Atomo sudėtis

Atomų struktūra

Graikų kalboje žodis atomas reiškia kažką nedalomą. Dabartiniu metu atomo pavadinimas nebeatitinka senosios reikšmės, nes jį pavyko suskaldyti: atomas nėra pirminė nedaloma dalelė, bet priešingai – atomas yra sudėtinga sistema, sudarytai kitų elementarių dalelių. Cheminėmis priemonėmis atomo suskaldyti negalima, todėl praktiškai chemikas ir dabar gali laikyti atomą nedalomu. Tačiau, norint suprasti atomo chemines savybes, reikia susipažinti su atomo struktūra ir su atomus sudarančiomis dalelėmis. Chemikui yra svarbios tik tos struktūros detalės, kurios turi daugiausia įtakos cheminėms savybėms.

Tai svarbiausios elementariosios ddalelės: elektronai, protonai, neutronai, pozitronai, α, β ir γ dalelės ( α dalelės elementariosiomis nevadinamos ). Elektronai išsidėstę aplink atomo branduolį. Nuo elektronų išsidėstymo priklauso elementų cheminės savybės, o nuo jų – atomų jungties pobūdis molekulėse.

Atomo branduolį sudaro protonai ir neutronai. Abi dalelės kartu vadinamos nuklonais. Atomų branduoliai kinta ir naujų elementų atomai susidaro, vykstant branduolinėms reakcijoms. Šių reakcijų metu kartais atsiranda α, β ir γ dalelių: taigi jos susidaro, skylant branduoliams.

Dalelės apibūdinamos jų rimties mase ir krūviu. Einšteino rreliatyvumo teorija ( 1905 m. ) nurodo, kad kūno masė nėra pastovus dydis, bet priklauso nuo judėjimo greičio. Nejudančio kūno masė vadinama rimties mase. Nedideliu greičiu ( iki 3 * 106 m/s ) judančio kūno masė ir rimties masė beveik ssutampa. Dideliu greičiu ( artimu šviesos greičiui – 3 * 108 m/s ) judančios dalelės masė beveik du kartus didesnė už rimties masę.

Dalelės yra elektringos ( teigiamos ir neigiamos ) ir neelektringos ( neutralios).

E l e k t r o n a i buvo atrasti, ištyrus katodinius spindulius (Dž. Tomsonas, 1897 m.). Katodiniai spinduliai atsiranda, leidžiant aukštos įtampos elektros srovę pro praretintas dujas stikliniame vamzdyje (1 pav.). Jie sklinda iš katodo tiesiai šviesiu ruožu ir pro stiklą nepraeina. Elektriniame lauke katodiniai spinduliai pakrypsta į teigiamąjį polių. Tai rodo, kd šie spinduliai yra labai smulkių, neigiamai įelektrintų dalelių srautas. Nustatyta, kad šios dalelės masė sudaro 1/1840 dalį vandenilio atomo masės. Jos krūvis yra 1,60 * 10-19 kulono, arba 4,80 * 10-10 eelektrostatinių vienetų. Dalelių krūvis ir masė nepriklauso nei nuo vamzdyje esančių dujų prigimties, nei nuo medžiagos, iš kurios yra sudaryti elektrodai. Šios dalelės buvo pavadintos e l e k t r o n a i s. Elektronus galimagauti ir neveikiant elektros išlydžiui, pvz., kaitinant metalus, kurie taip pat skleidžia elektronus. Elektronus gali išskirti įvairios medžiagos, nes jie įeina į visų atomų sudėtį.

Tyrinėjant atomo sudėtį buvo padaryta daug išradimų:

Rentgeno spindulių atradimas

1895 m. Rentgenas, tyrinėdamas stiklo švytėjimą katodinių spindulių įtakoje, sudaro nnaujus spindulius, kuriuos jis pavadino x – spinduliais. Vėliau jie buvo pavadinti R e n g e n o s p i n d u l i a i s.

Nustatyta, kad Rentgeno spinduliai yra tokios pat rūšies elektromagnetinės bangos, kaip matomos šviesos spinduliai, tik žymiai mažesnio ilgio. Jie pasižymi didele svarba. Tiktai metalai, ypač sunkieji, juos geriau sulaiko.

