Structura atomului

Elevii învață despre particulele subatomice, numărul atomic și de masă, izotopi și configurația electronică.

Atomul și particulele din care este alcătuit

Atomul este cea mai mică particulă dintr-o substanță care păstrează însușirile chimice ale elementului respectiv. Nu este însă o bilă plină: are o structură, iar toată chimia de clasa a VII-a pleacă de la ea.

Atomul are două zone, foarte diferite ca mărime și ca rol:

• Nucleul – în centru, foarte mic, dar în el se află aproape toată masa atomului. Conține protoni și neutroni, numiți împreună nucleoni.
• Învelișul electronic – spațiul din jurul nucleului, în care se mișcă electronii. Ocupă practic tot volumul atomului, dar are o masă neglijabilă.

Cele trei particule, cu ce trebuie știut despre fiecare:

• Protonul (p+) – sarcină electrică pozitivă (+1), masă 1 unitate atomică de masă, se află în nucleu.
• Neutronul (n0) – neutru din punct de vedere electric (sarcină 0), masă tot 1 u, se află în nucleu.
• Electronul (e−) – sarcină negativă (−1), masă de aproximativ 1836 de ori mai mică decât a protonului, se mișcă în jurul nucleului.

De aici rezultă o idee cheie: atomul este neutru din punct de vedere electric, pentru că are același număr de protoni și de electroni. Sarcinile pozitive se echilibrează exact cu cele negative.

O comparație care ajută: dacă nucleul ar fi o boabă de mac în mijlocul unui teren de fotbal, electronii s-ar mișca prin toată tribuna. Atomul este, în cea mai mare parte, spațiu gol.

Numărul atomic Z și numărul de masă A

Doi indici descriu complet nucleul unui atom, iar ei apar în absolut orice exercițiu.

Numărul atomic Z = numărul de protoni din nucleu. El este cartea de identitate a elementului: dacă Z = 6, atomul este obligatoriu carbon; dacă Z = 8, este oxigen. Nu există două elemente diferite cu același Z. La atomul neutru, tot Z ne dă și numărul de electroni.

Numărul de masă A = numărul total de particule din nucleu, adică protoni + neutroni:

• A = Z + N, unde N este numărul de neutroni
• de unde rezultă și N = A − Z, formula pe care o folosești cel mai des

Notația standard este simbolul elementului cu A sus-stânga și Z jos-stânga. De exemplu, pentru atomul de sodiu cu A = 23 și Z = 11: are 11 protoni, 11 electroni și 23 − 11 = 12 neutroni.

Atenție la două confuzii care costă puncte:

• A nu se citește niciodată direct din tabel ca număr de neutroni. A îi cuprinde și pe protoni. Neutronii se obțin doar prin scădere.
• Masa atomică relativă din tabelul periodic nu este A. Ea este o medie a maselor izotopilor și de aceea are zecimale (clorul: 35,5). Numărul de masă A este întotdeauna un număr întreg, pentru că numeri particule.

Exemplu rezolvat: un atom are 17 protoni și 18 neutroni. Atunci Z = 17 (deci este clor), A = 17 + 18 = 35, iar numărul de electroni este tot 17.

Izotopii

Izotopii sunt specii de atomi ai aceluiași element, care au același număr atomic Z, dar numere de masă A diferite. Altfel spus: același număr de protoni, număr diferit de neutroni.

De ce sunt tot același element? Pentru că elementul chimic este definit de numărul de protoni, nu de cel de neutroni. Neutronii schimbă masa atomului, nu comportarea lui chimică. De aceea izotopii unui element au aceleași proprietăți chimice, dar proprietăți fizice ușor diferite (mai ales masa).

