Složení a struktura atomu

Atom se skládá z kladně nabitého jádra a záporně nabitého elektronového obalu
Jádro obsahuje protony a neutrony
Fermiony = proton, neutron, elektron, kvarky
V jádře je koncentrována veškerá hmotnost celého atomu
Jádro je v poměru k celému atomu velmi malé

Jádro atomu

Skládá se z kladných částic protonů p⁺ a nábojově neutrálních částic neutronů n⁰ → nukleony (počet udává nukleonové číslo A = N + Z)
Je v něm koncentrována veškerá hmotnost atomu
Počet protonů a neutronů v jádře udává nukleonové číslo A
Počet protonů v jádře udává protonové číslo Z

Neutron je TĚŽŠÍ než proton!

Proton

P, H (+)
První důkaz v anodovém záření (Moseley)

Nuklid

Látka složená z atomů se stejným protonovým a stejným neutronovým číslem
® Látka složená z atomů o stejném nukleonovém čísle

Izotopy

Atomy se stejným počtem protonů, ale s různým počtem neutronů
® liší se nukleonovým číslem

Elektronový obal

Thomson – zjistil e/me = 1,759.10¹¹ C.kg^-1
Je složen ze záporně nabitých elektronů e^–, které kompenzují kladný náboj jádra
Elektrony mají povahu jak částicovou, tak i vlnovou
Počet elektronů odpovídá počtu protonů v jádře
e⁺ – pozitron, náboj stejný s opačným znaménkem

Částice	Náboj	Hmotnost
PROTON	+1,602 × 10^-19 C	1,672 × 10^-27 kg
ELEKTRON	-1,602 × 10^-19 C	9,109 × 10^-31 kg
NEUTRON	Bez náboje	1,674 × 10^-27 kg

Modely atomů

Thomsův model atomu (Pudinkový model) – J.J. Thomson (1898), atom je tvořen elektricky kladně nabitou látkou, v níž plavou záporně nabité elektrony, celkový náboj je pak nulový

Planetární model atomu- E. Rutherford (1911); elektrony v atomovém obalu obíhají atomové jádro po neurčených kružnicích (podle modelu by se energie elektronů snižovala, elektrony by se přiblížily k jádru a atom by zanikl) = první rozumný model

Bohrův model – Neils Bohr (1913), elektron se může bez vyzařování E pohybovat kolem jádra jen po určitých kvantových drahách, tzv. orbitaly

Elektron přijímá nebo vyzařuje E pouze při přechodu z jednoho orbitalu na druhý
Při přechodu na vzdálenější orbital E přijímá, při návratu na bližší orbital E vyzařuje

= 3 postuláty

– model obsahuje jádro a přesně definované sféry energií

E = h.υ → E = h.1/λ (h = Planckova konstanta = 6,626 × 10^-34 J.s)

Kvantově mechanický model atomu – vychází z kvantové mechaniky, elektronům přiřazuje vlastnosti částic i vlnění (vlnová funkce ψ = pozměněná energie)
- Podle Heisenbergova principu neurčitosti nelze přesně určit polohu a hybnost elektronů
- Pouze podle vlnové funkce lze vypočítat pravděpodobnost, s jakou se elektrony vyskytují v daném okamžiku v určité oblasti atomu

Stavba elektronového obalu

Elektronová hustota – hodnota pravděpodobnosti výskytu elektronu

Oblasti nejhustšího výskytu elektronů v el. obalu = orbitaly

Kvantová čísla

Charakterizují stav elektronu vyznačující se určitou energií a určitým rozložením elektronové hustoty kolem jádra atomu.
Hlavní kvantové číslo (n) = 1, 2, 3… (čím vyšší, tím je elektron dále od jádra)
Vedlejší kvantové číslo (l) = 0, 1, 2,…, n-1 (určuje tvar orbitalu)
Magnetické kvantové číslo (m_l) = -l, -l+1,…, 0,…, +l (určuje orientaci orbitalu v prostoru)
Spinové kvantové číslo (m_s) = +1/2, -1/2 (určuje směr rotace elektronu)

Šestým elektronem ve vrstvě jsou maximálně 2 elektrony.

