John Dalton na początku XX wieku ogłosił atomistyczną teorię budowę materii z następującymi założeniami:
1. najmniejsze cząstki materii to atomy
2. atomy mają kształt kulisty
3. atomy łączą ze sobą w trakcie reakcji chemicznych tworząc cząsteczki
4. tylko całe atomy mają zdolność łączenia się a nie ich części
5. atomy są nie podzielne
Pogląd o nie podzielności atomu upadł na skutek nowych odkryć:
1. odkrycie elektronu (badania nad elektrycznością)
2. wyznaczenie masy elektronu i jego ładunku
3. odkrycie promieni (Roentgena X), czyli promieni X
4. odkrycie zjawiska promieniotwórczości
5. badania związane z przesyłaniem światła oraz badania związane z oddziaływaniem elektronów na inną materię
Modele atomu
wg. Thomsona wg. Rutherforda wg. Bohra
(masa naładowanej materii) (jądro kształt eliptyczny (fala energo-
model planetarny) magnetyczna)
Najnowszym modelem budowy atomu jest model kwantowo-mechaniczny-matematyczny nie jest to model wyobrażeniowy.
W teorii kwantowo-mechanicznej za pomocą równań matematycznych opisuje się zachowanie elektronu będącego w ruchu wokół jądra jako pewne funkcje i pozwala to określić, atom jako układ mniejszych cząstek elementarnych, w którym to układzie możemy wyróżnić dwie sfery:
- sferę dodatnią naładowanego jądra i sferę elektronową w postaci chmury ujemnego ładunku.
Trzy cząstki elementarne
Jądro= p- proton + n- neutron = nukleony
ē - elektron – chmura elektronowa
ē -negaton
e+- pozyton
Pierwiastek chemiczny to substancja, która nie może być podzielona na inne, prostsze substancje poprzez reakcje chemiczne. Znanych jest ponad 100 pierwiastków, sklasyfikowanych w układzie okresowym. Pierwiastkiem nazywamy zbiór atomów o takiej samej liczbie protonów w jądrze.
Liczba protonów zawartych w jądrze atomu danego pierwiastka nazywa się liczbą atomową i oznacza się dużą literą Z!.
Z-liczba atomowa = liczba protonów w jądrze = liczbie ē w atomie = nr kolejny pierwiastka w układzie okresowym
Liczba masowa to całkowita liczba protonów i neutronów w jednym atomie pierwiastka. Liczba masowa pierwiastka może być różna, ponieważ liczba neutronów może się zmieniać.
A-liczba masowa = liczbie nukleonów w jądrze, czyli A=p+n=Z+n
Chmura elektronowa to inaczej przestrzeń wokół jądra, gdzie elektrony przebywają najczęściej.
Chmura elektronowa – prawdopodobieństwo o występowaniu elektronów = 99% powłoki.
Powłoki – powierzchnia dozwolonej energii elektronów w atomie W wyniku wzajemnych oddziaływań momentów magnetycznych orbitalnych, spinowych i jądrowego powłoki elektronowe rozwarstwiają się na podpowłoki elektronowe (subtelna struktura, nadsubtelna struktura).
W nawiązaniu do modelu atomu Bohra kolejne powłoki elektronowe określa się literami K, L, M, itd.
Podpowłoki
Orbitale atomowe – najmniejsza przestrzeń wokół jądra, gdzie prawdopodobieństwo wystąpienia elektronu =>90%
Z – liczba elektronów
Nr okresu = liczbie powłok
Nr grupy = liczbie elektronów na ostatniej powłoce
15P z=15 ē=15
Rozkład elektronów na poszczególnych powłokach i podpowłokach, orbitalach atomowych nazywamy konfiguracją elektronową atomów.
Elektrony z ostatniej powłoki nazywają się walencyjnymi, a to oznacza, że mogą brać udział w tworzeniu wiązań chemicznych, gdy atom dolnego pierwiastka tworzy cząsteczki lub wchodzi w związek chemiczny z atomami innych pierwiastków.
Cząstka elementarna to cząstka nie posiadająca struktury. W latach przed pojawieniem się modelu kwarków za cząstki elementarne uważano proton, neutron, hiperony, mezony, foton, leptony oraz tzw. cząstki rezonansowe (i ich antycząstki). Już w latach 60. znanych było ponad 100 cząstek elementarnych, co stanowczo było niepokojące, w obecnej chwili znanych jest ich kilkaset.
Promieniotwórczość, radioaktywność, zjawisko samoistnej przemiany jednych jąder atomowych w inne. Głównymi procesami odpowiedzialnymi za promieniotwórczość są: rozpad beta, rozpad alfa, wychwyt elektronu, spontaniczne rozszczepienie.
Promieniotwórczość naturalna, zjawisko obecności w środowisku naturalnym substancji promieniotwórczych niezależnie od działalności człowieka (w odróżnieniu od skażeń promieniotwórczych). W środowisku można zaobserwować ponad 60 izotopów promieniotwórczych. Ze względu na pochodzenie izotopy te dzieli się na trzy kategorie:
1) pierwotne izotopy promieniotwórcze, posiadające czasy połowicznego zaniku (T1/2) powyżej 0,5 mld lat, które powstały wraz ze stabilną materią tworzącą Ziemię (nukleogeneza) i nie zdążyły się jeszcze całkiem rozpaść - najbardziej istotnymi (tj. najbardziej rozpowszechnionymi i mającymi znaczący udział w dawce od tła naturalnego) izotopami w tej klasie są: 40K (1,28 mld lat), 238U (4,5 mld lat), 232Th (14 mld lat), mniej istotne to 235U (0,71 mld lat), 87Rb (48 mld lat) oraz alfa promieniotwórcze pierwiastki ziem rzadkich, np. 147Sm (105 mld lat), a także kilkanaście in.
2) wtórne izotopy promieniotwórcze, które pochodzą z sekwencyjnych rozpadów niektórych izotopów należących do kategorii pierwszej (szeregi promieniotwórcze) - łącznie jest to grupa ponad trzydziestu izotopów, wśród nich najistotniejsze są izotopy radu: 226Ra i 228Ra, radonu: 222Rn i 220Rn, polonu: 210Po, i ołowiu: 210Pb.
3) kosmogenne pierwiastki promieniotwórcze, czyli grupa ponad dziesięciu izotopów promieniotwórczych lekkich pierwiastków, powstających ciągle, głównie w górnych warstwach atmosfery ziemskiej, w reakcjach jądrowych (tzw. reakcje spalacji) wywołanych przez protony promieniowania kosmicznego - najbardziej istotne wśród nich to: 14C (5,7 tys. lat), 7Be (54 dni), 10Be (1,7 mln lat), 3H (12 lat), mniej istotne to wybrane izotopy siarki, chloru, fosforu, aluminium.
Promieniotwórczość sztuczna, zjawisko promieniotwórczości obserwowane dla izotopów promieniotwórczych innych niż występujące w naturalnym środowisku ziemi, otrzymanych najczęściej w wyniku aktywacji izotopów stabilnych.
Prawo okresowości, okresowości prawo, empiryczne prawo odkryte przez D.I. Mendelejewa w 1869, stwierdzające, że własności chemiczne i fizyczne ulegają cyklicznym zmianom od pierwiastków o niższych masach atomowych do pierwiastków o wyższych masach atomowych (we współczesnym sformułowaniu prawa okresowości masa atomowa zastąpiona jest liczbą atomową).Przykładami własności pierwiastków podlegających prawu okresowości są: objętość atomowa, energia jonizacji, powinowactwo elektronowe, elektroujemność. Układ okresowy pierwiastków, układ periodyczny pierwiastków, tablica grupująca pierwiastki chemiczne na podstawie prawa okresowości. Poziome szeregi noszą nazwę okresów, pionowe kolumny nazywane są grupami. Pierwiastki należące do tej samej grupy mają analogiczną konfigurację zewnętrznych powłok elektronowych, wykazują wiele podobieństw we własnościach fizykochemicznych. Są to: litowce, berylowce, borowce, węglowce, azotowce, tlenowce, fluorowce, helowce. Pierwiastki tzw. grup głównych, należące do okresu n (n - główna liczba kwantowa ostatniej powłoki atomów pierwiastków w tym okresie), zabudowują podpowłokę ns lub np. Pierwiastki grup pobocznych, czyli pierwiastki rozbudowujące podpowłokę (n-1)d, (n=4,5,6), noszą nazwę zewnętrzno przejściowych (miedziowce, cynkowce, skandowce, tytanowce, wanadowce, chromowce, manganowce, żelazowce, kobaltowce, niklowce), pierwiastki natomiast rozbudowujące podpowłokę (n-2)f, (n=6,7) - wewnątrzprzejściowych. Szeregi pierwiastków wewnątrzprzejściowych (lantanowców i aktynowców) są zwykle wyłączane poza właściwą tablicę.
