Atomul-Structura

Atomul



Generalitati
Orice material este compus din particule mici numite atomi. Acestea sunt atat de mici incat incap cu milioanele pe varful unui ac. Gruparea mai multor atomi formeaza molecule; cele mai mari grupari de acest gen contin mai multe mii de atomi.

Idea ca orice material se compune din particule mici a aparut inca din vremea Greciei Antice. In jurul anului 420 i.e.n. filozoful Democrit a ajuns la concluzia ca materia se compune din particule mici indivizibile. Aceste particule se numesc si astazi atomi, dupa cuvantul grecesc atomos, adica indivizibil.
Alti filozofi aveau teorii diferite. In secolul IV i.e.n. Aristotel era de parere ca fiecare material se compune din patru elemente de baza -pamant, aer, foc, apa -, numai ca in cantitati diferite. Aceasta a fost o teorie acceptata pe larg pana la inceputl secolului XVII. Obiectivul alchimiei a fost crearea “elixirului vietii”, o bautura care ar da viata eterna omului. Un alt obiectiv a fost imbogatirea prin transformarea metalelor obisnuite in aur. Multi alchimisti s-au laudat ca au rezolvat aceste probleme, dar in realitate nici unul nu a avut succes.

Teoria revolutionara a lui Dalton

Cativa oameni de stiinta au ramas in continuare de parere ca materia se compune din atomi, insa pana la inceputul anilor 1800 nu a existat nici o dovada stiintifica care sa sustina aceasta teorie. Un chimist si scriitor englez, John Dalton, a realizat experiente cu gaze, mai precis a cercetat modul de combinare intre ele. A determinat de exemplu, ca hidrogenul si oxigenul se combina intotdeauna in acelasi raport de greutate spre a forma apa. La rezultate similare au ajuns si alti cercetatori, insa Dalton a fost primul care a inteles implicatiile acestora. El a concluzionat ca materiile sunt compuse din atomi si ca atomii unei substante primare au toti aceeasi greutate. Daca doua substante primare se combina intre ele atunci atomii se unesc intotdeauna in acelasi raport cantitativ. Teoria de atom daltoniana a explicat cauza din care atomii se combina intotdeauna in acelasi raport cantitativ si a creat un punct de plecare pentru alti cercetatori spre examinarea in detaliu a materiei.
Materia se compune deci din atomi, dar oare atomii din ce se compun? Primele indicii in acest sens au aparut spre sfarsitul anilor 1800, cand cercetatorii au examinat trecerea electricitatii prin aerul rarefiat dintr-un tub de sticla.Tubul a emis din cand in cand lumina verde, in momentele in care s-a aplicat o tensiune inalta pe cele doua placute de metal, introduse in gaz, sau altfel spus electrozi. Aceasta luminozitate era produsa de radiatia invizibila care pornea de pe electrodul negativ si se lovea de peretele tubului de sticla.
In anii 1890 fizicianul britanic J.J. Thomson a aratat ca aceste raze catodice, dupa cum se numeau in acea vreme, sunt defapt curenti de particule purtatoare de sarcini negative. In acea vreme s-a presupus ca electronii sunt smulsi intr-un mod oarecare din atomi, dar nu era de loc clara organizarea lor din interiorul atomului. Ipoteza lui Thomson era ca atomii seamana intr-un fel cu o budinca de stafide: mai multe particule cu sarcina negativa- electronii, sunt incorporate intr-o materie voluminoasa dar usoara, de forma sferica. Experientele elaborate si realizate ulterior pentru clarificarea structurii interne a atomului au infirmat teoria lui Thomson.
Modelul Rutherford

In 1911, un coleg al lui Thomson, Ernest Rutherford, nascut in Noua Zeelanda, dar care a lucrat in Marea Britanie, a schitat o noua structura atomica, care a dat raspuns la fenomenele observate in experimente. In conformitate cu aceasta, mijlocul atomului sau altfel spus nucleul, are sarcina pozitiva si este relativ greu. In jurul lui se rotesc electronii: particule foarte mici si usoare, purtatoare de sarcina negativa.
Rutherford nu a realizat insa ca nucleul atomic se compune de regula din mai multe tipuri de particule: unele cu sarcina pozitiva si altele fara sarcina. Existenta particulelor cu sarcina pozitiva - a protonilor - s-a dovedit in jurul anului 1920. Particulele fara sarcina electrica au fost descoperite in 1932 de Sir James Chadwick, care le-a denumit neutroni. Prin aceasta s-a completat modelul de atom prin care putem intelege comportamentul materiei.


