Struktur atom: dari apa atom terdiri

Atom adalah partikel terkecil dari unsur kimia yang mempertahankan sifat-sifatnya. Strukturnya lebih sederhana dari yang terlihat, hanya ada dua "bagian":

• Inti — pusat atom. Di dalamnya terdapat dua jenis partikel: proton yang bermuatan positif dan neutron yang netral. Inti sangatlah kecil — sekitar 100.000 kali lebih kecil dari atom itu sendiri — namun di sanalah lebih dari 99,9% massa terkonsentrasi.
• Kulit elektron — seluruh ruang atom lainnya, tempat elektron yang ringan dan bermuatan negatif bergerak mengelilingi inti.

Jika atom diperbesar hingga seukuran stadion, inti akan menjadi sebutir kacang di tengah lapangan — sisanya ditempati oleh kulit elektron yang "hampir kosong".

Semua atom di alam semesta tersusun dari tiga jenis partikel saja — yang membedakan hanyalah jumlahnya. Membandingkan partikel lebih mudah berdasarkan tiga kriteria: muatan, massa, dan "tempat tinggal".

Proton dan neutron memiliki massa yang hampir sama — sekitar 1 sma (satuan massa atom). Elektron sekitar 1836 kali lebih ringan, sehingga massanya sering diabaikan dalam perhitungan. Namun, muatan proton dan elektron besarnya sama dan berlawanan tanda: selama jumlah proton dalam atom sama dengan jumlah elektron, atom tersebut bersifat netral secara listrik.

Komposisi atom apa pun dijelaskan oleh dua angka:

• Nomor atom Z — jumlah proton dalam inti. Ini adalah nomor urut unsur dalam tabel periodik: No. 1 — hidrogen (1 proton), No. 8 — oksigen (8 proton), No. 79 — emas (79 proton). Oleh karena itu, dalam model atom planet, jumlah proton dalam inti sama dengan jumlah elektron: atom bersifat netral, dan setiap proton memiliki tepat satu elektron.
• Nomor massa A — jumlah total partikel dalam inti: \(A = Z + N\), di mana N adalah jumlah neutron. Dari sini muncul rumus utama untuk soal sekolah: \(N = A - Z\).

Komposisi atom ditulis sebagai: \(^{A}_{Z}\text{X}\). Contohnya, \(^{35}_{17}\text{Cl}\) — klorin, yang memiliki 17 proton dan 35 − 17 = 18 neutron. Panduan di bawah ini adalah seluruh algoritma dalam tiga baris.

Elektron tidak bergerak di sekitar inti secara sembarangan: mereka menempati tingkat energi (kulit). Semakin jauh tingkat dari inti, semakin banyak elektron yang dapat ditampung — maksimum dihitung dengan rumus \(2n^2\):

• Tingkat ke-1 — tidak lebih dari 2 elektron;
• Tingkat ke-2 — tidak lebih dari 8;
• Tingkat ke-3 — tidak lebih dari 18;
• Tingkat ke-4 — tidak lebih dari 32.

Tingkat diisi secara berurutan, dari yang terdekat ke yang terjauh. Misalnya, oksigen (Z = 8) memiliki konfigurasi elektron 2, 6; natrium (Z = 11) — 2, 8, 1; klorin (Z = 17) — 2, 8, 7. Elektron pada kulit terluar disebut elektron valensi — merekalah yang berpartisipasi dalam reaksi kimia dan menentukan sifat unsur.

Jumlah tingkat juga dapat diketahui dari tabel periodik: jumlahnya sama dengan nomor periode tempat unsur tersebut berada. Di tingkat yang lebih tinggi, tingkat dibagi lagi menjadi subtingkat s, p, d, f dan ditulis sebagai konfigurasi elektron — misalnya, oksigen 1s²2s²2p⁴.

Jumlah proton dalam suatu unsur tidak dapat diubah: jika Anda menambahkan proton ke dalam inti, Anda akan mendapatkan unsur yang berbeda. Namun, jumlah neutron bisa bervariasi. Isotop adalah atom dari unsur yang sama dengan Z yang sama, tetapi jumlah neutron berbeda, yang berarti nomor massa A juga berbeda.

Contoh klasik adalah hidrogen dan tiga isotopnya: protium \(^{1}_{1}\text{H}\) (tidak ada neutron), deuterium \(^{2}_{1}\text{H}\) (1 neutron), dan tritium \(^{3}_{1}\text{H}\) (2 neutron). Secara kimia, isotop hampir tidak dapat dibedakan: dalam reaksi, elektronlah yang memainkan peran utama, dan isotop memiliki jumlah elektron yang sama.

Justru karena isotop inilah massa atom dalam tabel periodik berbentuk pecahan: ini adalah rata-rata tertimbang dari semua isotop alami unsur tersebut. Klorin, misalnya, memiliki massa 35,45 — karena klorin alami terdiri dari campuran klorin-35 dan klorin-37.

Kata "atom" berasal dari bahasa Yunani atomos — "tak terbagi": begitulah Demokritos membayangkannya, dan pada awal abad ke-19 J. Dalton membangun teori ilmiah pertama berdasarkan gagasan atom yang tak terbagi. Namun, penemuan di pergantian abad ke-19 dan ke-20 menunjukkan: atom memiliki struktur internal.

• 1897 — model Thomson ("puding kismis"). J. Thomson menemukan elektron dan mengusulkan bahwa elektron tertanam dalam "medium" bermuatan positif, seperti kismis dalam puding.
• 1911 — model planet Rutherford. Dengan menembaki lembaran emas dengan partikel α, E. Rutherford menemukan bahwa hampir seluruh massa dan muatan positif terkonsentrasi di inti yang sangat kecil, sementara elektron mengelilinginya seperti planet mengelilingi Matahari.
• 1913 — model Bohr. Niels Bohr menyempurnakan: elektron tidak bergerak di orbit sembarangan, melainkan pada orbit tertentu dengan energi tetap — begitulah tingkat energi muncul.
• 1920-an — model mekanika kuantum. Fisika modern tidak menggambarkan elektron sebagai bola di orbit, melainkan sebagai awan elektron — wilayah ruang di mana elektron dapat ditemukan dengan probabilitas tertentu.

Model planet dengan tingkat energi (seperti pada diagram di atas) masih digunakan dalam kimia sekolah hingga saat ini: untuk menghitung partikel dan menempatkan elektron, akurasinya sudah cukup memadai.