Budowa atomu - z czego składa się atom, cząstki i przykłady

Budowa atomu obejmuje małe, dodatnio naładowane jądro z protonami i neutronami oraz elektrony poruszające się wokół niego. Atom obojętny ma tyle samo protonów co elektronów, dlatego jego ładunek całkowity wynosi 0. Żeby naprawdę rozumieć atom, trzeba połączyć trzy rzeczy: cząstki elementarne, liczby A i Z oraz sposób rozmieszczenia elektronów na powłokach.

Co to jest atom

Atom to najmniejsza cząstka pierwiastka chemicznego, która zachowuje jego właściwości. Atom sodu nadal jest sodem, atom tlenu nadal jest tlenem, a atom węgla nadal ma cechy węgla. Gdy schodzi się niżej, do protonów, neutronów i elektronów, nie mówi się już o właściwościach pierwiastka, tylko o cząstkach, z których pierwiastek jest zbudowany.

Każdy atom składa się z jądra atomowego i elektronów. Jądro znajduje się w centrum atomu, zawiera protony oraz neutrony i skupia niemal całą masę atomu. Elektrony zajmują obszar poza jądrem. Nie należy wyobrażać sobie atomu jako miniaturowego Układu Słonecznego w sensie dosłownym, ale taki obraz pomaga na początku zrozumieć, że dodatnie jądro i ujemne elektrony nie znajdują się w tym samym miejscu.

Najbardziej zaskakuje skala. Atom jest około 100 000 razy większy od swojego jądra. To znaczy, że jądro jest bardzo małym, ciężkim punktem w ogromnej przestrzeni, w której znajdują się elektrony. Prawie cała masa mieści się w jądrze, ale prawie cała objętość atomu to przestrzeń związana z elektronami.

Atom jako całość jest elektrycznie obojętny, ponieważ liczba dodatnich protonów jest równa liczbie ujemnych elektronów. Jeśli atom ma 11 protonów i 11 elektronów, ich ładunki się równoważą. Dopiero utrata lub przyjęcie elektronów zmienia atom w jon.

Cząstki budujące atom: proton, neutron, elektron

Trzy podstawowe cząstki budujące atom to proton, neutron i elektron. Różnią się ładunkiem, masą i położeniem w atomie. Protony i neutrony znajdują się w jądrze, a elektrony poza jądrem.

• Proton (p+) ma ładunek dodatni (+1), masę około 1 u i znajduje się w jądrze atomowym.
• Neutron (n0) ma ładunek obojętny (0), masę około 1 u i także znajduje się w jądrze.
• Elektron (e-) ma ładunek ujemny (-1), masę około 1/1836 masy protonu i znajduje się poza jądrem.

Proton i neutron mają podobną masę, dlatego to one decydują o masie atomu. Elektron jest tak lekki, że w podstawowych obliczeniach szkolnych jego masę traktuje się jako znikomą. Protony i neutrony razem nazywa się nukleonami, bo tworzą jądro atomowe.

Masę atomów opisuje się często w jednostkach masy atomowej. Jedna jednostka masy atomowej to 1 u = 1,66 * 10^-24 g, czyli 1,66 razy 10 do potęgi -24 g. Ta jednostka jest wygodna, bo masa pojedynczego atomu w gramach byłaby skrajnie mała i niewygodna do zapisu.

Liczba atomowa i liczba masowa

Liczba atomowa Z oznacza liczbę protonów w jądrze, a liczba masowa A oznacza sumę protonów i neutronów. Te dwie liczby pozwalają ustalić, jaki to pierwiastek i ile cząstek znajduje się w jądrze.

Liczba atomowa Z jest najważniejsza dla tożsamości pierwiastka. Jeśli atom ma 8 protonów, jest tlenem. Jeśli ma 11 protonów, jest sodem. Zmiana liczby protonów oznacza zmianę pierwiastka, dlatego Z określa też miejsce pierwiastka w układzie okresowym. W atomie obojętnym liczba elektronów jest równa Z, bo ładunki protonów i elektronów muszą się zrównoważyć.

Liczba masowa A to suma protonów i neutronów, czyli A = Z + N. Litera N oznacza liczbę neutronów. Z tego wynika prosty wzór do obliczeń: N = A - Z. Jeśli znasz liczbę masową i atomową, możesz policzyć liczbę neutronów bez zgadywania.

W zapisie izotopowym symbol pierwiastka ma liczbę masową u góry po lewej stronie, a liczbę atomową na dole po lewej stronie. Dla tlenu o A=16 i Z=8 oznacza to: na górze 16, na dole 8, obok symbol O. Taki zapis mówi, że atom ma 8 protonów, 8 elektronów w stanie obojętnym i 16 - 8 = 8 neutronów.

