Wydrukuj Zapisz jako PDF Dodaj do ulubionych Udostępnij materiał

Czy ktoś z was zastanawiał się nad tym, jak wygląda mikroświat? Jaki jest kształt drobin, które tworzą materię? Czy można je zobaczyć? Czy są kolorowe?

Już wiesz
  • że materia nie jest ciągła, a składa się z drobin;

  • że pierwiastki mają swoje nazwy i symbole.

Nauczysz się
  • nazywać poszczególne elementy atomu;

  • określać przestrzeń, w której znajdują się elektrony, protony i neutrony;

  • stosować pojęcia: nukleony, liczba masowa, liczba atomowa;

  • określać liczbę protonów, neutronów, elektronów na podstawie liczby atomowej i masowej;

  • wykonywać obliczenia z użyciem atomowej jednostki masy.

ijSMlmpUvE_d5e191

1. Co to jest atom?

Podstawowymi elementami, z których zbudowana jest materia, są atomyatomatomy. Substancje tworzące świat materialny składają się z różnych atomów. Atomy mają masę, objętość i kształt. Każdy pierwiastek składa się z atomów tylko jednego rodzaju – żelazo – z atomów żelaza, złoto zaś – z atomów złota. Pojedyncze atomy żelaza i złota są zbudowane z tych samych cząstek, a różnią się tylko ich liczbą. Dlatego różnice te są wystarczające, aby ich zbiory tworzyły pierwiastki o odmiennych właściwościach.

Niewielkie rozmiary atomów nie pozwalają nam na oglądanie ich w sposób, w jaki przywykliśmy obserwować otaczający nas świat. Obecnie nie dysponujemy urządzeniami, które pozwalałyby nam swobodnie wnikać w głąb każdego rodzaju materii. Od niedawna możemy jednak w bardzo niskich temperaturach dostrzec cienką warstwę atomów unieruchomionych na powierzchni innych ciał stałych. Pomaga nam w tym przyrząd nazywany skaningowym mikroskopem tunelowym. Na otrzymanych za jego pomocą czarno‑białych obrazach zobaczyliśmy, że atomy mają kształt kulisty, a ich rozmiary są różne i zależą od rodzaju badanego pierwiastka. Już na początku XIX wieku angielski uczony John DaltonJohn DaltonJohn Dalton (czyt. dżon dalton) twierdził, że atomy tworzące różne pierwiastki są kulami różniącymi się między sobą wielkością.

R1Z4GOuXOnSpp1
Rowm1VeAWKhE21
ijSMlmpUvE_d5e229

2. Spoglądamy w głąb atomu

Niemal do końca XIX wieku uważano, że atomy przypominają niewyobrażalnie małe i twarde jak kamień kulki. Dziś już wiemy, że atomy nie są jednorodne i niepodzielne. Okazuje się, że mają one złożoną wewnętrzną budowę. W środku każdego atomu, w samym jego centrum, znajduje się jądro atomowejądro atomowejądro atomowe. Poruszające się w różnych kierunkach z dużą szybkością ujemnie naładowane cząstki, zwane elektronamielektronelektronami, tworzą chmurę elektronową. Przestrzeń, którą zajmuje jądro atomowe, jest znacznie mniejsza od przestrzeni zajmowanej przez elektrony – średnica atomu jest około 100 000 razy większa od średnicy jądra. Gdyby jądro powiększyć do rozmiarów małej monety o średnicy kilku milimetrów, wówczas cały atom byłby kulą o przekroju wielkości stadionu sportowego.

Samo jądro atomu ma również złożoną budowę. W jego skład wchodzą dodatnio naładowane cząstki nazywane protonamiprotonprotonami oraz cząstki pozbawione ładunku – neutronyneutronneutrony. Protony i neutrony (czyli cząstki znajdujące się w jądrze) określa się jako nukleonynukleonynukleony.

R1A8kqHh5Z2hn1
Źródło: Krzysztof Jaworski, OpenClips (http://pixabay.com), licencja: CC BY 3.0.

