atom

Staroveké názory

Starovekí filozofi špekulovali, či sa hmota dá donekonečna deliť na stále menšie časti, alebo existujú nejaké najmenšie časti, ktoré sa už fyzicky rozdeliť nedajú. Zástancov druhej možnosti môžeme označiť za predchodcov atómovej teórie, aj keď ich predstavy mali s atómami v dnešnom zmysle málo spoločné.

Z Gréckych filozofov v tejto oblasti najviac napísal Demokritus, podľa ktorého sú atómy večné, je ich nekonečne veľa, a existuje nekonečne veľa rôznych druhov atómov, ktoré sa navzájom odlišujú tvarom. Atómy sa stále pohybujú v prázdnote a narážajú na seba. Vlastnosti hmoty sú dané tvarom atómov: atómy železa majú háčiky, ktorými do seba zapadajú, a tak vytvárajú pevnú hmotu; atómy vody sú hladké a preto sa po sebe šmýkajú; atómy vzduchu sú maličké a stále sa vrtia, preto preniknú cez všetko.

Podľa Platóna sa hmota skladá zo štyroch živlov (oheň, vzduch, voda, zem), ktorých atómy sú pravidelné geometrické telesá (štvorsten, osemstem, dvadsaťsten, kocka), ktoré sa navyše môžu rozdeliť na trojuholníky a pretvoriť na iné atómy.

Tento smer špekulovania zavrhol Aristoteles, podľa ktorého sú štyri živly deliteľné donekonečna a prázdnota nemôže logicky existovať. Hmota sa mení tak, že má veľa potenciálnych vlastností, z ktorých niektoré sa stávajú skutočnými. Ak však nejakú hmotu rozdelíme na príliš malé časti, stratí svoju prirodzenosť a zostanú z nej iba živly, z ktorých sa skladala.

Aristotelove predstavy v európskom myslení prevládali až do 17. storočia, keď sa ukázalo, že niektoré javy pomocou nich nemožno vysvetliť, a vedci sa postupne vrátili k teórii atómov.

Jedným z argumentov bolo, že niektoré látky sa delia alebo reagujú iba v presnom pomere; napríklad ak rozdelíme vodu na kyslík a vodík, pomer ich hmotností bude 8 : 1. (Dnes vieme, že atóm kyslíka má 8 protónov a 8 neutrónov, preto je 16-krát ťažší než atóm vodíka; ale atómov vodíka je vo vode dvakrát viac, lebo molekula je H20.)

Moderná chémia

Antoine Lavoisier definoval "prvok" ako látku, ktorá sa pomocou chemických reakcií nedá rozdeliť na menšie. Zaviedol moderné pomenovanie chemických zlúčenín; objavil zákon zachovania hmotnosti (pri chemickej reakcii), zamietol štyri klasické prvky a flogiston.

Ďalší chemici si všimli, že hmotnosti prvkov sa podobajú na celočíselné násobky vodíka, a že niektoré trojice prvkov majú podobné chemické vlasnosti napriek odlišnej hmotnosti. (Tu sú tie prvky a ich protónové čísla.)

• lítium 3, sodík 11, draslík 19
• síra 16, selén 34, telúr 52
• chlór 17, bróm 35, jód 53
• vápnik 20, stroncium 38, bárium 56

Niekoľkí vedci sa pokúšali zostaviť známe prvky do špirály alebo tabuľky, v jednom smere podľa atómovej hmotnosti, v druhom smere podľa vlastností. Najúspešnejší z nich bol Dmitrij Ivanovič Mendelejev, ktorý na základe svojej tabuľky odhalil chyby pri niektorých existujúcich prvkoch, a úspešne predpovedal objavenie nových prvkov. Táto tabuľka sa používa dodnes, samozrejme s mnohými úpravami (v pôvodnej verzii neboli napríklad vzácne plyny, lantanoidy, aktinoidy).

Prvky s vysokým protónovým číslom sú väčšinou nestabilné a rozpadajú sa v zlomku sekundy. Vieme na chvíľu vytvoriť jednotlivé atómy v laboratóriu, ale to nestačí na zistenie, aké by mali chemické vlasnosti. Preto o prvkoch s atómovým číslom 120 a vyšším vieme povedať len pomerne málo. Ich vlastnosti sú pravdepodobne iné než by predpovedala periodická tabuľka, pretože pri pohybe elektrónov okolo takých ťažkých jadier treba zohľadniť aj teóriu relativity.

Z čoho sa atómy skladajú

Hoci dnes prvky nazývame "atómy" (z gréckeho slova "atomos" = nedeliteľný), v skutočnosti už vieme, že sa skladajú z menších častí.

Atómy sa skladajú z elektrónov, protónov a neutrónov. Protóny a neutróny sú oveľa ťažšie ako elektróny, preto tvoria jadro atómu, zatiaľ čo elektróny sú okolo jadra. Chemická väzba medzi dvoma atómami je spôsobená ich elektrónmi; jadrá jednotlivých atómov v molekule zostávajú oddelené a pri chemických reakciách sa nemenia.

