úvod
Zlato je ťažký žltý kov, ktorý nehrdzavie. Olovo je sivý mäkký kov a ortuť dokonca kvapalina. Pritom sa ich atómy líšia len počtom drobných častíc v jadre: zlato má v jadre 79 protónov, ortuť 80 a olovo 82. Alchymisti sa stáročia snažili premeniť olovo na zlato a nepodarilo sa im to. Na to by museli z jadra olova vybrať tri protóny, čo chemickou reakciou nejde. Lekcia Modely atómu od Démokrita po Bohra ukázala, že atóm má malé jadro a okolo neho elektróny. Teraz sa pozrieš bližšie, z čoho sa jadro skladá, ako spočítať častice atómu a čo sú izotopy a ióny.
teória
Protóny, neutróny a elektróny
Každý atóm sa skladá z troch druhov častíc:
| častica | značka | náboj | relatívna hmotnosť | kde je |
|---|---|---|---|---|
| protón | p⁺ | +1 | asi 1 | v jadre |
| neutrón | n⁰ | 0 | asi 1 | v jadre |
| elektrón | e⁻ | −1 | asi 1/1 840 | v obale |
Protóny a neutróny tvoria spolu atómové jadro a spoločne sa volajú nukleóny. Elektróny sa pohybujú v elektrónovom obale okolo jadra. Protón aj neutrón sú asi 1 840-krát ťažšie ako elektrón, preto je takmer celá hmotnosť atómu v jadre. Elektrónový obal pritom zaberá takmer celý objem atómu.
Kladný náboj protónu a záporný náboj elektrónu sú presne rovnako veľké. Atóm má rovnako veľa elektrónov ako protónov, a preto je ako celok elektricky neutrálny.
teória
Protónové a nukleónové číslo
Počet protónov v jadre sa volá protónové číslo a označuje sa písmenom Z. Protónové číslo rozhoduje o tom, o aký prvok ide: každý atóm so 6 protónmi je uhlík, každý so 8 protónmi kyslík. Prvky sú v periodickej tabuľke zoradené práve podľa protónového čísla, preto ho nájdeš pri každej značke prvku. Protóny, neutróny a elektróny pre ľubovoľný prvok si môžeš prezrieť v Karte prvku v lekcii Úvod do periodickej sústavy prvkov.
Počet protónov a neutrónov spolu sa volá nukleónové číslo a označuje sa písmenom A. Píše sa vľavo hore pri značke prvku. Zápis ²³Na teda znamená atóm sodíka s nukleónovým číslom 23. Z tabuľky vieš, že sodík má Z = 11. Odtiaľ zistíš počty všetkých častíc:
- protóny: p = Z = 11,
- elektróny: v atóme ich je rovnako ako protónov, e = 11,
- neutróny: N = A − Z = 23 − 11 = 12.
Zapamätaj si jednoduché pravidlo: protóny sa rovnajú protónovému číslu, elektróny v atóme sa rovnajú protónom a neutróny sú rozdiel horného čísla a protónového čísla. Napríklad hliník ²⁷Al má Z = 13, teda 13 protónov, 13 elektrónov a 27 − 13 = 14 neutrónov. Ako sa elektróny rozdelia do vrstiev K, L, M, ukazuje lekcia Elektrónový obal atómu.
Úplný zápis atómu alebo iónu obsahuje nukleónové číslo vľavo hore, protónové číslo vľavo dole a náboj vpravo hore: ᴬ_Z X^q. Častica ⁵⁶₂₆Fe³⁺ má 26 protónov, 56 − 26 = 30 neutrónov a 26 − 3 = 23 elektrónov. Počet neutrónov sa volá neutrónové číslo a označuje sa N, platí A = Z + N.
Druh atómov s určitým protónovým aj neutrónovým číslom sa volá nuklid. Nuklidy ¹²C, ¹⁴C a ¹⁴N sú tri rôzne nuklidy. Nuklid, ktorý je rádioaktívny, sa volá rádionuklid, napríklad ¹⁴C. Nuklidy s rovnakým nukleónovým číslom, ale iným protónovým číslom, ako ¹⁴C a ¹⁴N, sú izobary. Častice s rovnakým počtom elektrónov, napríklad Na⁺, Mg²⁺ a Ne, sú izoelektrónové, ako opisuje lekcia Výnimky a ióny.
teória
Izotopy
Všetky atómy toho istého prvku majú rovnaký počet protónov, počet neutrónov sa však môže líšiť. Atómy toho istého prvku s rôznym počtom neutrónov sa volajú izotopy. Slovo pochádza z gréčtiny a znamená „na rovnakom mieste“: izotopy jedného prvku sú v periodickej tabuľke na tom istom políčku.
