Chemie · Střední škola · kapitola 1

Stavba atomu

Od Daltonových „kuliček“ přes Thomsonův pudink s rozinkami a Rutherfordovo jádro po kvantovou mechaniku – představa atomu se během jednoho století proměnila od základu. Elektronový obal dnes popisujeme pravděpodobností a orbitaly.

1Vývoj modelů atomu

Heisenbergův princip neurčitosti říká, že nelze současně přesně určit polohu a hybnost elektronu. Elektron má zároveň vlnové i částicové vlastnosti (de Broglie, 1924).

2Atomové jádro

Jádro tvoří nukleony – protony a neutrony – držené silnou jadernou silou, která na malé vzdálenosti přemáhá elektrostatické odpuzování protonů. Zápis nuklidu: ^A_ZX, např. ²³⁵₉₂U. Hmotnost jádra je menší než součet hmotností nukleonů – rozdíl (hmotnostní úbytek) odpovídá vazebné energii podle E = mc². Nejpevněji vázaná jsou jádra kolem železa, proto se energie uvolňuje štěpením těžkých jader i slučováním lehkých.

Relativní atomová hmotnost A_r je poměr průměrné hmotnosti atomu prvku (podle zastoupení izotopů) k 1/12 hmotnosti atomu ¹²C (atomová hmotnostní konstanta u = 1,66 · 10⁻²⁷ kg).

3Radioaktivita a jaderné reakce

Radioaktivitu objevil Henri Becquerel (1896) na uranových solích; Marie Curie-Skłodowská a Pierre Curie z jáchymovského smolince izolovali polonium a radium. Nestabilní jádra se samovolně přeměňují:

• Přeměna α – jádro vyzáří jádro helia ⁴₂He; Z klesne o 2, A o 4. Záření α zastaví list papíru.
• Přeměna β⁻ – neutron se změní na proton, vyletí elektron a antineutrino; Z vzroste o 1. Záření β zastaví hliníkový plech.
• Záření γ – elektromagnetické záření o vysoké energii, doprovází přeměny; odstíní ho olovo nebo beton.

Poločas přeměny T je doba, za kterou se přemění polovina jader vzorku (¹⁴C: 5 730 let; ¹³¹I: 8 dní; ²³⁸U: 4,5 miliardy let). Využití: datování (radiouhlíková metoda), medicína (radioterapie, PET, scintigrafie), jaderná energetika.

• Jaderné štěpení – ²³⁵U se po zachycení neutronu rozštěpí na dvě střední jádra a 2–3 neutrony, které štěpí další jádra – řetězová reakce, řízená v reaktoru (Temelín, Dukovany).
• Jaderná fúze – slučování lehkých jader (vodíku na helium) zdrojem energie Slunce; výzkum řízené fúze (tokamaky, ITER).

4Kvantová čísla a orbitaly

Orbital je oblast, kde se elektron vyskytuje s pravděpodobností asi 95 %. Stav elektronu popisují čtyři kvantová čísla:

Pravidla zaplňování:

1. Výstavbový princip – elektrony obsazují orbitaly od nejnižší energie podle pravidla n + l: 1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p 5s 4d 5p 6s 4f 5d 6p 7s 5f 6d 7p.
2. Pauliho princip výlučnosti – v atomu nemohou mít dva elektrony všechna čtyři kvantová čísla stejná; v jednom orbitalu jsou nejvýše 2 elektrony s opačným spinem.
3. Hundovo pravidlo – degenerované orbitaly (např. tři 2p) se nejprve obsazují po jednom elektronu se stejným spinem.

5Elektronová konfigurace

Valenční elektrony (v posledních neúplně zaplněných orbitalech) určují chemické vlastnosti. Podle orbitalu, do kterého přibývá poslední elektron, dělíme prvky na bloky s (skupiny 1–2 a He), p (13–18), d (přechodné kovy, 3–12) a f (lanthanoidy a aktinoidy).

6Periodický zákon a periodicita vlastností

Periodický zákon: vlastnosti prvků jsou periodickou funkcí jejich protonového čísla. Moderní tabulka má 7 period a 18 skupin.

• Atomový poloměr – v periodě zleva doprava klesá (roste náboj jádra, elektrony jsou přitahovány silněji), ve skupině shora dolů roste (přibývají vrstvy).
• Ionizační energie – energie potřebná k odtržení elektronu; v periodě roste, ve skupině klesá. Nejnižší mají alkalické kovy, nejvyšší vzácné plyny.
• Elektronegativita – schopnost atomu ve vazbě přitahovat elektrony (Paulingova stupnice): nejvyšší má fluor (4,0), pak kyslík (3,4) a chlor (3,2); nejnižší cesium a francium (0,7).
• Kovový charakter – roste ve skupině dolů a v periodě doleva. Hranice mezi kovy a nekovy vede diagonálně od boru k astatu.

7Kvíz – procvič si kapitolu