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

1. 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

1. 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

1. 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)

4. 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