Lekce III / 08 - Atom

Cíl lekce:

Žáci se seznámí se stavbou atomu. Díky modelu atomu uhlíku si žáci budu umět představit, jak atom vypadá, z čeho se skládá a které částice obsahuje.

Zeptejte se Vašich dětí:

Co je to atom?
Z jakých částí se atom skládá?
Jaké základní částice atom obsahuje?
Jaký náboj mají základní částice atomu?
Jaký náboj má atom?
Kolik protonů má uhlík?

Atom

Atomy jsou nejmenší stavební jednotky hmoty. Toto označení vzniklo v Řecku („atomos“ – dále nedělitelný). Teprve na počátku 19. století vzniká představa o složení látek z atomů. Tento předpoklad formuloval Dalton. Na něho navázal Thomson se svým atomovým modelem, kdy atom byl považován za kladně nabitou kouli a uvnitř byly rozptýleny elektrony. Poté v roce 1911 přichází se svým modelem Rutherford, v jehož modelu jádro atomu zaujímá největší hmotnost atomu a má kladný náboj. Okolo jádra obíhají elektrony se záporným nábojem. A dnešní kvantově mechanický model je takový, kde jádro tvoří protony a neutrony a okolo obíhají elektrony.

Stavba atomu
Obrázek Atom od VNB

Jádro atomu

Atomové jádro je složeno z protonů a neutronů. Každý typ jádra obsahuje určitý počet protonů a neutronů. Na studium atomového jádra se zaměřuje jaderná fyzika. Atomové jádro je vnitřní, kladně nabitá část atomu tvořící jeho hmotnostní i prostorové centrum. Atomové jádro představuje 99,9 % hmotnosti atomu. Průměr jádra činí přibližně 10−15 m, což je přibližně 100 000× méně než průměr celého atomu.
Proton je částice s kladným elementárním elektrickým nábojem. Proton objevil Ernest Rutherford v roce 1918. Pozoroval, že částice alfa, vystřelované do plynného dusíku, se v jeho scintilačním detektoru jeví stejně jako jádra vodíku. Rutherford určil, že zdrojem jader vodíku musí být dusík, a proto musí obsahovat jádra vodíku. Myslel si, že jádra vodíku, o nichž věděl, že mají atomové číslo 1, jsou elementární částice. Proto je pojmenoval proton, dle řeckého protos, první.
Neutron je částice s neutrálním elementárním elektrickým nábojem.
Počet protonů a neutronů v jádře udává nukleonové číslo A. Počet protonů a jím odpovídající počet elektronů udává protonové číslo Z. Počet neutronů v jádře udává neutronové číslo N. Nejdůležitější charakteristikou atomu je jeho protonové číslo. Každý atom téhož prvku má stejný počet protonů. Atomy se stejným počtem protonů, ale různým nukleonovým číslem, nazýváme izotopy.

Nukleonové a protonové číslo
Obrázek Nukleonové číslo od VNB

Elektronový obal

Elektronový obal je systém elektronů, které jsou vázané k jádru atomu. Elektronový obal obklopuje atomové jádro a zaujímá většinu prostoru atomu. Elektronový obal je tvořen pouze elektrony, a proto má záporný elektrický náboj, který je v atomu neutralizovaný kladným nábojem jádra atomu. Proto je atom jako celek elektricky neutrální. Neutrální atomy obsahují v elektronovém obalu stejný počet elektronů, jako je v jádře počet protonů. U kladně nabitých iontů je počet elektronů v elektronovém obalu menší, naopak u záporně nabitých iontů je počet elektronů v obalu větší. Poloměr elektronového obalu (a tedy celého atomu) se pohybuje kolem 10−10 m. Hmotnost elektronového obalu tvoří okolo 0,01 % celkové hmotnosti atomu.
Elektron je částice se záporným elementárním elektrickým nábojem. Elektrony tvoří obal atomu kolem atomového jádra. Elektrony jsou nositeli náboje při vedení elektrického proudu v kovech, polovodičích a v elektrických výbojích, v plynech i ve vakuu. Také radioaktivní záření beta (β–) je tvořeno elektrony.
Orbital popisuje prostorové rozložení možného výskytu elektronu v elektronovém obalu atomu. Nemůžeme vypočítat, ani stanovit jeho přesnou polohu, ale můžeme určit, v jakém prostoru se vyskytuje. Orbital je trojrozměrný útvar (část prostoru). Záporně nabité elektrony, které jsou v obalu atomu, se rychle pohybují. Nemůžeme určit přesnou dráhu, po které se pohybuje elektron, ale můžeme říct, kde se nachází v určitou dobu, na určitém místě.

Náboj atomu
Obrázek Atom od Svdmolen/Jeanot (converted by King of Hearts) [CC BY-SA 3.0] via Wikimedia commons

Uhlík

Chemický prvek uhlík se vyskytuje ve třech základních formách. Krystalický uhlík je znám jako diamant, amorfní uhlík se nazývá grafit, fulleren je modifikací uhlíku s molekulovou krystalickou stavbou charakterizujícího kulovité útvary se 60 atomy uhlíku. Uhlík má nejvyšší teplotu tání ze všech nekovů. Za vyšších teplot se uhlík slučuje s vodíkem, pokud reakce probíhá při teplotě okolo 600°C, je jejím produktem methan. Pokud je reakční teplota vyšší než 1500°C, vzniká syntézou uhlíku s vodíkem ethyn. Za zvýšené teploty reaguje s kyslíkem, halogeny, křemíkem, sírou, selenem, tellurem, dusíkem a s řadou dalších kovů. Ochotně reaguje s lithiem, se kterým se slučuje již při teplotě 200°C, na snadno hydrolyzující acetylid lithný. Binární sloučeniny uhlíku s prvky o nižší elektronegativitě se nazývají karbidy. V anorganických sloučeninách se uhlík vyskytuje nejčastěji v oxidačním stavu IV, méně často i v oxidačním stavu II, v některých organických sloučeninách se může vyskytovat i s oxidačním číslem III. Unikátní vlastností uhlíku je jeho schopnost tvořit stabilní řetězce, ve kterých mohou být jednotlivé atomy uhlíku vzájemně vázány jednoduchými, dvojnými i trojnými vazbami.

Atom uhlíku
Obrázek Electron shell 006 Carbon - no label od Pumbaa (original work by Greg Robson) [CC BY-SA 2.0 UK] via Wikimedia commons

V přírodě se uhlík vyskytuje zejména jako součást obrovského množství organických látek a ve formě oxidu uhličitého se nachází v atmosféře. Ryzí uhlík se v přírodě vyskytuje v několika krystalografických modifikacích jako grafit, diamant, lonsdaleit a chaoit. Celkem bylo popsáno přes 400 minerálů s obsahem uhlíku.

Diamant a grafit
Obrázky Diamond od ColinN00B [Public Domain] via Pixabay; Graphite-tn19a od Rob Lavinsky [CC BY-SA 3.0] via Wikimedia commons

Praktické využití nachází uhlík zejména jako redukční činidlo a sorbent. Grafit se používá jako součást průmyslových mazadel, jako moderátor v jaderných reaktorech a na výrobu tužek. Čistý uhlík, získaný karbonizací rostlinných materiálů, se používá jako černé potravinářské barvivo E 153 (rostlinná čerň). Využití sloučenin uhlíku je mnohotvárné a nesmírně široké.

Pokud vás téma zaujalo a chcete se dozvědět více: