CHEMIA LEKCJA 1. Budowa atomu, Izotopy Promieniotwórczość naturalna i sztuczna Model atomu Bohra
SPIS TREŚCI: 1. Modele budowy atomu Thomsona, Rutherforda i Bohra 2. Budowa atomu 3. Liczba atomowa a liczba masowa (przykład zadania) 4. Izotopy 5. Ustalenie masy atomowej danego pierwiastka na podstawie procentowej zawartości izotopów (przykład zadania) 6. Konfiguracja elektronowa (zakaz Pauliego i reguła Hunda) 7. Promieniotwórczość naturalna i sztuczna (przemiana α, β i γ) 8. Okres półtrwania (przykład zadania) 9. Zadania do rozwiązania
1. Modele budowy atomu Thomsona, Rutherforda i Bohra a) Model budowy atomu według Thomsona (1906) 1. model ciasta z rodzynkami 2. atom to kula o promieniu 10-10 m naładowana dodatnim ładunkiem elektrycznym 3. wewnątrz tej kuli rozmieszczone są elektrony (są one ulokowane jak rodzynki w cieście) 4. atom jako całość jest elektrycznie obojętny (dodatni ładunek obojętnego atomu równy jest ujemnemu ładunkowi wszystkich jego elektronów) b) Model budowy atomu według Rutherforda (1911) 1. model planetarny budowy atomu (można go porównać do budowy Układu Słonecznego, gdzie Słońce to jądro atomowe, a planety wokół niego krążące to elektrony) 2. atom składa się z jądra i powłoki elektronowej 3. jądro o ładunku dodatnim skupia w sobie prawie całą masę atomu 4. dookoła jądra po zamkniętych orbitach krążą elektrony tworząc powłokę elektronowa atomu 5. atom jest elektrycznie obojętny (dodatni ładunek obojętnego atomu równy jest ujemnemu ładunkowi wszystkich jego elektronów) 6. jest to model dynamiczny budowy atomu, ponieważ elektrony są w ciągłym ruchu, w przeciwnym wypadku zostałby przyciągnięte przez jądro wskutek działania sił kulombowskich c) Model budowy atomu według Bohra (1913) 1. uzupełnienie teorii Rutherforda 2. postulaty Bohra (dotyczące atomu wodoru) elektron w atomie wodoru porusza się po orbicie kołowej dokoła jądra pod wpływem siły kulombowskiej dozwolone są takie orbity dla których moment pędu krążącego elektronu równy całkowitej wielokrotności stałej Plancka h podzielonej przez 2π elektron poruszający się po dozwolonej orbicie nie wypromieniowuje energii elektromagnetycznej emisja lub absorpcja promieniowania występuje przy przejściu elektronu z jednej orbity na inną
2. Budowa atomu Atom składa się z jądra atomowego i elektronów, które krążą wokół niego. W skład jądra atomowego wchodzą protony i neutrony, które mają wspólną nazwę NUKLEONÓW. Natomiast elektrony można podzielić na niewalencyjne, które wraz z jądrem atomowym tworzą ZRĄB ATOMOWY oraz walencyjne, które leżą na ostatniej powłoce atomu i biorą udział w reakcji chemicznej. ATOM JĄDRO ATOMOWE CHMURA ELEKTRONOWA protony neutrony elektrony posiadają ładunek dodatni oznaczane literą p masa 1,674 10-27 kg (1,0073 u) nie posiadają ładunku oznaczane literą n masa 1,675 10-27 kg (1,0087 u) posiadają ładunek ujemny oznaczane literą e masa jest 1836 razy mniejsza od masy protonu i wynosi około 0,00055 u
3. Liczba atomowa a liczba masowa LICZBA ATOMOWA (Z) liczba określająca ilość protonów w jądrze atomu, jest ona charakterystyczna i stała dla danego pierwiastka. LICZBA MASOWA (A) liczba stanowiąca sumę protonów i neutronów (nukleony) w jądrze. liczba protonów = Z liczba elektronów = Z, bo atom jest elektrycznie obojętny liczba neutronów = A - Z Ogólny symbol pierwiastka z zaznaczeniem liczby atomowej i masowej Izotop chloru zawiera: 17 protonów 17 elektronów 18 neutronów
