LO - budowa atomu.doc

(220 KB) Pobierz

BUDOWA ATOMU I UKŁAD OKRESOWY

Przy omawianiu wymienionych w tytule zagadnień posłużymy się animacjami znajdującymi się na płycie I podręcznika multimedialnego pt. ”Chemia w gimnazjum” w dziale „Atom i cząsteczka”. Pojęcie atomu ulegało ewolucji od terminu o znaczeniu czysto filozoficznym, interpretującym punkt widzenia na budowę świata, po pojęcie naukowe, którego zadaniem jest określenie budowy materii, umożliwiające wyprowadzenie uogólnień opisujących otaczający nas świat. Budowa atomu jest domeną fizyki, dlatego opis atomu w aspekcie chemicznym jest z natury uproszczony i sprowadza się do cech istotnych z chemicznego punktu widzenia. Z tego też względu warto znać pewne aspekty dawnych teorii, które zwykło się określać jako herezje w sensie fizycznym, a które swego czasu wniosły znaczący wkład w rozwój chemii. Do takich niewątpliwie należy teoria atomistyczna Daltona. Uczony ten postrzega atom jako niepodzielną cząstkę materialną o takich cechach fizycznych jak rozmiar czy masa, które zgodnie z tą teorią, są określone i specyficzne dla danego pierwiastka. Podkreślając prymitywizm tej teorii z punktu widzenia fizyki, dla której od dawna wiadomym jest, że atom zbudowany jest z mniejszych cząstek materialnych, zapomina się o jej znaczącej roli historycznej w rozwoju podstaw stechiometrii i innych działów chemii. Zakładając bowiem taką uproszczoną wizję atomu można było wyprowadzić podstawy stechiometrii oraz fundamentalne prawa chemii - prawo stałości składu i prawo zachowania masy. Prawa te, stosowane są w chemii na co dzień, są tak oczywiste, że się o nich wręcz zapomina. Pierwsze z nich jest stosowane przy ustalaniu wzorów chemicznych a drugie przy pisaniu równań reakcji a ściślej ich uzgadnianiu. Przykłady obliczeń związanych z tymi prawami znajdują się w części „Atom i cząsteczka” na płycie nr 1. Do naszych rozważań wystarczająca jest teoria budowy atomu Rutheforda czyli tzw. planetarny model atomu, opisany szczegółowo w animacji komputerowej z niewielkim uzupełnieniami. Zapamiętać należy oznaczenia literowe powłok elektronowych, poczynając od jądra atomowego - K, L, M, N, O, P, Q oraz zależności między ilością poszczególnych cząstek elementarnych: protonów (p), neutronów (n) i elektronów (e) wchodzących w skład atomu (X) a opisanych liczbą atomową (A) i masową (Z) co stanowi zapis nuklidu danego pierwiastka. Nuklidu czyli atomu o ściśle określonej ilości cząstek elementarnych budujących atom, czyli:

§ Proton cząstka o masie równej 1u (unit ≡ atomowa jednostka masy) i ładunku dodatnim równym elementarnemu ładunkowi elektrostatycznemu. Symbolicznie zapisuje się to następująco:

§ Neutron to cząstka o masie zbliżonej (prawie identycznej) do masy protonu, pozbawiona ładunku czyli jest ona neutralna. Zapis symboliczny:

§ Elektron, cząstka o masie w przybliżeniu równa dwutysięcznej części atomowej jednostki masy. W praktyce więc przyjmuje się, że jest pozbawiona masy. Ładunek elektronu jest równy ładunkowi elementarnemu i posiada najczęściej znak ujemny. Zdarzają się jednak również takie cząstki posiadające znak dodatni. Noszą one nazwę elektronów dodatnich lub krócej pozytonów. Oto symboliczny zapis elektronu i pozytonu

Znając wartości liczby atomowej (A) i masowe (Z) danego atomu można z łatwością określić ilość budujących go cząstek elementarnych. Liczba atomowa czyli porządkowa określa ilość elektronów w atomie i tym samym ilości protonów znajdujących się w atomie, bowiem atom jest cząsteczką elektrycznie obojętną. Na masę atomu składa się ilość protonów oraz ilość neutronów, które tworzą jądro atomu i dlatego określa się je mianem nukleony. Rozważmy więc przykład nuklidu (czyli atomu o określonej liczbie atomowej i masowej) chloru . Liczba atomowa 17 określa ilość elektronów oraz tym samym ilość protonów (tak aby suma ładunków w atomie była równa zero). Na liczbę masową 35, równą ilości nukleonów, składa się więc 17 protonów oraz (35 – 17) = 18 neutronów.

