Budowa atomu

CHEMIA
LEKCJA 1.
Budowa atomu, Izotopy
Promieniotwórczość naturalna i
sztuczna
Model atomu Bohra
SPIS TREŚCI:
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
Modele budowy atomu Thomsona, Rutherforda i Bohra
Budowa atomu
Liczba atomowa a liczba masowa (przykład zadania)
Izotopy
Ustalenie masy atomowej danego pierwiastka na podstawie
procentowej zawartości izotopów (przykład zadania)
Konfiguracja elektronowa (zakaz Pauliego i reguła Hunda)
Promieniotwórczość naturalna i sztuczna (przemiana α, β i γ)
Okres półtrwania (przykład zadania)
Zadania do rozwiązania
1. Modele budowy atomu Thomsona, Rutherforda i Bohra
a) Model budowy atomu według Thomsona (1906)
1. model ciasta z rodzynkami
2. atom to kula o promieniu 10-10 m naładowana dodatnim ładunkiem
elektrycznym
3. wewnątrz tej kuli rozmieszczone są elektrony (są one ulokowane jak
rodzynki w cieście)
4. atom jako całość jest elektrycznie obojętny (dodatni ładunek obojętnego
atomu równy jest ujemnemu ładunkowi wszystkich jego elektronów)
b) Model budowy atomu według Rutherforda (1911)
1. model planetarny budowy atomu (można go porównać do budowy Układu
Słonecznego, gdzie Słońce to jądro atomowe, a planety wokół niego
krążące to elektrony)
2. atom składa się z jądra i powłoki elektronowej
3. jądro o ładunku dodatnim skupia w sobie prawie całą masę atomu
4. dookoła jądra po zamkniętych orbitach krążą elektrony tworząc powłokę
elektronowa atomu
5. atom jest elektrycznie obojętny (dodatni ładunek obojętnego atomu równy
jest ujemnemu ładunkowi wszystkich jego elektronów)
6. jest to model dynamiczny budowy atomu, ponieważ elektrony są w
ciągłym ruchu, w przeciwnym wypadku zostałby przyciągnięte przez
jądro wskutek działania sił kulombowskich
c) Model budowy atomu według Bohra (1913)
1. uzupełnienie teorii Rutherforda
2. postulaty Bohra (dotyczące atomu wodoru)
 elektron w atomie wodoru porusza się po orbicie kołowej dokoła jądra
pod wpływem siły kulombowskiej
 dozwolone są takie orbity dla których moment pędu krążącego elektronu
równy całkowitej wielokrotności stałej Plancka h podzielonej przez 2π
 elektron poruszający się po dozwolonej orbicie nie wypromieniowuje
energii elektromagnetycznej – emisja lub absorpcja promieniowania
występuje przy przejściu elektronu z jednej orbity na inną
2. Budowa atomu
Atom składa się z jądra atomowego i elektronów, które krążą wokół niego. W
skład jądra atomowego wchodzą protony i neutrony, które mają wspólną nazwę
– NUKLEONÓW. Natomiast elektrony można podzielić na niewalencyjne,
które wraz z jądrem atomowym tworzą ZRĄB ATOMOWY oraz walencyjne,
które leżą na ostatniej powłoce atomu i biorą udział w reakcji chemicznej.
protony
JĄDRO
ATOMOWE
neutrony
ATOM
CHMURA
ELEKTRONOWA
elektrony
 posiadają ładunek
dodatni
 oznaczane literą p
 masa 1,674 × 10-27 kg
(1,0073 u)
 nie posiadają ładunku
 oznaczane literą n
 masa 1,675 × 10-27 kg
(1,0087 u)
 posiadają ładunek
ujemny
 oznaczane literą e
 masa jest 1836 razy
mniejsza od masy
protonu i wynosi około
0,00055 u
3. Liczba atomowa a liczba masowa
LICZBA ATOMOWA (Z) – liczba określająca ilość protonów w jądrze atomu,
jest
ona charakterystyczna i stała dla danego pierwiastka.
