Atom se sastoji od jezgre i elektronskog omotača: u sićušnoj jezgri nalaze se protoni i neutroni, a oko nje se gibaju elektroni. Poznavajući samo dva broja iz periodnog sustava elemenata, možete „sastaviti” bilo koji atom: izbrojiti sve njegove čestice i rasporediti elektrone po razinama. Na ovoj stranici pronaći ćete zoran model atoma, formule Z i A, izotope, primjere zadataka i interaktivni kviz za vježbu.
Od čega se sastoji atom
Atom je najsitnija čestica kemijskog elementa koja zadržava njegova svojstva. Građen je jednostavnije nego što se čini, od samo dva „dijela”:
- Jezgra — središte atoma. U njoj žive dvije vrste čestica: pozitivni protoni i neutralni neutroni. Jezgra je nezamislivo mala — otprilike 100 000 puta manja od samog atoma — ali u njoj je koncentrirano više od 99,9% mase.
- Elektronski omotač — sav ostali prostor atoma, gdje se oko jezgre gibaju lagani negativni elektroni.
Ako bismo atom povećali na veličinu stadiona, jezgra bi bila poput zrna graška u središtu igrališta — sve ostalo zauzima „gotovo prazan” elektronski omotač.
Protoni, neutroni i elektroni: tri čestice atoma
Svi atomi u svemiru sastavljeni su od samo tri vrste čestica — razlikuju se samo njihove količine. Čestice je lako usporediti prema trima svojstvima: naboju, masi i „mjestu stanovanja”.
Proton i neutron imaju gotovo jednaku masu — otprilike 1 u (atomsku jedinicu mase). Elektron je od njih lakši otprilike 1836 puta, stoga se njegova masa pri izračunima zanemaruje. S druge strane, naboji protona i elektrona jednaki su po veličini, a suprotni po predznaku: dok god atom ima jednak broj protona i elektrona, on je električki neutralan.
Formule atoma: Z, A i broj neutrona
Sastav svakog atoma opisuju dva broja:
- Atomski broj Z — broj protona u jezgri. To je ujedno i redni broj elementa u periodnom sustavu: br. 1 — vodik (1 proton), br. 8 — kisik (8 protona), br. 79 — zlato (79 protona). Stoga je u planetarnom modelu atoma broj protona u jezgri jednak broju elektrona: atom je neutralan, a na svaki proton dolazi točno jedan elektron.
- Maseni broj A — ukupan broj čestica u jezgri: \(A = Z + N\), gdje je N broj neutrona. Odavde proizlazi glavna radna formula za školske zadatke: \(N = A - Z\).
Sastav atoma zapisujemo ovako: \(^{A}_{Z}\text{X}\). Na primjer, \(^{35}_{17}\text{Cl}\) — klor, koji ima 17 protona i 35 − 17 = 18 neutrona. Podsjetnik u nastavku prikazuje cijeli algoritam u tri koraka.
Elektronski omotač: razine 2, 8, 18
Elektroni se ne gibaju oko jezgre nasumično: oni se nalaze na energetskim razinama (ljuskama). Što je razina dalje od jezgre, to više elektrona može primiti — maksimum se računa po formuli \(2n^2\):
-
- razina — najviše 2 elektrona;
-
- razina — najviše 8;
-
- razina — najviše 18;
-
- razina — najviše 32.
razine se popunjavaju redom, od bližih prema daljima. Na primjer, kod kisika (Z = 8) elektroni su raspoređeni kao 2, 6; kod natrija (Z = 11) — 2, 8, 1; kod klora (Z = 17) — 2, 8, 7. Elektroni vanjske ljuske nazivaju se valentni elektroni — upravo oni sudjeluju u kemijskim reakcijama i određuju svojstva elementa.
Broj razina također nam otkriva periodni sustav: on je jednak broju periode u kojoj se element nalazi. U višim razredima razine se dodatno dijele na podrazine s, p, d, f i zapisuju se elektronske konfiguracije — na primjer, kod kisika 1s²2s²2p⁴.
Izotopi: jedan element — različiti atomi
Broj protona u elementu ne može se mijenjati: dodate li proton u jezgru, dobit ćete drugi element. No, broj neutrona može varirati. Izotopi su atomi istog elementa s jednakim Z, ali različitim brojem neutrona, a time i različitim masenim brojem A.