Rentgeno spindulius tyrinėjo anglų mokslininkas Mozlis. 1912 m. Jis nustatė, kad Rentgeno spindulių ilgis priklauso nuo medžiagos, į kurią krinta katodiniai spinduliai.

Mozolis nustatė ir priklausomybę tarp Rentgeno spindulių bangų ilgių ir atitinkamų elementų eilės numerių. Tai M o z o l i o d ė s n i s:

Bangų ilgių atvirkštinių dydžių kvadratinės šaknys yra tiesiog proporcingos elementų eilės numeriams.

Mozolio atradimas labai svarbus, aiškinant atomų sandarą. Jo pagalba galima nustatyti elementų eilės numerį, t.y. nustatyti, iš kokių elementų susideda tiriamoji medžiaga. Katodiniams spinduliams krintant į stiklą, gaunami įvairūs bangos ilgiai, nes stiklas susideda iš įvairių elementų (silicio,kalcio, deguonies, natrio ir kt.).

Radioaktyvumo atradimas

XIX a. pabaigoje buvo pastebėtas labai įdomus reiškinys, dėl kurio pakito ankstyvesnės pažiūros apie atomo struktūrą. 1896 m. prancūzų fizikas A. Bekeleris pastebėjo, kad urano druskos skleidžia skvarbius spindulius, nuo kurių pajuosta fotografinė plokštelė, apsaugota nuo paprastos šviesos veikimo. Marija Sklodovska-Kiuri nnustatė, kad ši savybė priklauso nuo urano kiekio jo junginiuose ir visai nepriklauso nuo kitų, su uranu sujungtų elementų. Taip pat paaiškėjo, kad kai kurie urano mineralai yra net keturis kartus radioaktyvesni už gryną uraną. Iš to Marija Kiuri ir jos vyras Pjeras Kiuri padarė išvadą, kad urano mineraluose yra naujų dar aktyvesnių elementų.

Radioaktyvumas yra savaiminis radioaktyviųjų elementų atomų skilimas, susidarant naujiems atomams. Elementų atomai yra sudėtingos sistemos, kurios gali suirti, susidarant naujiems atomams.

Boro teorija

1913 m. N. Boras paskelbė atomo sandaros teoriją, kurioje suderino spektrų reiškinius su branduoliniu atomo modeliu. Boras, kurdamas atomo modelį, pasinaudojo Planko sukurta vadinamąja spinduliavimo kvantų teorija. Pagal šią teoriją, spindulių energija išspinduliuojama ir sugeriama ne ištisine srove, kaip buvo manoma ankščiau, bet atskirais mažais, apibrėžtais energijos kiekiais – k v a n t a i s. Spinduliuojančio kūno energija kinta šuoliais, kvantas po kvanto. Kvantas – tai labai mažas spindulinės energijos kiekis, kuris žymimas έ raide. Kvanto energijos dydis priklauso nuo išspinduliuojamos energijos virpesių skaičiaus. Juo dažnesni virpesiai, tuo didesnis yra kvantas.

Pirmasis Boro postulatas teigia, kad elektronas gali skrieti aplink atomo branduolį, neišspinduliuodamas energijos, tiktai tam tam tikromis orbitomis, kurių radiusai yra proporcingi sveikų skaičių (n) arba kvantų skaičių kvadratams.

Antrasis Boro postulatas tvirtina, kad eelektrono galinės ir pradinės orbitų energijos skirtumas išsiskiria spinduliavimo energijos kvanto pavidalu.

Pereinant elektronui iš vienos orbitos į kitą, spinduliavimo dažnumai visiškai sutapo su eksperimentiniu būdu nustatytų spektro linijų atitinkančiais dažnumais, tuo patvirtindami Boro teoriją.

Cheminės jungtys

Veikiant traukos jėgoms, tarp atomų, jonų ir molekulių susidaro cheminės jungtys, kurios turi įtakos medžiagų cheminėms ir fizinėms savybėms. Cheminės jungtys yra įvairaus pobūdžio. Vienų elementų atomai jungiasi jonine jungtimi, kitų – kovalentine arba metaline. Kai kurie atomai, jonai ir molekulės jungiasi koordinacine jungtimi, vandervalsinėmis traukos jėgomis arba vandeniline jungtimi.