LICZBA MASOWA (A) – liczba stanowiąca sumę protonów i neutronów
(nukleony) w jądrze.
liczba protonów = Z
liczba elektronów = Z, bo atom jest elektrycznie obojętny
liczba neutronów = A - Z
Ogólny symbol pierwiastka z zaznaczeniem liczby atomowej i masowej
Izotop chloru zawiera:
• 17 protonów
• 17 elektronów
• 18 neutronów
Zadanie
Podaj skład jądra atomowego oraz ilość elektronów, które występują w
podanym izotopie:
> Liczba protonów jest równa liczbie atomowej (Z) i wynosi 6.
> Liczba elektronów jest równa liczbie protonów, ponieważ atom jest elektrycznie obojętny i
wynosi 6.
> Liczba neutronów jest równa różnicy liczby masowej i atomowej i wynosi 12 - 6 = 6
4. Izotopy
IZOTOPY – są to atomy tego samego pierwiastka różniące się liczba
neutronów w jądrze.
Izotopy wodoru:
Izotop Liczba
Liczba
Liczba
wodoru protonów neutronów elektronów
Prot
1
0
1
Deuter
1
1
1
Tryt
1
2
1
Czy wiesz, że chrom posiada 13 izotopów, od 45Cr do 57Cr, z czego trwałe są
izotopy 50, 52, 53 i 54.
5. Ustalenie masy atomowej danego pierwiastka na podstawie
procentowej zawartości izotopów
Wzór na obliczenie masy atomowej danego pierwiastka:
Ar – masa atomowa danego pierwiastka
%n – procentowa zawartość danego izotopu
An – liczba masowa danego izotopu pierwiastka
Zadanie
Tlen występuje w 8 izotopach w przyrodzie, a najważniejsze z nich to 16O
(99,759 %), 17O (0,037 %) i 18O (0,204 %). Oblicz masę atomową tlenu.
Ma = 99,759 % × 16 u / 100% + 0,037 % × 17 u / 100% + 0,204 % × 18 u / 100% =
15,96144 + 0,00629 + 0,03672 = 16,00445 u
Odp. Masa atomowa tlenu wynosi 16,00445 u.
6. Konfiguracja elektronowa
Konfiguracja elektronowa to przyporządkowanie elektronów w atomie
określonym stanom kwantowym za pomocą liczb kwantowych.
Dla atomu azotu wygląda to następująco:
N 1s2 2s2 2p3
11
pełna konfiguracja elektronowa
[He] 2s2 2p3 skrócona konfiguracja elektronowa (z gazem szlachetnym)
konfiguracja elektronowa w systemie klatkowym
Schemat obsadzania elektronami poszczególnych stanów kwantowych w
przypadku atomu wieloelektronowego:
 ZAKAZ PAULIEGO
W atomie wieloelektronowym dwa elektrony nie mogą być w stanach o
takich samych wartościach wszystkich liczb kwantowych.
 REGUŁA HUNDA
Najkorzystniejsze energetycznie jest takie zapełnianie poziomów
energetycznych tak by liczba niesparowanych elektronów w obrębie danej
powłoki była największa.
Według schematu obsadzania elektronami poszczególnych stanów kwantowych
w przypadku atomu wieloelektrodowego najpierw obsadzamy orbitalne w
kolejności 1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p 5s 4d 5p 6s 4f 5d 6p 7s 5f 6d 7p.
Zakaz Pauliego mówi nam o tym, że nie mogą istnieć dwa elektrony o tych
samych wartościach liczb kwantowych, tak więc pisząc konfigurację
elektronową w systemie klatkowym jeden elektron zapisuje się ze strzałką w
górę, a drugi w dół.
7. Promieniotwórczość naturalna i sztuczna (przemiana α, β i γ)
Promieniotwórczość można podzielić na naturalną i sztuczną.
Promieniotwórczość naturalna dotyczy samorzutnych przemian jądrowych
zachodzących w przyrodzie, natomiast promieniotwórczość sztuczna - reakcji
jądrowych, które zostały zainicjowane przez człowieka.
PRZEMIANA α
1. ulegają jej tzw. jądra ciężkie o liczbie atomowej większej
od 83 i masowej większej od 209
2. promieniowanie α charakteryzuje się niska energią i małą przenikalnością
3. ogólny schemat przemiany:
Przemianie α ulegają najczęściej ciężkie pierwiastki promieniotwórcze oraz
niektóre izotopy promieniotwórcze pierwiastków ziem rzadkich.