Każdy atom jest elektrycznie obojętną drobiną (nie jest obdarzony żadnym ładunkiem). W jego wnętrzu ładunki ujemne i dodatnie równoważą się. Oznacza to, że liczba protonów i elektronów w każdym atomie jest jednakowa.

RxIO3S5yZZQk71
Źródło: Krzysztof Jaworski, licencja: CC BY 3.0.
pierwiastek
pierwiastek

zbiór atomów o jednakowej liczbie protonów w jądrze

Liczba neutronów nie ma wpływu na przynależność atomu do danego pierwiastka.

RhX1MKbqI7dsD1
Źródło: Krzysztof Jaworski, licencja: CC BY 3.0.
Cząstki wchodzące w skład atomów

Nazwa

Symbol

Ładunek\*

Miejsce w atomie

elektron

e (eIndeks górny –)

-1

obszar poza jądrem

proton

p (pIndeks górny +)

1

jądro

neutron

n (n)

jądro

*Ujemny ładunek elektronu i dodatni ładunek protonu mają tę samą wartość bezwzględną (różnią się tylko znakami). Ustalono, że ładunek ujemny elektronu jest elementarnym ładunkiem ujemnym. Zatem proton ma elementarny ładunek dodatni.

R1ErpLIF5oFLN1
Źródło: Krzysztof Jaworski, licencja: CC BY 3.0.
Ciekawostka

Czy składniki atomu są niepodzielne?
Obecny stan wiedzy pozwala nam powiedzieć, że elementarnymi składnikami materii są dwa rodzaje cząstek: leptony i kwarki. Nie wiemy, czy cząstki te mają strukturę wewnętrzną. Elektron należy do leptonów, jest niepodzielny, czyli nie ma wewnętrznej struktury. Natomiast neutrony i protony są zbudowane z kwarków. Znaleziono dowody na istnienie sześciu rodzajów kwarków. Każdemu z kwarków fizycy nadali angielskie nazwy, nawiązujące bardziej do życia codziennego niż do świata nauki. W języku polskim nazwy te brzmią: górny (u), dolny (d), dziwny (s), powabny (c), niski (spodni) (b), wysoki (t). Kwarki nie istnieją samodzielnie w przyrodzie, a tylko w grupie, tworząc inne cząstki. Dwa z nich (górny i dolny) biorą udział w tworzeniu nukleonów.

R9IP1UYjLY1Pf1
Źródło: Krzysztof Jaworski, licencja: CC BY 3.0.
ijSMlmpUvE_d5e311

3. Opisujemy atomy

Aby opisać atom, należy podać liczby protonów (lub elektronów) i neutronów wchodzących w jego skład.

Polecenie 1

Spróbuj przedstawić na różne sposoby atom helu, który zawiera dwa elektrony oraz dwa protony i dwa neutrony w jądrze atomowym. Możesz stworzyć model przestrzenny atomu, opisać go słowami lub narysować. Technika prezentacji jest dowolna. Który z tych sposobów okazał się według ciebie najbardziej czytelny?

Atomy można opisywać na różne sposoby, można je narysować, scharakteryzować słownie, przedstawić w tabeli. Choć istnieje wiele sposobów prezentacji budowy atomu, chemicy wykorzystują tylko jeden, to znaczy opisują atomy za pomocą dwóch liczb: atomowej i masowej. Liczba atomowa (Z)liczba atomowaLiczba atomowa (Z) to liczba protonów w jądrze, natomiast liczba masowa (A)liczba masowaliczba masowa (A) to liczba nukleonów (suma protonów i neutronów). Liczby te umieszcza się w odpowiedniej kolejności i miejscu przy symbolu pierwiastka. Z lewej strony symbolu w indeksie górnym umieszcza się liczbę masową A, a w indeksie dolnym – liczbę atomową Z: EZA.

