2. ΑΤΟΜΑ, ΜΟΡΙΑ ΚΑΙ ΙΟΝΤΑ Ατομική θεωρία της ύλης Η δομή του ατόμου ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ Ατομική θεωρία της ύλης Η δομή του ατόμου Η δομή του πυρήνα – Ισότοπα Ατομικά βάρη Περιοδικός πίνακας των στοιχείων Χημικοί τύποι – Μοριακές και ιοντικές ενώσεις Οργανικές ενώσεις Ονοματολογία απλών ενώσεων Αναγραφή και ισοστάθμιση χημικών εξισώσεων

Η ατομική θεωρία του Dalton 1. Η ύλη αποτελείται από αδιαίρετα άτομα. Τα άτομα είναι πολύ μικρά αλλά διατηρούν την ταυτότητα τους κατά τις χημικές αντιδράσεις. 2. Κάθε στοιχείο αποτελείται από το ίδιο είδος ατόμων. 3. Μια χημική ένωση αποτελείται από δύο ή περισσότερα στοιχεία χημικά ενωμένα μεταξύ τους σε σταθερή αναλογία. 4. Χημική αντίδραση είναι μια αναδιάταξη των ατόμων των ενώσεων που αντιδρούν και η δημιουργία με τον τρόπο αυτό, νέων χημικών συνδυασμών στις ενώσεις που σχηματίζονται. John Dalton (1776-1844)

Στοιχείο, χημική ένωση Άτομα του στοιχείου Υ Χημική ένωση των στοιχείων Χ και Υ Άτομα του στοιχείου Χ Chang 39 Σύμφωνα με την ατομική θεωρία του Dalton, άτομα του ίδιου στοιχείου είναι ταυτόσημα, διαφέρουν όμως από τα άτομα άλλου στοιχείου. Εδώ, σε αναλογία 2:1, τα άτομα Χ και Υ ενώνονται και σχηματίζουν μια χημική ένωση.

Χημική αντίδραση Χημική αντίδραση είναι η αναδιάταξη των ατόμων που υπάρχουν στις ουσίες που αντιδρούν και η δημιουργία νέων χημικών συνδυασμών στις ουσίες που σχηματίζονται. Ebbing 76 CΗ4 + 2 Ο2 → CΟ2 + 2 Η2Ο μεθάνιο + οξυγόνο → διοξείδιο + νερό του άνθρακα

Ορισμένα κοινά στοιχεία Ατομικό Σύμβολο ενός στοιχείου, είναι ένα ή δυο γράμματα του Αγγλικού αλφαβήτου με τα οποία παριστάνουμε το στοιχείο. Όνομα Ατομικό Φυσική κατάσταση στοιχείου σύμβολο του στοιχείου Άζωτο Ν (από το Nitrogen) Άχρωμο αέριο Άνθρακας C (από το Carbo) Γραφίτης Μαύρο, μαλακό στερεό Διαμάντι Σκληρός, άχρωμος κρύσταλλος Αντιμόνιο Sb (από το Stibium) Μαλακό, αργυρόλευκο μέταλλο Άργυρος Ag (από το argentum) Αργυρόλευκο μέταλλο Θείο S (από το Sulfur) Κίτρινο στερεό Κασσίτερος Sn (από το Stannum) Μαλακό, αργυρόλευκο μέταλλο Μόλυβδος Pb (από το Plumbum) Κυανίζον-λευκό μέταλλο Πυρίτιο Si (από το Silica) Γκρίζο, στιλπνό στερεό Σίδηρος Fe από το Ferrum) Αργυρόλευκο μέταλλο Φωσφόρος Ρ (από το Phosphorus) Κιτρινόλευκο, κηρώδες στερεό (λευκός) Χαλκός Cu (από το Cuprum) Ερυθρωπό μέταλλο Χρυσός Au (από το Aurum) Μαλακό, κίτρινο μέταλλο

Πόσο μικρά είναι τα άτομα; Άτομα νικελίου (Ni) στην επιφάνεια ενός κρυστάλλου νικελίου (εικόνα παρμένη με σαρωτικό μικροσκόπιο σήραγγας (STM) διάμετρος ατόμων: 1 έως 5 Å (1 Å = 1  10–10 m) Άτομο Ni: διάμετρος 2,48 Å (2,48  10–8 cm). Κέρμα με δ = 1,5 cm Oxtoby 30 1,5/2,48  10–8 = 6  107 ή 60 εκατομμύρια !!! άτομα Ni.

