Structura atomului

Atomul este particula din care sunt alcătuite substanțele și este neutru electric. În centrul lui se află nucleul, format din protoni cu sarcină pozitivă ($+1$) și neutroni fără sarcină; împreună se numesc nucleoni. În jurul nucleului se mișcă electronii, cu sarcină negativă ($-1$), care alcătuiesc învelișul electronic. Protonul și neutronul au fiecare masa de aproximativ $1$ u (unitatea atomică de masă), iar electronul este de aproximativ $1836$ de ori mai ușor. De aceea aproape toată masa atomului se află în nucleu. Nucleul este foarte mic: dacă atomul ar avea cât un teren de fotbal lung de $100$ m, nucleul ar avea cât un grăunte de nisip de $1$ mm.

Numărul atomic $Z$ este numărul protonilor și arată despre ce element este vorba; într-un atom neutru este egal cu numărul electronilor. Numărul de masă $A$ este numărul nucleonilor, adică protoni plus neutroni, deci numărul neutronilor este $N=A-Z$. Notația ${}_Z^A\mathrm{X}$ cuprinde simbolul elementului, $A$ sus și $Z$ jos. Hidrogenul ${}_1^1\mathrm{H}$ are un proton, un electron și niciun neutron. Notația ${}_{11}^{23}\mathrm{Na}$ arată $11$ protoni și $23-11=12$ neutroni. Dacă atomul pierde un electron, devine ion pozitiv (cation); dacă primește electroni, devine ion negativ (anion). Numărul protonilor rămâne același. Atomii cu același $Z$ aparțin aceluiași element: $Z=1$ la hidrogen, $Z=6$ la carbon, $Z=8$ la oxigen, $Z=11$ la sodiu.

Exemplu rezolvat 1: ce particule are un atom neutru de fluor, ${}_9^{19}\mathrm{F}$?

1. Indicele de jos este $Z=9$, deci nucleul are $9$ protoni.
2. Atomul este neutru, deci are tot $9$ electroni.
3. Indicele de sus este $A=19$, deci numărul neutronilor este $19-9=10$.
4. Masa atomului este aproape $19$ u, pentru că protonii și neutronii însumează $9+10=19$ nucleoni.

Verificare: sarcina totală este $9(+1)+9(-1)=0$, deci atomul este neutru.

Exemplu rezolvat 2: ce se schimbă când atomul de sodiu devine cation?

1. Atomul neutru ${}_{11}^{23}\mathrm{Na}$ are $11$ protoni, $12$ neutroni și $11$ electroni.
2. Cedează un electron, deci rămân $11-1=10$ electroni.
3. Protonii ($11$) și neutronii ($12$) nu se modifică, deci $Z=11$ și $A=23$ rămân aceleași.
4. Sarcina ionului este $(+11)+(-10)=+1$, iar notația este ${\mathrm{Na}}^{+}$.

Tabelul de mai jos arată valorile exacte ale particulelor, folosite în probleme.

Unitatea atomică de masă este a douăsprezecea parte din masa atomului ${}^{12}\mathrm{C}$ și are valoarea $1\mathrm{u}=1,66\cdot 10^{-27}$ kg. Structura cu nucleu mic a fost stabilită de Rutherford în 1911: particule $\alpha$ trimise printr-o foiță subțire de aur treceau aproape toate nedeviate, iar câteva se abăteau puternic. Concluzia a fost că sarcina pozitivă și aproape toată masa sunt concentrate într-un nucleu cu diametrul de ordinul $10^{-15}$ m, în timp ce atomul are diametrul de ordinul $10^{-10}$ m, de $10^5$ ori mai mare. Din raportul diametrelor rezultă raportul volumelor: nucleul ocupă $(10^{-5}{)}^3=10^{-15}$ din volumul atomului, deși conține aproape toată masa.

Particulele nucleului sunt ținute împreună de forțe nucleare, mult mai puternice decât respingerea electrică dintre protoni; neutronii contribuie la stabilitatea nucleului. Modelul cu electroni pe orbite circulare a fost înlocuit în mecanica cuantică de orbitali, regiuni în care electronul se găsește cu probabilitate maximă; ei se studiază la lecția despre substraturi. Masa atomică relativă din tabelul periodic este media ponderată a maselor izotopilor naturali; pentru clor, valoarea $35,5$ nu descrie un singur atom. În notația unui ion, sarcina se scrie sus, în dreapta: ${}_Z^A{\mathrm{X}}^q$.

Exemplu rezolvat 1: ionul ${}_{26}^{56}{\mathrm{Fe}}^{3+}$.

1. Din $Z=26$ rezultă $26$ protoni, deci sarcina nucleului este $+26e$.
2. Numărul neutronilor este $56-26=30$.
3. Sarcina $3+$ arată că atomul a pierdut $3$ electroni, deci ionul are $26-3=23$ electroni.
4. Sarcina ionului este $26-23=+3$ în unități $e$, adică $3\cdot 1,6\cdot 10^{-19}=4,8\cdot 10^{-19}$ C.

Exemplu rezolvat 2: ce parte din masa unui atom de fier ${}^{56}\mathrm{Fe}$ revine electronilor?

