מבנה האטום

אי רציפות החומר

עקרון זה, אותו ניסח המדען האנגלי דלטון, קובע שהחומר עשוי מחלקיקים קטנים, אטומיים, וביניהם יש חלל ריק.

חלקיקים תת אטומיים

כל אטום מורכב מגרעין ומענן אלקטרונים. הגרעין, הנמצא במרכז האטום ומהווה חלק קטן ביותר ממנו (נסו לדמיין כדורגל המונח באמצע המגרש - הכדור זה הגרעין והמגרש זהו ענן האלקטרונים). הגרעין מטענו חיובי. הגרעין מכיל על פי רוב שני סוגי חלקיקים - פרוטונים טעונים במטען חיובי, וניוטרונים חסרי המטען (יוצא דופן הוא אטום המימן המכיל פרוטון אחד בלבד ואינו מכיל ניוטרונים). את ענן האלקטרונים מרכיבים כצפוי אלקטרונים טעונים שלילית. צורת הענן משתנה בהתאם לרמת האנרגיה שלו (אין צורך לדעת את צורות העננים - זהו חומר מתקדם בהרבה מזה של הבגרות).

מספר אטומי

יסודות הטבלה המחזורית מסודרים כידוע לפי מספר אטומי. המספר האטומי אינו אלא מספר הפרוטונים הנמצאים בגרעין - פשוט עד כדי כך. לכל יסוד יש מספר אטומי המתאים רק לו. לדוגמא למימן יהיה תמיד מספר אטומי 1 - יש לו פרוטון אחד בגרעין. לחמצן מספר אטומי 8 - יש לו 8 פרוטונים בגרעין וכו'.

מספר מסה

מספר מסה הוא מספר החלקיקים, פרוטונים וניוטרונים, הנמצאים בגרעין. ליסוד הליום He יש שני פרוטונים ושני ניוטרונים ולכן מספר המסה שלו הוא 4. לסידן Ca יש 20 פרוטונים ו- 20 ניוטרונים ולכן יש לו מספר מסה 40. טעות נפוצה אצל תלמידים רבים היא לחשוב שמספר המסה הוא תמיד פי 2 מהמספר האטומי - זוהי שגיאה חמורה! ויש לשים לב שלא ליפול בה. ברב האטומים,בייחוד באלו בעלי מספר אטומי גבוה, אין כך הדבר - בברזל Fe יש 26 פרוטונים ו- 30 ניוטרונים ולכן מספר המסה שלו הוא 56 (ולא 52 כפי שחלק יטו לחשוב), דוגמא נוספת היא האטום זהב Au - לאטום זה 79 פרוטונים ו- 118 ניוטרונים ולכן בעל מספר מסה 197 (ולא 158).

ראיות לקיום הגרעין

בשנת 1911 הציג רתרפורד את המודל הגרעיני של האטום - המודל אשר משמש אותנו גם כיום. לפי מודל זה ישנו גרעין הטעון חיובית ומסביבו אלקטרונים שליליים. בניסוי עליו התבסס רתרפורד, ניסוי הנושא את שמו, הוא הקרין זרם של חלקיקי אלפא אל עבר עלה דק של זהב. רוב חלקיקי האלפא עברו ללא שינוי בכיוון את העלה, אך חלק שינו את כיוונם ואפילו חזרו אחורנית! רתרפורד הסביר את התופעה בכך שבמרכז האטום נמצא גרעין קטן וחיובי. לכן רוב החלקיקים החיוביים לא התקרבו אליו ועברו את העלה ללא שינוי. אולם, מקצתם התקרבו לגרעין ונדחו ממנו בגלל כוחות אלקטרוסטטיים וכתוצאה מכך שינו את מסלולם.

איזוטופים

כל יסוד מאופיין ע"פ המספר האטומי שלו, כלומר מספר הפרוטונים בגרעין. המספר האטומי הוא המעניק לאטום את הזהות של יסוד מסוים, ולפיו אנו מסוגלים להבדיל בין יסוד אחד למשנהו. לפיכך אטום בעל 6 פרוטונים ו- 6 ניוטרונים הוא אטום פחמן כפי שאטום בעל 6 פרוטונים ו-8 ניוטרונים הוא אטום פחמן. כיוון שהטבלה המחזורית מסודרת לפי מספר אטומי עולה נוכל בנקל לראות שאת שני אטומי הפחמן שהצגנו נמקם באותו מקום.
עולה השאלה אם כך מה ההבדל בין שני אטומי הפחמן שהוזכרו? ההבדל הבולט ביותר הוא במסה - לראשון יש מספר מסה 12 (6+6=12) ואילו לשני יש מספר מסה 14 (6+8=14). אטומים בעלי אותו מספר אטומי, בעלי תכונות כימיות זהות ונמצאים באותו מקום בטבלה המחזורית נקראים איזוטופים. כדי להבדיל בין האיזוטופים השונים של אטום מסוים מקובל לרשום את סמל האטום כשמשמאלו למעלה רשום מספר המסה ומשמאל למטה רשום מספר האטומי: לדוגמא ניתן לראות את הסימון השונה לפחמן בעל מסה 12 ופחמן בעל מסה 14: .