Izotopy promieniotwórcze
Oprócz 272 stabilnych izotopów wszystkich pierwiastków znanych jest ok. 2000 ich izotopów promieniotwórczych (radioizotopów), o różnych czasach połowicznego zaniku i rodzajach rozpadu promieniotwórczego. Izotopy promieniotwórcze stosowane są w wielu dziedzinach badań technicznych (np.: w badaniach przepływów - śledząc z zewnątrz układu przemieszczanie się w nim płynu zawierającego domieszkę izotopu promieniotwórczego, lub w badaniach zużycia materiałów - implantując izotop w elementy konstrukcyjne np. silnika i badając zmiany aktywności tego izotopu w oleju silnikowym w czasie pracy), znajdują zastosowanie w przemyśle (izotopowe czujniki poziomu, wagi izotopowe, izotopowe czujniki przeciwpożarowe), medycynie (radiofarmaceutyki, zasilacze izotopowe), biologii (śledzenie obiegu i roli mikroelementów), geologii (radiometryczne metody geologiczne) oraz w badaniach podstawowych (metoda atomów znaczonych, badania dyfuzji, badania strukturalne itd.).Izotopy promieniotwórcze stosuje się również (jako źródła promieniotwórcze) do modyfikacji cech przedmiotów naświetlanych: wywoływania mutacji, sterylizacji, wywoływania zmian w strukturze polimerów, zabijania tkanek nowotworowych.
Wiązania chemiczne – powstają w wyniku stężenia atomów do uzyskania dwuelektronowej (dublet) lub ośmioelektronowej (oktet) struktury ostatnich powłok.
Za wiązania chemiczne uważa się wspólna parę elektronów, która występuje w obszarze powstałym w wyniku nakrywania wzajemnego ostatnich powłok łączących się atomów tego samego pierwiastka lub różnych pierwiastków. Rozróżnia się trzy rodzaje wiązań chemicznych:
1) kowalencyjne (atomowe, homeopolarne), powstają na skutek mieszania się orbitali atomowych (orbital) jednakowych atomów lub, w cząsteczkach heterojądrowych, atomów niewiele różniących się elektroujemnością - w tym przypadku wiążąca para elektronowa jest przesunięta w kierunku atomu bardziej elektroujemnego (tzw. wiązanie kowalencyjne spolaryzowane). Do opisu tego typu wiązań chemicznych stosowana jest najczęściej metoda orbitali molekularnych. Wiązania kowalencyjne posiadają np.: H2, CO2, SiC.
2) jonowe (heteropolarne, elektrowalencyjne, biegunowe, polarne), istniejące pomiędzy atomami tak znacznie różniącymi się elektroujemnością, że można założyć, iż cząsteczka jest utrzymywana w całości dzięki oddziaływaniom elektrostatycznym pomiędzy ładunkami o przeciwnym znaku. Model wiązania jonowego stosuje się głównie do ciał stałych (kryształów) - pozwala m.in. wyliczyć ciepła tworzenia. Ten typ wiązań chemicznych występuje np. w halogenkach litowców.
3) metaliczne będące oddziaływaniem pomiędzy zbiorowiskiem rdzeni atomowych w sieci przestrzennej kryształu oraz swobodnymi elektronami, które są wspólne dla całego kryształu. Wiązania metaliczne opisuje się za pomocą pasmowej teorii ciała stałego. Występują w metalach, ich stopach, związkach międzymetalicznych.
Wiązanie kowalencyjne jest zorientowane w przestrzeni, wiązania jonowe i metaliczne są bezkierunkowe (energia sieciowa kryształu).
Elektroujemność – jest to zdolność do przyłączania dodatkowych elektronów na ostatnią powłokę danego atomu.