3.1 Atomin rakenne Flashcards
(14 cards)
Mistä atomi koostuu?
Atomi koostuu atomiytimestä, sekä sitä ympäröivistä elektronikuorille asettuvista elektroneista. Atomiydin on positiivisesti varautunut, ja se koostuu protoneista, sekä neutroneista. Protoneiden lukumäärä atomiytimessä kertoo mikä alkuaine on kyseessä. Neutronien määrä atomiytimessä voi vaihdella, mutta pysyvän ytimen saamiseksi protoneilla ja neutroneilla tulee olla oikeanlainen suhde. Elektronit ovat negatiivisesti varautuneita jakamattomia hiukkasia.
Mitä ovat nukleonit?
Atomiytimen kokoavista positiivisesti varautuneista protoneista ja neutraalin varauksen omaavista neutroneista käytetään yhteisnimitystä nukleonit.
Fissio ja fuusio kemiassa.
Alkuaineatomia on mahdotonta muuttaa toisen alkuaineen atomiksi kemiallisella reaktiolla, vaan tämä onnistuu vain ydinreaktioilla. Fissiossa yksi raskas ydin jakautuu kahdeksi kevyemmäksi (pienemmäksi) atomiytimeksi joko itsestään radioaktiivisena hajoamisena, tai sitten keinotekoisesti pommittamalla atomiydintä hiukkasella, esimerkiksi neutronilla. Fuusioreaktiot ovat fissioon nähden päinvastaisia, sillä niissä kaksi kevyttä atomiydintä saadaan yhdistymään yhdeksi raskaammaksi atomiytimeksi.
Atomien varaukset.
Atomit ovat aina ulospäin sähköisesti varauksettomia, sillä se sisältää positiivisesti varautuneita atomiytimessä sijaitsevia protoneita yhtä monta, kuin atomiydintä kiertävillä elektroniradoilla sijaitsevia negatiivisesti varautuneita elektroneita. Protonien ja elektronien sähkövaraukset ovat siis samoja, mutta elektronilla varaus on negatiivinen eli alkeisvaraus, ja protonilla positiivinen. Atomiydin sisältää lisäksi neutroneita, mutta ne ovat varaukseltaan neutraaleja, eikä täten vaikuta atomin ulkoiseen sähköiseen varaukseen.
Mitä ovat isotoopit? Miten saman alkuaineen isotoopit poikkeavat toisistaan? Nimeäminen.
Saman alkuaineen atomeilla on aina sama määrä protoneita ytimissään, mutta neutronien määrä niissä voi vaihdella. Näitä eri massaisia, eri määrän neutroneja sisältäviä saman alkuaineen atomeja kutsutaan isotoopeiksi.
Koska atomin massa koostuu pääasiassa ytimen, eli nukleonien massasta (protonit+neutronit), neutronien määrän lisääntyminen vaikuttaa atomin massaan. Täten jokaisella, myös saman alkuaineen isotoopilla on eri suuruiset massat. Protonien määrä pysyy kuitenkin atomissa yhä samana, joten myös atomin elektronirakenne on kaikissa saman alkuaineen isotoopeissa täysin sama. Elektronirakenteen säilyessä samana, myös kemialliset ominaisuudet ovat isotoopeilla yhtenäisiä. Tietyt fysikaaliset ominaisuudet kuitenkin poikkeavat toisistaan saman alkuaineen eri isotooppien välillä.
Alkuaineiden eri isotoopeille ei anneta omia nimiä, vaan järjestysluku, sekä massaluku ilmaisevat yhdessä mistä isotoopista on kyse. Ainoana poikkeuksena on vety, jonka isotoopit ovat nimetty esimerkiksi nimillä protium, deuterium ja tritium.
Mitä ovat radioisotoopit?
