Atómy a ióny

Atóm je definovaný ako jednojadrová elektroneutrálna štruktúrna jednotka. Predstavuje najmenšiu časticu prvku, ktorá si zachováva jeho chemické vlastnosti (na rozdiel od molekuly, ktorá je viacjadrová). Každý atóm sa skladá z centrálneho jadra a elektrónového obalu.

Jadro atómu je tvorené protónmi, ktoré nesú kladný elektrický náboj, a neutrónmi, ktoré sú elektricky neutrálne. Atóm je za normálnych podmienok elektroneutrálny – počet protónov a elektrónov je rovnaký.

Atómy však nemusia byť vždy elektroneutrálne. Ak atóm prijme jeden alebo viac elektrónov, vzniká záporne nabitá častica – anión. Dej prijatia elektrónu sa nazýva redukcia. Naopak, ak atóm odovzdá jeden alebo viac elektrónov, vzniká kladne nabitá častica – katión. Dej odovzdania elektrónu sa nazýva oxidácia. Ióny tak predstavujú elektricky nabité atómy.

Historický vývoj modelov atómu link

Počas histórie sa predstavy o štruktúre atómu menili a vyvíjali.

• Thomsonov model: Nazývaný aj „pudingový model“, predstavuje atóm ako kladnú hmotu s náhodne rozmiestnenými elektrónmi.
• Planétový model (E. Rutherford, 1911): Na základe experimentu so zlatou fóliou zistil, že atóm obsahuje malé, husté jadro, okolo ktorého obiehajú elektróny podobne ako planéty okolo Slnka. Tento model však nedokázal vysvetliť stabilitu elektrónov na obežných dráhach.
• Bohrov model: Rozvíjal planetárny model tým, že elektróny sa môžu pohybovať iba po určitých kvantovaných dráhach a pri prechode medzi nimi absorbujú alebo emitujú energiu.
• Sommerfeldov model: Doplnil Bohrov model o eliptické dráhy elektrónov, čím lepšie popísal jemnú štruktúru spektrálnych čiar.
• Vlnovomechanický model: Na základe kvantovej mechaniky nahradil predstavu elektrónov ako častíc pohybujúcich sa po presne určených dráhach. Elektróny sú opísané ako pravdepodobnostné elektrónové oblaky.

Stavba atómu link

Atóm je najmenšia častica, z ktorej sa skladá hmota. Napriek svojej mikroskopickej veľkosti má zložitú vnútornú štruktúru.

Atóm sa skladá z dvoch hlavných častí:

• Atómové jadro – nachádza sa v strede atómu a obsahuje protóny a neutróny.
• Elektrónový obal – tvoria ho elektróny, ktoré obiehajú okolo jadra.

Subatomárne častice link

Subatomárne častice sú častice menšie ako atóm a tvoria jeho základné stavebné jednotky. Nie všetky subatomárne častice sú elementárne – niektoré, ako protóny a neutróny, sa skladajú z ešte menších častíc nazývaných kvarky, ktoré sú viazané silnou jadrovou silou. Naopak, elektrón je skutočne elementárna častica, čo znamená, že ho nemožno rozdeliť na menšie zložky – je jednou zo základných stavebných jednotiek hmoty.

V spojitosti s elementárnymi časticami sa uvádza niekoľko dôležitých čísel:

• Protónové číslo (Z): Počet protónov v jadre určuje protónové číslo a je totožné s poradovým číslom chemického prvku v periodickej sústave.
• Neutrónové číslo (N): Počet neutrónov v jadre atómu.
• Nukleónové číslo (A): Počet protónov a neutrónov spolu – nazýva sa aj hmotnostné číslo.

Pričom platí, že:

A = N + Z

Nuklid je chemické indivíduum, ktorého atómové jadrá majú rovnaké protónové (Z) aj nukleónové (A) číslo.

Izotopy sú varianty určitého prvku. Sú to nuklidy toho istého prvku s rovnakým protónovým číslom (Z), ale rôznym nukleónovým číslom (A), líšia sa počtom neutrónov.

• Izotopy rovnakého prvku majú rovnaké chemické vlastnosti.
• Izotopy rovnakého prvku sa od seba líšia fyzikálnymi vlastnosťami.

Nestabilné nuklidy, ktoré sa premieňajú na iné nuklidy a pritom uvoľňujú žiarenie, sa nazývajú rádioaktívne nuklidy.

Prírodná a umelá rádioaktivita link

Podstata prírodnej rádioaktivity a umelej rádioaktivity spočíva v samovoľnej premene nestabilných atómových jadier, pričom dochádza k vyžarovaniu rádioaktívneho žiarenia. Rozdiel medzi nimi spočíva v pôvode rádioaktívnych nuklidov (rádionuklidov), ktoré tento jav spôsobujú.

