⚛️

Δομικά Σωματίδια & Δομή Ατόμου

Άτομα, μόρια, ιόντα — ατομικός και μαζικός αριθμός, ισότοπα

Πώς ξέρουν οι αρχαιολόγοι πόσο παλιά είναι μια μούμια;

Κάθε ζωντανός οργανισμός περιέχει, εκτός από τον συνηθισμένο άνθρακα-12, και λίγο άνθρακα-14. Έχει κι αυτός 6 πρωτόνια (άρα είναι άνθρακας), αλλά 8 νετρόνια αντί για 6, και διασπάται με σταθερό ρυθμό. Μετρώντας πόσος έχει απομείνει, χρονολογούν οστά, ξύλα και υφάσματα. Εδώ μαθαίνεις να «διαβάζεις» ένα άτομο: πόσα πρωτόνια, νετρόνια και ηλεκτρόνια έχει και τι είναι τα ισότοπα.

Τα δομικά σωματίδια της ύλης

Η ύλη αποτελείται από πολύ μικρά σωματίδια:

Άτομο είναι το μικρότερο σωματίδιο ενός στοιχείου που μπορεί να πάρει μέρος στο σχηματισμό χημικών ενώσεων.
Μόριο είναι το μικρότερο σωματίδιο μιας ουσίας (στοιχείου ή ένωσης) που μπορεί να υπάρξει ελεύθερο και διατηρεί τις ιδιότητες της ουσίας. Π.χ. $H_2O$ , $O_2$ , $CO_2$ .
Ιόντα είναι φορτισμένα άτομα ή συγκροτήματα ατόμων: κατιόντα (θετικά, π.χ. $Na^+$ , $NH_4^+$ ) και ανιόντα (αρνητικά, π.χ. $Cl^-$ , $SO_4^{2-}$ ). Διακρίνονται σε μονοατομικά και πολυατομικά.

Ατομικότητα ενός στοιχείου είναι ο αριθμός των ατόμων που αποτελούν το μόριό του:

μονοατομικά: τα ευγενή αέρια ( $He$ , $Ne$ , $Ar$ )· τα μέταλλα γράφονται επίσης με το σύμβολό τους ( $Fe$ , $Na$ )
διατομικά: $H_2$ , $N_2$ , $O_2$ , $F_2$ , $Cl_2$ , $Br_2$ , $I_2$
τριατομικό: όζον $O_3$ · τετρατομικό: $P_4$ · οκτατομικό: $S_8$

Από το άτομο του Δημόκριτου στο σύγχρονο άτομο

Δημόκριτος (5ος αι. π.Χ.): η ύλη αποτελείται από αδιαίρετα «άτομα».
Dalton (1808): πρώτη επιστημονική ατομική θεωρία — τα άτομα του ίδιου στοιχείου είναι όμοια.
Thomson ανακαλύπτει το ηλεκτρόνιο, Rutherford τον πυρήνα (το άτομο είναι κυρίως κενός χώρος), Bohr τις στιβάδες (ενεργειακές στάθμες).

Το άτομο σήμερα: ένας μικροσκοπικός, θετικά φορτισμένος πυρήνας με πρωτόνια και νετρόνια (νουκλεόνια) και γύρω του τα ηλεκτρόνια.

πρωτόνιο ( $p$ ): φορτίο $+1$ , μάζα $\approx 1\ \text{amu}$
νετρόνιο ( $n$ ): φορτίο $0$ , μάζα $\approx 1\ \text{amu}$
ηλεκτρόνιο ( $e^-$ ): φορτίο $-1$ , μάζα $\approx \frac{1}{1836}$ της μάζας του πρωτονίου

Σχεδόν όλη η μάζα του ατόμου είναι συγκεντρωμένη στον πυρήνα. Το ουδέτερο άτομο έχει ίσο αριθμό πρωτονίων και ηλεκτρονίων — όπως κάθε ουδέτερο σώμα έχει ίσα θετικά και αρνητικά φορτία.

