Proprietăți nucleare
Prin definiție, oricare doi atomi cu un număr identic de protoni în nucleele lor aparțin aceluiași element chimic. Atomii cu un număr egal de protoni, dar cu un număr diferit de neutroni sunt izotopi diferiți ai aceluiași element. De exemplu, toți atomii de hidrogen admit exact un proton, dar există izotopi fără neutroni (hidrogen-1, de departe cea mai comună formă, de asemenea numit protium), un neutron (deuteriu), doi neutroni (tritiu) și mai mult de doi neutroni . Elementele cunoscute formează un set de numere atomice, de la un singur element de protoni până la elementul cu 118 protoni. Toți izotopii cunoscuți ai elementelor cu numere atomice mai mari de 82 sunt radioactivi, deși radioactivitatea elementului 83 (bismut) este atât de ușoară încât este practic neglijabilă.
Aproximativ 339 de nuclizi se găsesc în mod natural pe Pământ, dintre care 254 (aproximativ 75%) nu s-au observat că se descompun și sunt denumiți „izotopi stabili”. Cu toate acestea, numai 90 dintre acești nuclizi sunt stabili față de orice tip de dezintegrare, chiar și în teorie. Un alt număr de 164 (care aduc totalul la 254) nu s-a observat să se dezintegreze, chiar dacă teoretic este posibil din punct de vedere energetic. Acestea sunt, de asemenea, clasificați oficial drept „stabili”. Un număr de 34 de nuclizi radioactivi au un timp de înjumătățire mai mare de 80 de milioane de ani, suficient de mult timp pentru a fi prezenți de la nașterea sistemului solar. Această colecție de 288 de nuclizi este cunoscută ca nuclizi primordiali. În cele din urmă, se știe că alți 51 de nuclizi de scurtă durată apar în mod firesc, ca produse rezultante ale dezintegrării nucleului primordial (cum ar fi radiațiile din uraniu) sau ca produse ale proceselor energetice naturale de pe Pământ, cum ar fi bombardarea cu raze cosmice (de exemplu, carbon-14).
Pentru 80 dintre elementele chimice există cel puțin un izotop stabil. De regulă, există doar o mână de izotopi stabili pentru fiecare dintre aceste elemente, media fiind de 3,2 izotopi stabili per element. Douăzeci și șase de elemente au doar un singur izotop stabil, în timp ce cel mai mare număr de izotopi stabili observat pentru orice element este de zece, pentru elementul staniu. Elementele 43, 61 și toate elementele numerotate 83 sau mai mari nu au izotopi stabili.
Stabilitatea izotopilor este afectată de raportul dintre protoni și neutroni, precum și de prezența anumitor „numere magice” de neutroni sau protoni care reprezintă benzile cuantice închise și umplute. Aceste benzi cuantice corespund unui set de niveluri de energie în cadrul modelului de bandă al nucleului; benzile umplute, cum ar fi banda umplut cu 50 de protoni pentru staniu, conferă o stabilitate neobișnuită asupra nuclidului. Dintre cei 254 nuclizi cunoscuți stabili, doar patru au atât un număr impar de protoni, cât și un număr impar de neutroni: hidrogen-2 (deuteriu), litiu-6, bor-10 și azot-14. De asemenea, numai patru nuclizi există natural, nuclizii radioactivi impar-impar au un timp de înjumătățire de peste un miliard de ani: potasiu-40, vanadiu-50, lantan-138 și tantal-180m. Cei mai mulți nuclizi impari sunt foarte instabili în ceea ce privește dezintegrarea beta, deoarece produsele de dezintegrare sunt par-par și, prin urmare, sunt legate mai puternic, datorită efectelor de împerechere nucleară.
Masa
Marea majoritate a masei unui atom vine de la protoni și neutroni care îl compun. Numărul total al acestor particule (numite „nucleoni”) într-un atom dat este numit numărul de masă. Este un întreg pozitiv și fără dimensiuni (în loc să aibă dimensiunea masei), pentru că exprimă un număr. Un exemplu de utilizare a unui număr de masă este „carbon-12”, care are 12 nucleoni (șase protoni și șase neutroni).