Ile protonów, neutronów i elektronów ma atom - przykłady

Liczbę protonów, neutronów i elektronów liczy się z Z i A, a nie z samej nazwy pierwiastka. Nazwa mówi, jaki to pierwiastek, ale pełne obliczenie wymaga liczby atomowej i masowej.

Dla sodu przyjmujemy Z=11 i A=23. Liczba protonów wynosi 11, bo Z zawsze oznacza protony. Atom obojętny sodu ma także 11 elektronów, ponieważ liczba elektronów jest równa liczbie protonów. Liczba neutronów wynosi N = A - Z, więc N = 23 - 11 = 12. Sód ma więc 11 protonów, 12 neutronów i 11 elektronów.

Dla tlenu przyjmujemy Z=8 i A=16. Tlen ma 8 protonów. Jeśli jest atomem obojętnym, ma 8 elektronów. Liczba neutronów to N = 16 - 8 = 8. W tym przykładzie wynik jest symetryczny: tlen ma 8 protonów, 8 neutronów i 8 elektronów.

Dla węgla przyjmujemy Z=6 i A=12. Węgiel ma 6 protonów i, jako atom obojętny, 6 elektronów. Neutrony liczymy tak samo: N = 12 - 6 = 6. Węgiel-12 ma więc 6 protonów, 6 neutronów i 6 elektronów.

Te przykłady pokazują ważną zasadę: liczba elektronów zależy od tego, czy atom jest obojętny, a liczba neutronów zależy od A i Z. Dlatego przy zadaniach warto najpierw zapisać dane, potem wzór N = A - Z, a dopiero na końcu wynik.

Powłoki elektronowe i konfiguracja

Elektrony są rozmieszczone na powłokach elektronowych, czyli poziomach energetycznych oznaczanych K, L, M, N i kolejnymi literami. Powłoka K znajduje się najbliżej jądra, potem jest L, następnie M. Elektrony zapełniają powłoki od najbliższej jądru, jeśli mówimy o prostym modelu szkolnym.

Maksymalną liczbę elektronów na powłoce opisuje wzór 2n^2, gdzie n oznacza numer powłoki. Dla powłoki K n=1, więc maksymalnie mieści ona 2 elektrony. Dla powłoki L n=2, więc 2n^2 daje 8 elektronów. Dla powłoki M n=3, więc maksymalna liczba wynosi 18 elektronów. W podstawowych przykładach najczęściej pracuje się jednak z prostymi konfiguracjami pierwszych kilkunastu pierwiastków.

Sód ma 11 elektronów, jeśli jest atomem obojętnym. Pierwsza powłoka K przyjmuje 2 elektrony, druga powłoka L przyjmuje 8 elektronów, a zostaje jeszcze 1 elektron na powłoce M. Konfigurację sodu zapisuje się więc jako 2, 8, 1. To bardzo ważny przykład, bo ostatnia jedynka tłumaczy, dlaczego sód łatwo oddaje jeden elektron.

Tlen ma 8 elektronów, więc jego konfiguracja to 2, 6: dwa elektrony na powłoce K i sześć na powłoce L. Węgiel ma 6 elektronów, więc zapis wynosi 2, 4. Te krótkie zapisy pokazują nie tylko liczbę elektronów, ale też liczbę elektronów na ostatniej powłoce.

Elektrony na ostatniej, najbardziej zewnętrznej powłoce to elektrony walencyjne. To one w dużej mierze decydują o właściwościach chemicznych pierwiastka i o tym, jakie wiązania może tworzyć atom. U pierwiastków grup głównych liczba elektronów walencyjnych zwykle odpowiada numerowi grupy w układzie okresowym. Sód należy do grupy 1 i ma 1 elektron walencyjny.

Izotopy

Izotopy to atomy tego samego pierwiastka, które mają tę samą liczbę protonów, ale różną liczbę neutronów. Oznacza to, że mają tę samą liczbę atomową Z, ale inną liczbę masową A. Pierwiastek pozostaje ten sam, bo o jego tożsamości decyduje liczba protonów.

Najprostszy przykład daje wodór. Prot ma 1 proton i 0 neutronów. Deuter ma 1 proton i 1 neutron. Tryt ma 1 proton i 2 neutrony. Wszystkie trzy są izotopami wodoru, bo każdy z nich ma Z=1. Różnią się masą, ponieważ mają inną liczbę neutronów.

Podobnie działa węgiel. Węgiel-12 ma 6 protonów i 6 neutronów, bo A=12 i Z=6. Węgiel-14 ma 6 protonów i 8 neutronów, bo N = 14 - 6 = 8. Węgiel-14 jest promieniotwórczy i wykorzystuje się go w datowaniu, między innymi materiałów pochodzenia organicznego.