Omawianie budowy atomu rozpoczniemy od stwierdzenia, że w atomie wyróżnić się dwa elementy: jądro atomowe (złożone z nukleonów czyli protonów i neutronów) oraz sferę elektronową. O ile jądro określa głównie właściwości fizyczne pierwiastka (atomu) o tyle sfera elektronowa, jej struktura, pozwala przewidzieć niektóre cechy chemiczne pierwiastków.

Nasze rozważanie rozpoczniemy od budowy jądra atomu. Mówiąc o jądrze atomu ma się na uwadze zasadniczo trzy zagadnienia:

1/ Obliczanie masy atomowej pierwiastka na podstawie jego składu izotopowego w przyrodzie – przykład takiego obliczenia podano w filmiku oraz w załączonych przykładach zadań.

2/ Pisanie równań reakcji jądrowych

3/ Obliczenia związane z tzw. okresem półtrwania izotopów

Obliczenia związane z wyznaczaniem masy atomowej pierwiastka pozwalają wyjaśnić dlaczego, mimo że ilości nukleonów podaje się w liczbach całkowitych jako wielokrotności unitów, masy atomowe mają wartości ułamkowe. Dzieje się tak dlatego, że tabelaryczne wartości mas atomowych pierwiastków są średnią udziałów izotopów danego pierwiastka występujących w przyrodzie. Istnieje również drugi czynnik tzw. defekt masy, który ma miejsce wówczas gdy fuzji (łączeniu) ulegają cząstki tworzące jądra atomowe. Ilość emitowanej przy tym energii jest tak znaczna, że zgodnie z równaniem Einsteina E = mּc2 następuje częściowy, równoważny ilości emitowanej energii (E), ubytek masy (m). Świadczy to również o niezwykłej trwałości jądra i wyjaśnia fenomen polegający na tym, że element stanowiący masę atomu zajmuje wielkość o pięć rzędów (105) mniejszą od sfery elektronowej czyli całego atomu. Nadaje to materii niezwykle ażurową strukturę czyniąc ją przenikliwą przykładowo dla strumienia elektronów.

Przemiany, którym podlega jądro atomowe bardzo często są pomijane na lekcjach chemii do ewentualnego przerobienia w ramach fizyki, dlatego często tak bywa, że nie mówi się o nich w ogóle. W związku z powyższym zagadnieniom związanym z jądrem atomowym poświęcimy nieco więcej uwagi.

Reakcją jądrową nazywa się reakcję w wyniku której tworzą się jądra atomów innych pierwiastków (jednego lub kilku) lub zmienia się stan energetyczny jądra wyjściowego. Reakcje jądrowe przedstawia się za pomocą równań podobnie jak reakcje konwencjonalne, przy czym należy uwzględnić że:

1) Podawane w tych równaniach symbole chemiczne oznaczają nie atomy pierwiastków lecz ich jądra atomowe (jednak znając ładunek i masę jądra łatwo określić jakiemu odpowiada pierwiastkowi)

2) Cząstki bombardujące jak i powstające zapisuje się w formie podanej wcześniej to znaczy uwzględniając ich ładunek i masę. Poniżej będą podane sposoby zapisu dla charakterystycznych rodzajów promieniowania.

3) Przypomnijmy, że indeks górny przy zapisie nuklidu oznacza tzw. liczbę masową i odpowiada łącznej ilości neutronów i protonów (stanowiących masę atomu)

4) Indeks dolny to liczba atomowa zwana również liczbą porządkową i odpowiada ilości elektronów w atomie. Liczba ta określa więc jednoznacznie o który pierwiastek chodzi.

Równania reakcji jądrowych muszą spełniać następujące warunki (reguła równości sum indeksów):

suma liczb masowych składników po lewej i prawej stronie równania (indeksy górne) muszą być sobie równe; nie uwzględnia się przy tym mas elektronów, pozytonów i fotonów
sumy ładunków cząstek (indeksy dolne) po obu stronach równania muszą być sobie równe. Ładunek elektronów ma znak minus, protonu i pozytonu – znak plus. Neutrony i fotony (rodzaj promieniowania elektromagnetycznego) nie mają ładunku.