Prírodná rádioaktivita:

• Je samovoľný rozpad nestabilných nuklidov, ktoré sa vyskytujú v prírode.
• Tento rozpad je sprevádzaný vyžiarením neviditeľného, takzvaného rádioaktívneho žiarenia.
• V prírode existuje približne 50 rádionuklidov, ktoré sú zdrojom prírodnej rádioaktivity.
• Objav prírodnej rádioaktivity je pripisovaný manželom P. a M. Curieovcom spolu s H. Becquerelom.
• Prírodné rádionuklidy vyžarujú tri základné druhy žiarenia:
  • Žiarenie α (alfa): prúd rýchlo letiacich atómových jadier hélia (\( ^{4}_{2}\text{He} \)). Má silné ionizačné účinky a malú prenikavosť.
  • Žiarenie β (beta): prúd rýchlo letiacich elektrónov (\( _{-1}^{0}e \)). Je prenikavejšie ako žiarenie α.
  • Žiarenie γ (gama): elektromagnetické vlnenie. Je najprenikavejšie. Vzniká často ako sprievodný jav pri premene α a β.

Umelá rádioaktivita:

• Je samovoľný rozpad umelo pripravených nuklidov, taktiež sprevádzaný vyžiarením rádioaktívneho žiarenia.
• Bola objavená neskôr ako prírodná rádioaktivita.
• Umelé rádionuklidy vznikajú napríklad ožarovaním stabilných (nerádioaktívnych) nuklidov vhodným korpuskulárnym žiarením (projektily) z rádioaktívnych zdrojov, urýchľovačov častíc alebo atómových reaktorov. Príkladom je vznik nestabilného nuklidu fosforu ožarovaním hliníka jadrami hélia. Pri tomto deji dochádza k premene atómového jadra, teda k jadrovej reakcii.
• Umelé rádionuklidy môžu tiež vyžarovať žiarenie α, β a γ.

Oba typy rádioaktivity majú dôležité využitie, napríklad v medicíne na liečbu a diagnostiku, v priemysle na meranie a kontrolu kvality a v archeológii na datovanie organických materiálov pomocou rádioaktívneho uhlíka ¹⁴C. Rádioaktívne žiarenie však môže byť pre živé organizmy škodlivé, preto je dôležité s rádionuklidmi manipulovať opatrne.

Elektrónový obal a elektrónová konfigurácia link

Elektrón objavil J. J. Thompson v roku 1897 a odvtedy sa predstavy o jeho pohybe v atóme postupne vyvíjali. V súčasnosti sa elektróny nepopisujú ako častice pohybujúce sa po presných dráhach, ale ako pravdepodobnostné rozloženie elektrónovej hustoty v atomových orbitáloch (AO).

Elektrónové vrstvy a orbitály link

Elektróny sa v atóme usporiadajú do elektrónových vrstiev (energetických hladín), ktoré označujeme číslami 1, 2, 3,... alebo písmenami K, L, M, N.... Každá vrstva obsahuje rôzne typy orbitálov, pričom maximálny počet elektrónov v jednotlivých orbitáloch je nasledovný:

• Orbitály s majú guľovitý tvar a môžu byť obsadené maximálne 2 elektrónmi.
• Orbitály p majú tvar priestorovej osmičky a môžu byť obsadené maximálne 6 elektrónmi (3 orbitály po 2 elektróny).
• Orbitály d majú zložitejší tvar a môžu byť obsadené maximálne 10 elektrónmi (5 orbitálov po 2 elektróny).
• Orbitály f majú ešte zložitejší tvar a môžu byť obsadené maximálne 14 elektrónmi (7 orbitálov po 2 elektróny).

Každý atómový orbitál je opísaný kvantovými číslami, ktoré určujú jeho tvar, energiu a orientáciu:

• Hlavné kvantové číslo (n) – udáva energetickú hladinu orbitálu,
• Vedľajšie kvantové číslo (l) – určuje tvar orbitálu,
• Magnetické kvantové číslo (m) – opisuje orientáciu orbitálu v priestore,
• Spinové kvantové číslo (s) – charakterizuje rotáciu elektrónu.

V základnom stave atómu sú elektróny usporiadané podľa pravidla minimálnej energie, pričom obsadzujú orbitály s najnižšou energiou ako prvé. Zápis tohto usporiadania sa nazýva elektrónová konfigurácia a používa sa v tvare napr. 1s² 2s² 2p⁶.