Elektronová konfigurace

Ukazuje obsazení atomových orbitalů elektrony
K jejímu znázornění se používá rámečkových diagramů, elektrony značíme šipkami
Pro zaplňování elektronového obalu platí určitá pravidla:

Pauliho princip – V elektronovém obalu se nemohou vyskytovat 2 elektrony, které by měly všechna kvantová čísla stejná, musí se lišit alespoň spinovým číslem
Hundovo pravidlo – Orbitaly se stejnou energií (degenerované) se obsazují nejprve po jednom elektronu se stejným spinovým číslem, pak až druhým elektronem s opačným spinovým číslem
Výstavbový princip – Orbitaly s nižší energií se zaplňují dříve než s energií vyšší, pořadí: 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p, 5s, 4d, 5p, 6s, 4f, 5d, 6p,…
Uvedená pravidla platí pro elektronovou konfiguraci atomu v základním stavu (s nejnižší energií), dodáním energie se dostane do excitovaného stavu (jeden nebo více valenčních elektronů přejde do vyšší energetické hladiny=excitace)

Periodická soustava prvků

Vychází z periodického zákona (aplikoval ho Moseley – záření, které vychází z jádra je přímosměrné pořadí atomu

I. Mendělejev (1869)

Periodický zákon

Vlastnosti prvků jsou periodicky závislé na jejich protonovém čísle
Grafickým vyjádřením periodického zákona je Periodická Soustava Prvků

Periodická soustava prvků (PSP)

Prvky jsou zde uspořádány podle vzrůstajícího protonového čísla do:
a) period
b) skupin
Periody – sedm vodorovných řad, udává počet vrstev el.obalu (1-7, K-Q)
Skupiny – 18 svislých řad, udává počet valenčních elektronů nebo max. ox.č.
Prvky ve stejných skupinách mají podobné vlastnosti (alkalické kovy, kovy alkalických zemin, halogeny, chalkogeny, vzácné plyny)
V periodách jsou si nápadně podobné prvky za lanthanem (lanthanoidy) a za aktiniem (aktinoidy) = vnitřně přechodné prvky, vyčleňuj+í se z period

Periodický zákon a valenční elektrony

Nepřechodné prvky– s-prvky:valenční elektrony zaplňují pouze hladinu ns (prvky 1. A 2. Skupiny+helium); p-prvky: valenční el. Zaplňují ns a np (prvky 13. -18. skupiny)
Přechodné prvky–d-prvky: valenční el. Zaplňují ns a (n-1)d (prvky 3. -12.skupiny)
Vnitřně přechodné prvky–f-prvky: valenční el. Obsazují ns a (n-2)f a (n-1)d, tzv. lanthanoidy a aktinoidy

Velikost atomů a PSP

V periodách se poloměry atomů s rostoucím protonovým číslem zmenšují
Ve skupinách poloměry atomů nepřechodných prvků 1. až 6. periody s rostoucím protonovým číslem zřetelně rostou
Poloměry atomů přechodných prvků 5. a 6. periody jsou si blízké.
Kationty jsou vždy menší než příslušné atomy
Anionty jsou vždy vetší než příslušné atomy

Periodicity ionizačních energií a elektronových afinit

Ionizační energie je energie potřebná k odtržení prvního elektronu z obalu atomu.

Hodnoty ionizačních energií s rostoucím protonovým číslem v:
a) skupinách klesají
b) periodách rostou

Elektronová afinita je energie, která se uvolní, přijme li atom další elektron.

Elektronové afinity prvků 18. skupiny jsou velmi malé (tyto atomy elektrony
nepřijímají).
Největší hodnoty elektronových afinit mají prvky v pravé horní části tabulky (snadno
tvoří anionty).

Elektronegativita je schopnost přitahovat elektrony sdílené s jinými atomy.
Prvky s malou elekronegativitou tvoří snadno kationty.
Elektronegativita v periodě roste zleva doprava a zdola nahoru.