(np. uran, rad, radon, polon, proaktyn itp.)
PRZEMIANA β
Przemiana β+:
1. przemiana β+ to reakcja jądrowa, w której emitowana jest cząstka
β+ nazywana pozytonem lub antyelektronem
2. zachodzi bardzo rzadko
3. Przykłady izotopów, które ulegają rozpadowi
11
C, 13N, 15O, 18F i 22Na.
Przemiana β-:
1. przemiana β- to reakcja jądrowa, w której emitowany jest elektron
2. Przykłady izotopów, które ulegają rozpadowi beta minus:
Co-60, Na-24, C-14, H-3 (tryt)
PRZEMIANA γ
1.
2.
3.
4.
to emisja wysokoenergetycznych fotonów
nie niesie ze sobą ładunku
promieniowanie gamma jest wysokoenergetyczne
jest to reakcja jądrowa, podczas której emitowane jest tylko
promieniowanie gamma, a nie są emitowane inne cząstki.
Rozpad gamma zawsze towarzyszy rozpadom alfa i beta. Wzbudzone jądro
atomu by przejść do stanu stabilnego emituje czystą energię w postaci kwantów
gamma.
jądro atomowe
promieniowanie gamma
8. Okres półtrwania (przykład zadania)
Wzór na obliczenie okresu półtrwania:
N – liczba pozostałych atomów izotopu
N0 – początkowa liczba atomów izotopu
t – czas rozpadu
T1/2 – okres póltrwania
Zadanie:
Promieniotwórczy izotop radonu 222Rn ma okres półtrwania 4 dni. Oblicz
masę radonu, jaka pozostanie po 12 dniach (początkowa masa
promieniotwórczego pierwiastka wynosi 10 g).
Pierwszy sposób:
po czterech dniach pozostanie 5 g izotopu
po ośmiu dniach pozostanie 2,5 g izotopu
po dwunastu dniach pozostanie 1,25 g izotopu
Drugi sposób (ze wzoru):
mo = 10 g
t = 12 dni
T1/2 = 4 dni
m=?
m = 10×(1/2)12/4
m = 10 ×(1/2)3
m = 1,25 g
ZADANIA DO ROZWIĄZANIA
1. Oblicz okres połowicznego rozpadu pewnego promieniotwórczego
nuklidu, jeżeli po upływie 21 dni pozostało 12,5 % jego wyjściowej masy.
2. Pewien pierwiastek ma dwa izotopy o liczbie nukleonów 121 i 123; jeżeli
masa atomowa jest równa 121,76 u to jaki procent tego pierwiastka
stanowi cięższy izotop?
3. Napisz konfigurację elektronową pełną, skróconą oraz w systemie
klatkowym następujących pierwiastków: azot, siarka cynk, chrom i radon.
4. Nuklid 23592U uległ sześciu przemianom α i czterem przemianom β-. Jaki
będzie produkt tych przemian?
Na koniec parę ciekawostek:
> Szereg promieniotwórczy to zespół pierwiastków promieniotwórczych
powstających w wyniku następujących po sobie rozpadów promieniotwórczych
(alfa i beta). Rozpoczyna się izotopem o długim okresie półtrwania, a kończy
trwałym izotopem – niepromieniotwórczym. Istnieją cztery szeregi
promieniotwórcze: uranowo – radowy, uranowo – aktynowy, torowy i
neptunowi.
szereg uranowo - radowy
> Reaktor jądrowy – to urządzenie, w którym istnieje możliwość sterowania
reakcjami
rozszczepienia tak, aby przebiegały z pożądaną szybkością.
> Elektrownia atomowa - obiekt przemysłowo-energetyczny, wytwarzający
energię elektryczną poprzez wykorzystanie energii pochodzącej z
rozszczepienia jąder atomów, najczęściej uranu (uranu naturalnego lub nieco
wzbogaconego w izotop U-235), w której ciepło konieczne do uzyskania pary,
jest otrzymywane z reaktora jądrowego.