האטום מורכב מגרעין ומעטפת אלקטרונים: בגרעין הזעיר נמצאים פרוטונים ונייטרונים, ומסביבו נעים אלקטרונים. בעזרת שני מספרים בלבד מהטבלה המחזורית, ניתן "להרכיב" כל אטום: לחשב את כל החלקיקים שלו ולסדר את האלקטרונים ברמות. בדף זה תמצאו מודל ויזואלי של האטום, נוסחאות Z ו-A, איזוטופים, פתרון בעיות וחידון אינטראקטיבי לתרגול.
ממה מורכב האטום
האטום הוא החלקיק הקטן ביותר של יסוד כימי השומר על תכונותיו. המבנה שלו פשוט יותר ממה שנראה — רק שני "חלקים":
- גרעין — מרכז האטום. בו חיים שני סוגי חלקיקים: פרוטונים חיוביים ונייטרונים ניטרליים. הגרעין קטן להפליא — בערך פי 100,000 מהאטום עצמו — אך בו מרוכזים מעל 99.9% מהמסה.
- מעטפת אלקטרונים — כל שאר החלל של האטום, שבו נעים אלקטרונים קלים ושליליים מסביב לגרעין.
אם נגדיל את האטום לגודל של אצטדיון, הגרעין יהיה בגודל של אפונה במרכז המגרש — כל השאר תפוס על ידי מעטפת אלקטרונים "ריקה כמעט לגמרי".
פרוטונים, נייטרונים ואלקטרונים: שלושת חלקיקי האטום
כל האטומים ביקום מורכבים משלושה סוגי חלקיקים בלבד — רק הכמויות שלהם משתנות. נוח להשוות בין החלקיקים לפי שלושה מאפיינים: מטען, מסה ו"מקום מגורים".
פרוטון ונייטרון כמעט זהים במסתם — בערך 1 יחידת מסה אטומית (ימ"א) כל אחד. אלקטרון קל מהם בערך פי 1836, לכן מזניחים את המסה שלו בחישובים. לעומת זאת, המטענים של הפרוטון והאלקטרון שווים בגודלם ומנוגדים בסימנם: כל עוד באטום יש מספר שווה של פרוטונים ואלקטרונים, הוא ניטרלי מבחינה חשמלית.
נוסחאות האטום: Z, A ומספר הנייטרונים
ההרכב של כל אטום מתואר על ידי שני מספרים:
- מספר אטומי Z — כמות הפרוטונים בגרעין. זהו המספר הסידורי של היסוד בטבלה המחזורית: מס' 1 — מימן (פרוטון אחד), מס' 8 — חמצן (8 פרוטונים), מס' 79 — זהב (79 פרוטונים). לכן במודל הפלנטרי של האטום מספר הפרוטונים בגרעין שווה למספר האלקטרונים: האטום ניטרלי, ועל כל פרוטון יש בדיוק אלקטרון אחד.
- מספר מסה A — המספר הכולל של חלקיקים בגרעין: \(A = Z + N\), כאשר N הוא מספר הנייטרונים. מכאן הנוסחה העיקרית לתרגילים בבית הספר: \(N = A - Z\).
רושמים את הרכב האטום כך: \(^{A}_{Z}\text{X}\). לדוגמה, \(^{35}_{17}\text{Cl}\) — כלור, שיש לו 17 פרוטונים ו-35 − 17 = 18 נייטרונים. דף העזר למטה מציג את כל האלגוריתם בשלוש שורות.
מעטפת אלקטרונים: רמות 2, 8, 18
אלקטרונים לא נעים סביב הגרעין סתם כך: הם מסודרים ברמות אנרגיה (קליפות). ככל שהרמה רחוקה יותר מהגרעין, היא מכילה יותר אלקטרונים — המקסימום מחושב לפי הנוסחה \(2n^2\):
- רמה 1 — לא יותר מ-2 אלקטרונים;
- רמה 2 — לא יותר מ-8;
- רמה 3 — לא יותר מ-18;
- רמה 4 — לא יותר מ-32.
הרמות מתמלאות לפי הסדר, מהקרובה לרחוקה. לדוגמה, בחמצן (Z = 8) האלקטרונים מסודרים כ-2, 6; בנתרן (Z = 11) — 2, 8, 1; בכלור (Z = 17) — 2, 8, 7. אלקטרונים ברמה החיצונית נקראים אלקטרוני ערכיות — הם אלו שמשתתפים בתגובות כימיות וקובעים את תכונות היסוד.
מספר הרמות מופיע גם הוא בטבלה המחזורית: הוא שווה למספר המחזור שבו נמצא היסוד. בכיתות גבוהות יותר מחלקים את הרמות לתת-רמות s, p, d, f ורושמים קונפיגורציות אלקטרוניות — למשל, בחמצן 1s²2s²2p⁴.
איזוטופים: יסוד אחד — אטומים שונים
אי אפשר לשנות את מספר הפרוטונים ביסוד: אם תוסיפו פרוטון לגרעין, יתקבל יסוד אחר. אבל מספר הנייטרונים יכול להשתנות. איזוטופים — הם אטומים של אותו יסוד עם אותו Z, אך מספר נייטרונים שונה, ולכן גם מספר מסה A שונה.