Atomai, jonai ir molekulės jungiasi tarpusavyje todėl, kad, susidarant jungčiai, jie netenka dalies energijos, ir junginiai būna patvaresni už besijungiančias pavienes daleles. Kuo daugiau išsiskiri energijos, susidarant junginiams, tuo jie patvaresni.

Cheminę jungtį sudaro valentiniai atomų elektronai, taigi – tai elektrinio pobūdžio jungtis. Dalelės, esant tarp jų tam tikram atstumui, ima traukti viena kitą – vienos dalelės elektronai traukia kitos dalelės branduolius. Kuo mažesnis atstumas tarp dalelių, tuo ši trauka stipresnė ir dalelių energija mažesnė. Tarp labai suartėjusių dalelių atsiranda stūmos jėga – vienos dalelės elektronai stumia kitos elektronus arba vienos dalelės branduolys stumia kitos branduolį.

Būna įvairių cheminių jungčių:

• Joninės jungtys yra viena paprasčiausių cheminių jungčių. Šia jungtimi jungiasi tokie elementai, kurių vienas linkęs elektronus atiduoti,

o kitas – juos prisijungti.

• Kovalentinė jungtis, tai kai kovalentinėmis jungtimis besijungiantys atomai, kaip ir susidarantys jonai, įgyja arčiausių inertinių dujų elektronų apvalkalą; be to, elektronai nepereina iš vieno atomo į kitą, o sudaro bendras (kovalentines) elektronų poras.

• Valentinių jungčių teorija teigia, kad du atomus sieja viena ar kelios elektronų poros, esančios tarp atomų branduolių.

Kompleksiniai junginiai

Daugelis cheminių junginių yra kompleksiniai, pavyzdžiui:

K4[Fe(CN)6] – kalio heksacianoferatas (II),

K3[Fe(CN)6] – kalio heksacianoferatas (III),

Na3[Al(OH)6] – natrio heksahidroksoaliuminatas,

[Ag(NH3)2]Cl – sidabro diamoniako chloridas.

Kompleksinis junginys – tai labai ssudėtinga jonų, o dažnai jonų ir molekulių „sandrauga“.

Keičiantis adendams, keičiasi centrinio metalo atomo struktūra. Vienos jo elektronų orbitos susispaudžia ir darosi energetiškai nepatogios, kitos išsiplečia ir darosi patogesnės. Adendų elektronai gali pereiti į metalo orbitas, o metalo elektronai į adendų orbitas. Visos sudedamosios komplekso dalys persigrupuoja, prisiderindamos prie naujų bendrų sąlygų.

Šie nematomi elektroninio pasaulio pakitimai darosi dažnai iš karto svokiami, nes jie pakeičia kompleksų savybes: netirpias medžiagas paverčia tirpiomis, bespalves – spalvotomis, suteikia naujas elektrines ir mgnetines savybes. Tuo būdu, kkombinuojant metalų atomus su įvairiomis molekulėmis ir jonais, kurie gali būti adendais, galima gauti įvairias, dažnai labai vertingas medžiagas.

Kompleksiniai junginiai atlieka svarbų vaidmenį augalų ir gyvulių gyvybiniuose procesuose. Įvairūs fermentai, taip pat ir mikroelementai, audiniuose randami sudėtingų kompleksų pavidalu.

Daugelis biologiškai aaktyvių medžiagų yra kompleksai. Žalia augalų lapų spalva priklauso nuo esančio juose chlorofilo. Tai – magnio ir porfirino kompleksinis junginys.

Organizme vykstantiems gyvybės procesams reikia įvairių jonų mikrokiekių. Kad šie jonai lengviau patektų į atitinkamas organizmo vietas, jie paverčiami kompleksais.

Kompleksiniai junginiai vaidina milžinišką vaidmenį aukso, sidabro, platinos, retųjų elementų ir kitų metalų pramonėje, galvanostegijoje ir kt. Cheminėje analizėje jie vartojami atskiriems jonams nustatyti, nereikalingiems, trukdantiems jonams maskuoti ir jonams perskirti.