Joidenkin isotooppien ytimet ovat pysyviä luonnossa, mutta pysymättömien isotooppien ytimet hajoavat luonnossa itseään. Ytimen hajotessa isotooppi säteilee radioaktiivista säteilyä, jonka takia pysymättömistä isotoopeista käytetäänkin usein nimitystä radioisotoopit.
Luonnossa esiintyvistä isotoopeista noin 2000 on radioaktiivisia, kun taas pysyvien isotooppien määrä on vain alle 300.
Mitä radiokemia on?
Radiokemia on kemian osa-alue, joknka tutkimuskohteita ovat muun muassa luonnon radioaktiivisuus, radiosiotooppien hyödyntäminen lääketieteessä, ydinjätteen loppusijoituksen turvallisuus, sekä radioaktiiviseen säteilyyn perustuvat analyysimenetelmät.
Järjestysluku ja massaluku.
Järjestysluku kertoo aineen sijainnin jaksollisessa järjestelmässä, sekä samalla myöskin alkuaineen ytimen protonien määrän. Järjestysluvun kirjaintunnus on Z.
Massaluku puolestaan kertoo protonien ja neutronien yhteenlasketun lukumäärän atomiytimessä. Massaluvun kirjaintunnus on A. Massaluvun ja järjestysluvun avulla saadaan laskettua ytimen neutronien määrä ja niiden avulla saadaankin erotettua saman alkuaineen eri isotoopit toisistaan.
Erilaiset atomimallit elektronien asettumista koskien.
Ensimmäinen atomimalli oli Daltonin atomimalli (1803), jossa atomia pidettiin jakamattomana, ja kaikkia saman alkuaineen atomeja samanalaisina.
Seuraava atomimalli tuli vuonna 1904, ja se oli Joseph Thompsonin käsialaa. Thompson todisti, että atomissa on positiivisia ja negatiivisia varauksia. Hänen ksäityksen mukaan negatiivisesti varautuneet elektronit olisivat uponneet positiiviseen varaukseen kuin rusinat pullaan. Tästä tulee atomimallin nimitys rusinapullamalli.
Seuraava atomimalli tuli vuonna 1907 Rutherfordin toimesta. Hän onnistui todistamaan, että aineella on positiivisesti varautunut atomiydin, ja negatiiviset elektronit sijaitsivat ytimen ympärillä. Tällöin ei kuitenkaan osattu selittää miksi elektronit eivät syöksy atomiytimeen.
Seuraava atomimalli vuodelta 1911 tuli Niels Bohrilta, joka kehitti nykyisin hyvin paljon käytetyn ja hyödynnetyn atomimallin. Bohrin teorian mukaan atomin rakenteeseen vaikuttaa elektronien nopeus, niiden keskinäiset hylkimisvoimat, sekä atomiytimen ja elektronien keskinäiset vetovoimat. Elektronien ajatellaan näin kulkevan atomiytimen ympärillä ympyränmuotoisilla radoilla, eli kuorilla. Mallia kutsutaankin kuorimalliksi.
Viimeisenä, vuonna 1926 tuli vielä Schrödingerin kvanttimekaaninen atomimalli, josta lisää myöhemmin.
Minimienergiaperiaate ja elektronin energia.
Atomiydintä kiertävät negatiivisen varauksen omaavat elektronit asettuvat kuorimallin mukaan atomia ympäröiville radoille - elektronikuorille - minimienergaperiaatteen mukaan. Kukin elektronikuorista kuvastaa omaa energiatasoaan, ja kuorilla oleva energia on sitä suurempi, mitä kauempana se on ytimestä. Jokaiselle elektronikuorelle mahtuu vain tietty määrä elektroneita, ja se voidaan laskea kaavalla 2n potenssiin 2, kun n=kuoren numero. Minimienrgiaperiaatteen mukaan elektronit asettuvat aina atomin ympärille mahdollisimman alhaiselle energiatasolle.
Elektronilla on tietty energia, joka koostuu kineettisestä-, sekä potentiaalienergiasta. Elektronin enegiaan vaikuttaa sen etäisyys atomiytimestä (mitä kauempana elektroni on, sitä suurempi energia sillä on).