Przykład 1. Cząstką bombardującą jest jądro atomu helu (cząstka α) cząstką wtórną jądro izotopu wodoru - deuteru.

Suma górnych indeksów po lewej i prawej stronie równania: 32 + 4 = 34 + 2. Suma indeksów dolnych: 16 + 2 = 17 + 1 = 18

Przykład 2. Nuklid manganu - 56 ulega samorzutnemu rozpadowi promieniotwórczemu β. Pisząc równanie reakcji określ powstały produkt:

Parametry powstałego nuklidu żelaza wyliczono właśnie z równości parametrów. Obliczona wartość parametru dolnego 26 w sposób jednoznaczny określa, że powstały nuklid odpowiada pierwiastkowi o liczbie porządkowej 26 czyli żelazu.

Rodzaj zachodzącej przemiany jądrowej zwykło się określać nazwą cząstki biorącej w niej udział i tak:

1) Przemiana α biegnie z udziałem tzw. cząstki α składającej się z dwóch protonów i dwóch neutronów, czyli stosując indeksy opisujące nuklidy można zapisać

2) Przemiana β biegnie z udziałem cząstki β czyli elektronu lub pozytonu i wtedy mówi się o emisji pozytonowej

3) Przemiana γ to emisja elektromagnetyczną i nie wiąże się z przemianą nuklidów a jedynie wyemitowaniem kwantu energii. Praktycznie towarzyszy każdej przeminie jądrowej

Kolejne zagadnienie to obliczenia związane z tak zwanym okresem półtrwania τ½ – (tau) lub inaczej połowicznego zaniku. Tak określa się cechę izotopów polegającą na tym, że w określonym, typowym dla danego izotopu czasie, ulega rozpadowi połowa jego dawki. Znajomość tej wielkości i możliwość oznaczenia ilości nierozłożonego izotopu są podstawą tak zwanych zegarów izotopowych, wykorzystywanych do określenia wieku dawnych przedmiotów. Najbardziej znanym przykładem jest niewątpliwie tzw. zegar węglowy.

Przykład. W laboratorium w czasie 34 h przechowywano izotop Sr-81 o okresie półtrwania τ½ = 8,5 h. Początkowa ilość izotopu wynosiła 10 mg. Ile izotopu pozostało po upływie czasu przechowywania?

34 godziny przechowywania oznacza czterokrotny czas półtrwania. Następuje więc czterokrotny (34 : 8,5 = 4) połówkowanie próbki strontu czyli kolejno – 10:2=5; 5:2=2,5; 2,5:2=1,25; 1,25:2=0,625 mg Sr. Po okresie przechowywania pozostało 0,625 mg Sr

Przykłady zadań związanych z jądrem atomowym

1) Odkrycia neutronu dokonano w wyniku napromieniowania tarczy z Be – 9 cząstkami α. Napisać równania reakcji jądrowych. Podać symbol powstałego jądra.

2) Jak zmieni się masa i ładunek jądra izotopu:

§ W wyniku emisji jednaj cząstki α i dwóch cząstek β

§ W wyniku absorpcji dwóch protonów i emisji dwóch neutronów

§ W wyniku absorpcji jednaj cząstki α i dwóch neutronów

Oznaczając Jądro wyjściowe X, a końcowe przez Y, napisać pełne równanie reakcji jądrowych dla powyższych przemian.

3) Izotop potasu K-40 ulega rozpadowi β W jaki pierwiastek przekształci się potas w wyniku tej przemiany. Napisz odpowiednie równanie reakcji.

4) Jaki był typ rozpadu w następujących przemianach jąder promieniotwórczych. Napisz odpowiednie równania reakcji jądrowych:

5) Napisać pełne i uproszczone równania przemiany promieniotwórczej Th-226 w Po-216

6) Ile cząstek α i β powinno utracić jądro Bi-209 aby przekształcić się w jądro o masie 201 (pierwiastka grupy III). Napisać odpowiednie równanie reakcji jądrowej.

7) Jak zmieniłby się stosunek liczby neutronów do liczby protonów w jądrze Cu-65 gdyby uległo ono rozpadowi α, β+, β-.

