Atoms sastāv no kodola un elektronu apvalka: sīciņajā kodolā atrodas protoni un neitroni, bet ap to riņķo elektroni. Zinot tikai divus skaitļus no Mendeļejeva tabulas, var «uzbūvēt» jebkuru atomu: saskaitīt visas tā daļiņas un izvietot elektronus pa līmeņiem. Šajā lapā atradīsi uzskatāmu atoma modeli, Z un A formulas, izotopus, uzdevumu risinājumus un interaktīvu viktorīnu treniņam.
No kā sastāv atoms
Atoms ir ķīmiskā elementa mazākā daļiņa, kas saglabā tā īpašības. Tas ir uzbūvēts vienkāršāk, nekā šķiet, — tikai divas «detaļas»:
- Kodols — atoma centrs. Tajā dzīvo divu veidu daļiņas: pozitīvi lādēti protoni un neitrāli neitroni. Kodols ir neiedomājami mazs — aptuveni 100 000 reižu mazāks par pašu atomu, — taču tieši tajā ir koncentrēti vairāk nekā 99,9% masas.
- Elektronu apvalks — visa pārējā atoma telpa, kur ap kodolu kustas viegli, negatīvi lādēti elektroni.
Ja palielinātu atomu līdz stadiona izmēram, kodols būtu kā zirnis laukuma centrā — visu pārējo aizņemtu «gandrīz tukšais» elektronu apvalks.
Protoni, neitroni un elektroni: trīs atoma daļiņas
Visi Visuma atomi ir salikti tikai no trīs veidu daļiņām — atšķiras tikai to skaits. Daļiņas ir ērti salīdzināt pēc trim pazīmēm: lādiņa, masas un «dzīvesvietas».
Protons un neitrons pēc masas ir gandrīz vienādi — aptuveni 1 a.m.v. (atommasas vienība). Elektrons ir aptuveni 1836 reizes vieglāks par tiem, tāpēc tā masu aprēķinos parasti neņem vērā. Savukārt protona un elektrona lādiņi ir vienādi pēc lieluma, bet pretēji pēc zīmes: kamēr atomā ir tikpat daudz protonu, cik elektronu, tas ir elektriski neitrāls.
Atoma formulas: Z, A un neitronu skaits
Jebkura atoma sastāvu apraksta divi skaitļi:
- Lādiņa skaitlis Z — protonu skaits kodolā. Tas ir elementa kārtas skaitlis Mendeļejeva tabulā: Nr. 1 — ūdeņradis (1 protons), Nr. 8 — skābeklis (8 protoni), Nr. 79 — zelts (79 protoni). Tāpēc atoma planētu modelī protonu skaits kodolā ir vienāds ar elektronu skaitu: atoms ir neitrāls, un uz katru protonu ir tieši viens elektrons.
- Masas skaitlis A — kopējais daļiņu skaits kodolā: \(A = Z + N\), kur N — neitronu skaits. No šejienes izriet galvenā skolas uzdevumu formula: \(N = A - Z\).
Atoma sastāvu pieraksta šādi: \(^{A}_{Z}\text{X}\). Piemēram, \(^{35}_{17}\text{Cl}\) — hlors, kuram ir 17 protoni un 35 − 17 = 18 neitroni. Zemāk esošā rokasgrāmata ir viss algoritms trīs rindās.
Elektronu apvalks: līmeņi 2, 8, 18
Elektroni nelido ap kodolu kā pagadās: tie izvietojas enerģijas līmeņos (apvalkos). Jo tālāk līmenis ir no kodola, jo vairāk elektronu tas ietilpina — maksimumu aprēķina pēc formulas \(2n^2\):
-
- līmenis — ne vairāk kā 2 elektroni;
-
- līmenis — ne vairāk kā 8;
-
- līmenis — ne vairāk kā 18;
-
- līmenis — ne vairāk kā 32.
Līmeņi tiek aizpildīti pēc kārtas, no tuvākā uz tālāko. Piemēram, skābeklim (Z = 8) elektroni izvietojas kā 2, 6; nātrijam (Z = 11) — 2, 8, 1; hloram (Z = 17) — 2, 8, 7. Ārējā līmeņa elektronus sauc par valences elektroniem — tieši tie piedalās ķīmiskajās reakcijās un nosaka elementa īpašības.
Līmeņu skaitu arī pasaka priekšā Mendeļejeva tabula: tas ir vienāds ar perioda numuru, kurā atrodas elements. Vecākajās klasēs līmeņus papildus iedala apakšlīmeņos s, p, d, f un pieraksta elektronkonfigurācijas — piemēram, skābeklim 1s²2s²2p⁴.