Cheminė termodinamika

Cheminė termodinamika yra bendrosios termodinamikos skyrius, kuriame nagrinėjamas energijos kitimas cheminėse reakcijose ir fizikiniuose – cheminiuose procesuose (tirpimo, garavimo, kristalizacijos, adsorbcijos procesuose). Cheminė termodinamika turi didelę mokslinę ir praktinę reikšmę, ne, remiantis jos dėsniais, galima spręsti apie minėtųjų procesų vyksmą, taip pat šiuos procesus pakreipti norima linkme.

Pagrindinės termodinamikos sąvokos:

• Sistema – tai ttariamai nuo aplinkos atskirtas kūnas arba sąveikaujančių kūnų grupė, apibūdinama tam tikru būviu.

• Komponentas – tai sistemą sudaranti cheminė medžiaga, kuri gali būti iš sistemos išskiriama. Pavyzdžiui, oras sudarytas iš dviejų komponentų – deguonies ir azoto dujų.

• Fazė yra sistemos dalis, atskirta nuo kitos sistemos dalies. Įmetus ledo gabalą į vandenį, gaunama trijų fazių sistema, sudaryta iš vieno komponento – H2O: ledas – vanduo – garai. Čia kieta fazė – ledas, skysta fazė – vanduo ir dujinė – vandens garai. Fazė gali bbūti nevientisa. Atskiras fazes gali sudaryti vienodo agregatinio būvio medžiagos.

Termochemijos dėsniai

Šiluminių efektų kiekybinius pasikeitimus, kurie vyksta cheminėse reakcijose, nagrinėja termochemija. Atliekant įvairius termocheminius apskaičiavimus, naudojami du pagrindiniai termochemijos dėsniai.

Pirmą dėsnį atrado A. Lavuazjė ir P. Laplasas 1784 m. Jis teigia, kad kiekvieno cheminio junginio skilimo šiluma lygi jo susidarymo šilumai, tik su priešingu ženklu. Pvz., 1 moliui metano suskaldyti į anglį ir vandenilį sunaudojama 21,7 kcal šilumos. Toks pats kiekis išsiskiria, susidarant 1 moliui metano iš paprastesnių medžiagų:

CH4 = C + 2H2 – 21,7 kcal;

C + 2H2 = CH4 + 21,7 kcal.

Antras dėsnis, kurį 1840 m. atrado Rusijos mokslų akademijos narys G. Hesas, teigia, kad reakcijos šiluminis efektas priklauso tik nuo pradinės ir galinės reaguojančių medžiagų būklių, bet nepriklauso nuo tarpinių stadijų proceso. Štai pavyzdys – degant angliai, susidaro anglies dioksidas:

C + O2 = CO2 + 97,7 kcal.

Ši reakcija vyksta stadijomis. Iš pradžių anglis sudega iki anglies monoksido, po to anglies monoksidas su deguonimi sudaro anglies dioksidą. Tai galima išreikšti tokiu būdu:

C + 1/2O2 = CO + qco;

CO + 1/2O2 = CO2 + 68 kcal

Kur qCO – CO susidarymo šiluma. Turint šiuos duomenis, lengva surasti CO susidarymo šilumą, t.y.

97,7 kcal = qCO + 68kcal;

Iš čia

qCO = 97,7kcal = 29,7kcal

Iš gautų rezultatų matyti, kad, prisijungiant prie anglies atomo antram deguonies atomui, išsiskiria žymiai daugiau šilumos, negu jungiantis pirmajam atomui. Tai paaiškinama tuo kad iš pradžių reikia suardyti jungtis tarp anglies atomų.

Heso dėsnis leidžia skaičiuoti reakcijų šiluminius efektus tais atvejais, kai jų dėl kokios nors priežasties negalima išmatuoti betarpiškai.

Metalų fizikinės savybės

Visi metalai, išskyrus gyvsidabrį, kambario temperatūroje yra kietos kristalinės medžiagos. Metalų būdingos fizikinės savybės yra laidumas elektrai, šilumai, blizgesys ir plastiškumas. Šios savybės aiškinamos kristalo gardelės ir metalinės jungties ypatumais.