Ήξερες ότι;

Το άτομο είναι σχεδόν όλο κενός χώρος. Η διάμετρος ενός ατόμου είναι της τάξης των $10^{-10}\ \text{m}$ , του πυρήνα μόλις $10^{-15}$ – $10^{-14}\ \text{m}$ : από 10.000 έως 100.000 φορές μικρότερη. Αν ο πυρήνας ήταν ένα μπιζέλι $1\ \text{cm}$ , το άτομο θα είχε διάμετρο από $100\ \text{m}$ έως $1\ \text{km}$ — κι όμως ο πυρήνας περιέχει πάνω από το $99{,}9\%$ της μάζας του.

Ατομικός και μαζικός αριθμός

Ατομικός αριθμός ( $Z$ ) είναι ο αριθμός των πρωτονίων στον πυρήνα. Είναι η «ταυτότητα» του στοιχείου: όλα τα άτομα με $Z = 8$ είναι οξυγόνο. Σε ουδέτερο άτομο, $Z$ = αριθμός ηλεκτρονίων.
Μαζικός αριθμός ( $A$ ) είναι το άθροισμα πρωτονίων και νετρονίων του πυρήνα.

Συμβολίζουμε ένα άτομο (νουκλίδιο) ως ${}^{A}_{Z}X$ , π.χ. ${}^{23}_{11}Na$ : $11$ πρωτόνια, $23 - 11 = 12$ νετρόνια, $11$ ηλεκτρόνια.

$A = Z + N \qquad N = A - Z \qquad {}^{A}_{Z}X$

Ιόντα: πόσα ηλεκτρόνια έχουν;

Ένα ιόν σχηματίζεται όταν ένα άτομο χάνει ή κερδίζει ηλεκτρόνια — ο πυρήνας (άρα $Z$ και $A$ ) δεν αλλάζει.

Κατιόν $X^{v+}$ : έχασε $v$ ηλεκτρόνια $\Rightarrow$ ηλεκτρόνια $= Z - v$
Ανιόν $X^{v-}$ : κέρδισε $v$ ηλεκτρόνια $\Rightarrow$ ηλεκτρόνια $= Z + v$

Σωματίδια με τον ίδιο αριθμό ηλεκτρονίων λέγονται ισοηλεκτρονιακά (π.χ. $Na^+$ , $Mg^{2+}$ , $F^-$ , $O^{2-}$ και $Ne$ έχουν όλα $10$ ηλεκτρόνια).

Κόλπο μνήμης

Κατιόν → Κατεβαίνουν τα ηλεκτρόνια ( $Z - v$ ). Ανιόν → Ανεβαίνουν τα ηλεκτρόνια ( $Z + v$ ). Τα πρωτόνια δεν κουνιούνται ποτέ: ο πυρήνας μένει ίδιος.

Γρήγορος έλεγχος

Πόσα πρωτόνια, νετρόνια και ηλεκτρόνια έχει το ιόν ${}^{23}_{11}Na^+$ ;

Ισότοπα

Ισότοπα ονομάζονται τα άτομα του ίδιου στοιχείου (ίδιο $Z$ ) που έχουν διαφορετικό μαζικό αριθμό $A$ , δηλαδή διαφορετικό αριθμό νετρονίων.

Υδρογόνο: ${}^{1}_{1}H$ (πρώτιο), ${}^{2}_{1}H$ (δευτέριο), ${}^{3}_{1}H$ (τρίτιο)
Άνθρακας: ${}^{12}_{6}C$ και ${}^{14}_{6}C$ (χρησιμοποιείται στη χρονολόγηση — δες τη ραδιενέργεια)
Χλώριο: ${}^{35}_{17}Cl$ και ${}^{37}_{17}Cl$

Τα ισότοπα έχουν τον ίδιο αριθμό ηλεκτρονίων, άρα τις ίδιες χημικές ιδιότητες· διαφέρουν σε ιδιότητες που εξαρτώνται από τη μάζα. Αντίθετα, άτομα με ίδιο $A$ αλλά διαφορετικό $Z$ (π.χ. ${}^{40}_{18}Ar$ και ${}^{40}_{20}Ca$ ) δεν είναι ισότοπα — είναι διαφορετικά στοιχεία.