R1Wrqf4farOn61
Źródło: Krzysztof Jaworski, OpenClips (http://pixabay.com), licencja: CC BY 3.0.
Opis przykładowych atomów pierwiastków za pomocą liczb A i Z

Nazwa pierwiastka

Symbol pierwiastka

Liczba protonów w jądrze

Liczba neutronów w jądrze

Liczba elektronów

Liczba masowa

Liczba atomowa

Zapis

wodór

H

1

1

1

1

H11

tlen

O

8

8

8

16

8

O816

wapń

Ca

20

20

20

40

20

Ca2040

srebro

Ag

47

60

47

107

47

Ag47107
ijSMlmpUvE_d5e355

4. Jak duże są atomy pierwiastków i jaka jest ich masa? Jak możemy wyrażać masę atomów pierwiastków?

Znane są rozmiary i masy atomów. Średnice atomów to wielkości rzędu miliardowej części metra (10Indeks górny -9 m), a ich masy stanowią niewyobrażalnie małą część grama (10Indeks górny -24 g). Atomy należące do różnych pierwiastków różnią się pod względem masy i wielkości. Najlżejszy z nich, atom wodoru, ma masę około 1,66 · 10Indeks górny -24 g (0,00000000000000000000000166 g), a jego promień wynosi 30 pm (0,00000000003 m). Najcięższy z istniejących na Ziemi atomów – atom uranu – ma masę 3,95 · 10Indeks górny -22 g (0,000000000000000000000395 g), a jego promień równa się 138 pm (0,000000000138 m).

W codziennej pracy chemik rzadko wykorzystuje wiedzę dotyczącą wielkości atomów, natomiast częściej bierze pod uwagę ich masę. W tym wypadku posługiwanie się wielkościami, które mają małe wartości, jest bardzo niewygodne. Dokonywanie operacji matematycznych na tak małych liczbach może prowadzić do pomyłki i otrzymania niewłaściwego wyniku. Dlatego chemicy w opisie masy atomów posługują się wielkością zwaną atomową jednostką masyjednostka masy atomowejatomową jednostką masy lub unitem którą oznaczają symbolem u. Jej wartość wynosi 0,00000000000000000000000166 g (1,66 · 10Indeks górny -24 g).

Masę atomu pierwiastka, którą wyrazimy za pomocą tej jednostki, nazywa się masą atomową.

jednostka masy atomowej
jednostka masy atomowej

atomowa jednostka masy, unit [u] – jednostka masy wykorzystywana do określania względnych mas atomów (tzw. mas atomowych), liczbowo równa 1,66 · 10Indeks górny -24 g

Masa atomowa wodoru wynosi około 1 u, co oznacza, że rzeczywista masa atomu wodoru jest równa liczbowo jednemu unitowi, czyli 0,00000000000000000000000166 g (1,66 · 10Indeks górny -24 g).

R3xBqXhvaasJ91
R1GN9hB4iQN2B1

Masę cząstek subatomowych można także wyrazić w atomowych jednostkach masy. Okazuje się, że masy protonu i neutronu są równe około 1 u. Masa elektronu jest znacznie mniejsza od masy protonu i neutronu.

Cząstki subatomowe wchodzące w skład atomów

Nazwa

Symbol

Ładunek

Masa [u]

elektron

e (eIndeks górny -)

-1

11837

proton

p (pIndeks górny +)

1

1

neutron

n (n)

1

ijSMlmpUvE_d5e421

Podsumowanie

  • Podstawowym elementem materii jest atom.

  • Atom jest zbudowany z jądra i poruszających się wokół niego elektronów (ujemnie naładowanych cząstek).

  • Jądro atomowe zajmuje centrum atomu i składa się z nukleonów, którymi są protony (cząstki o ładunku dodatnim) i neutrony (cząstki, które nie posiadają ładunku elektrycznego).

  • W jądrze atomowym jest skupiona prawie cała masa atomu.

  • Liczba elektronów i protonów w atomie jest jednakowa.

  • Atomy opisuje się za pomocą liczby masowej (A) i liczby atomowej (Z) – EZA.