8) W wyniku przemiany promieniotwórczej jądro izotopu U- 238 przekształca się w Ra-226. Ile cząstek i jakiego rodzaju emituje jądro wyjściowe? Napisać równania reakcji.

9) Sumaryczne, uproszczone równania reakcji rozpadu dwóch z trzech naturalnych szeregów promieniotwórczych przedstawiają się następująco: U-238 (8 α; 6β) Pb-206; U-235(7α;4β)Pb-207. Napisz równania reakcji jądrowych.

10) Jaki był typ rozpadu w następujących przykładach reakcji jądrowych: Os-185 →Ir-185; Rn-222 → Po-218; Pd –111 →Ag-111

11) Podać jakie pierwiastki posiadają jądra o następującym składzie: (9p, 10n); (34n, 30p); (84p, 126n); (124n, 82p)

12) Znając następujące izotopy wodoru: 1H, 2H (D), 3H(T) oraz tlenu 16O, 17O, 18O, napisać wszystkie możliwe wzory wody (18 wzorów) Spośród nich wybrać wodę „najlżejszą” i „najcięższą”, a następnie obliczyć ich masy molowe.

13) Wśród podanych nuklidów wybrać izotopy oraz izobary:

14) Na jeden atom izotopu 37Cl przypadają, w przybliżeniu, 3 atomy izotopu 35Cl . Jakiej średniej masie atomowej odpowiada ten skład?

15) Stosunek liczb nuklidów 65Cu i 63Cu w miedzi, występujących w związkach chemicznych, wynosi 31:69. Obliczyć średnią masę atomową miedzi. Wynik obliczeń porównaj z wartością tabelaryczną masy atomowej.

16) Skład izotopowy talu jest następujący: 203Tl : 205Tl = 3 : 7. Obliczyć średnią masę atomową talu.

17) Brom zawiera 40,52% atomowych izotopu 79Br. Pozostałą część stanowi izotop 81Br. Obliczyć średnią masę atomową bromu.

18) Skład izotopowy magnezu (w procentach atomowych) jest następujący: 78,60% 24Mg; 10,11% 25Mg; 11,29% 26Mg. Ile wynosi średnia masa atomowa magnezu ?

19) Skład izotopowy antymonu jest następujący: x121Sb + y123Sb. Wyznaczyć wartości x i y, jeśli masa atomowa antymonu, znaleziona doświadczalnie, wynosi 121,75 u.

20) Średnia masa atomowa rubidu wynosi 85,45 u. Rubid składa się z izotopów 85Rb oraz 87Rb. Podać skład izotopowy pierwiastka w procentach atomowych.

21) Po upływie 55 minut z 400 mg izotopu promieniotwórczego 13N pozostało 12,5 mg. Ile wynosił okres półtrwania tego izotopu ?

22) Okres półtrwania izotopu 24Na ulegającego rozpadowi β, wynosi 14,8 godziny. Napisz równanie reakcji jądrowej. Jaka ilość 24Mg powstanie z 12 g 24Na: a/ po upływie 10 h; b/ po całkowitym rozpadzie promieniotwórczym tej ilości izotopu sodu.

Rozwiązanie zadań

Zad. 1

Równanie reakcji jądrowej : można sprawdzić równość indeksów górnych i dolnych nuklidów

Zad. 2

Zad.3

Równanie reakcji jądrowej:

Zad.4

Przy zapisie równań proszę pamiętać o zgodności indeksów górnych i dolnych nuklidów oraz cząstek

Zad. 5

Oto zapis uzgodnionego równania

Porównując indeksy liczb masowych widzimy ich nadmiar po stronie lewej, czyli wśród produktów muszą się znajdować również cząstki α.

Zad.6

Oto pełny zapis równania reakcji przemiany jądrowej:

Zad. 7

Wartość ułamka po przemianie zapisanej równaniem trzecim jest największa, ponieważ w wyniku przemiany pozytonowej jeden proton przekształcił się w neutron, czyli mianownik ułamka zmniejszył się o jeden przy jednoczesnym wzroście o jednostkę licznika ułamka.

Zad. 8

Poniżej zapisano równanie reakcji uwzględniając równość parametrów opisujących cząstki i nuklidy