Metalai laidūs elektrai, nes turi laisvų elektronų, kurie lengvai pereina iš vieno atomo į kitą. Todėl, veikiami net ir nedidelės elektrovaros jėgos, elektronai teka prie teigiamojo poliaus. Kylant temperatūrai, metalų laidumas elektrai mažėja, nes kristalo gardelės mazguose metalo atomai, veikiami šilumos, pradeda stipriau švytuoti ir trukdo elektronams judėti. Mažinant temperatūrą, metalų laidumas elektrai didėja. Esant artimai 0 K temperatūrai, daugelio metalų varža visai išnyksta. Šis reiškinys vadinamas superlaidumu. Metalai yra pirmos rūšies laidininkai, nes juose elektros srovę perneša elektronai. Metalų laidumas šilumai taip pat aiškinamas laisvųjų elektronų buvimu.

Metalų laidumas elektrai ir šilumai yra vienas kitam tiesiog proporcingi. Didžiausią laidumą elektrai ir šilumai turi sidabras, varis, auksas, aliuminis; mažiausią – švinas ir gyvsidabris. Elektros srovei iir šilumai laidūs tik kieti ir skysti metalai. Metalų dujos yra pavieniai atomai, ir jos nelaidžios elektrai.

Metalų milteliai sugeria šviesą ir atrodo juodi arba tamsiai pilki. Lygus metalų paviršius atspindi šviesą. Kuo lygesnis metalo paviršius, tuo geriau jis atspindi šviesą ir tuo labiau blizga. Labiausiai blizga sidabras ir paladis. Varis ir auksas trumpąsias šviesos bangas sugeria labiau, negu ilgąsias, todėl jie geltoni.

Metalų plastiškumas taip pat priklauso nuo kristalo gardelės struktūros. Joje metalų atomai išsidėstę plokštumomis, ir, veikiant išorinei jėgai, atomų sluoksniai slysta vienas kitu. Judrūs elektronai palaiko elektrinę pusiausvyrą, todėl deformuojami metalai nesuyra. Mechaninės jėgos labai keičia metalo atomų išsidėstymą kristalo gardelėje, todėl metalai tampa kietesni. Metalus atkaitinus, kristalo gardelės sandara atsistato, ir metalai vėl tampa plastiški. Metalų plastiškumas priklauso ir nuo priemaišų. Kuo grynesnis metalas, tuo jis plastiškesnis.

Metalai yra polikristalinės ir izotropinės medžiagos. Tam tikromis sąlygomis, labai atsargiai kristalinant, galima gauti metalo monokristalų – jie yra anizotropiniai.

Metalų magnetinės savybės yra nevienodos. Stipriai įsimagnetinantys (feromagnetiniai) metalai yra geležis, kobaltas ir nikelis. Kiti metalai yra diamagnetiniai arba paramagnetiniai. Jų magnetinės savybės išnyksta, nustojus veikti išorės magnetiniam laukui.

Metalų cheminės savybės

Pagrindinė cheminė metalų savybė yra ta, kad nuo jų atomų lengvai galima atimti valentinius elektronus ir paversti juos teigiamais jonais.

Savybė atiduoti elektronus ne visų metalų vienodai ryški.

Kuo mažesnis jonizacijos potencialas, tuo stipriau išreikštos elemento metalinės savybės. Pačius žemiausius jonizacijos potencialus turi šarminiai metalai: litis, natris, kalis, rubidis, cezis ir kt. Jie yra tipingiausi metalai.

Naudojantis vien tik jonizacijos potencialų dydžiais, dar negalima nustatyti griežtos ribos tarp metalų ir nemetalų. Apytikriai metalams priskiriami elementai, turintys mažesnį, negu 10EV jonizacijos potencialą.

Kuo lengviau metalo atomas atiduoda valentinius elektronus, tuo metalas chemiškai aktyvesnis. Naudojantis išstūmimo reakcijomis, galima tą aktyvumą apibūdinti kokybiškai. Jei geležies pplokštelę pamerksime į vario sulfato tirpalą, tai vykstantis procesas gali būti išreikštas lygtimi:

Fe + Cu2+ = Fe2+ + Cu.

