Υποατομικά Σωματίδια — Ιόντα

Γιατί το αλατόνερο ανάβει λαμπάκι, ενώ το ζαχαρόνερο όχι;

Βάλε δύο καλώδια με ένα λαμπάκι σε απιονισμένο νερό: σβηστό. Πρόσθεσε δύο κουταλιές αλάτι: το λαμπάκι ανάβει! Με ζάχαρη μένει σβηστό. Η εξήγηση κρύβεται μέσα στο άτομο — που τελικά δεν είναι «άτμητο», όπως πίστευε ο Ντάλτον.

Η δομή του ατόμου

Στις αρχές του 20ού αιώνα έγινε φανερό ότι το άτομο αποτελείται από υποατομικά σωματίδια:

• Πρωτόνια ($p$): θετικό φορτίο, μία μονάδα ($+1$).
• Νετρόνια ($n$): ηλεκτρικά ουδέτερα, με μάζα σχεδόν ίση με του πρωτονίου.
• Ηλεκτρόνια ($e$): αρνητικό φορτίο $-1$, αντίθετο του πρωτονίου, και μάζα 1.836 φορές μικρότερη από του πρωτονίου.

Σχεδόν όλη η μάζα του ατόμου βρίσκεται στο κέντρο του, τον πυρήνα, που αποτελείται από πρωτόνια και νετρόνια και είναι θετικά φορτισμένος. Γύρω του υπάρχει κενό όπου κινούνται τα ηλεκτρόνια. Ο πυρήνας είναι μικροσκοπικός: αν το άτομο είχε το μέγεθος του Ολυμπιακού Σταδίου, ο πυρήνας θα ήταν ένα μπαλάκι του πινγκ-πονγκ στο κέντρο.

Γιατί το άτομο είναι ουδέτερο

Κάθε άτομο έχει τόσα ηλεκτρόνια όσα πρωτόνια, άρα συνολικό φορτίο μηδέν. Το άτομο του λιθίου με 3 πρωτόνια και 3 ηλεκτρόνια έχει φορτίο $3(+) + 3(-) = 0$.

Ατομικός και μαζικός αριθμός

• Ατομικός αριθμός $Z$: ο αριθμός των πρωτονίων στον πυρήνα. Είναι η ταυτότητα του στοιχείου: κάθε άτομο με $Z = 8$ είναι οξυγόνο, με $Z = 7$ άζωτο. Στο ουδέτερο άτομο δείχνει και τα ηλεκτρόνια.
• Μαζικός αριθμός $A$: το άθροισμα πρωτονίων και νετρονίων του πυρήνα.

Ιόντα

Κάτω από ορισμένες συνθήκες τα άτομα παίρνουν ή χάνουν ηλεκτρόνια και γίνονται φορτισμένα σωματίδια, τα ιόντα. Ο πυρήνας δεν αλλάζει.

• Άτομο που χάνει ηλεκτρόνια → θετικό ιόν, κατιόν.
• Άτομο που παίρνει ηλεκτρόνια → αρνητικό ιόν, ανιόν.

Το ασβέστιο ($Z = 20$) που χάνει 2 ηλεκτρόνια έχει 20 πρωτόνια και 18 ηλεκτρόνια: φορτίο $20(+) + 18(-) = 2(+)$, δηλαδή κατιόν με δύο θετικά φορτία.

Αγωγιμότητα διαλυμάτων

Στο διάλυμα μαγειρικού αλατιού υπάρχουν κατιόντα νατρίου και ανιόντα χλωρίου που κινούνται ελεύθερα. Αυτή η κίνηση φορτισμένων σωματιδίων είναι ηλεκτρικό ρεύμα — γι' αυτό το λαμπάκι ανάβει. Η ζάχαρη διαλύεται ως μόρια χωρίς φορτίο, άρα το ζαχαρόνερο δεν είναι αγώγιμο.

Οι δομικές μονάδες των ουσιών:

• Μόρια: υδρογόνο, οξυγόνο, νερό, μεθάνιο (και το ήλιο, με μόρια από ένα μόνο άτομο).
• Ιόντα: χλωριούχο νάτριο (αλάτι), ασβέστης, γύψος.

Μέθοδος: πρωτόνια, νετρόνια, ηλεκτρόνια

1. Πρωτόνια $= Z$.
2. Νετρόνια $N = A - Z$.
3. Ηλεκτρόνια: ουδέτερο άτομο $= Z$· κατιόν που έχασε $x$ ηλεκτρόνια $= Z - x$· ανιόν που πήρε $x$ ηλεκτρόνια $= Z + x$.
4. Φορτίο = (πρωτόνια) − (ηλεκτρόνια): θετικό → κατιόν, αρνητικό → ανιόν.