Excitovaný stav atómu nastáva, keď atóm pohltí určité množstvo energie. Táto energia môže pochádzať napríklad z tepla, svetla alebo elektrického výboja. Po pohltení energie dôjde k vzbudeniu (excitácii) jedného alebo viacerých elektrónov do energeticky bohatších (vyšších) orbitálov.

Každý z tých "kopčekov" na grafe predstavuje oblasť, kde je pravdepodobnosť nájdenia elektrónu vysoká. To súvisí s vlnovou funkciou elektrónu v kvantovej mechanike. Elektrón sa nechová ako klasická častica na pevnej dráhe, ale ako vlna s rôznymi oblasťami pravdepodobného výskytu.

Prečo sú tam viaceré vrcholy?

• • Uzly (nulové pravdepodobnosti) – medzi jednotlivými vrcholmi sa nachádzajú uzlové sféry (miesta, kde pravdepodobnosť výskytu elektrónu je nulová).
  • Vyššie orbitály (2s, 3s) majú viac uzlov – to znamená, že elektrón sa môže vyskytovať ďalej od jadra, ale nie všade s rovnakou pravdepodobnosťou.

Príklad:

• • Pre 1s orbitál je len jeden vrchol blízko jadra → elektrón má najvyššiu pravdepodobnosť byť v tejto oblasti.
  • Pre 2s orbitál sú dva vrcholy oddelené uzlovou sférou → elektrón má určitú pravdepodobnosť byť bližšie aj ďalej od jadra.
  • Pre 3s orbitál sú tri vrcholy → čím vyššie hlavné kvantové číslo, tým viac uzlov má vlnová funkcia.

Teda stále ide len o jeden elektrón, ale jeho vlnová funkcia ukazuje, kde ho môžeme nájsť s rôznou pravdepodobnosťou.

Tento obrázok znázorňuje tvary rôznych atómových orbitálov a ich orientáciu v priestore.

• • s-orbitál (hore): Je guľovitý a nemá priestorovú orientáciu (rovnaký vo všetkých smeroch).
  • p-orbitály (druhá rada): Majú tvar dvoch lalokov ("činky") a sú orientované pozdĺž osí x, y a z (p_x, p_y, p_z).
  • d-orbitály (tretia rada): Majú zložitejšie tvary – niektoré vyzerajú ako štvorlístok, iné majú tvar činky s kruhom okolo.
  • f-orbitály (spodná rada): Sú ešte zložitejšie a majú viac lalokov, pretože sa vyskytujú vo vyšších energetických hladinách.

Pravidlá obsadzovania orbitálov link

Elektrónová konfigurácia vyjadruje rozloženie elektrónov v orbitáloch atómu. Elektróny obsadzujú orbitály podľa troch základných pravidiel:

1. Aufbauov princíp – orbitály sa zapĺňajú od najnižšej energie k vyššej. Napríklad po 1s orbitáli sa obsadí 2s, potom 2p, neskôr 3s, 3p, 4s, 3d atď.
2. Pauliho vylučovací princíp – v jednom orbitáli môžu byť najviac dva elektróny, pričom musia mať opačné spiny (jeden +1/2, druhý -1/2).
3. Hundovo pravidlo – elektróny najprv obsadzujú degenerované orbitály (napr. p, d, f) osamote, až potom sa začnú párovať.

Príklad Hundovho pravidla:

• Pri konfigurácii 2p³ sa elektróny rozdelia do orbitálov ako p_x¹, p_y¹, p_z¹ – každý zvlášť, nie ako p_x², p_y¹, p_z⁰.
• Až pri 2p⁴ sa začne dvojité obsadzovanie orbitálov.

Spin elektrónu link

Elektrón má vnútornú vlastnosť zvanú spin, ktorá môže nadobúdať len dve hodnoty:

• +1/2 (spin "hore")
• -1/2 (spin "dole")

Elektróny v jednom orbitáli musia mať opačné spiny podľa Pauliho princípu, inak by nemohli existovať spolu.

Hybridizácia atómových orbitálov link

Pri tvorbe chemických väzieb sa orbitály v niektorých prípadoch hybridizujú, teda premiešavajú, čím vznikajú nové hybridné orbitály s odlišnými vlastnosťami. Tento proces ovplyvňuje geometriu molekúl a druhy chemických väzieb.

Hlavné typy hybridizácie, významné predovšetkým pre organickú chémiu, sú:

• sp³ hybridizácia – vzniká kombináciou jedného s-orbitálu a troch p-orbitálov. Výsledkom sú štyri hybridné orbitály usporiadané do tetraedrického tvaru (napr. metán CH₄).
• sp² hybridizácia – zahŕňa jeden s-orbitál a dva p-orbitály, pričom jeden p-orbitál zostáva nehybridizovaný. Hybridné orbitály sú usporiadané v rovinnom trojuholníkovom tvare (napr. etén C₂H₄).
• sp hybridizácia – vzniká spojením jedného s-orbitálu a jedného p-orbitálu, pričom zvyšné dva p-orbitály zostávajú nehybridizované a môžu tvoriť π-väzby (napr. acetylén C₂H₂).