דוגמה קלאסית היא מימן ושלושת האיזוטופים שלו: פרוטיום \(^{1}_{1}\text{H}\) (אין נייטרונים בכלל), דאוטריום \(^{2}_{1}\text{H}\) (נייטרון אחד) וטריטיום \(^{3}_{1}\text{H}\) (שני נייטרונים). מבחינה כימית האיזוטופים כמעט בלתי ניתנים להבחנה: בתגובות התפקיד העיקרי הוא של האלקטרונים, ולאיזוטופים יש מספר שווה שלהם.
בדיוק בגלל האיזוטופים המסות האטומיות בטבלה המחזורית הן שבריריות: זהו ממוצע משוקלל של כל האיזוטופים הטבעיים של היסוד. בכלור, למשל, המספר הוא 35.45 — כי כלור בטבע מורכב מתערובת של כלור-35 וכלור-37.
מודלים של האטום: מ"חלקיק בלתי ניתן לחלוקה" למודל פלנטרי
המילה "אטום" מגיעה מהמילה היוונית atomos — "בלתי ניתן לחלוקה": כך דמיין אותו דמוקריטוס, ובתחילת המאה ה-19 ג'ון דלטון בנה על רעיון האטום הבלתי ניתן לחלוקה את התאוריה המדעית הראשונה. אך תגליות מסוף המאה ה-19 ותחילת המאה ה-20 הראו: לאטום יש מבנה פנימי.
- 1897 — מודל תומסון ("פודינג עם צימוקים"). ג' ג' תומסון גילה את האלקטרון והניח שהאלקטרונים משובצים בתוך "סביבה" בעלת מטען חיובי, כמו צימוקים בפודינג.
- 1911 — המודל הפלנטרי של רתרפורד. בהפגזת רדיד זהב בחלקיקי אלפא, א' רתרפורד גילה שכמעט כל המסה וכל המטען החיובי דחוסים בגרעין זעיר, והאלקטרונים נעים סביבו כמו כוכבי לכת סביב השמש.
- 1913 — מודל בוהר. נילס בוהר דייק: אלקטרונים לא נעים בכל מסלול, אלא במסלולים מוגדרים היטב עם אנרגיה קבועה — כך הופיעו רמות האנרגיה.
- שנות ה-20 — מודל קוונטי-מכני. הפיזיקה המודרנית מתארת את האלקטרון לא ככדור במסלול, אלא כענן אלקטרונים — אזור במרחב שבו ניתן למצוא את האלקטרון בהסתברות מסוימת.
כימיה בבית הספר משתמשת עד היום במודל הפלנטרי עם רמות (כמו בתרשים למעלה): לחישוב חלקיקים וסידור אלקטרונים הדיוק שלו מספיק בהחלט.
דוגמאות: מנתחים אטום לפי הטבלה המחזורית
דוגמה 1. ניתוח מלא של אטום כלור
משימה. קבע את הרכב אטום הכלור וסדר את האלקטרונים ברמות. בטבלה המחזורית: כלור Cl — יסוד מס' 17, מסה אטומית 35.45.
שלב 1. מספר סידורי Z = 17 → בגרעין 17 פרוטונים.
שלב 2. אטום ניטרלי → יש אותו מספר אלקטרונים: 17 אלקטרונים.
שלב 3. מספר מסה — מעגלים את המסה האטומית: A = 35. נייטרונים: \(N = A - Z = 35 - 17 = 18\).
שלב 4. מסדרים 17 אלקטרונים ברמות מהקרובה לרחוקה: 2, אחר כך 8, שארית 7 → 2, 8, 7. ברמה החיצונית יש 7 אלקטרוני ערכיות — הם אלו שקובעים את התכונות הכימיות של הכלור.
תשובה: 17 p⁺, 18 n⁰, 17 e⁻; רמות אלקטרונים: 2, 8, 7.
דוגמה 2. כמה נייטרונים יש באורניום-235
משימה. כמה נייטרונים יש בגרעין האיזוטופ של אורניום \(^{235}_{92}\text{U}\)?
שלב 1. קוראים את הרישום: המספר התחתון — אטומי, Z = 92 (פרוטונים); העליון — מסה, A = 235.
שלב 2. מחשבים: \(N = A - Z = 235 - 92 = 143\).
תשובה: 143 נייטרונים. שימו לב: באורניום טבעי יש גם איזוטופ \(^{238}_{92}\text{U}\) — אותם 92 פרוטונים, אבל כבר 146 נייטרונים.
דוגמה 3. מזהים יסוד לפי אלקטרונים
משימה. באטום, האלקטרונים מסודרים ברמות כך: 2, 8, 1. איזה יסוד זה?
שלב 1. סופרים אלקטרונים: 2 + 8 + 1 = 11.
שלב 2. באטום ניטרלי יש אותו מספר אלקטרונים כמו פרוטונים → Z = 11.