Izotopi: viens elements — dažādi atomi
Elementa protonu skaitu mainīt nedrīkst: pievieno kodolam protonu — un sanāks jau cits elements. Bet neitronu skaits var būt dažāds. Izotopi — tie ir viena elementa atomi ar vienādu Z, bet atšķirīgu neitronu skaitu, tātad arī atšķirīgu masas skaitli A.
Klasisks piemērs — ūdeņradis un tā trīs izotopi: protijs \(^{1}_{1}\text{H}\) (neitronu nav vispār), deitērijs \(^{2}_{1}\text{H}\) (1 neitrons) un tritijs \(^{3}_{1}\text{H}\) (2 neitroni). Ķīmiski izotopi ir gandrīz neatšķirami: reakcijās galveno lomu spēlē elektroni, bet to izotopiem ir vienādi daudz.
Tieši izotopu dēļ atommasas Mendeļejeva tabulā ir daļskaitļi: tas ir vidējais svērtais lielums pa visiem elementa dabiskajiem izotopiem. Hloram, piemēram, 35,45 — tāpēc, ka dabiskais hlors sastāv no hlora-35 un hlora-37 maisījuma.
Atoma modeļi: no «nedalāmas daļiņas» līdz planētu modelim
Vārds «atoms» cēlies no grieķu valodas atomos — «nedalāms»: tā to iedomājās vēl Demokrits, un XIX gadsimta sākumā Dž. Daltons uz nedalāma atoma idejas pamata izveidoja pirmo zinātnisko teoriju. Taču XIX–XX gadsimta mijas atklājumi parādīja: atomam ir iekšējā uzbūve.
- 1897 — Tomsona modelis («pudiņš ar rozīnēm»). Dž. Tomsons atklāja elektronu un pieņēma, ka elektroni ir iespiesti pozitīvi lādētā «vidē», kā rozīnes pudiņā.
- 1911 — Rezerforda planētu modelis. Apšaudot zelta foliju ar α-daļiņām, E. Rezerfords atklāja, ka gandrīz visa masa un viss pozitīvais lādiņš ir saspiesti sīciņā kodolā, bet elektroni riņķo ap to kā planētas ap Sauli.
- 1913 — Bora modelis. Nilss Bors precizēja: elektroni nekustas pa jebkurām, bet gan pa stingri noteiktām orbītām ar fiksētu enerģiju — tā parādījās enerģijas līmeņi.
- 1920. gadi — kvantu mehāniskais modelis. Mūsdienu fizika apraksta elektronu nevis kā bumbiņu orbītā, bet kā elektronmākoni — telpas apgabalu, kur elektronu var atrast ar lielāku vai mazāku varbūtību.
Planētu modeli ar līmeņiem (kā shēmā augstāk) skolas ķīmija izmanto joprojām: daļiņu skaitīšanai un elektronu izvietošanai tā precizitāte ir pilnīgi pietiekama.
Piemēri: analizējam atomu pēc Mendeļejeva tabulas
1. piemērs. Pilna hlora atoma analīze
Uzdevums. Nosaki hlora atoma sastāvu un izvieto elektronus pa līmeņiem. Mendeļejeva tabulā: hlors Cl — elements Nr. 17, atommasa 35,45.
1. solis. Kārtas skaitlis Z = 17 → kodolā 17 protoni.
2. solis. Atoms ir neitrāls → elektronu ir tikpat daudz: 17 elektroni.
3. solis. Masas skaitlis — noapaļojam atommasu: A = 35. Neitroni: \(N = A - Z = 35 - 17 = 18\).
4. solis. Izvietojam 17 elektronus pa līmeņiem no tuvākā uz tālāko: 2, tad 8, atlikums 7 → 2, 8, 7. Ārējā līmenī ir 7 valences elektroni — tieši tie nosaka hlora ķīmiskās īpašības.
Atbilde: 17 p⁺, 18 n⁰, 17 e⁻; elektronu līmeņi: 2, 8, 7.
2. piemērs. Cik neitronu ir urānam-235
Uzdevums. Cik neitronu ir izotopa urāna \(^{235}_{92}\text{U}\) kodolā?
1. solis. Lasām ierakstu: apakšējais skaitlis — lādiņa, Z = 92 (protoni); augšējais — masas, A = 235.
2. solis. Rēķinām: \(N = A - Z = 235 - 92 = 143\).
Atbilde: 143 neitroni. Pievērs uzmanību: dabiskajam urānam ir arī izotops \(^{238}_{92}\text{U}\) — tie paši 92 protoni, bet jau 146 neitroni.
3. piemērs. Nosakām elementu pēc elektroniem
Uzdevums. Atomā elektroni ir izvietoti pa līmeņiem šādi: 2, 8, 1. Kas tas ir par elementu?
1. solis. Saskaitām elektronus: 2 + 8 + 1 = 11.
2. solis. Neitrālā atomā elektronu ir tikpat, cik protonu → Z = 11.