Klasičan primjer su vodik i njegova tri izotopa: protij \(^{1}_{1}\text{H}\) (nema neutrona), deuterij \(^{2}_{1}\text{H}\) (1 neutron) i tricij \(^{3}_{1}\text{H}\) (2 neutrona). Kemijski su izotopi gotovo neprepoznatljivi: u reakcijama glavnu ulogu imaju elektroni, a izotopi ih imaju jednak broj.
Upravo zbog izotopa atomske mase u periodnom sustavu nisu cijeli brojevi: to je prosječna vrijednost svih prirodnih izotopa elementa. Klor, na primjer, ima 35,45 — jer se prirodni klor sastoji od smjese klora-35 i klora-37.
Modeli atoma: od „nedjeljive čestice” do planetarnog modela
Riječ „atom” potječe od grčkog atomos — „nedjeljiv”: tako ga je zamišljao još Demokrit, a početkom 19. stoljeća J. Dalton je na ideji nedjeljivog atoma izgradio prvu znanstvenu teoriju. No, otkrića na prijelazu iz 19. u 20. stoljeće pokazala su: atom ima unutarnju građu.
- 1897. — Thomsonov model („puding sa grožđicama”). J. Thomson otkrio je elektron i pretpostavio da su elektroni utisnuti u pozitivno nabijenu „sredinu”, poput grožđica u pudingu.
- 1911. — Rutherfordov planetarni model. Bombardirajući zlatni listić α-česticama, E. Rutherford otkrio je da su gotovo sva masa i sav pozitivni naboj zbijeni u sićušnoj jezgri, a elektroni kruže oko nje kao planeti oko Sunca.
- 1913. — Bohrov model. Niels Bohr je precizirao: elektroni se ne gibaju bilo kojim, već strogo određenim putanjama s fiksnom energijom — tako su se pojavile energetske razine.
- 1920-e — kvantnomehanički model. Suvremena fizika ne opisuje elektron kao kuglicu na orbiti, već kao elektronski oblak — područje prostora gdje se elektron može pronaći s određenom vjerojatnošću.
Planetarni model s razinama (kao na shemi iznad) školska kemija koristi i danas: za brojanje čestica i raspoređivanje elektrona njegova je preciznost sasvim dovoljna.
Primjeri: analiziramo atom pomoću periodnog sustava
Primjer 1. Potpuna analiza atoma klora
Zadatak. Odredi sastav atoma klora i rasporedi elektrone po razinama. U periodnom sustavu: klor Cl — element br. 17, atomska masa 35,45.
1. korak. Redni broj Z = 17 → u jezgri je 17 protona.
2. korak. Atom je neutralan → elektrona ima jednako: 17 elektrona.
3. korak. Maseni broj — zaokružujemo atomsku masu: A = 35. Neutroni: \(N = A - Z = 35 - 17 = 18\).
4. korak. Raspoređujemo 17 elektrona po razinama od bližih prema daljima: 2, zatim 8, ostatak 7 → 2, 8, 7. Na vanjskoj razini je 7 valentnih elektrona — oni određuju kemijska svojstva klora.
Odgovor: 17 p⁺, 18 n⁰, 17 e⁻; elektronske razine: 2, 8, 7.
Primjer 2. Koliko neutrona ima uranij-235
Zadatak. Koliko neutrona ima u jezgri izotopa uranija \(^{235}_{92}\text{U}\)?
1. korak. Čitamo zapis: donji broj je atomski, Z = 92 (protoni); gornji je maseni, A = 235.
2. korak. Računamo: \(N = A - Z = 235 - 92 = 143\).
Odgovor: 143 neutrona. Obrati pozornost: prirodni uranij ima i izotop \(^{238}_{92}\text{U}\) — istih 92 protona, ali 146 neutrona.
Primjer 3. Prepoznajemo element prema elektronima
Zadatak. Kod atoma su elektroni raspoređeni po razinama ovako: 2, 8, 1. Koji je to element?
1. korak. Zbrajamo elektrone: 2 + 8 + 1 = 11.