Exemplele clasice de reținut:

• Izotopii hidrogenului: protiu (A = 1, fără neutroni), deuteriu (A = 2, un neutron), tritiu (A = 3, doi neutroni). Toți au Z = 1.
• Izotopii carbonului: carbon-12 (6 neutroni) și carbon-14 (8 neutroni), ambii cu Z = 6. Carbon-14 este radioactiv și se folosește la datarea obiectelor vechi.
• Izotopii clorului: clor-35 și clor-37, ambii cu Z = 17. Amestecul lor natural explică masa atomică 35,5.

Confuzia clasică din teze: elevii spun că izotopii au număr diferit de electroni. Fals. Izotopii unui element neutru au exact același număr de electroni (egal cu Z) — de aceea se comportă chimic identic. Ceea ce diferă este strict numărul de neutroni.

A doua confuzie: izotopi și ioni. Izotopul diferă prin neutroni și rămâne neutru electric; ionul diferă prin electroni și are sarcină electrică.

Învelișul electronic: straturi și repartizarea electronilor

Electronii nu stau amestecați la întâmplare în jurul nucleului. Ei se aranjează pe straturi electronice (numite și niveluri), notate cu cifre de la 1 spre exterior sau cu literele K, L, M, N.

Fiecare strat are un număr maxim de electroni pe care îl poate primi:

• stratul K (primul, cel mai apropiat de nucleu): maximum 2 electroni
• stratul L (al doilea): maximum 8 electroni
• stratul M (al treilea): maximum 18 electroni, dar în clasa a VII-a, pentru primele 20 de elemente, se completează cu 8 înainte să înceapă stratul N
• stratul N (al patrulea): primește electroni la calciu și potasiu

Regula de completare pentru primele 20 de elemente: umpli stratul K, apoi L, apoi pui 8 electroni pe M, apoi treci pe N. Așa se explică de ce potasiul (Z = 19) are configurația 2, 8, 8, 1, și nu 2, 8, 9.

Exemple de configurații care trebuie știute pe de rost:

• oxigen, Z = 8: 2, 6
• sodiu, Z = 11: 2, 8, 1
• clor, Z = 17: 2, 8, 7
• argon, Z = 18: 2, 8, 8
• calciu, Z = 20: 2, 8, 8, 2

Electronii de pe ultimul strat se numesc electroni de valență și sunt cei care hotărăsc cum reacționează atomul. Verificarea ta permanentă: suma electronilor de pe straturi trebuie să fie exact Z.

De ce contează configurația: stabilitatea și formarea ionilor

Atomii gazelor rare (heliu, neon, argon) au ultimul strat complet — 2 electroni la heliu, 8 electroni la celelalte. Această structură se numește structură stabilă de gaz rar (dublet pentru heliu, octet pentru restul) și explică de ce gazele rare aproape că nu reacționează cu nimic.

Toate celelalte elemente tind să ajungă la aceeași structură stabilă. Au două posibilități, iar alegerea depinde de câți electroni au pe ultimul strat:

• Metalele au puțini electroni de valență (1, 2 sau 3) și îi cedează mai ușor. Rezultă un ion pozitiv (cation). Sodiul (2, 8, 1) cedează un electron și devine Na+, care are configurația neonului.
• Nemetalele au mulți electroni de valență (5, 6 sau 7) și acceptă electroni. Rezultă un ion negativ (anion). Clorul (2, 8, 7) acceptă un electron și devine Cl−, cu configurația argonului.

De aici o observație importantă pentru teste: când un atom devine ion, numărul de protoni nu se schimbă niciodată. Se schimbă doar numărul de electroni. Na și Na+ au amândoi 11 protoni; ionul are însă doar 10 electroni, de unde sarcina +1.

Cum calculezi rapid sarcina unui ion: sarcina = numărul de protoni − numărul de electroni. Dacă un ion are 17 protoni și 18 electroni, sarcina este 17 − 18 = −1, deci este Cl−.

Greșeala de logică cea mai des întâlnită: elevii cred că ionul pozitiv are mai mulți electroni „pentru că e plus”. Este exact invers — a pierdut electroni negativi, de aceea a rămas cu surplus de sarcină pozitivă.

Test — 6 întrebări ca la examen