Kovový charakter stoupá zprava doleva a svrchu dolů

Prvky podle fyzikálních vlastností:

Nekovy-prvky s velkou el. afinitou, struktura valenčního orbitalu podobná nejbližšímu vyššímu vzácnému plynu (halogeny)

Polokovy– prvky mají některé vlastnosti kovů a některé nekovů (bor, křemík, tellur)

Kovy-prvky s nízkou ionizační energií (snadno tvoří kationty), kovový lesk, velká el. I tepelná vodivost, tažné, kujné (alkalické kovy)

Jaderné reakce

dochází k samovolné přeměně jádra, nebo účinkem jiné částice
průběh popsán rovnicemi

Radioaktivita – schopnost atomových jader samovolně se přeměňovat na atomová jádra jiných prvků za současného vyzařování radioaktivního záření- přirozená nebo umělá- poločas rozpadu= doba, za kterou se z výchozího počtu atomů přemění právě polovinaTypy jaderných reakcí

Prosté přeměny
Štěpení – u hmotných prvků
tříštění

Deuterium= atom s jádrem ²H, obsahuje jeden proton a jeden neutron a liší se od běžného vodíku atomovou hmotností (2,0136 m_u)

Syntéza
pokud je počet nuklidů sudý, izotop bude mnohonásobně stabilnější, než izotop sudý
jaderná iniciace probíhá buď γ zářením nebo neutronem:

Přirozená radioaktivita=samovolný rozpad v přírodě se vyskytujících radioaktivních nuklidů (asi 50), byly u nich zjištěny 3 typy záření:

Záření α – proud rychle letících jader atomu (částice α), málo pronikavé, zadrží jej list papíru, silné ionizační účinky
Záření β^– – proud elektronů, které se uvolňují v jádře při přeměně neutronu na proton, pronikavější, menší ionizační účinky
Záření β⁺ – proud pozitronů, které se uvolňují v jádře
Záření γ – elektromagnetické vlnění, nejpronikavější, obvykle doprovází záření β nebo α

Rozpadové řady

Radioaktivní přeměna neprobíhá izolovaně, a pokud je následující nuklid radioaktivní, vznikají rozpadové řady
Každá řada má počáteční radioaktivní a konečný stabilní nuklid

Úkol 1: Pro určité prvky se používají vžité (triviální) názvy. Doplňte chybějící údaje:Alkalické kovy Li, Na, K, Rb, Cs, Fr Kovy alkalických zemin Ca, Sr, Ba, RaChalkogeny O, S, Se, Te, PoLantanoidy prvky s protonovým číslem 58 až 71Transurany prvky stojící v řade za uranemPlatinové kovy Ru, Rh, Pd, Os, Ir, PtÚkol 2:Na příkladu elektronové konfigurace alkalických kovů a halogenů vysvětlete podobné vlastnosti těchto prvků. (el. Konfigurace valenčních elektronů, velikost atomů, ionizační energie, el. Afinita)Alkalické kovy

Velmi reaktivní
Mají jeden valenční elektron ® lehce se odtrhuje
® vznikají lehce kationty
Malá ionizační energie
Malá elektronegativita
Malá elektronová afinita ® netvoří anionty

Halogeny

Velmi reaktivní
Vysoké elektronegativita
Vysoká el. afinita ® tvoří anionty
7 valenčních elektronů
existují i kationty chlóru

Úkol 3:Jednou z nejtypičtějších vlastností přechodných prvků je schopnost tvořit koordinační sloučeniny. Určete centrální atom, ligandy, koordinační číslo a název následujících sloučenin.K₃[Fe(CN)₆] – hexakyanoželezitan draselný
1, centrální atom: železo
2, ligandy: kyanid
3, koordinační číslo: 6K₄[Fe(CN)₆] – hexakyanoželeznatan draselný
1, centrální atom: železo
2, ligandy: kyanid
3, koordinační číslo: 6[Ni(NH₃)₆] SO₄ – síran hexaamin nikelnatý
1, centrální atom: nikl
2, ligandy: amoniak
3, koordinační číslo: 6[Co(NH₃)₆][Cl]₃ – chlorid hexaamin kobaltový
1, centrální atom: kobalt
2, ligandy: amoniak
3, koordinační číslo: 6[Cu(NH₃)₄][Cl]₂ – chlorid tetraamin měďnatý
1, centrální atom: měď
2, ligandy: amoniak
3, koordinační číslo: 4

Číslo skupiny	Skupinový název	Číslo skupiny	Skupinový název
(kromě H)	Alkalické kovy	15.	Pentely
(kromě Be a Mg)	Kovy alkalických zemin	16.	Chalkogeny
13.	Triely	17.	Halogeny
14.	Tetrely	18.	Vzácné plyny

Struktura atomů a periodická soustava prvků