Čia geležis išstumia varį iš jo junginių, vadinasi, geležis labiau aktyvus metalas, negu varis. Jo atomai lengvai atiduoda elektronus, virsta jonais ir pereina į tirpalą. Šiuolaikiniai tyrimai parodė, kad palaidų jonų tirpale nebūna, – jie visi yra daugiau ar mažiau hidratuoti ir dažnai sudaro sudėtingus kompleksus – hidratus, pvz., [Fe(OH2)6]SO4.

Beveik visi metalai reaguoja su rūgštimis. Kokie reakcijos produktai čia susidaro, priklauso nnuo metalo aktyvumo ir rūgšties savybių bei koncentracijos. Reaguojant metalui su nedeguoninėmis rūgštimis (pvz., HCl, HBr), oksidatorius būna vandenilio jonas ir skiriasi vandenilis, pavyzdžiui:

Zn + 2HCl → ZnCl2 + H2.

Kai metalai reaguoja su deguoninėmis rūgštimis (pvz., HNO3, H2SO4),oksidatorius ggali būti vandenilio jonai arba rūgščių anijonai (NO-3, SO2-4). Azoto rūgšties anijonas yra stipresnis oksidatorius, negu H+, todėl, tirpinant metalus azoto rūgštyje, vandenilis dažniausiai nesiskiria.

Mažai aktyvūs metalai (varis, gyvsidabris, sidabras), tirpdami koncentruotoje azoto rūgštyje, ją redukuoja iki NO2, o tirpdami praskiestoje, ją redukuoja iki NO. Aktyvūs metalai (cinkas,magnis), tirpdami praskiestoje azoto rūgštyje, ją redukuoja iki N2 arba NH+4.

Tirpinant metalus sieros rūgštyje, oksidatorius būna H+ arba SO2-4 jonas. Tai priklauso nuo rūgšties koncentracijos. Praskiestoje sieros rūgštyje stipresnis oksidatorius yra H+. Tada, tirpinant metalus, skiriasi vandenilis:

Sn + H2SO4 → SnSO4 + H2.

Mažiau aktyvūs metalai (varis, alavas), tirpdami koncentruotoje rūgštyje, ją redukuoja iki SO2, o aktyvūs metalai (cinkas, magnis) – iki S arba H2S.

Daugelis metalų tiesiog jungiasi su deguonimi. Natris, kalcis, magnis ir kkiti metalai sudaro bazinius oksidus. Berilio, cinko, aliuminio, alavo ir švino oksidai yra amfoteriniai. Kintančio valentingumo metalų oksidų savybės priklauso nuo oksidacijos laipsnio. Mažo oksidacijos laipsnio oksidai yra baziniai, vidutinio – amfoteriniai ir didelio – rūgštiniai.

Metalų oksidai gaunami, veikiant jų sulfidus deguonimi, metalus veikiant kitų metalų oksidais arba kaitinant hidroksidus:

2ZnS + 3O2→ 2ZnO + 2SO2,

2Al + Fe2O3 → 2Fe + Al2O3,

2Fe(OH)3 → Fe2O3 + 3H2O.

Aukštose temperatūrose kai kurie metalai reaguoja tarpusavyje, sudarydami intermetalinius (tarpmetalinius) junginius. Juose metalų atomai susiję metaline jjungtimi, ir jų cheminė formulė neatitinka metalo valentingumo. Intermetalinius junginius gali sudaryti du arba trys metalai. Dažnai jų sudėtis yra kintanti, pavyzdžiui: CuZn, CuZn3, Cu5Zn8, Ag3Al. Intermetalinių junginių laidumas elektrai yra mažesnis už mažiausiai laidaus jį sudarančio metalo.

Naudota literatūra: G. Kaušinienė, G. Buinevičienė, L. Ivaškevičienė, B. Stulpinas,

O. petroševičiūtė „Bendroji chemija“, Vilnius, 1974

R. Pajeda, E. Ramanauskas, E. Jasinkienė „Bendroji chemija“,1967

Ona Petraševičiūtė „bendroji chemija“, 1997