Μέθοδος: πρωτόνια, νετρόνια, ηλεκτρόνια

Από το $Z$ βρίσκεις τα πρωτόνια (και το στοιχείο).
Νετρόνια: $N = A - Z$ .
Ηλεκτρόνια: $Z - (\text{φορτίο})$ με το πρόσημο — για $+2$ αφαιρείς $2$ , για $-2$ προσθέτεις $2$ .
Για ισότοπα: ίδιο $Z$ , διαφορετικό $A$ $\Rightarrow$ μόνο τα νετρόνια αλλάζουν.

Άσκηση: Να βρεθούν τα $p$ , $n$ , $e^-$ των σωματιδίων ${}^{56}_{26}Fe^{3+}$ και ${}^{32}_{16}S^{2-}$ .

Λύση:

${}^{56}_{26}Fe^{3+}$ : $p = 26$ , $n = 56 - 26 = 30$ , $e^- = 26 - 3 = 23$
${}^{32}_{16}S^{2-}$ : $p = 16$ , $n = 32 - 16 = 16$ , $e^- = 16 + 2 = 18$

Άσκηση: Ένα άτομο έχει μαζικό αριθμό $40$ και $20$ νετρόνια. (α) Ποιος είναι ο ατομικός του αριθμός; (β) Το ιόν του έχει $18$ ηλεκτρόνια. Ποιο είναι το φορτίο του ιόντος;

Λύση:

(α) $Z = A - N = 40 - 20 = 20$ (ασβέστιο, $Ca$ ).

(β) Το ουδέτερο άτομο έχει $20$ ηλεκτρόνια· το ιόν έχει $18$ , άρα έχασε $2$ ηλεκτρόνια: είναι το $Ca^{2+}$ .

Άσκηση τύπου διαγωνίσματος: Το ανιόν $X^{2-}$ έχει $18$ ηλεκτρόνια και $16$ νετρόνια. Ένα άλλο άτομο $Y$ έχει τον ίδιο ατομικό αριθμό με το $X$ και μαζικό αριθμό $34$ .

Δεδομένα: $X^{2-}$ : $18\,e^-$ , $16\,n$ · $Y$ : ίδιο $Z$ με $X$ , $A = 34$ .

Ζητούμενα: (α) $Z$ και $A$ του $X$ , (β) νετρόνια του $Y$ , (γ) τι σχέση έχουν τα $X$ και $Y$ .

Λύση:

(α) Το $X^{2-}$ κέρδισε $2$ ηλεκτρόνια: $Z + 2 = 18 \Rightarrow Z = 16$ . Τότε $A = Z + N = 16 + 16 = 32$ .

(β) $N_Y = 34 - 16 = 18$ .

(γ) Ίδιο $Z$ , διαφορετικό $A$ : είναι ισότοπα (του θείου, ${}^{32}_{16}S$ και ${}^{34}_{16}S$ ).

Απάντηση: $Z = 16$ , $A = 32$ · $18$ νετρόνια· ισότοπα.

Γρήγορος έλεγχος

Ποιο ζεύγος αποτελείται από ισότοπα;

Γρήγορος έλεγχος

Ένα ιόν έχει $12$ πρωτόνια και $10$ ηλεκτρόνια. Ποιο είναι;

Γρήγορος έλεγχος

Ποιο από τα παρακάτω στοιχεία είναι διατομικό;

Πρόκληση

τα δίδυμα ιόντα. Τα ιόντα $X^{3+}$ και $\Psi^{2-}$ έχουν τον ίδιο αριθμό ηλεκτρονίων, ενώ το άθροισμα των ατομικών αριθμών των $X$ και $\Psi$ είναι $21$ . (α) Βρες τους ατομικούς αριθμούς. (β) Πόσα ηλεκτρόνια έχει κάθε ιόν; (γ) Αν ο μαζικός αριθμός του $\Psi$ είναι διπλάσιος του ατομικού του, πόσα νετρόνια έχει;

Δοκίμασε πρώτα μόνος σου — μετά δες τη λύση

(α) Ηλεκτρόνια: $Z_X - 3 = Z_\Psi + 2 \Rightarrow Z_X - Z_\Psi = 5$ . Με $Z_X + Z_\Psi = 21$ : $2Z_X = 26 \Rightarrow Z_X = 13$ (αργίλιο) και $Z_\Psi = 8$ (οξυγόνο).