1. Cei $26$ de electroni au masa $26\cdot 0,00055\approx 0,0143$ u.
2. Masa atomului este aproximativ $56$ u.
3. Fracția este $0,0143/56\cdot 100\approx 0,026\%$, deci nucleul concentrează peste $99,97\%$ din masă.

Exemplu rezolvat 3: o specie are $12$ protoni, $12$ neutroni și $10$ electroni. Cum se notează?

1. Numărul de protoni este $Z=12$, deci elementul este magneziul.
2. Numărul de masă este $A=12+12=24$.
3. Sarcina este $q=p-e=12-10=+2$.
4. Notația este ${}_{12}^{24}{\mathrm{Mg}}^{2+}$.

La anionul ${}_{16}^{32}{\mathrm{S}}^{2-}$ se păstrează $16$ protoni și $16$ neutroni, iar electronii cresc de la $16$ la $18$; nucleul nu se modifică la formarea ionului.

Exemplu rezolvat 4: masa atomului ${}_8^{16}\mathrm{O}$.

1. Nucleul are $8$ protoni și $16-8=8$ neutroni, adică $16$ nucleoni, iar sarcina lui este $8\cdot 1,6\cdot 10^{-19}=1,28\cdot 10^{-18}$ C.
2. Masa atomului este aproximativ $16$ u, adică $16\cdot 1,66\cdot 10^{-27}\approx 2,66\cdot 10^{-26}$ kg.
3. Un mol conține $N_A=6,022\cdot 10^{23}$ atomi, deci masa lui este $2,66\cdot 10^{-26}\cdot 6,022\cdot 10^{23}\approx 1,6\cdot 10^{-2}$ kg $=16$ g.

Numeric, masa molară în g/mol coincide cu masa atomică în u.

La probleme se scriu separat cele trei numere pentru specia ${}_Z^A{\mathrm{X}}^q$: $p=Z$, $n=A-Z$ și $e=Z-q$. Cu $q=-2$ la un anion, $e=Z+2$. Sarcina ionului schimbă doar numărul de electroni. Două specii cu același număr de electroni se numesc izoelectronice, de exemplu ${}_{10}^{20}\mathrm{Ne}$ și ${}_{11}^{23}{\mathrm{Na}}^{+}$, dar sunt elemente diferite. Zece electroni au, de exemplu, ${\mathrm{O}}^{2-}$, ${\mathrm{F}}^{-}$, $\mathrm{Ne}$, ${\mathrm{Na}}^{+}$, ${\mathrm{Mg}}^{2+}$ și ${\mathrm{Al}}^{3+}$, deși au $Z$ diferit. Numărul de masă $A$ nu depinde de electroni. Alte tipuri de perechi: izotopii au același $Z$, izobarii au același $A$ și $Z$ diferit (${}^{40}\mathrm{Ar}$ și ${}^{40}\mathrm{K}$), iar izotonii au același număr de neutroni (${}^{37}\mathrm{Cl}$ și ${}^{39}\mathrm{K}$, ambii cu $20$ neutroni).

Exemplu de complement grupat. Despre ionul ${}_{13}^{27}{\mathrm{Al}}^{3+}$ se fac afirmațiile:

1. are $13$ protoni;
2. are $10$ electroni;
3. are $14$ neutroni;
4. are numărul atomic $10$.

Variantele de răspuns:

• A. Numai 1, 2 și 3 sunt corecte.
• B. Numai 1 și 3 sunt corecte.
• C. Numai 2 și 4 sunt corecte.
• D. Numai 4 este corectă.
• E. Toate sunt corecte sau toate sunt false.

Rezolvare: $Z=13$ confirmă afirmația 1; $e=Z-q=13-3=10$ confirmă 2; $N=A-Z=27-13=14$ confirmă 3; numărul atomic nu se schimbă la ionizare și rămâne $13$, deci 4 este falsă. Răspuns: A.

Exemplu de complement simplu: ionul ${\mathrm{X}}^{2-}$ are $18$ electroni și $16$ neutroni. Din $e=Z-q=Z+2=18$ rezultă $Z=16$, apoi $A=Z+N=16+16=32$: specia este ${}_{16}^{32}{\mathrm{S}}^{2-}$.

Exemplu numeric: un atom neutru are în total $52$ de particule fundamentale (protoni, neutroni, electroni), iar neutronii sunt cu unul mai mulți decât protonii. Din $Z+Z+(Z+1)=52$ rezultă $Z=17$, $N=18$ și $A=35$: este atomul ${}_{17}^{35}\mathrm{Cl}$.

Greșeli frecvente

• Greșit: Ionul ${\mathrm{Al}}^{3+}$ are $10$ protoni.
  Corect: are $13$ protoni și $10$ electroni.
• Greșit: Numărul de masă este numărul neutronilor.
  Corect: $A=Z+N$, adică suma protonilor și neutronilor.
• Greșit: Un atom care devine ion își schimbă elementul, pentru că i se schimbă sarcina.
  Corect: elementul este stabilit de $Z$; ionul ${\mathrm{Na}}^{+}$ are tot $11$ protoni și rămâne sodiu.
• Greșit: Electronii au masă comparabilă cu protonii.
  Corect: un electron este de aproximativ $1836$ de ori mai ușor decât un proton, deci masa atomului se află în nucleu.

Înainte și după