Vodík má tri izotopy, ktoré majú dokonca vlastné mená:
| izotop | zápis | protóny | neutróny | elektróny | výskyt |
|---|---|---|---|---|---|
| prócium | ¹H | 1 | 0 | 1 | takmer všetok vodík v prírode |
| deutérium | ²H (D) | 1 | 1 | 1 | asi 1 atóm z 6 400, ťažká voda D₂O |
| trícium | ³H (T) | 1 | 2 | 1 | stopy, rádioaktívne |
Uhlík má v prírode dva stabilné izotopy, ¹²C a ¹³C, a nepatrné množstvo rádioaktívneho izotopu ¹⁴C, ktorý vzniká vo vzduchu pôsobením kozmického žiarenia. Podľa neho sa určuje vek starých nálezov, ako opisuje lekcia Uhlík. Pozor: izotop neznamená rádioaktívny. Väčšina izotopov je stabilná. Izotopy jedného prvku majú rovnaký elektrónový obal, a preto sa chemicky správajú takmer rovnako. Ťažká voda D₂O vyzerá ako obyčajná voda, je však asi o 11 % hustejšia a ľad z nej v obyčajnej vode klesne ku dnu.
Väčšina prvkov je v prírode zmesou izotopov. Chlór tvorí asi 76 % izotopu ³⁵Cl a 24 % izotopu ³⁷Cl. Preto relatívna atómová hmotnosť chlóru v tabuľke nie je celé číslo, ale 35,45. Ako sa počíta, ukazuje blok pre SŠ nižšie a lekcia Molárna hmotnosť.
vyskúšaj si
Poskladaj časticu
Poskladaj atóm uhlíka ¹²C.
- prvok
- žiadny, chýbajú protóny
- zápis
- ?
- náboj častice
- 0, atóm
- nukleónové číslo A
- 0 = 0 + 0
- nuklid
- ?
V záložke Úlohy dostaneš zadanie, napríklad atóm uhlíka ¹²C alebo ión Mg²⁺. Pridávaj a uberaj protóny, neutróny a elektróny tlačidlami alebo počet napíš rovno do políčka. Kresba ukáže jadro aj elektróny vo vrstvách a vedľa uvidíš, aký prvok, aký náboj a aký izotop vznikol. Keď si myslíš, že je to správne, klikni na Skontrolovať. V záložke Skúmaj môžeš skladať ľubovoľné častice a zistiť, ktoré nuklidy sú stabilné.
V sade pre SŠ pribudnú prvky do Z = 30, zadania v úplnom zápise ako ⁵⁶₂₆Fe³⁺, izobary a izoelektrónové častice. Stavebnica ukazuje aj to, či nuklid v prírode existuje. Vyskúšaj napríklad, koľko neutrónov môže mať uhlík, aby bol jeho atóm stabilný.
teória
Ióny
Pri chemických reakciách sa jadro atómu nemení. Môže sa však zmeniť počet elektrónov v obale. Keď atóm elektróny odovzdá alebo prijme, prestane byť neutrálny a vznikne ión: častica s elektrickým nábojom, teda jeden atóm alebo skupina atómov, ktorá má viac alebo menej elektrónov ako protónov.
- Katión je kladný ión. Vzniká, keď atóm odovzdá elektróny: Na → Na⁺ + e⁻. Katióny tvoria najmä kovy.
- Anión je záporný ión. Vzniká, keď atóm prijme elektróny: Cl + e⁻ → Cl⁻. Anióny tvoria najmä nekovy.
Nakreslime si to s vrstvami. Atóm sodíka má 11 elektrónov vo vrstvách K2 L8 M1. Jediný elektrón vo vonkajšej vrstve M ľahko odovzdá a vznikne katión Na⁺ s vrstvami K2 L8, s rovnakým usporiadaním elektrónov ako vzácny plyn neón. Atóm chlóru má 17 elektrónov vo vrstvách K2 L8 M7. Jeden elektrón prijme do vrstvy M a vznikne anión Cl⁻ s vrstvami K2 L8 M8, ako má argón. Protóny ostávajú v oboch prípadoch rovnaké: Na⁺ má stále 11 protónov a Cl⁻ 17.
| častica | protóny | elektróny | vrstvy | náboj |
|---|---|---|---|---|
| atóm Na | 11 | 11 | K2 L8 M1 | 0 |
| katión Na⁺ | 11 | 10 | K2 L8 | 1+ |
| atóm Cl | 17 | 17 | K2 L8 M7 | 0 |
| anión Cl⁻ | 17 | 18 | K2 L8 M8 | 1− |
Prečo prvky tvoria práve takéto ióny, vysvetľuje lekcia Od prvku k zlúčenine a ako sa ióny pomenúvajú, lekcia Ióny. Ako sa z iónov skladá kuchynská soľ, ukáže lekcia Iónová väzba.
Izotopy uránu a relatívna atómová hmotnosť
Prírodný urán tvorí 99,27 % izotopu ²³⁸U a len 0,72 % izotopu ²³⁵U. Pre jadrové elektrárne je dôležitý práve vzácnejší urán-235, ktorého jadrá sa po zásahu neutrónom štiepia, ako uvidíš v lekcii Rádioaktivita. Prvý slovenský reaktor A1 v Jaslovských Bohuniciach spaľoval prírodný urán a ako moderátor používal ťažkú vodu D₂O. Reaktory typu VVER v Mochovciach a v Bohuniciach V2 používajú urán obohatený na niekoľko percent ²³⁵U a obyčajnú vodu. Pomery izotopov dnes vedci merajú veľmi presne. Na Fakulte matematiky, fyziky a informatiky Univerzity Komenského v Bratislave meria laboratórium CENTA napríklad pomery izotopov uhlíka ¹⁴C, berýlia ¹⁰Be a jódu ¹²⁹I v prírodných vzorkách.