Zadanie Podaj skład jądra atomowego oraz ilość elektronów, które występują w podanym izotopie: > Liczba protonów jest równa liczbie atomowej (Z) i wynosi 6. > Liczba elektronów jest równa liczbie protonów, ponieważ atom jest elektrycznie obojętny i wynosi 6. > Liczba neutronów jest równa różnicy liczby masowej i atomowej i wynosi 12-6 = 6 4. Izotopy IZOTOPY są to atomy tego samego pierwiastka różniące się liczba neutronów w jądrze. Izotopy wodoru:
Izotop Liczba Liczba Liczba wodoru protonów neutronów elektronów Prot 1 0 1 Deuter 1 1 1 Tryt 1 2 1 Czy wiesz, że chrom posiada 13 izotopów, od 45 Cr do 57 Cr, z czego trwałe są izotopy 50, 52, 53 i 54. 5. Ustalenie masy atomowej danego pierwiastka na podstawie procentowej zawartości izotopów Wzór na obliczenie masy atomowej danego pierwiastka: A r masa atomowa danego pierwiastka % n procentowa zawartość danego izotopu A n liczba masowa danego izotopu pierwiastka Zadanie Tlen występuje w 8 izotopach w przyrodzie, a najważniejsze z nich to 16 O (99,759 %), 17 O (0,037 %) i 18 O (0,204 %). Oblicz masę atomową tlenu. M a = 99,759 % 16 u / 100% + 0,037 % 17 u / 100% + 0,204 % 18 u / 100% = 15,96144 + 0,00629 + 0,03672 = 16,00445 u Odp. Masa atomowa tlenu wynosi 16,00445 u.
6. Konfiguracja elektronowa Konfiguracja elektronowa to przyporządkowanie elektronów w atomie określonym stanom kwantowym za pomocą liczb kwantowych. Dla atomu azotu wygląda to następująco: 11N 1s 2 2s 2 2p 3 pełna konfiguracja elektronowa [He] 2s 2 2p 3 skrócona konfiguracja elektronowa (z gazem szlachetnym) konfiguracja elektronowa w systemie klatkowym Schemat obsadzania elektronami poszczególnych stanów kwantowych w przypadku atomu wieloelektronowego: ZAKAZ PAULIEGO W atomie wieloelektronowym dwa elektrony nie mogą być w stanach o takich samych wartościach wszystkich liczb kwantowych. REGUŁA HUNDA Najkorzystniejsze energetycznie jest takie zapełnianie poziomów energetycznych tak by liczba niesparowanych elektronów w obrębie danej powłoki była największa.
Według schematu obsadzania elektronami poszczególnych stanów kwantowych w przypadku atomu wieloelektrodowego najpierw obsadzamy orbitalne w kolejności 1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p 5s 4d 5p 6s 4f 5d 6p 7s 5f 6d 7p. Zakaz Pauliego mówi nam o tym, że nie mogą istnieć dwa elektrony o tych samych wartościach liczb kwantowych, tak więc pisząc konfigurację elektronową w systemie klatkowym jeden elektron zapisuje się ze strzałką w górę, a drugi w dół.
7. Promieniotwórczość naturalna i sztuczna (przemiana α, β i γ) Promieniotwórczość można podzielić na naturalną i sztuczną. Promieniotwórczość naturalna dotyczy samorzutnych przemian jądrowych zachodzących w przyrodzie, natomiast promieniotwórczość sztuczna - reakcji jądrowych, które zostały zainicjowane przez człowieka. PRZEMIANA α 1. ulegają jej tzw. jądra ciężkie o liczbie atomowej większej od 83 i masowej większej od 209 2. promieniowanie α charakteryzuje się niska energią i małą przenikalnością 3. ogólny schemat przemiany: Przemianie α ulegają najczęściej ciężkie pierwiastki promieniotwórcze oraz niektóre izotopy promieniotwórcze pierwiastków ziem rzadkich. (np. uran, rad, radon, polon, proaktyn itp.)
