Μια βαθιά κατάδυση στην ατομική δομή

Υπάρχει ένα παλιό αστείο που λέει το εξής:Μην εμπιστεύεστε τα άτομα - αυτά αποτελούν τα πάντα. Μπορεί να είναι διασκεδαστικό, αλλά περιέχει επίσης έναν πυρήνα αλήθειας. Τα άτομα είναι τα δομικά στοιχεία των πάντων σε αυτόν τον πλανήτη και στο σύμπαν πέρα ​​από αυτό. Ας ρίξουμε μια πιο προσεκτική ματιά στην ατομική δομή και πώς αυτές οι μικροσκοπικές ενώσεις που δεν είναι ορατές χωρίς ηλεκτρονικό μικροσκόπιο μπορούν να είναι υπεύθυνες για τα πάντα στο σύμπαν.

Τα μέρη του ατόμου

Τα περισσότερα άτομα αποτελούνται από τρία μέρη:ηλεκτρόνια, πρωτόνια και νετρόνια.

Τα πρωτόνια και τα νετρόνια αποτελούν το κέντρο κάθε ατόμου, γνωστό ως πυρήνας. Ένας πυρήνας αποτελείται γενικά από έναν συνδυασμό νετρονίων και πρωτονίων. Τα νετρόνια δεν έχουν φορτίο και τα πρωτόνια έχουν θετικό φορτίο — κάτι που μας θυμίζει ένα άλλο αστείο:

Ένα νετρόνιο μπαίνει σε ένα μπαρ και παραγγέλνει ένα ποτό. Ρωτάει τον μπάρμαν «Πόσο για το ποτό;» Ο μπάρμαν τον κοιτάζει και του απαντά:"Για σένα, χωρίς χρέωση."

Τα ηλεκτρόνια περιφέρονται γύρω από τον πυρήνα του ατόμου και έχουν αρνητικό φορτίο. Αυτά τα σωματίδια είναι 1800 φορές μικρότερα από τα πρωτόνια και τα νετρόνια που αποτελούν τον πυρήνα. Το αρνητικό φορτίο των ηλεκτρονίων έλκει το θετικό φορτίο των πρωτονίων, παρόμοια με την έλξη μεταξύ του αρνητικού και του θετικού πόλου σε έναν μαγνήτη.

Υπάρχουν και άλλα σωματίδια, όπως τα κουάρκ και τα νετρίνα, γνωστά και ως υποατομικά σωματίδια, αλλά αυτά δεν είναι μέρη του καθημερινού σας ατόμου.

Η Ατομική Δομή

Η θέση αυτών των μεμονωμένων σωματιδίων - πρωτόνια, νετρόνια και ηλεκτρόνια - καθορίζει ποιο στοιχείο κοιτάζετε όταν βλέπετε το άτομο. Κάθε στοιχείο έχει έναν συνδυασμό αυτών των κομματιών, εκτός από το υδρογόνο. Το υδρογόνο δεν έχει νετρόνια, επομένως όταν βλέπετε ένα άτομο υδρογόνου, το μόνο που βλέπετε είναι ένα πρωτόνιο και ένα μόνο ηλεκτρόνιο.

Αυτή η τοποθέτηση ηλεκτρονίων, πρωτονίων και νετρονίων είναι γνωστή ως ατομική δομή. Εκτός από το ότι βοηθά τους ερευνητές να εντοπίσουν στοιχεία, επιτρέπει επίσης στους επιστήμονες να οργανώσουν αυτά τα στοιχεία στον περιοδικό πίνακα.

Σε κάθε στοιχείο αποδίδεται ένας ατομικός αριθμός που είναι ίσος με τον αριθμό των πρωτονίων στον πυρήνα του ατόμου, καθώς και με τον αριθμό των ηλεκτρονικών που περιφέρονται γύρω από τον πυρήνα. Ο αριθμός των πρωτονίων και των ηλεκτρονίων είναι σχεδόν πάντα ίσος.

Το οξυγόνο, για παράδειγμα, έχει ατομικό αριθμό 8, που σημαίνει ότι έχει οκτώ πρωτόνια στον πυρήνα του και οκτώ ηλεκτρόνια σε τροχιά γύρω του. Η μόνη φορά που ένα άτομο χάνει ή κερδίζει ένα ηλεκτρόνιο είναι όταν συνδυάζεται με ένα άλλο στοιχείο. Παρόμοια στοιχεία μπορούν να ανταλλάξουν ηλεκτρόνια χωρίς να συνδυάζονται — για παράδειγμα, δύο άτομα υδρογόνου μπορούν να ανταλλάξουν ίσο αριθμό σωματιδίων χωρίς να αλλάξουν την ατομική τους δομή.