Δομή του ατόμου Ένα άτομο έχει έναν πυρήνα και ηλεκτρόνια πυρήνας Αν και ο Dalton υποστήριξε ότι τα άτομα είναι αδιαίρετα, πειράματα έδειξαν ότι αποτελείται από τον πυρήνα και τα ηλεκτρόνια. Ο πυρήνας βρίσκεται στο κέντρο είναι θετικά φορτισμένος Το ηλεκτρόνιο είναι ένα ελαφρύ, αρνητικά φορτισμένο σωματίδιο, που υπάρχει γύρω από τον πυρήνα. Oxtoby 30

Ο πυρήνας του ατόμου Η ανακάλυψη της ραδιενέργειας, δηλαδή της αυθόρμητης εκπομπής σωματιδίων και / ή ακτινοβολίας από στοιχεία, βοήθησε τα μέγιστα στην έρευνα της δομής του ατόμου. Ποια είδη ακτινοβολιών εκπέμπονται κατά τη διάσπαση ραδιενεργών ουσιών, όπως το ουράνιο; Τρία είδη ακτίνων εκπέμπονται κατά τη ραδιενεργό διάσπαση: Aκτίνες-β (ηλεκτρόνια)  έλκονται από τη θετική πλάκα. Aκτίνες-α (θετικά φορτισμένα σωματίδια)  έλκονται από την αρνητική πλάκα. Ακτίνες-γ (χωρίς φορτίο)  δεν επηρεάζονται από το πεδίο (δεν αποκλίνουν). α γ β (–) (+) Φωτογραφική πλάκα Ραδιενεργός ουσία Μολύβδινος κύβος Chang 42

Το πυρηνικό πρότυπο του ατόμου Ernest Rutherford (1871-1937) Το 1911, ο Βρετανός φυσικός Ernest Rutherford δημοσίευσε τα αποτελέσματα πειραμάτων, στα οποία χρησιμοποίησε σωματίδια-α προκειμένου να «εισχωρήσει» στο εσωτερικό του ατόμου και να το μελετήσει. Πώς περιγράφονται και πώς ερμηνεύονται τα περίφημα «πειράματα σκεδάσεως του Rutherford» ;

Τα πειράματα σκεδάσεως του Rutherford Σκέδαση σωματιδίων α από φύλλο χρυσού Σχεδόν όλα τα σωματίδια-α περνούν ανεμπόδιστα μέσα από το φύλλο χρυσού με μικρή ή και καθόλου απόκλιση και μόνον ελάχιστα αποκλίνουν κατά μεγάλες γωνίες. Περίπου 1 στα 8.000 απωθείται προς τα πίσω!!! Η φθορίζουσα οθόνη εκπέμπει στιγμιαίες αναλαμπές (σπινθηρισμούς) εκεί όπου προσκρούουν σωματίδια-α.

Ερμηνεία των πειραμάτων σκεδάσεως του Rutherford Δέσμη σωματιδίων α Φύλλο χρυσού Περιοχή όπου κινούνται ηλεκτρόνια Πυρήνας Ebbing 49 Τα περισσότερα σωματίδια-α διαπερνούν το φύλλο χρυσού επειδή ο χώρος γύρω από τους πυρήνες είναι σχεδόν άδειος. Μερικά σωματίδια-α περνούν δίπλα από κάποιο πυρήνα και, λόγω ομοειδών φορτίων, αποκλίνουν. Τα ελάχιστα σωματίδια-α που επιστρέφουν πίσω είναι γιατί προσέκρουσαν απευθείας πάνω σε ατομικό πυρήνα.