Relatívna atómová hmotnosť Ar udaná v periodickej tabuľke je vážený priemer hmotností izotopov prvku podľa ich zastúpenia v prírode. Prírodná meď obsahuje 69,15 % izotopu ⁶³Cu s hmotnosťou 62,93 u a 30,85 % izotopu ⁶⁵Cu s hmotnosťou 64,93 u:
Ar(Cu) = 62,93 · 0,6915 + 64,93 · 0,3085 = 43,52 + 20,03 = 63,55
Výsledok je bližšie k ľahšiemu izotopu, lebo ho je viac. Rovnako sa počíta Ar chlóru 35,45, ktorý rozoberá lekcia Úvod do periodickej sústavy prvkov. Hmotnosť izotopu sa len málo líši od jeho nukleónového čísla, preto sa pri jednoduchých výpočtoch počíta s A. Nukleónové číslo však nikdy nezistíš zaokrúhlením Ar: meď má Ar = 63,55, ale nuklid ⁶⁴Cu v prírode neexistuje.
Protóny sú kladné a navzájom sa elektricky odpudzujú, a predsa jadro drží pohromade. Medzi všetkými nukleónmi pôsobia jadrové sily, prejav silnej interakcie. Na vzdialenosť porovnateľnú s veľkosťou jadra sú oveľa silnejšie ako elektrické odpudzovanie, na väčšiu vzdialenosť však takmer nepôsobia. Neutróny pridávajú príťažlivosť bez ďalšieho odpudzovania, preto majú ťažké jadrá viac neutrónov ako protónov: ²⁰⁸Pb má 82 protónov a 126 neutrónov. Ak je neutrónov príliš málo alebo príliš veľa, jadro je nestabilné a rozpadá sa. To je rádioaktivita.
rozšírenie Hmotnostný úbytok: jadro je ľahšie ako jeho súčasti
Jadro hélia ⁴He sa skladá z dvoch protónov a dvoch neutrónov. Ich hmotnosti sú presne zmerané: protón 1,00728 u a neutrón 1,00866 u. Dva protóny a dva neutróny majú spolu 4,0319 u. Jadro hélia však váži len 4,0015 u. Kam sa podelo 0,0304 u, teda asi 0,75 % hmotnosti?
Odpoveď dal Albert Einstein vzťahom E = mc²: hmotnosť a energia sú dve podoby toho istého. Keď sa nukleóny spoja do jadra, uvoľní sa obrovská energia, a tá „odnesie“ časť hmotnosti. Chýbajúcich 0,0304 u zodpovedá energii asi 28,3 MeV na jedno jadro. Pri vzniku jedného mólu hélia, teda 4 gramov, by sa uvoľnilo asi 2,7 · 10¹² J, približne toľko, koľko dá spálenie 90 ton uhlia. Z tohto hmotnostného úbytku žiari Slnko, v ktorom sa vodík mení na hélium, aj jadrová elektráreň, v ktorej sa jadrá uránu štiepia na ľahšie jadrá. Pri chemických reakciách je zmena hmotnosti taká malá, že sa nedá zmerať, preto platí zákon zachovania hmotnosti, ako ukazuje lekcia Zákon zachovania hmotnosti.
teória
Časté chyby
- „Nukleónové číslo je počet neutrónov.“ Nukleónové číslo A je počet protónov a neutrónov spolu. Neutrónov je A − Z. Atóm ²³Na má 12 neutrónov, nie 23.
- „Ión má iný počet protónov ako atóm.“ Pri vzniku iónu sa mení len počet elektrónov. Keby sa zmenil počet protónov, vznikol by iný prvok.
- „Izotop znamená rádioaktívny.“ Izotopy sú atómy jedného prvku s rôznym počtom neutrónov. Väčšina izotopov je stabilná, napríklad ¹²C a ¹³C. Rádioaktívne sú len niektoré, napríklad ¹⁴C.
- „Katión vznikne, keď atóm prijme protón.“ Katión vznikne, keď atóm odovzdá elektróny. Pribudne mu kladný náboj, lebo má teraz menej záporných elektrónov ako kladných protónov.
- „Relatívna atómová hmotnosť je počet nukleónov.“ Ar je vážený priemer hmotností izotopov. Preto je chlór 35,45 a nie 35 alebo 37.
Ako sa elektróny ukladajú do orbitálov a ako vyzerá konfigurácia iónov, opisujú lekcie Elektrónový obal atómu a Výnimky a ióny. Izotopy vodíka a ťažkú vodu nájdeš aj v lekcii Vodík. V ďalšej lekcii zistíš, čo sa deje s jadrami, ktoré sú nestabilné, a prečo sa rádioaktivity netreba báť, ale treba ju poznať.