רדיואקטיביות

בטבלה המחזורית יש מספר של יסודות להם יש איזוטופים רדיואקטיביים. משמעות הדבר שהם פולטים מגרעינם חלקיקים ו/או אנרגיה באופן ספונטני. יש שלושה סוגים של קרינה רדיו אקטיבית:

1. קרינת α (אלפא): קרינה בה נפלט גרעין של הליום מתוך גרעין האטום - כלומר נפלטים שני פרוטונים ושני ניוטרונים. לדוגמא הופך אחרי פליטת קרינת α ל- . הדבר מתבטא בירידה של 2 במספר האטומי וירידה של 4 במספר מסה.
2. קרינת β (בטא): קרינה במהלכה נפלט אלקטרון 'מתוך הגרעין', המספר האטומי עולה באחד אך המסה נשארת. תיאוריה מקובלת המסבירה את פליטתו של אלקטרון מתוך הגרעין גורסת שניוטרון אחד מתפצל לאלקטרון שמשתחרר ולפרוטון שנשאר בגרעין. לדוגמא הופך לאחר שנפלטה ממנו קרינה β ל- .
3. קרינת γ (גמא): קרינה המורכבת מאנרגיה בלבד -ללא חומר. אין היא משנה את תכונות האטום. האנרגיה הנפלטת היא בצורת גלים אלקטרומגנטים בעלי אורך הגל הקצר ביותר ולכן גם זוהי הקרינה האלקטרומגנטית החזקה ביותר.

אנרגיית יינון

אנרגיית היינון היא האנרגיה הדרושה להוצאת מול אלקטרונים ממול של צורון כלשהו (הכוונה לאטום או יון). למשל, האנרגיה הדרושה להפיכת נתרן לקטיון נתרן חד-ערכי היא אנרגיית היינון הראשונה, אנרגיית היינון השנייה היא האנרגיה הדרושה כדי להוציא אלקטרון נוסף וליצור קטיון דו ערכי.

אנרגיית היינון מושפעת מכמה גורמים. הגורם הראשון במעלה הוא מספר הרמות - ככל שיש יותר רמות אלקטרונים ככה אנרגיית היינון יותר נמוכה. המגמה השנייה היא עלייה באנרגיית היינון לאורך מחזור משמאל לימין - הדבר נובע מעלייה במספר הפרוטונים ולכן עלייה במשיכת הגרעין את האלקטרונים (הערה: המונח הנכון מבחינה כימית לגורם זה נקרא מטען אפקטיבי אך הוא לא בשימוש במערכת החינוך התיכונית).

מהי המגמה באנרגיות יינון עוקבות?
הכלל אומר שאנרגיית יינון כלשהי תהיה תמיד גבוהה מאנרגיית היינון שקדמה לה. כך אנרגיית היינון השלישית תמיד גבוהה מהשנייה אך תמיד נמוכה מהרביעית (אין יוצאים מן הכלל). כמו כן ניתן להשתמש באנרגיות יינון עוקבות לזיהוי הטור בו נמצא היסוד. כאשר מוציאים אלקטרונים מאותה רמה ההבדל באנרגיות היינון אינו גדול, אך כאשר אלקטרון מוצא מרמה תחתונה יותר ישנה קפיצה חדה ובולטת לעין באנרגיית היינון. נתון זה יכול לשמש אותנו מכיוון שמספר אנרגיות היינון לפני הקפיצה שווה למספר אלקטרוני הערכיות שבאטום הניטרלי ולכן למספר הטור בו נמצא היסוד.

זיקה אלקטרונית

זיקה אלקטרונית היא המדד לאנרגיה הנפלטת כאשר צורון (אטום או יון) מקבל אלקטרון נוסף. ע"פ רוב בתהליך זה נפלטת אנרגיה. הזיקה האלקטרונית עולה כאשר מתקדמים משמאל לימין בטבלה המחזורית, ויורדת עם הירידה בטור.

הערכות אלקטרונים ברמות אנרגיה

הקדמה

לכל יסוד יש מספר אלקטרונים השווה למספר הפרוטונים בגרעינו. האלקטרונים הם הנותנים את הנפח לאטום. האלקטרונים אינם סובבים את הגרעין כפי שכוכבי הלכת סובבים את השמש (כלומר פחות או יותר במישור אחד) אלא האלקטרונים סובבים את הגרעין בתוך ענני אלקטרונים. כל ענן מייצג רמת אנרגיה. לכל רמת אנרגיה יש מספר מוגבל של אלקטרונים אותם היא יכולה להכיל וכתוצאה מכך לכל היסודות (מלבד מימן (H), והליום (He) יש יותר מרמת אנרגיה אחת. חלק זה של הסיכום זה יעסוק ברמות אנרגיה אלה ובסידור האלקטרונים בהם.