Elemente

Elementele sunt acele substante, in care fiecare atom are acelasi numar de protoni. Acest numar comun de protoni indica numarul atomic al elementului. Exista in totalitata un numar de 92 de elemente in natura: in atomii lor, numarul protonilor poate varia de la 1 la 92. Prin intermediul unor echipamente speciale, numite acceleratoare de particule se pot produce alte cateva elemente care sa contina mai multi protoni.
In multe substante, atomii formeaza grupari numite molecule. Gazul de hidrogen este format tot din molecule, fiecare molecula fiind compusa din doi atomi de hidrogen. Si apa este o compozitie: molecula de apa contine doi atomi de hidrogen si un atom de oxigen. Exista numeroase molecule care contin un numar mult mai mare de atomi: proteinele din organismele vii sunt compuse din molecule sofisticate, numarul atomilor ajungand la ordinul miilor.
Unele elemente se gasesc in natura numai compuse. Spre exemplu sodiul este un metal, care intra in legatura cu alte metale atat de repede incat niciodata nu poate fi gasit in natura in forma pura, primara. Forma cea mai raspandita este compozitia cu clorul, si anume clorura de sodiu, adica sarea de bucatarie. Sodiul este un metal, se extrage din aceasta compozitie, si adesea se utilizeaza pentru producerea altor substante.


Legaturi chimice

Atomii din molecule pot fi legati sau conectati in mai multe moduri, dar de fiecare data implica un schimb de electroni sau punerea lor in comun pentru a se ajunge la structura stabila de octet sau de dublet. Cele doua tipuri simple de legaturi chimice sunt legatura covalenta si ionica.
In legatura covalenta atomii pun in comun electroni. In molecula de hidrogen, cei doi atomi de hidrogen sunt legati printr-o legatura covalenta. Cei doi electroni apartinand celor doi atomi de hidrogen se rotesc in jurul ambelor nuclee, si astfel stau impreuna. Legatura covalenta se realizeaza intre doua metale sau nemetale.
La legatura ionica un atom cedeaza unul sau mai multi electroni atomului pereche, iar legatura intre ele se datoreaza fortei de atractie electrostatice. In mod normal numarul protonilor pozitivi dintr-un atom coincide cu numarul electronilor negativi. Aceste sarcini de marimi egale dar de sens contrar se anuleaza reciproc, astfel atomul nu are sarcina electrica. Daca insa atomul pierde electroni, atunci sarcina pozitiva va fi preponderenta, iar atomul care a primit electroni va fi de sarcina negativa. Acesti atomi care prezinta o sarcina globala pozitiva sau negativa, se numesc ioni. Ionii cu sarcini de sens opus se atrag, si tocmai aceasta forta de atractie mentine legatura intre atomi. Molecula din sarea de bucatarie se formeaza printr-o asemenea legatura ionica: un atom de sodiu cedeaza un electron unui atom de clor. Legatura ionica se realizeaza intre un metal si un nemetal.
Atomii unui elemant oarecare au intotdeauna acelasi numar de protoni. Numarul neutronilor insa poate fi diferit. De exemplu, in carbonul natural numarul neutronilor din nucleu este in general de sase, dar intr-un procentaj de aproximativ unu la suta acest numar este de sapte. Acesti atomi diferiti ai aceluiasi element se numesc izotopi. Acestia nu difera in caracterul lor chimic: fiecare formeaza aceleasi compozitii cu diferitele materiale, dar difera in caracteristicile lor fizice, de exemplu ingheata sau incep fierberea la temperaturi diferite.
Cand cerceratorii vorbesc despre un anumit izotop al unui element, atunci il definesc prin numarul atomic, adica prin numarul total al protonilor si neutronilor. De exemplu izotopului cel mai raspandit in natura al carbonului este atomul carbon-12, in care exista sase protoni si sase neutroni. Daca in izotopul mai rar exista cu un neutron mai mult, atunci acesta este izotopul de carbon-13.
Masa atomica

Masa protonului si a neutronului este aproape aceeasi; de circa 1800 ori masa electronului. Astfel, daca vrem sa ne referim la masa atomului, de obicei este suficient sa indicam masa atomica a elementului respectiv, care este egala cu numarul total al protonilor si neutronilor, deci este intotdeauna un numar intreg.
Masa atomica relativa a unui element (mai de mult se numea greutatea atomica relativa) este media maselor izotopilor ce se intalnesc in natura, unitatea fiind 1/12 din masa atomica a izotopolui de carbon-12. Masa moleculara relativa a unei substante este suma maselor atomice ale tuturor atomilor din molecula respectiva.

Complexitatea atomului

De indata ce James Chadwick a descoperit neutronul in 1932, s-a crezut ca se cunoaste perfect
structura atomului. De atunci insa, cercetatorii care au realizat experimente cu ajutorul acceleratoarelor de particule, au descoperit inca peste o suta de particule diferite in atom, iar fiecare descoperire noua a ridicat si mai mai multe intrebari. Din fericire pentru explicarea comportamentului materiei, in marea majoritate a cazurilor, este de ajuns si acest model mai simplu.