שלב 3. מסתכלים בטבלה המחזורית: יסוד מס' 11 — נתרן Na.
תשובה: נתרן. במקביל רואים למה הוא כל כך פעיל: ברמה החיצונית יש רק אלקטרון אחד, והנתרן מוסר אותו בקלות.
טעויות נפוצות בתרגילים על מבנה האטום
-
מבלבלים בין מסה אטומית למספר מסה: מציבים בנוסחה N = A − Z את המסה השברירית מהטבלה (למשל, 35.45 בכלור).
מספר מסה A — תמיד שלם: זו כמות החלקיקים (פרוטונים ונייטרונים) באטום ספציפי. לתרגילים מעגלים את המסה האטומית מהטבלה למספר שלם: בכלור A = 35, לכן N = 35 − 17 = 18.
-
חושבים שהמספר הסידורי של היסוד הוא המספר הכולל של כל חלקיקי האטום.
מספר היסוד Z — הוא רק מספר הפרוטונים (והאלקטרונים באטום ניטרלי). נייטרונים לא נכללים ב-Z: מוצאים אותם בנפרד, לפי הנוסחה N = A − Z.
-
מכניסים אלקטרונים לגרעין: "האטום מורכב מפרוטונים, נייטרונים ואלקטרונים שנמצאים בגרעין".
בגרעין יש רק פרוטונים ונייטרונים. אלקטרונים נעים סביב הגרעין במעטפת אלקטרונים — במרחקים הגדולים פי עשרות אלפים מגודל הגרעין עצמו.
-
עבור יון מחשבים אלקטרונים לפי מספר היסוד: ב-Na⁺ יש "11 אלקטרונים".
Z נותן את מספר האלקטרונים רק לאטום ניטרלי. יון הוא טעון: Na⁺ מסר אלקטרון אחד — נשארו 10; Cl⁻ קיבל אחד — נהיו 18. מספר הפרוטונים לא משתנה.
-
ממלאים רמות באופן שווה או שרירותי: בכלור כותבים, למשל, 8, 8, 1.
רמות מתמלאות אך ורק מהגרעין החוצה: קודם הראשונה (מקסימום 2 אלקטרונים), אחר כך השנייה (8), אחר כך השלישית. בכלור עם 17 האלקטרונים שלו, הנכון הוא: 2, 8, 7.
שאלות ותשובות
ממה מורכב האטום? בקצרה
האטום מורכב מגרעין ומעטפת אלקטרונים. הגרעין — מפרוטונים (מטען +1) ונייטרונים (אין מטען), המעטפת — מאלקטרונים (מטען −1). מספר הפרוטונים שווה למספר הסידורי של היסוד בטבלה המחזורית.
מדוע האטום נקרא חלקיק בלתי ניתן לחלוקה אם הוא מתחלק?
השם נשאר מהמילה היוונית atomos — "בלתי ניתן לחיתוך": עד סוף המאה ה-19 החשיבו את האטום ל"לבנה" הפשוטה ביותר של החומר. אחר כך גילו את האלקטרון והגרעין. אבל בתגובות כימיות האטום באמת לא מתחלק — רק מעטפות האלקטרונים משתנות, לכן עבור הכימיה הוא עדיין החלקיק הקטן ביותר של היסוד.
האם נכון שהאטום מורכב מפרוטונים ונייטרונים?
רק בחציו: פרוטונים ונייטרונים הם הרכב הגרעין. ההרכב המלא של האטום הוא גרעין (פרוטונים + נייטרונים) פלוס אלקטרונים, שנעים סביב הגרעין ויוצרים את מעטפת האלקטרונים.
מדוע במודל הפלנטרי של האטום מספר הפרוטונים בגרעין שווה למספר האלקטרונים?
מכיוון שהאטום בכללותו ניטרלי מבחינה חשמלית: המטען החיובי של הגרעין (+Z מהפרוטונים) חייב להתקזז לחלוטין על ידי המטען השלילי של האלקטרונים (−Z). אם אטום מאבד או מקבל אלקטרון, השוויון מופר — מתקבל חלקיק טעון, יון.
איך לדעת את מספר הפרוטונים, הנייטרונים והאלקטרונים לפי הטבלה המחזורית?
פרוטונים — זה המספר הסידורי של היסוד Z. באטום ניטרלי יש אותו מספר אלקטרונים. נייטרונים — עגלו את המסה האטומית למספר שלם (זה מספר המסה A) וחסרו את המספר הסידורי: N = A − Z. למשל, ברזל מס' 26 עם מסה 56: 26 פרוטונים, 26 אלקטרונים, 56 − 26 = 30 נייטרונים.
מדוע המסה האטומית בטבלה המחזורית שברירית?
מכיוון שזהו ממוצע של כל האיזוטופים הטבעיים של היסוד בהתחשב בשכיחותם. לכל אטום בודד מספר המסה הוא שלם (35 או 37 בכלור), אך הממוצע של תערובת האיזוטופים יוצא שברירי — 35.45.