רמות האנרגיה

רמות האנרגיה של האטום נקראות גם אורביטלים. ליסודות הטבלה המחזורית יש בין רמת אנרגיה אחת (ליסודות השורה הראשונה) עד לשבע רמות אנרגיה (ליסודות השורה ה- 7). ככל שרמת האנרגיה גדולה יותר אלקטרוניה רחוקים יותר מהגרעין. ככל שרמת האנרגיה גבוהה יותר אז יש בה יותר מקום והיא יכולה להכיל יותר אלקטרונים:

• רמת האנרגיה ה- I מכילה עד 2 אלקטרונים.
• רמת האנרגיה ה- II מכילה עד 8 אלקטרונים.
• רמת האנרגיה ה- III מכילה עד 18 אלקטרונים.
• רמת האנרגיה ה- IV מכילה עד 32 אלקטרונים.
• כלומר, ב-4 הרמות הראשונות, מספר האלקטרונים המקסימלי הוא 2n² (מספר הרמה=n)
• לצורך לימודי הכימיה בתיכון אין צורך לדעת את המקסימום של רמות 5-7.

כיצד נסדר את האלקטרונים של אטום לפי רמות האנרגיה שלהם?

1. ראשית כל אנו צריכים לדעת כמה אלקטרונים יש לאטום. אם האטום הוא נייטרלי מבחינה חשמלית (כלומר הוא לא יון, בצורה בה הוא מופיע בטבלה המחזורית), אז מספר האלקטרונים שלו שווה למספר הפרוטונים. למשל נתרן (Na) הוא בעל מספר אטומי 11 (ראה טבלה מחזורית) - כלומר יש לו 11 פרוטונים ולפיכך גם 11 אלקטרונים.
2. שנית, צריך לדעת כמה רמות אנרגיה יש לאטום בו אנו מעוניינים. מספר רמות האנרגיה שווה למספר המחזור (מספר השורה). נתרן ממוקם במחזור השלישי ולפיכך יש לו 3 רמות אנרגיה.
3. שלישית, ניתן לדעת כמה אלקטרונים נמצאים ברמת האנרגיה האחרונה לפי מספר הטור. מספר האלקטרונים ברמה החיצונית שווה למספר הטור. כל לגזים האצילים (טור 8) יש 8 אלקטרונים ברמה החיצונית, למתכות האלקליות עפרוריות (טור 2) יש 2 אלקטרונים ברמה החיצונית וכו'. ההליום הוא יוצא דופן- למרות שהוא ממוקם בטור 8 הוא מכיל 2 אלקטרונים בלבד. יש לשים לב לכך ששיטה זו אינה מתאימה למתכות המעבר. אם נחזור לדוגמה, נתרן ממוקם בטור הראשון יחד עם שאר המתכות האלקליות ולכן יש לו אלקטרון אחד ברמה החיצונית.
4. כעת ניתן להתחיל למקם את האלקטרונים החל מהרמה הנמוכה ביותר עד לזו לפני האחרונה. בדוגמה שלנו לנתרן יהיו 2 אלקטרונים ברמה התחתונה. נותרה רמת אנרגיה אחת (הרמה ה- II), ונותרו לנו 8 אלקטרונים לשבץ בה.

דוגמא נוספת
ברצוננו לסדר את האלקטרונים של האטום אסטטין (At).
פתרון
ראשית כל נבדוק כמה אלקטרונים יש לאסטטין. לאסטטין יש מספר אטומי 85, כיוון שלא מדובר ביון אלא באטום נייטרלי אז יש לו 85 אלקטרונים גם כן.
שנית, אסטטין ממוקם במחזור ה-6 כלומר יש לו שש רמות אנרגיה שונות. בנוסף לכך הוא ממוקם בטור השביעי כלומר יש לו 7 אלקטרונים ברמה האחרונה.

כעת ניתן להתחיל לסדר את האלקטרונים. ברמה הראשונה נסדר את מקסימום האלקטרונים - 2. מכיוון שכפי שניתן לראות עדיין לא שיבצנו את כל האלקטרונים, נמשיך ונשבץ את המקסימום ברמות השנייה (8), השלישית (18) והרביעית (32).
כעת שיבצנו כבר 67 אלקטרונים מתוך 85 אותם יש לשבץ - כלומר נותרו 18 אלקטרונים ובמקביל נותרה רק הרמה החמישית. נשבץ את האלקטרונים הנותרים ברמה החמישית. ניתן לבדוק ולראות שסכום כל האלקטרונים ששיבצנו הוא 85, יש 6 רמות אנרגיה בהתאם למיקום במחזור השישי, יש 7 אלקטרונים ברמה האחרונה המתאימים לטור השביעי ובשום רמה לא עברנו את הערך המקסימלי המותר.