Despre cei care au studiat atomul

Gândirea lumii vechi îsi gaseste cea mai luminoasa expresie în conceptiile filosofice ale Greciei Antice. Încununarea gândirii materialistice o constituie teoria atomica. Cuvântul atom a fost folosit pentru prima data acum 2500 de ani. Atomii, asa cum îi cunoastem astazi, se aseamana foarte putin cu particule concepute de filozofii din Abdera.
Filozofii greci, Leucip si Democrit, au afirmat ca universul este alcatuit din particule invizibile, indivizibile - atomi - separate prin vid ; diversitatea corpurilor si fenomenelor din natura se explica prin aceea ca atomii au forme si marimi diferite si au proprietatea de a intra în combinatii diverse. Prima teorie atomica a lui Democrit nu s-a putut impune din lipsa dovezilor experimentale ; cu toate acestea a influentat si inspirat savanti de-a lungul timpului.
Chimistul si fizicianul englez John Dalton (1805) a formulat ipoteza ca toate substantele unt formate din particule mici de materie numite atomi, dupa cuvântul atomos, din limba greaca ( indivizibil ). John Dalton (1766-1844) considera ca un element chimic este alcatuit, din multime de atomi. Fiecare atom, fiind indivizibil, se poate uni cu un numar întreg de alti atomi, formând substante diferite.
Acest fizician este considerat parintele teoriei atomice.
Confirmarea lui experimentala ridica chimia pe o treapta superioara. Începutul sec. al XIX - lea marcheaza trecerea la valorificarea datelor experimentale pentru formularea de generalizari teoretice. Experimentele efectuate în secolul XIX - lea si al XX - lea au dus treptat la concluzia ca atomii, particulele foarte mici stabile, au structura complexa.

Sir Joseph John Thomson (1856-1940) - fizician englez, a propus un model static al atomului ; a presupus ca atomul trebuia sa fie format dintr-o sfera uniforma, de electricitate pozitiva, în care se gasesc electroni astfel încât atomul sa fie neutru din punct de vedere electric.
Fizicianul englez, sir Ernest Rutherford (1871-1937) a stabilit existenta nucleului atomic si a pus bazele unui model dinamic al atomului, model planetar (1911); atomul este format din un nucleu central, care contine sarcina pozitiva a atomului si aproximativ întreaga masa si o „atmosfera înconjuratoare” formate din un numar necesar de electroni astfel încât atomul sa fie neutru; pentru ca electronii sa se mentina la o anumita distanta de nucleu, ei trebuie sa se miste cu o vitezo foarte mare, astfel încât forta centrifuga sa echilibreze forta de atractie electrostatica a atomului.
Modelul duce la concluzia ca atomul nu este stabil : electronul, în miscare va emite continuu o radiatie electromagnetica, energia sa va scadea treptat ducând la „caderea” lui pe nucleu.
Experimental s-a demonstrat ca atomul este stabil si nu emite radiatii în starea fundamentala.
Fizicianul danez Niels Bohr (1985-1968) a dezvoltat ideile lui Rutherford si a conceput primul model atomic care a putut explica destul de bine multe proprietati ale atomului de N ; el a comparat atomul cu un sistem solar : nucleul tine locul Soarelui, iar electronii - locul planetelor, ce se rotesc pe orbitele lor.
Nucleul atomului lui Bohr este înconjurat de electroni care se deplaseaza numai pe anumite orbite mai apropiate sau mai departate de nucleu, fara sa emita radiatii.
Ulterior teoria lui s-a dovedit insuficienta pentru explicarea unor fapte experimentale si a problemelor cantitative dintre ele.
Ervin Schrodinger (1887-1961) - fizician austriac care a dezvoltat modelul Bohr, considerând ca electronul nu se deplaseaza pe anumite orbite distincte, ci el este distribuit sub forma unui nor în jurul nucleului; distributia unui electron sub forma de nor a fost denumita orbital atomic.
Notarea orbitalilor cu literel s, p, d, f, arata unele caracteristici din spectroscopie :
s - sharp = precis, fix, exact ;
p - principal ;
d - difuz ;
f - fin .
Deci atomul trebuie imaginat ca având un nucleu încarcat pozitiv, înconjurat de un nor electronic, cu sarcina negativa difuza.

Structura nucleului atomic

Nucleul atomic este alcatuit din trei elemente fundamentale: neutronul, protonul si quarcul.
Neutronul, particula elementara cu polaritate neutra, care face parte din nucleul atomului, este una din cele mai mici parti de materie pe care oamenii de stiinta o pot izola, numita si particula elementara. Neutronul are aproximativ 10-13 cm în diametru si cântareste 1.6749 x 10-27 kg.
Neutronii si protonii se îmbina strâns pentru a crea nucleul atomic. Numarul de protoni continut de un atom determina ce element chimic este, pornind de la 1 proton pentru hidrogen pâna la 92 pentru uraniu. Oamenii de stiinta au reusit totusi în laboratoare sa creeze atomi cu pâna la 116 protoni. Fiecare atom contine de obicei cam atâtia neutroni cât si protoni, dar diferiti atomi specifici aceluiasi element pot avea numere diferite de neutroni.
Atomii care difera doar prin numarul de neutroni se numesc izotopi. De exemplu, cei mai multi atomi ai celui mai simplu element, hidrogenul, au un nucleu ce contine un singur proton. Totusi, în hidrogenul natural, 0.015% din atomi au un neutron în aditie la proton. Izotopul se numeste hidrogen greu sau deuteriu. Un element are de obicei câtiva izotopi, aproape toti identici în felul în care reactioneaza chimic cu alte elemente si cu fiecare dintre ei.