Masa reală a unui atom în stare de repaus este adesea exprimată folosind unitatea de masă atomică unificată (u), numită și dalton (Da). Această unitate este definită ca o doisprezecime din masa unui atom neutru liber de carbon-12, care este de aproximativ 1,66 × 10-27 kg. Hidrogenul-1 (cel mai ușor izotop al hidrogenului, care este de asemenea nucleul cu cea mai mică masă) are o greutate atomică de 1,007825 u. Valoarea acestui număr se numește masa atomică. Un atom dat are o masă atomică aproximativ egală (în limita a 1%) cu numărul său de masă ori unitatea de masă atomică (de exemplu, masa unui azot 14 este de aproximativ 14 u). Cu toate acestea, acest număr nu va fi exact un întreg, cu excepția cazului carbonului 12 (a se vedea mai jos). Cel mai greu atom stabil este plumb-208, cu o masă de 207,9766521 u.
Deoarece chiar și atomii cei mai masivi sunt mult prea ușori pentru a lucra direct cu ei, chimiștii folosesc în schimb unitatea mol. Un mol de atomi din orice element are întotdeauna același număr de atomi (aproximativ 6,022 × 1023). Acest număr a fost ales astfel încât, dacă un element are o masă atomică de 1 u, un mol de atomi ai acelui element are o masă aproape de un gram. Datorită definiției unității de masă atomică unificată, fiecare atom de carbon 12 are o masă atomică exactă de 12 u și astfel un mol de atomi de carbon 12 are o greutate exactă de 0,012 kg.
Forma și dimensiunea
Atomii nu au o margine exterioară bine definită, deci dimensiunile lor sunt descrise, de obicei, în termeni de rază atomică. Aceasta este o măsură a distanței la care norul de electroni se extinde din nucleu. Totuși, aceasta presupune ca atomul să prezinte o formă sferică, care este respectată numai pentru atomi în vid sau în spațiu liber. Razele atomice pot fi derivate de la distanțele dintre două nuclee atunci când cei doi atomi sunt uniți într-o legătură chimică. Raza variază în funcție de locația unui atom din harta atomică, de tipul legăturii chimice, de numărul de atomi învecinați (numărul de coordonare) și de o proprietate mecanică cuantică cunoscută sub numele de spin. Pe tabelul periodic al elementelor, mărimea atomului tinde să crească atunci când se deplasează coloanele în jos, dar scade atunci când se deplasează pe rânduri (de la stânga la dreapta). În consecință, cel mai mic atom este heliul cu o rază de 32 pm, în timp ce unul dintre cele mai mari este cesiul cu 225 pm.
Când este supus unor forțe externe, cum ar fi câmpurile electrice, forma unui atom se poate abate de la simetria sferică. Deformarea depinde de magnitudinea câmpului și de tipul orbital al electronilor benzii exterioare, după cum arată elementele teoretice de grup. Defectele asferice ar putea fi obținute, de exemplu, în cristale, unde pot apărea câmpuri electrice cristaline la locurile din rețea cu simetrie mică. Deformările elipsoidale semnificative s-au dovedit a apărea pentru ionii de sulf și ionii de calciu în compușii de tip pirită.
Dimensiunile atomice sunt de mii de ori mai mici decât lungimile de undă ale luminii (400-700 nm), astfel încât acestea nu pot fi văzute cu ajutorul unui microscop optic. Cu toate acestea, atomii individuali pot fi observați folosind un microscop de scanare tunel. Pentru a vizualiza minuțiozitatea atomului, luați în considerare faptul că un păr tipic uman este de aproximativ 1 milion de atomi de carbon în lățime. O singură picătură de apă conține aproximativ 2 sextillioane (2 × 1021) atomi de oxigen și de două ori numărul de atomi de hidrogen. Un diamant cu un singur carat, cu o greutate de 2 × 10−4 kg, conține aproximativ 10 sextilioAne (1022) atomi de carbon. Dacă un măr ar fi fost mărit la mărimea Pământului, atunci atomii din măr vor fi aproximativ de mărimea mărului original.
Dezintegrarea radioactivă
Fiecare element are unul sau mai mulți izotopi care au nuclee instabile care sunt supuse dezintegrării radioactive, determinând nucleul să emită particule sau radiații electromagnetice. Radioactivitatea poate apărea atunci când raza unui nucleu este mare în comparație cu raza forței puternice, care acționează numai pe distanțe de ordinul 1 fm.