Elektróny sú nedeliteľné.

Protóny aj elektróny sa skladajú z kvarkov; tri kvarky tvoria jeden protón alebo jeden neutrón. Kvarky sú nedeliteľné.

Tri kvarky sú spojené do protónu alebo neutrónu "silnou jadrovou silou". Protóny a neutróny sú v jadre spojené "slabou jadrovou silou" (vždy protón s neutrónom, nie dva protóny ani dva elektróny). Neutróny teda v atómovom jadre fungujú ako lepidlo medzi protónmi, ktoré by sa inak navzájom odpudzovali kladným elektromagnetickým nábojom. Elektróny sú k jadru (presnejšie k protónom) priťahované elektromagnetickou silou.

Chemické vlastnosti atómu určuje jeho protónové číslo, čiže počet protónov, a zároveň aj elektrónov. Počet neutrónov na chemické vlastnosti nevplýva, iba na hmotnosť atómu. Od počtu protónov a neutrónov závisí, či je jadro stabilné, alebo sa hneď rozpadne. Niekedy funguje viacero kombinácií, napríklad uhlík má vždy 6 protónov, ale môže mať 6, 7 alebo 8 neutrónov. (Atómy s rovnakým počtom protónov a rôznym počtom neutrónov sa volajú "izotopy".) Niekedy nefunguje žiadna kombinácia a jadro sa aj tak rýchlo rozpadne, hoci niektoré kombinácie vydržia o čosi dlhšie než ostatné.

Elektróny

Elektrón v atóme možno popísať štyrmi kvantovými číslami; dva elektróny sa musia líšiť aspoň jedným kvantovým číslom.

Hlavné kvantové číslo, čiže číslo elektrónovej vrstvy, má hodnoty 1, 2, 3...

Vedľajšie kvantové číslo, čiže číslo elektrónovej podvrstvy, určuje tvar orbitálu, a označuje sa 0, 1, 2, 3... alebo tradične "s", "p", "d", "f"... Toto číslo musí byť menšie ako hlavné kvantové číslo, čiže prvá vrstva má iba orbitály "1s", druhá má orbitály "2s" a "2p", tretia "3s", "3p" a "3d", atď.

Magnetické kvantové číslo, čiže číslo orbitálu v elektrónovej podvrstve, má hodnotu 0 pre orbitály typu "s"; -1, 0, 1 pre orbitály typu "p"; -2, -1, 0, 1, 2 pre orbitály typu "d"; atď. V orbitáli typu "s" teda môžu byť 2 elektróny; v orbitáli typu "p" ich môže byť 6; v orbitáli typu "d" ich môže byť 10; a v orbitáli typu "f" ich môže byť 14.

Spinové kvantové číslo je -1/2 alebo +1/2, Znamená to, že na rovnakom orbitále sa môže zároveň nachádzať nanajvýš dva elektróny.

Elektróny sa okolo jadra zvyknú rozmiestniť približne v tomto poradí:

• 1s
• 2s
• 2p, 3s
• 3p, 4s
• 3d, 4p, 5s
• 4d, 5p, 6s
• 4f, 5d, 6p, 7s
• 5f, 6d, 7p... (vyššie prvky nevieme preskúmať)

Ale toto neplatí na 100%, napríklad pri chróme s protónovým číslom 24 by sme očakávali 2 elektróny v 1s, 2 v 2s, 6 v 2p, 2 v 3s, 6 v 3p, 2 v 4s, a zvyšné 4 v nedokončenom orbitáli 3p. Namiesto toho je však v orbitáli 4s iba 1 elektrón, a v orbitáli 3p je ich 5. Podobný jav sa vyskytuje asi u 20 prvkov.

Väzby medzi atómami

Atómy môžu byť spojené niekoľkými rôznymi spôsobmi.

Kovalentná väzba vzniká, keď majú atómy spoločné elektróny. Typický príklad je spoločný elektrónový pár, kde každý atóm dodá jeden elektrón, a potom oba atómy majú oba elektróny. Môžu mať spoločné aj dva elektrónové páry, to je dvojitá väzba; alebo tri elektrónové páry, to je trojitá väzba (napríklad dva uhlíky). (Radikály majú spoločný jeden elektrón, alebo tri; sú prudko reaktívne.) V aromatických látkach má viacero atómov spoločné elektróny.

Kovová väzba vzniká, keď má veľa kovových kladných iónov spoločné elektróny.

Iónová väzba vzniká, keď elektrón preskočí z jedného atómu na druhý, a vzniknú tak dva spojené ióny.

Van der Waalsova sila je pomerne slabá sila medzi niekoľkými elektromagneticky asymetrickými molekulami.

TODO:

• rádioaktivita

• fúzia