Πυρηνικό πρότυπο του Ατόμου (Rutherford) 1. Ο πυρήνας στο κέντρο του ατόμου, ο οποίος συγκεντρώνει το μεγαλύτερο της ατομικής μάζας (99,95%) και όλο το θετικό φορτίο. Αν και η μάζα του ατόμου είναι συγκεντρωμένη στον πυρήνα, αυτός καταλαμβάνει μικρό ποσοστό του όγκου του ατόμου. Ο πυρήνας έχει διάμετρο 10-15 m , ενώ η διάμετρος των ατόμων είναι περίπου 10-10 m, δηλ. εκατό χιλιάδες φορές μεγαλύτερη. Αν ο πυρήνας είναι όσος ένα μπαλάκι του γκολφ, το άτομο θα έχει διάμετρο 5 χιλιόμετρα. 2. Τα ηλεκτρόνια, τα οποία καταλαμβάνουν το μεγαλύτερο ποσοστό του όγκου ενός ατόμου. Βρίσκονται εκτός πυρήνα, περιφέρονται γύρω από αυτόν και φέρουν αρνητικό φορτίο συνολικά ίσο με το θετικό φορτίο του πυρήνα.

Ποια είναι η σύσταση του πυρήνα του ατόμου; Ο ατομικός πυρήνας αποτελείται από πρωτόνια και νετρόνια Πρωτόνιο είναι ένα πυρηνικό σωματίδιο με θετικό φορτίο, ίσο με αυτό του ηλεκτρονίου και μάζα μεγαλύτερη τουλάχιστον 1800 φορές της μάζας του ηλεκτρονίου. Ο αριθμός πρωτονίων του πυρήνα ονομάζεται Ατομικός Αριθμός (Ζ) και είναι χαρακτηριστικός για κάθε στοιχείο. Συνεπώς, ακριβέστερος ορισμός ενός στοιχείου είναι ότι: Στοιχείο είναι η ουσία της οποίας όλα τα άτομα έχουν τον ίδιο Ατομικό Αριθμό (Z) Νετρόνιο είναι ένα πυρηνικό σωματίδιο με μάζα όση περίπου του πρωτονίου , αλλά δεν έχει ηλεκτρικό φορτίου. Συνεπώς το θετικό φορτίο του πυρήνα οφείλεται στα πρωτόνια

πρωτόνια (με θετικό φορτίο) και νετρόνια (χωρίς κανένα φορτίο). Αριθμός νετρονίων (Ν) Ατομικός αριθμός (Ζ): ο αριθμός των πρωτονίων του πυρήνα ενός ατόμου. Μαζικός αριθμός (Α): το άθροισμα των πρωτονίων και νετρονίων ενός πυρήνα A = Z + N Νουκλίδιο: κάθε άτομο που χαρακτηρίζεται από έναν ατομικό και ένα μαζικό αριθμό. Από Πίνακες βρίσκουμε τον Ζ και την ατομική μάζα (κατά προσέγγιση τον Α) ενός στοιχείου ή νουκλιδίου. (Πρωτόνια + νετρόνια) Πυρήνας Ηλεκτρόνια Oxtoby 30

Σύγκριση μαζών και φορτίων ηλεκτρονίου, πρωτονίου και νετρονίου Πώς σχετίζονται οι μάζες και τα φορτία των τριών δομικών λίθων του ατόμου (ηλεκτρονίου, πρωτονίου και νετρονίου); Ηλεκτρικό φορτίο Μάζα Μονάδες SI Μονάδες SI Ατομικές (C) (e) (kg) (amu) Πρωτόνιο +1,602  10–19 +1 1,673  10–27 1,0073 Νετρόνιο 0 0 1,675  10–27 1,0087 Ηλεκτρόνιο –1,602  10–19 –1 9,109  10–31 0,0005486

Άσκηση 2.1α Ατομικός και μαζικός αριθμός Πόσα πρωτόνια και νετρόνια υπάρχουν σε ένα άτομο σιδήρου που έχει μαζικό αριθμό 55; (α) 26 πρωτόνια και 29 νετρόνια (β) 26 πρωτόνια και 55 νετρόνια (γ) 29 πρωτόνια και 26 νετρόνια (δ) 26 πρωτόνια και 26 νετρόνια Σίδηρος (Fe): ατομικός αριθμός Ζ = 26  26 πρωτόνια Αριθμός νετρονίων Ν = Α – Ζ = 55 – 26 = 29 Σωστό είναι το (α).

