni kohta on täpselt üks elektron.
- Massiarv A – tuuma osakeste koguarv: \(A = Z + N\), kus N on neutronite arv. Siit tuleneb kooliülesannete peamine töövalem: \(N = A - Z\).
Aatomi koostist märgitakse nii: \(^{A}_{Z}\text{X}\). Näiteks \(^{35}_{17}\text{Cl}\) – kloor, millel on 17 prootonit ja 35 − 17 = 18 neutronit. Allpool on meelespea – kogu algoritm kolmes reas.
Elektronkate: tasemed 2, 8, 18
Elektronid ei tiirle ümber tuuma suvaliselt: nad paiknevad energiatasemetel (kihtidel). Mida kaugemal on tase tuumast, seda rohkem elektrone see mahutab – maksimumi arvutatakse valemiga \(2n^2\):
-
- tase – mitte rohkem kui 2 elektroni;
-
- tase – mitte rohkem kui 8;
-
- tase – mitte rohkem kui 18;
-
- tase – mitte rohkem kui 32.
Tasemed täituvad järjekorras, lähemast kaugemani. Näiteks hapnikul (Z = 8) on elektronid paigutunud 2, 6; naatriumil (Z = 11) – 2, 8, 1; klooril (Z = 17) – 2, 8, 7. Välimise kihi elektrone nimetatakse valents-elektronideks – just nemad osalevad keemilistes reaktsioonides ja määravad elemendi omadused.
Tasemete arvu näitab samuti perioodilisustabel: see on võrdne perioodi numbriga, milles element asub. Vanemates klassides jagatakse tasemed lisaks alamtasemeteks s, p, d, f ja kirjutatakse elektronkonfiguratsioonid – näiteks hapnikul 1s²2s²2p⁴.
Isotoobid: üks element – erinevad aatomid
Elemendi prootonite arvu muuta ei saa: lisa tuuma prooton ja saad juba teise elemendi. Kuid neutroneid võib olla erineval hulgal. Isotoobid on ühe elemendi aatomid, millel on sama Z, kuid erinev neutronite arv ja seega ka erinev massiarv A.
Klassikaline näide on vesinik ja selle kolm isotoopi: prootium \(^{1}_{1}\text{H}\) (neutroneid pole üldse), deuteerium \(^{2}_{1}\text{H}\) (1 neutron) ja triitium \(^{3}_{1}\text{H}\) (2 neutronit). Keemiliselt on isotoobid peaaegu eristamatud: reaktsioonides mängivad peaosa elektronid, ja neid on isotoopidel võrdselt.
Just isotoopide tõttu on perioodilisustabeli aatommassid murdarvulised: see on looduslike isotoopide keskmine väärtus. Klooril on näiteks 35,45 – sest looduslik kloor koosneb kloor-35 ja kloor-37 segust.
Aatomi mudelid: „jagamatu osakese“ juurest planetaarmudelini
Sõna „aatom“ pärineb kreekakeelsest sõnast atomos – „jagamatu“: nii kujutas seda juba Demokritos ja 19. sajandi alguses ehitas J. Dalton jagamatu aatomi ideele esimese teadusliku teooria. Kuid 19.–20. sajandi vahetuse avastused näitasid: aatomil on sisemine ehitus.
- 1897 – Thomsoni mudel („rosinapuding“). J. Thomson avastas elektroni ja oletas, et elektronid on „uputatud“ positiivselt laetud keskkonda nagu rosinad pudingusse.
- 1911 – Rutherfordi planetaarmudel. Pommitades kuldfooliumi α-osakestega, avastas E. Rutherford, et peaaegu kogu mass ja positiivne laeng on koondunud pisikesse tuuma ning elektronid tiirlevad ümber selle nagu planeedid ümber Päikese.
- 1913 – Bohri mudel. Niels Bohr täpsustas: elektronid ei liigu suvalistel, vaid rangelt määratud kindla energiaga orbiitidel – nii tekkisid energiatasemed.
- 1920ndad – kvantmehaaniline mudel. Kaasaegne füüsika kirjeldab elektroni mitte kui orbiidil liikuvat palli, vaid kui elektronpilve – ruumiala, kus elektroni võib leida teatud tõenäosusega.
Planetaarmudelit koos tasemetega (nagu ülaltoodud skeemil) kasutab koolikeemia siiani: osakeste arvutamiseks ja elektronide paigutamiseks on selle täpsusest täiesti piisav.
Näited: aatomi analüüs perioodilisustabeli järgi
Näide 1. Kloori aatomi täielik analüüs
Ülesanne. Määra kloori aatomi koostis ja paiguta elektronid tasemetele. Perioodilisustabelis: kloor Cl – element nr 17, aatommass 35,45.
1. samm. Järjekorranumber Z = 17 → tuumas on 17 prootonit.
2. samm. Aatom on neutraalne → elektrone on sama palju: 17 elektroni.
3. samm. Massiarv – ümardame aatommassi: A = 35. Neutronid: \(N = A - Z = 35 - 17 = 18\).
4. samm. Paigutame 17 elektroni tasemetele lähemast kaugemani: 2, seejärel 8, jääk 7 → 2, 8, 7. Välimisel tasemel on 7 valents-elektroni – just nemad määravad kloori keemilised omadused.
Vastus: 17 p⁺, 18 n⁰, 17 e⁻; elektronkihid: 2, 8, 7.