Hybridizácia poskytuje vysvetlenie molekulárnej podstaty chemických väzieb. Je to matematické (vektorové) skladanie orbitálov – nič sa nemení na počte elektrónov, len sa zmiešajú pôvodné orbitály do nových tvarov. Pomáha pochopiť:

• Prečo majú molekuly konkrétne geometrie (napr. uhlík v metáne je tetraédrický, zatiaľ čo v CO₂ lineárny).
• Prečo existujú jednoduché, dvojité a trojité väzby a ako sa líšia ich vlastnosti.
• Ako sa rozložia elektrónové páry a prečo niektoré molekuly majú dipólový moment.

Atómový polomer link

Atómový polomer sa udáva ako polovica vzájomnej vzdialenosti stredov dvoch susedných atómov. Táto vzdialenosť závisí od toho, akým spôsobom sú tieto atómy vzájomne viazané. Preto rozlišujeme polomery kovalentné, iónové a kovové. Pre atómy prvkov sa uvádzajú stredné atómové polomery, pretože atómy toho istého prvku môžu byť viazané v jeho zlúčeninách rôznym spôsobom.

Z dualistickej povahy elektrónov vyplýva, že atóm nemá ostro ohraničený povrch, ale difúzny. Preto sa veľkosť atómového polomeru určuje zo vzdialenosti medzi atómami. Atómový polomer sa rovná polovici nameranej medzijadrovej vzdialenosti.

Na veľkosť atómov majú primárny vplyv príťažlivé sily medzi atómovým jadrom a vonkajšími elektrónmi, ako aj pozitívny náboj atómového jadra (počtom protónov) a počet obsadených vrstiev atómu elektrónmi.

Atómové polomery prvkov sa v periódach zľava doprava zmenšujú a v skupinách smerom zhora dolu rastú.

Iónový polomer link

Iónový polomer je veľkosť iónu v iónovej zlúčenine. V iónových zlúčeninách, ktoré možno zjednodušene predstaviť ako tuhé, prakticky nestlačiteľné guľové telieska určitých rozmerov, možno ich medzijadrovú vzdialenosť v rovnovážnom priblížení pokladať za súčet príslušných iónových polomerov.

• Polomer katiónu je vždy menší ako polomer atómu, z ktorého katión vznikol, pretože atóm stratil jeden alebo viac elektrónov, čím sa znížila odpudivá sila medzi elektrónmi a efektívny náboj jadra pôsobí na menší počet elektrónov, čím ich viac priťahuje. Polomer katiónu odvodeného od daného atómu sa zmenšuje s jeho rastúcim nábojom.
• Polomer aniónu je vždy väčší ako polomer atómu, z ktorého anión vznikol, pretože atóm prijal jeden alebo viac elektrónov, čím sa zvýšila odpudivá sila medzi elektrónmi a efektívny náboj jadra pôsobí na väčší počet elektrónov, čím je ich priťahovanie menej intenzívne.

Ionizačná energia link

Ionizačná energia (Eᵢ) je energia potrebná na odtrhnutie elektrónu od atómu v plynnom stave. Táto veličina sa udáva v elektrónvoltoch (eV) na atóm alebo v kilojouloch na mol (kJ/mol). Hodnota ionizačnej energie závisí predovšetkým od veľkosti atómového polomeru – čím je polomer menší, tým silnejšie jadro priťahuje elektróny, a preto je na ich odstránenie potrebné väčšie množstvo energie.

Ionizačné energie rastú v periodickej tabuľke zľava doprava v rámci periódy a klesajú zhora nadol v rámci skupiny.

Elektrónová afinita link

Elektrónová afinita (A) je energia, ktorá sa uvoľní, keď atóm v plynnom stave prijme elektrón a vytvorí anión. Táto hodnota sa najčastejšie uvádza v kilojouloch na mol (kJ/mol) a môže byť záporná alebo kladná v závislosti od prvku. Prvky, ktoré majú silnú tendenciu prijímať elektróny, ako napríklad halogény, majú vysokú (často negatívnu) hodnotu elektrónovej afinity, čo znamená, že pri získaní elektrónu uvoľnia značné množstvo energie. Naopak, niektoré prvky, najmä vzácne plyny, majú elektronovú afinitu blízku nule alebo dokonca kladnú, pretože nemajú výraznú tendenciu vytvárať anióny.