PRZEMIANA β Przemiana β + : 1. przemiana β + to reakcja jądrowa, w której emitowana jest cząstka β + nazywana pozytonem lub antyelektronem 2. zachodzi bardzo rzadko 3. Przykłady izotopów, które ulegają rozpadowi 11 C, 13 N, 15 O, 18 F i 22 Na. Przemiana β - : 1. przemiana β - to reakcja jądrowa, w której emitowany jest elektron 2. Przykłady izotopów, które ulegają rozpadowi beta minus: Co-60, Na-24, C-14, H-3 (tryt) PRZEMIANA γ 1. to emisja wysokoenergetycznych fotonów 2. nie niesie ze sobą ładunku 3. promieniowanie gamma jest wysokoenergetyczne 4. jest to reakcja jądrowa, podczas której emitowane jest tylko promieniowanie gamma, a nie są emitowane inne cząstki. Rozpad gamma zawsze towarzyszy rozpadom alfa i beta. Wzbudzone jądro atomu by przejść do stanu stabilnego emituje czystą energię w postaci kwantów gamma.
jądro atomowe promieniowanie gamma 8. Okres półtrwania (przykład zadania) Wzór na obliczenie okresu półtrwania: N liczba pozostałych atomów izotopu N 0 początkowa liczba atomów izotopu t czas rozpadu T 1/2 okres póltrwania
Zadanie: Promieniotwórczy izotop radonu 222 Rn ma okres półtrwania 4 dni. Oblicz masę radonu, jaka pozostanie po 12 dniach (początkowa masa promieniotwórczego pierwiastka wynosi 10 g). Pierwszy sposób: po czterech dniach pozostanie 5 g izotopu po ośmiu dniach pozostanie 2,5 g izotopu po dwunastu dniach pozostanie 1,25 g izotopu Drugi sposób (ze wzoru): m o = 10 g t = 12 dni T 1/2 = 4 dni m =? m = 10 (1/2) 12/4 m = 10 (1/2) 3 m = 1,25 g ZADANIA DO ROZWIĄZANIA 1. Oblicz okres połowicznego rozpadu pewnego promieniotwórczego nuklidu, jeżeli po upływie 21 dni pozostało 12,5 % jego wyjściowej masy. 2. Pewien pierwiastek ma dwa izotopy o liczbie nukleonów 121 i 123; jeżeli masa atomowa jest równa 121,76 u to jaki procent tego pierwiastka stanowi cięższy izotop? 3. Napisz konfigurację elektronową pełną, skróconą oraz w systemie klatkowym następujących pierwiastków: azot, siarka cynk, chrom i radon. 4. Nuklid 235 92U uległ sześciu przemianom α i czterem przemianom β -. Jaki będzie produkt tych przemian?
Na koniec parę ciekawostek: > Szereg promieniotwórczy to zespół pierwiastków promieniotwórczych powstających w wyniku następujących po sobie rozpadów promieniotwórczych (alfa i beta). Rozpoczyna się izotopem o długim okresie półtrwania, a kończy trwałym izotopem niepromieniotwórczym. Istnieją cztery szeregi promieniotwórcze: uranowo radowy, uranowo aktynowy, torowy i neptunowi. szereg uranowo - radowy > Reaktor jądrowy to urządzenie, w którym istnieje możliwość sterowania reakcjami rozszczepienia tak, aby przebiegały z pożądaną szybkością.
> Elektrownia atomowa - obiekt przemysłowo-energetyczny, wytwarzający energię elektryczną poprzez wykorzystanie energii pochodzącej z rozszczepienia jąder atomów, najczęściej uranu (uranu naturalnego lub nieco wzbogaconego w izotop U-235), w której ciepło konieczne do uzyskania pary, jest otrzymywane z reaktora jądrowego.