(β) $Al^{3+}$ : $13 - 3 = 10$ ηλεκτρόνια· $O^{2-}$ : $8 + 2 = 10$ ηλεκτρόνια ✓ — όσα έχει το ευγενές αέριο νέο.

(γ) $A = 2 \cdot 8 = 16$ , άρα $N = 16 - 8 = 8$ νετρόνια.

Απάντηση: (α) $Z_X = 13$ , $Z_\Psi = 8$ , (β) 10 ηλεκτρόνια το καθένα, (γ) 8 νετρόνια.

Συνηθισμένα λάθη

Ηλεκτρόνια ιόντος = $Z$ . Μόνο στο ουδέτερο άτομο. Στο $X^{v+}$ έχεις $Z - v$ , στο $X^{v-}$ έχεις $Z + v$ .
Αρνητικό φορτίο = λιγότερα ηλεκτρόνια. Ισχύει το αντίθετο: το ανιόν έχει περισσότερα ηλεκτρόνια από πρωτόνια.
Ίδιος μαζικός αριθμός = ισότοπα. Ισότοπα σημαίνει ίδιο $Z$ . Το ${}^{14}C$ και το ${}^{14}N$ είναι διαφορετικά στοιχεία.
Το ιόν αλλάζει πυρήνα. Στον σχηματισμό ιόντων αλλάζουν μόνο τα ηλεκτρόνια — $Z$ και $A$ μένουν ίδια.

Σύνοψη — τι κρατάμε

Άτομο, μόριο, ιόν (κατιόν/ανιόν, μονοατομικό/πολυατομικό)· ατομικότητα: $He$ (1), $O_2$ (2), $O_3$ (3), $P_4$ (4), $S_8$ (8).
Πυρήνας: πρωτόνια ( $+1$ ) και νετρόνια ( $0$ )· γύρω του ηλεκτρόνια ( $-1$ ) με αμελητέα μάζα.
$Z$ = πρωτόνια (ταυτότητα στοιχείου), $A = Z + N$ , συμβολισμός ${}^{A}_{Z}X$ .
Ηλεκτρόνια ιόντος $= Z - \text{φορτίο}$ (με πρόσημο).
Ισότοπα: ίδιο $Z$ , διαφορετικό $A$ — ίδιες χημικές ιδιότητες.

Τα δομικά σωματίδια της ύλης

Η ύλη αποτελείται από πολύ μικρά σωματίδια:

Άτομο είναι το μικρότερο σωματίδιο ενός στοιχείου που μπορεί να πάρει μέρος στο σχηματισμό χημικών ενώσεων.

Μόριο είναι το μικρότερο σωματίδιο μιας ουσίας (στοιχείου ή ένωσης) που μπορεί να υπάρξει ελεύθερο και διατηρεί τις ιδιότητες της ουσίας. Π.χ.

H_2O

O_2

CO_2

Ιόντα είναι φορτισμένα άτομα ή συγκροτήματα ατόμων: κατιόντα (θετικά, π.χ.

Na^+

NH_4^+

) και ανιόντα (αρνητικά, π.χ.

Cl^-

SO_4^{2-}

). Διακρίνονται σε μονοατομικά και πολυατομικά.

Ατομικότητα ενός στοιχείου είναι ο αριθμός των ατόμων που αποτελούν το μόριό του:

μονοατομικά: τα ευγενή αέρια (

He

Ne

Ar

)· τα μέταλλα γράφονται επίσης με το σύμβολό τους (

Fe

Na

)

διατομικά:

H_2

N_2

O_2

F_2

Cl_2

Br_2

I_2

τριατομικό: όζον

O_3

· τετρατομικό:

P_4

· οκτατομικό:

S_8