3. solis. Skatāmies Mendeļejeva tabulā: elements Nr. 11 — nātrijs Na.
Atbilde: nātrijs. Reizē redzams, kāpēc tas ir tik aktīvs: ārējā līmenī ir tikai viens elektrons, un nātrijs to viegli atdod.
Biežākās kļūdas uzdevumos par atoma uzbūvi
-
Jauc atommasu un masas skaitli: formulā N = A − Z ievieto daļskaitli no tabulas (piemēram, 35,45 hloram).
Masas skaitlis A — vienmēr ir vesels skaitlis: tas ir daļiņu (protonu un neitronu) skaits konkrētā atomā. Uzdevumiem atommasu no tabulas noapaļo līdz veselam skaitlim: hloram A = 35, tātad N = 35 − 17 = 18.
-
Uzskata, ka elementa kārtas skaitlis — tas ir visu atoma daļiņu kopējais skaits.
Elementa numurs Z — tas ir tikai protonu skaits (un elektronu skaits neitrālā atomā). Neitroni Z neietilpst: tos atrod atsevišķi, pēc formulas N = A − Z.
-
Ievieto elektronus kodolā: «atoms sastāv no protoniem, neitroniem un elektroniem, kas atrodas kodolā».
Kodolā ir tikai protoni un neitroni. Elektroni kustas ap kodolu elektronu apvalkā — attālumos, kas desmitiem tūkstošu reižu pārsniedz paša kodola izmēru.
-
Jonam rēķina elektronus pēc elementa numura: Na⁺ ir «11 elektroni».
Z dod elektronu skaitu tikai neitrālam atomam. Jons ir lādēts: Na⁺ atdeva vienu elektronu — palika 10; Cl⁻ pieņēma vienu — kļuva 18. Protonu skaits pie tam nemainās.
-
Aizpilda līmeņus vienādi vai patvaļīgi: hloram raksta, piemēram, 8, 8, 1.
Līmeņi tiek aizpildīti stingri no kodola uz āru: vispirms pirmais (maksimums 2 elektroni), tad otrais (8), tad trešais. Hloram ar tā 17 elektroniem pareizi ir tā: 2, 8, 7.
Jautājumi un atbildes
No kā sastāv atoms? Īsi
Atoms sastāv no kodola un elektronu apvalka. Kodols — no protoniem (lādiņš +1) un neitroniem (lādiņa nav), apvalks — no elektroniem (lādiņš −1). Protonu skaits ir vienāds ar elementa kārtas skaitli Mendeļejeva tabulā.
Kāpēc atomu sauc par nedalāmu daļiņu, ja tas dalās?
Nosaukums palicis no sengrieķu atomos — «nesadalāms»: līdz XIX gadsimta beigām atomu uzskatīja par vienkāršāko vielas «ķieģelīti». Tad atklāja elektronu un kodolu. Taču ķīmiskajās reakcijās atoms patiešām nesadalās — pārgrupējas tikai elektronu apvalki, tāpēc ķīmijai tas joprojām ir elementa mazākā daļiņa.
Vai ir pareizi, ka atoms sastāv no protoniem un neitroniem?
Tikai uz pusi: protoni un neitroni — tas ir kodola sastāvs. Pilns atoma sastāvs — kodols (protoni + neitroni) plus elektroni, kas kustas ap kodolu un veido elektronu apvalku.
Kāpēc atoma planētu modelī protonu skaits kodolā ir vienāds ar elektronu skaitu?
Tāpēc, ka atoms kopumā ir elektriski neitrāls: kodola pozitīvajam lādiņam (+Z no protoniem) pilnībā jākompensējas ar elektronu negatīvo lādiņu (−Z). Ja atoms zaudē vai pievieno elektronu, vienlīdzība tiek izjaukta — rodas lādēta daļiņa, jons.
Kā uzzināt protonu, neitronu un elektronu skaitu pēc Mendeļejeva tabulas?
Protoni — tas ir elementa kārtas skaitlis Z. Elektronu neitrālā atomā ir tikpat. Neitroni — noapaļojiet atommasu līdz veselam skaitlim (tas ir masas skaitlis A) un atņemiet numuru: N = A − Z. Piemēram, dzelzs Nr. 26 ar masu 56: 26 protoni, 26 elektroni, 56 − 26 = 30 neitroni.
Kāpēc atommasa Mendeļejeva tabulā ir daļskaitlis?
Tāpēc, ka tas ir vidējais rādītājs pa visiem elementa dabiskajiem izotopiem, ņemot vērā to izplatību. Katram atsevišķam atomam masas skaitlis ir vesels (35 vai 37 hloram), bet vidējais rādītājs pa izotopu maisījumu sanāk daļskaitlis — 35,45.