Κάθε φλοιό ηλεκτρονίων που περιβάλλει τον πυρήνα μπορεί να κρατήσει μόνο έναν ορισμένο αριθμό ηλεκτρονίων. Το πρώτο κέλυφος μπορεί να χωρέσει μόνο δύο, με το δεύτερο να έχει οκτώ και το τρίτο να έχει 18. Εάν ένα άτομο αποκτήσει ένα επιπλέον ηλεκτρόνιο, το ονομάζουμε θετικό ιόν. Εάν χάσει ένα ηλεκτρόνιο, το ονομάζουμε αρνητικό ιόν και και οι δύο αυτές καταστάσεις ανοίγουν την πόρτα για τα άτομα να συνδεθούν.

Ιονικός και ομοιοπολικός δεσμός

Πολλά από τα προϊόντα που χρησιμοποιείτε καθημερινά είναι προϊόν είτε ιοντικού είτε ομοιοπολικού δεσμού. Δείτε το επιτραπέζιο αλάτι - χλωριούχο νάτριο - για παράδειγμα. Το νάτριο είναι ένα μέταλλο υψηλής αντίδρασης που εκρήγνυται όταν έρχεται σε επαφή με το νερό. Το χλώριο είναι ένα τοξικό αέριο. Αν τα συνδυάσετε, όμως, σχηματίζουν ένα καρύκευμα που πιθανότατα χρησιμοποιείτε κάθε μέρα.

Ομοιοπολικοί δεσμοί σχηματίζονται ανάμεσα σε δύο παρόμοια αμέταλλα. Αυτός ο τύπος δεσμού σηματοδοτείται από ένα μοίρασμα ηλεκτρονίων και όχι με μια ανταλλαγή. Το μεθάνιο, ένα στοιχείο που αποτελείται από ένα άτομο άνθρακα και τέσσερα άτομα υδρογόνου, είναι ένα παράδειγμα ομοιοπολικού δεσμού. Ο ατομικός αριθμός του άνθρακα είναι έξι, που σημαίνει ότι έχει έξι πρωτόνια και έξι ηλεκτρόνια. Τέσσερα από αυτά τα ηλεκτρόνια μοιράζονται με το υδρογόνο που συνθέτει αυτό το αέριο. Αυτό το μόριο παραμένει ουδέτερο επειδή κανένα από τα άτομα δεν χάνει κανένα από τα ηλεκτρόνια του.

Σχηματίζονται ιονικοί δεσμοί μεταξύ μετάλλων και μη μετάλλων. Το χλωριούχο νάτριο, το οποίο αναφέραμε πριν από λίγο, είναι ένα τέλειο παράδειγμα ενός ιοντικού δεσμού — το νάτριο, ένα μέταλλο, δεσμεύεται με το χλώριο, ένα μη μέταλλο. Τα άτομα μη μετάλλων υπάρχουν συχνά φυσικά ως αρνητικά ιόντα, ενώ τα μέταλλα υπάρχουν συχνά φυσικά ως θετικά ιόντα. Οι δύο πολικότητες προσελκύουν η μία την άλλη. Στο NaCl (ο χημικός τύπος για το επιτραπέζιο αλάτι), λείπει ένα ηλεκτρόνιο από το αρνητικό άτομο χλωρίου. Ο ιονικός δεσμός επιτρέπει στο χλώριο να πάρει ένα ηλεκτρόνιο από το θετικό άτομο νατρίου, δημιουργώντας ένα εντελώς νέο υλικό.

Η ατομική δομή αποτελείται από τα πάντα στο σύμπαν μας, από τον μικρότερο κόκκο άμμου (SiO2, ένα άτομο πυριτίου και δύο οξυγόνου) μέχρι το πιο τεράστιο αστέρι (υδρογόνο, ήλιο, άνθρακας, οξυγόνο και άλλα ιχνοστοιχεία). Ο αριθμός των πρωτονίων και των ηλεκτρονίων κατηγοριοποιεί κάθε ένα από αυτά τα στοιχεία που έχει.

Ρίξτε μια ματιά στο αγαπημένο σας στοιχείο στον περιοδικό πίνακα - και αν δεν έχετε κάποιο αγαπημένο, αφιερώστε χρόνο για να διαλέξετε ένα! Ποιος είναι ο ατομικός του αριθμός; Πόσα πρωτόνια και ηλεκτρόνια έχει;

Και ναι, αυτή είναι μια ερώτηση τρικ αν επιλέξατε το υδρογόνο.