Näide 2. Mitu neutronit on uraan-235-l
Ülesanne. Mitu neutronit on isotoobi \(^{235}_{92}\text{U}\) tuumas?
1. samm. Loeme kirjet: alumine arv on laenguarv, Z = 92 (prootonid); ülemine on massiarv, A = 235.
2. samm. Arvutame: \(N = A - Z = 235 - 92 = 143\).
Vastus: 143 neutronit. Pane tähele: looduslikul uraanil on ka isotoop \(^{238}_{92}\text{U}\) – samad 92 prootonit, kuid juba 146 neutronit.
Näide 3. Elemendi tuvastamine elektronide järgi
Ülesanne. Aatomi elektronid on tasemetel paigutunud nii: 2, 8, 1. Mis elemendiga on tegu?
1. samm. Loeme elektronid kokku: 2 + 8 + 1 = 11.
2. samm. Neutraalses aatomis on elektrone sama palju kui prootoneid → Z = 11.
3. samm. Vaatame perioodilisustabelit: element nr 11 – naatrium Na.
Vastus: naatrium. Ühtlasi on näha, miks ta nii aktiivne on: välimisel tasemel on vaid üks elektron ja naatrium loovutab selle kergesti.
Sagedased vead aatomi ehituse ülesannetes
-
Aatommassi ja massiarvu segiajamine: valemisse N = A − Z pannakse tabelist võetud murdarvuline mass (näiteks 35,45 kloori puhul).
Massiarv A on alati täisarv: see on osakeste (prootonite ja neutronite) arv konkreetses aatomis. Ülesannete jaoks ümardatakse tabeli aatommass täisarvuni: klooril A = 35, seega N = 35 − 17 = 18.
-
Arvamine, et elemendi järjekorranumber on aatomi kõigi osakeste koguarv.
Elemendi number Z on vaid prootonite (ja neutraalses aatomis elektronide) arv. Neutronid ei kuulu Z hulka: need leitakse eraldi valemiga N = A − Z.
-
Elektronide paigutamine tuuma: „aatom koosneb prootonitest, neutronitest ja elektronidest, mis asuvad tuumas“.
Tuumas on ainult prootonid ja neutronid. Elektronid liiguvad ümber tuuma elektronkattel – kaugustel, mis ületavad tuuma enda suuruse kümneid tuhandeid kordi.
-
Iooni puhul elektronide arvutamine elemendi numbri järgi: Na⁺ puhul „11 elektroni“.
Z annab elektronide arvu ainult neutraalse aatomi jaoks. Ioon on laetud: Na⁺ loovutas ühe elektroni – neid jäi 10; Cl⁻ võttis ühe vastu – sai 18. Prootonite arv seejuures ei muutu.
-
Tasemete täitmine võrdselt või suvaliselt: kloori puhul kirjutatakse näiteks 8, 8, 1.
Tasemed täituvad rangelt tuumast väljapoole: esmalt esimene (maksimaalselt 2 elektroni), siis teine (8), siis kolmas. Klooril oma 17 elektroniga on õige: 2, 8, 7.
Küsimused ja vastused
Millest aatom koosneb? Lühidalt
Aatom koosneb tuumast ja elektronkattest. Tuum koosneb prootonitest (laeng +1) ja neutronitest (laenguta), elektronkate elektronidest (laeng −1). Prootonite arv on võrdne elemendi järjekorranumbriga perioodilisustabelis.
Miks nimetatakse aatomit jagamatuks osakeseks, kui see on jagatav?
Nimi pärineb vanakreeka sõnast atomos – „jagamatu“: kuni 19. sajandi lõpuni peeti aatomit aine lihtsaimaks „telliskiviks“. Hiljem avastati elektron ja tuum. Kuid keemilistes reaktsioonides aatom tõepoolest ei jagune – ümber paigutuvad vaid elektronkatted, seetõttu on see keemia jaoks endiselt elemendi väikseim osake.
Kas on õige, et aatom koosneb prootonitest ja neutronitest?
Ainult pooleldi: prootonid ja neutronid on tuuma koostisosad. Aatomi täielik koostis on tuum (prootonid + neutronid) pluss elektronid, mis liiguvad ümber tuuma ja moodustavad elektronkatte.
Miks on aatomi planetaarmudelis prootonite arv tuumas võrdne elektronide arvuga?
Sest aatom on tervikuna elektriliselt neutraalne: tuuma positiivne laeng (+Z prootonitest) peab olema täielikult kompenseeritud elektronide negatiivse laenguga (−Z). Kui aatom kaotab või liidab elektroni, võrdsus rikutakse – tekib laetud osake ehk ioon.
Kuidas teada prootonite, neutronite ja elektronide arvu perioodilisustabeli järgi?
Prootonid on elemendi järjekorranumber Z. Neutraalses aatomis on elektrone sama palju. Neutronid – ümarda aatommass täisarvuni (see on massiarv A) ja lahuta number: N = A − Z. Näiteks raud nr 26 massiga 56: 26 prootonit, 26 elektroni, 56 − 26 = 30 neutronit.
Miks on perioodilisustabeli aatommass murdarvuline?
Sest see on elemendi kõigi looduslike isotoopide keskmine väärtus, võttes arvesse nende levikut. Igal üksikul aatomil on massiarv täisarv (35 või 37 klooril), kuid isotoopide segu keskmine tuleb murdarvuline – 35,45.