Συντομογραφία-Χαρακτηρισμός νουκλιδίων Νουκλίδιo: Κάθε ατομικό είδος που χαρακτηρίζεται από τη σύσταση του πυρήνα του (Ζ, A) Νουκλιδικό σύμβολο: π.χ. Ισότοπα νουκλίδια: άτομα του ίδιου στοιχείου, οι πυρήνες των οποίων έχουν τον ίδιο ατομικό αριθμό, Ζ αλλά διαφορετικό αριθμό νετρονίων. Ισοβαρή νουκλίδια: άτομα διαφορετικών στοιχείων, οι πυρήνες των οποίων έχουν τον ίδιο μαζικό αριθμό, Α. Ισότονα νουκλίδια: άτομα διαφορετικών στοιχείων, οι πυρήνες των οποίων έχουν τον ίδιο αριθμό νετρονίων, N.

Τα δύο φυσικά ισότοπα του άνθρακα Χημικά Στοιχεία Χημικό στοιχείο: η ουσία της οποίας όλα τα άτομα έχουν τον ίδιο ατομικό αριθμό (Z). Τα δύο φυσικά ισότοπα του άνθρακα 6p 6n 7n 6e– Oxtoby 30 Από τα νουκλίδια Ισότοπα είναι:

Άσκηση 2.2α Συμβολισμός στοιχείων Ποια είναι τα σωστά σύμβολα για τα στοιχεία χλώριο και σίδηρος; (α) Cl και Fe (β) Cl και Si (γ) C και Ir (δ) Cl και F Cl (από το «χλωρός» = κιτρινοπράσινος, επειδή το χλώριο είναι ένα κιτρινοπράσινο αέριο). Fe (από τη λατινική λέξη «Ferrum» = σίδηρος). Άρα, σωστό είναι το (α). Τα άλλα σύμβολα είναι: Si = πυρίτιο, C = άνθρακας, Ir = ιρίδιο και F = φθόριο

Ένα βασικό σημείο της θεωρίας του Dalton είναι ότι τα άτομα ενός στοιχείου είναι όλα όμοια, επομένως έχουν την ίδια μάζα. Σήμερα γνωρίζουμε ότι ένα φυσικό στοιχείο μπορεί να είναι μίγμα ισοτόπων και το κάθε ισότοπο έχει την δική του μάζα. Ο Dalton υπολόγισε τις μέσες ατομικές μάζες των στοιχείων συγκρίνοντας με τη μάζα ενός άλλου ατόμου (του υδρογόνου) και τις ονόμασε ατομικές μάζες (ουσιαστικά υπολόγισε τις μέσες σχετικές μάζες των στοιχείων). Αργότερα η κλίμακα του Dalton αντικαταστάθηκε με κλίμακα βασισμένη στο Οξυγόνο, μέχρι που το 1961 αυτή αντικατεστάθη από τη σημερινή κλίμακα βασισμένη στον άνθρακα-12.

Ατομικό βάρος φυσικού στοιχείου Ένα φυσικό στοιχείο μπορεί να είναι μίγμα ισοτόπων το καθένα με τη δική του μάζα: Οι ακριβείς μάζες των ατόμων λαμβάνονται από το φασματόμετρο μάζας, με το οποίο προσδιορίζεται ο λόγος μάζας προς το φορτίο θετικά φορτισμένων ατόμων ή μορίων. Τα φασματόμετρα μάζας παράγουν ένα φάσμα μάζας, που δείχνουν τους σχετικούς αριθμούς ατόμων για διάφορες μάζες. Αν εισαχθεί δείγμα νέου που περιέχει τρία ισότοπα σε ένα φασματόμετρο μάζας, τότε παράγεται φάσμα από το οποίο εξάγεται η ισοτοπική αφθονία (δηλ. το ποσοστό των ατόμων του συγκεκριμένου ισοτόπου στο στοιχείο) και η ακριβής μάζα κάθε ισοτόπου.