Izotopy danego pierwiastka mają zasadniczo te same właściwości chemiczne, ponieważ o chemii decyduje przede wszystkim liczba elektronów, zwłaszcza walencyjnych. Różnią się natomiast masą. To dlatego izotop nie jest nowym pierwiastkiem, tylko odmianą atomów tego samego pierwiastka.

Jony: kationy i aniony

Jon powstaje wtedy, gdy atom odda albo przyjmie elektrony i przestanie być elektrycznie obojętny. W jądrze liczba protonów się nie zmienia, dlatego pierwiastek pozostaje ten sam. Zmienia się liczba elektronów, a razem z nią ładunek całej cząstki.

Kation ma ładunek dodatni, bo atom oddał jeden lub więcej elektronów. Sód jako atom obojętny ma 11 protonów i 11 elektronów. Gdy odda jeden elektron, powstaje jon Na+. Ma wtedy 11 protonów i 10 elektronów. Dodatni ładunek wynika z przewagi protonów nad elektronami.

Anion ma ładunek ujemny, bo atom przyjął elektrony. Chlor jako atom obojętny ma 17 protonów i 17 elektronów. Gdy przyjmie jeden elektron, powstaje jon Cl-. Ma wtedy 17 protonów i 18 elektronów. Ujemny ładunek wynika z przewagi elektronów nad protonami.

Najważniejsze rozróżnienie brzmi prosto: jon różni się liczbą elektronów, a izotop różni się liczbą neutronów. Jon Na+ nie jest izotopem sodu, bo nie zmieniła się liczba neutronów. Węgiel-14 nie jest jonem węgla, bo sama informacja o izotopie mówi o neutronach, nie o przyjęciu lub oddaniu elektronów.

Jak zmieniał się model atomu

Model atomu zmieniał się wraz z odkryciami, bo kolejne doświadczenia pokazywały, że atom ma bardziej złożoną budowę, niż początkowo sądzono. Historia modeli atomu pomaga zrozumieć, skąd wzięły się pojęcia jądra, elektronów i powłok.

Na początku XIX wieku John Dalton opisywał atom jako niepodzielną kulkę. W tym modelu atomy różnych pierwiastków różniły się masą i właściwościami, ale nie zakładano jeszcze wewnętrznej budowy atomu. Był to ważny krok, bo porządkował myślenie o materii i reakcjach chemicznych.

W 1897 roku Joseph John Thomson odkrył elektron. Zaproponował model nazywany potocznie modelem ciasta z rodzynkami: dodatnio naładowana materia miała tworzyć całość, a elektrony miały być w niej rozmieszczone jak rodzynki. Dziś ten obraz jest nieaktualny, ale wyjaśniał, że atom nie jest niepodzielny.

W 1911 roku Ernest Rutherford przeprowadził słynne doświadczenie z folią złota. Wyniki pokazały, że dodatni ładunek i prawie cała masa atomu są skupione w bardzo małym jądrze. To obaliło model Thomsona i wprowadziło obraz atomu z centralnym, dodatnim jądrem.

W 1913 roku Niels Bohr zaproponował model, w którym elektrony znajdują się na dozwolonych powłokach, czyli orbitach o określonej energii. Ten model dobrze tłumaczy podstawowe rozmieszczenie elektronów i jest nadal użyteczny w nauce szkolnej. Współczesny model kwantowy opisuje elektrony dokładniej: nie jako kulki na torach, ale jako chmurę prawdopodobieństwa i orbitale.

Najczęstsze błędy o budowie atomu

Najczęstsze błędy wynikają z mieszania pojęć, które brzmią podobnie, ale opisują różne cechy atomu. W zadaniach z chemii jedno nieprecyzyjne skojarzenie potrafi zmienić cały wynik obliczenia.

• Liczba masowa A to nie to samo co masa atomowa. A jest liczbą całkowitą nukleonów, czyli protonów i neutronów.
• Liczby neutronów nie odczytuje się wprost z układu okresowego. Liczy się ją ze wzoru N = A - Z.
• Jon to nie izotop. Jon ma zmienioną liczbę elektronów, a izotop ma zmienioną liczbę neutronów.
• O reaktywności chemicznej decydują głównie elektrony walencyjne, a nie sama całkowita liczba elektronów w atomie.
• Prawie cała masa atomu znajduje się w jądrze, mimo że jądro zajmuje znikomą część objętości atomu.

Warto też uważać na skrót myślowy, że elektrony po prostu "krążą" wokół jądra tak jak planety. W modelu Bohra taki obraz jest użyteczny na start, ale współczesna chemia i fizyka mówią raczej o orbitalach i prawdopodobieństwie znalezienia elektronu w określonym obszarze. Na poziomie podstawowym najważniejsze jest jednak to, aby nie mylić powłok z jądrem i nie doliczać elektronów do liczby masowej A.

Najczęściej zadawane pytania