2. korak. U neutralnom atomu elektrona ima jednako kao i protona → Z = 11.
3. korak. Gledamo u periodni sustav: element br. 11 — natrij Na.
Odgovor: natrij. Ujedno se vidi zašto je tako aktivan: na vanjskoj razini ima samo jedan elektron, koji natrij lako otpušta.
Česte pogreške u zadacima o građi atoma
-
Miješanje atomske mase i masenog broja: u formulu N = A − Z uvrštavaju decimalnu masu iz tablice (npr. 35,45 za klor).
Maseni broj A — uvijek je cijeli broj: to je broj čestica (protona i neutrona) u konkretnom atomu. Za zadatke se atomska masa iz tablice zaokružuje na cijeli broj: za klor A = 35, dakle N = 35 − 17 = 18.
-
Smatraju da je redni broj elementa ukupan broj svih čestica u atomu.
Redni broj elementa Z — to je samo broj protona (i elektrona u neutralnom atomu). Neutroni nisu uključeni u Z: njih nalazimo zasebno, po formuli N = A − Z.
-
Stavljanje elektrona u jezgru: „atom se sastoji od protona, neutrona i elektrona koji se nalaze u jezgri”.
U jezgri su samo protoni i neutroni. Elektroni se gibaju oko jezgre u elektronskom omotaču — na udaljenostima koje su desetke tisuća puta veće od veličine same jezgre.
-
Za ion računaju elektrone prema rednom broju elementa: Na⁺ ima „11 elektrona”.
Z daje broj elektrona samo za neutralan atom. Ion je nabijen: Na⁺ je otpustio jedan elektron — ostalo ih je 10; Cl⁻ je primio jedan — postalo ih je 18. Broj protona se pritom ne mijenja.
-
Popunjavanje razina jednako ili nasumično: za klor pišu, na primjer, 8, 8, 1.
Razine se popunjavaju strogo od jezgre prema van: prvo prva (najviše 2 elektrona), zatim druga (8), pa treća. Za klor sa svojih 17 elektrona ispravno je: 2, 8, 7.
Pitanja i odgovori
Od čega se sastoji atom? Ukratko
Atom se sastoji od jezgre i elektronskog omotača. Jezgra — od protona (naboj +1) i neutrona (nema naboja), omotač — od elektrona (naboj −1). Broj protona jednak je rednom broju elementa u periodnom sustavu.
Zašto atom nazivamo nedjeljivom česticom ako se dijeli?
Naziv je ostao od starogrčkog atomos — „nerazreziv”: do kraja 19. stoljeća atom se smatrao najjednostavnijim „ciglicom” tvari. Kasnije su otkriveni elektron i jezgra. No, u kemijskim reakcijama atom se doista ne dijeli — preuređuju se samo elektronski omotači, stoga je za kemiju on i dalje najmanja čestica elementa.
Je li točno da se atom sastoji od protona i neutrona?
Samo napola: protoni i neutroni čine jezgru. Potpun sastav atoma je jezgra (protoni + neutroni) plus elektroni koji se gibaju oko jezgre i čine elektronski omotač.
Zašto je u planetarnom modelu atoma broj protona u jezgri jednak broju elektrona?
Zato što je atom u cjelini električki neutralan: pozitivan naboj jezgre (+Z od protona) mora biti potpuno poništen negativnim nabojem elektrona (−Z). Ako atom izgubi ili primi elektron, jednakost se narušava — nastaje nabijena čestica, ion.
Kako saznati broj protona, neutrona i elektrona pomoću periodnog sustava?
Protoni — to je redni broj elementa Z. Elektrona u neutralnom atomu ima jednako. Neutroni — zaokružite atomsku masu na cijeli broj (to je maseni broj A) i oduzmite redni broj: N = A − Z. Na primjer, željezo br. 26 s masom 56: 26 protona, 26 elektrona, 56 − 26 = 30 neutrona.
Zašto je atomska masa u periodnom sustavu decimalan broj?
Zato što je to prosjek svih prirodnih izotopa elementa uzimajući u obzir njihovu zastupljenost. Svaki pojedinačni atom ima cijeli maseni broj (35 ili 37 za klor), a prosjek smjese izotopa ispada decimalan — 35,45.