Φασματομετρία μάζας και ατομικές μάζες Μαγνήτης Ανιχνευτής Εκκενωμένος γυάλινος σωλήνας Μαζικοί αριθμοί Προς αντλία κενού Είσοδος αερίου Ne Δέσμη ηλεκτρονίων Θερμαινόμενο μεταλλικό νήμα Αρνητικό πλέγμα S N (–) (+) 21 22 20 Διάγραμμα ενός απλού φασματομέτρου μάζας που δείχνει το διαχωρισμό των ισοτόπων του νέου (Ne). Αέριο Ne εισέρχεται σε εκκενωμένο θάλαμο, όπου άτομα Ne σχηματίζουν θετικά ιόντα, μετά από σύγκρουση με ηλεκτρόνια. Τα ιόντα Ne+ επιταχύνονται από ένα αρνητικό πλέγμα και αναγκάζονται να περάσουν ανάμεσα από τους πόλους ενός μαγνήτη. Η δέσμη των ιόντων Ne+ διαχωρίζεται από το μαγνητικό πεδίο σε τρεις δέσμες, σύμφωνα με τις σχέσεις μάζα προς φορτίο. Ακολούθως, οι τρεις δέσμες οδεύουν προς έναν ανιχνευτή στο άκρο του σωλήνα.

Ατομικές μάζες στοιχείων Η μονάδα ατομικής μάζας (amu) είναι εξ ορισμού ίση με το 1/12 της μάζας του ισοτόπου άνθρακας–12 (12C). Μέση ατομική μάζα ή ατομικό βάρος ενός στοιχείου είναι ο μέσος όρος των ατομικών μαζών των φυσικών ισοτόπων του στοιχείου. Άρα: Α.Β. (Νe) = 20,179 amu !!! Το ατομικό βάρος εκφράζεται σε μονάδες amu (19,992, 20,994, 21,991) amu Το φάσμα μάζας του νέου (Ne) Κλασματική αφθονία Μάζες ισοτόπων 20Ne+ 90,5% 21Ne+ 0,3% 22Ne+ 9,2% Ατομική μάζα (amu) Oxtoby 30 Νουκλιδικά σύμβολα του νέου:

Άσκηση 2.3α 69,09 30,91 Μαζικός αριθμός Κλασματική αφθονία Υπολογισμός ατομικού βάρους από ισοτοπικές μάζες και κλασματικές αφθονίες Παραπλεύρως δίνεται το φάσμα μάζας του χαλκού. (α) Πώς συμβολίζονται τα ισότοπα του χαλκού; (β) Αν η μάζα του ισοτόπου με τη μεγαλύτερη εκατοστιαία φυσική αναλογία είναι 62,93 amu και του δεύτερου ισοτόπου 64,93 amu, πόσο είναι το ατομικό βάρος του χαλκού;

Άσκηση 2.3α (α) Ο χαλκός έχει δύο ισότοπα. Ζ (Cu) = 29 (β) Σταθμικός μέσος όρος: (69,09%  62,93 amu) + (30,91%  64,93 amu) = 63,55 amu  ατομικό βάρος χαλκού = 63,55 amu Petrucci p 54 Exercise 45 (old) % αναλογία 70(20,5), 72(27,4), 73(7,8), 74(36,5), 76(7,8)

Προαιρετική Άσκηση Ένα στοιχείο έχει τρία φυσικά ισότοπα με τις ακόλουθες μάζες και αφθονίες: Ισοτοπική μάζα (amu) Κλασματική αφθονία 27,977 0,9221 28,976 0,0470 29,974 0,0309 (α) Να υπολογίσετε το ατομικό βάρος αυτού του στοιχείου. (Προσοχή στα σημαντικά ψηφία) (β) Για ποιο στοιχείο πρόκειται;

Υποχρεωτική Άσκηση 3 (α) Να συμπληρώσετε τον παρακάτω πίνακα: Πρωτόνια Νετρόνια Νουκλιδικό σύμβολο Όνομα Άτομο Α 14 15 Άτομο Β 16 Άτομο Γ 20 Άτομο Δ  (β) Ποιο άτομο είναι το ισότοπο του Α; ……………………………………….  (γ) Ποιο άτομο είναι ισοβαρές με το Α; ………………………………………..  (δ) Ποια άτομα είναι ισότονα; ……………………………………………………..