  • Liczba atomowa to liczba protonów w jądrze atomu.

  • Liczba masowa to suma liczby protonów i liczby neutronów w jądrze atomu.

  • Jednostką masy atomowej jest unit [u], a jego wartość wynosi 1,66 · 10Indeks górny -24 g.

Praca domowa
Polecenie 2.1

Dany jest zbiór atomów:

  • Al1327

  • Ne1021

  • Mg1224

Wskaż atom, który:

  1. ma najmniejszą masę,

  2. ma najmniej protonów,

  3. ma największą liczbę neutronów.

Polecenie 2.2

Dowiedz się i wyjaśnij, dlaczego nie można zobaczyć atomów za pomocą mikroskopu optycznego.

Polecenie 2.3

Oblicz długość promienia atomu, którego jądro miałoby średnicę taką jak najmniejsza planeta naszego Układu Słonecznego. Czy promień tego hipotetycznego atomu byłby większy, czy mniejszy niż odległość między Słońcem a najdalszą planetą naszego Układu Słonecznego?

ijSMlmpUvE_d5e605

Słowniczek

atom
atom

najmniejsza część pierwiastka chemicznego, zachowująca jego właściwości

John Dalton (czyt. dżon dalton)
Biogram John Dalton (czyt. dżon dalton) nie istnieje
elektron
elektron

trwała cząstka elementarna o ładunku ujemnym (elementarnym ładunku ujemnym); składnik atomu, zajmuje obszar w  przestrzeń wokół jądra

jądro atomowe
jądro atomowe

centralna część atomu, zbudowana z jednego lub więcej protonów i neutronów (nie wszystkie jądra atomowe zawierają neutrony); stanowi niewielką część objętości całego atomu; w jądrze skupiona jest prawie cała masa atomu

liczba atomowa
liczba atomowa

liczba protonów w jądrze atomowym (równa liczbie elektronów)

liczba masowa
liczba masowa

liczba nukleonów, równa sumie liczby protonów i liczby neutronów

neutron
neutron

cząstka bez ładunku elektrycznego, składnik jądra atomowego

nukleony
nukleony

składniki jądra atomowego; zaliczają się do nich protony i neutrony

proton
proton

cząstka o elementarnym ładunku dodatnim, składnik jądra atomowego

ijSMlmpUvE_d5e824

Zadania

Ćwiczenie 1
R1LaxdaedaJ1b1
zadanie interaktywne
Źródło: Bożena Karawajczyk, licencja: CC BY 3.0.
Ćwiczenie 2
R1adan3bp5poU1
zadanie interaktywne
Źródło: Bożena Karawajczyk, licencja: CC BY 3.0.
Ćwiczenie 3
R10LPF9PkP6Pt1
Zadanie interaktywne
Źródło: Bożena Karawajczyk, licencja: CC BY 3.0.
Ćwiczenie 4
R11GXmh6hkpYn1
zadanie interaktywne
Źródło: Bożena Karawajczyk, licencja: CC BY 3.0.
Ćwiczenie 5
R1ZFbKh2JR5Ig1
zadanie interaktywne
Źródło: Bożena Karawajczyk, licencja: CC BY 3.0.
Ćwiczenie 6
R1WGBHS7utUJi1
zadanie interaktywne
Źródło: Bożena Karawajczyk, licencja: CC BY 3.0.
Ćwiczenie 7
RkY1z1QGgaI1o1
zadanie interaktywne
Źródło: Bożena Karawajczyk, licencja: CC BY 3.0.
Ćwiczenie 8
RPynC26DphfXm1
zadanie interaktywne
Źródło: Bożena Karawajczyk, licencja: CC BY 3.0.
Ćwiczenie 9
R1cjxPNGe3pbu1
zadanie interaktywne
Źródło: Bożena Karawajczyk, licencja: CC BY 3.0.
Ćwiczenie 10
Rbg3a3ku7xJ9o1
zadanie interaktywne
Źródło: Bożena Karawajczyk, licencja: CC BY 3.0.