Elektronikuorien merkitseminen ja maksimielektronimäärän laskeminen per kuori.
Atomiytimen ympärille sijoittuvia elektronikuoria voidaan merkitä joko numeroilla 1, 2, 3, 4… (aloittaen atomiydintä lähimpänä olevasta kuoresta edeten siitä pois päin). Elektronikuoret voidaan nimetä samalla periaatteella myös kirjaimilla K, L, M, N…
Kuorimallin mukaan elektronien määrä ilmaistaan laittamalla eri kuorilla sijaitsevien elektronien lukumäärän numeroilla. Esimerkiksi natriumin Na kuorimalli:
2, 8, 1
Elektronien maksimimäärän per kuori voi laskea kaavalla 2n^2, kun n on elektronikuoren numero. Tämä tapa toimii kuitenkin vain alkuaineissa 1-18, ja siitä eteenpäin elektronien sijoittaminen vaatii kvanttimekaanisen atomimallin tuntemista.
Bohrin kuorimalli vs. Schrödingerin kvanttimekaaninen atomimalli.
Bohrin kuorimalli on hyvin paljon käytetty, sillä se antaa helposti ymmärrettävän lähestymistavan elektronien sijoittamiseen atomin ympärille, ja siten ulkoelektronien määrän päättelemiseen (= merkittävä tieto kemiallisten ominaisuuksien perusteella).
Kuorimalli on kuitenkin ristiriidassa atomin rakennetutkimusten tulosten kanssa, eikä elektronit todellisuudessa kierrä atomiydintä ympyränmallisilla elektronikuorilla.
Nykytietämyksen mukaan oikea atomimalli on Schrödingerin vuoden 1924 kvanttimekaaninen atomimalli, jossa elektronit sijoittuvat ytimen ymärillä oleville tietynmuotoisille avaruudellisille alueille. Tiettyä kuorta voi vastata useampikin avaruudellinen alue, ja eri alueilla olevien elektronien energiat voivat poiketa toisistaan.
Miten ilotulitus syntyy? Elektronien virittyminen ja sen hyödyntäminen.
Ilotulitus syntyy, kun mustaruutipanos lähettää raketin taivaalle, ja riittävällä korkeudella ollessaan toinen ruutipanos räjäyttää raketin tehostepillerit palavina eri suuntiin. Eri kemiallisten yhdisteiden käytöllä raketeista saadaan eri värisiä.
Elektronit asettuvat perustilassa mahdollisimman alhaiselle energiatasolle positiivisesti varautuneen atomiytimen ympärille. Kun atomi imee eli absorboi itseensä energiaa, elektronit voivat siirtyä perustasolta korkeammalle energiatasolle, jolloin tapahtuu elektronin virittyminen. Tämä viritystila on hyvin lyhytaikainen, ja sen purkautuessa vapautuu sähkömagneettista säteilyä. Osalla alkuaineista sähkömagneettinen säteily ilmenee näkyvänä valona niiden tunnusomaisena värinä.
Elektronien virittymistä hyödynnetään esimerkiksi atomien tunnistamiseen käytettävässä liekkikokeissa, joissa atomin elektroneja viritetään kaasuliekin avulla korkeammalle elektronitasolle, ja viritystilan purkautuessa joidenkin alkuaineiden atomit säteilevät niille tunnusomaista valoa.
Miten revontulet syntyvät?
Revontulien syntyminen perustuu myös viritystiloihin ja niiden purkautumiseen. Ne syntyvät, kun aurinkotuulesta vapautuvat korkean energian omaavat hiukkaset törmäävät ilmakehän happi- ja typpimolekyyleihin, jolloin syntyy viritystiloja. Näiden viritystilojen purkautuessa vapautuva energia voidaan havaita taivaalla tyypillisesti vihreänä tai punaisena valona.