Cele mai comune forme de dezintegrare radioactivă sunt:
- Dezintegrarea alfa: acest proces este cauzat atunci când nucleul emite o particulă alfa, care este un nucleu de heliu format din doi protoni și doi neutroni. Rezultatul emisiei este un element nou cu un număr mai mic atomic.
- Dezintegrarea beta (și captarea electronilor): aceste procese sunt reglate de forța slabă și rezultă dintr-o transformare a unui neutron într-un proton sau un proton într-un neutron. Transformarea neutronului la proton este însoțită de emisia unui electron și a unui antineutrino, în timp ce tranziția de la proton la neutron (cu excepția capturilor electronice) determină emisia unui positron și a unui neutrino. Emisiile de electroni sau pozitroni se numesc particule beta. Dezintegrarea beta crește sau scade numărul atomic al nucleului cu unul. Captarea electronică este mai frecventă decât emisia de pozitroni, deoarece necesită mai puțină energie. În acest tip de dezintegrare, un electron este absorbit de nucleu, mai degrabă decât un positron să fie emis de nucleu. Un neutrino este încă emis în acest proces și un proton se transformă într-un neutron.
- Dezintegrarea gama: acest proces rezultă dintr-o schimbare a nivelului de energie al nucleului la o stare mai scăzută, rezultând în emisia de radiații electromagnetice. Starea excitată a unui nucleu care are ca rezultat emisia gamma apare de regulă după emisia unei particule alfa sau beta. Astfel, dezintegrarea gama, de obicei, urmează dezintegrării alfa sau beta.
Alte tipuri mai rare de dezintegrare radioactivă includ ejecția neutronilor sau a protonilor sau a grupărilor de nucleoni dintr-un nucleu, sau mai mult de o particulă beta. Un analog al emisiei gamma, care permite nucleelor excitate să-și piardă energia într-un mod diferit, este conversia internă – un proces care produce electroni de mare viteză care nu sunt raze beta, urmată de producerea de fotoni de energie înaltă, care nu sunt raze gama. Câteva nuclee mari explodează în două sau mai multe fragmente încărcate de mase diferite plus câțiva neutroni, într-o dezintegrare numită fisiune nucleară spontană.
Fiecare izotop radioactiv are o perioadă de timp caracteristică de dezintegrare – timpul de înjumătățire – care este determinat de timpul necesar pentru ca o jumătate de probă să se dezintegreze. Acesta este un proces de dezintegrare exponențială care reduce în mod constant proporția izotopului rămas cu 50% la fiecare timp de înjumătățire. Prin urmare, după ce au trecut două jumătăți de viață, numai 25% din izotop este prezent și așa mai departe.
Momentul magnetic
Particulele elementare posedă o proprietate mecanică cuantică intrinsecă cunoscută sub numele de spin. Aceasta este analogă momentului unghiular al unui obiect care se rotește în jurul centrului său de masă, deși, în mod strict vorbind, aceste particule sunt considerate a fi punctuale și nu se poate spune că se rotesc. Spinul este măsurat în unități ale constantei Planck reduse (ħ), cu electroni, protoni și neutroni toate având spin ½ ħ sau „spin-½”. Într-un atom, electronii aflați în mișcare în jurul nucleului posedă un moment unhiular orbital în plus față de spin, în timp ce nucleul însuși posedă un moment unghiular din cauza spinului său nuclear.
Câmpul magnetic produs de un atom – momentul său magnetic – este determinat de aceste forme diferite ale momentului unghiular, așa cum un obiect încărcat în rotație produce un câmp magnetic clasic. Cu toate acestea, contribuția cea mai dominantă vine din spinul electronilor. Datorită naturii electronilor care urmează să respecte principiul excluziunii Pauli, în care doi electroni nu pot fi găsiți în aceeași stare cuantică, electronii legați se cuplează unul cu celălalt, un membru al fiecărei perechi într-o stare de spin sus și celălalt în starea inversă, spin-jos. Astfel, aceste rotiri se anulează reciproc, reducând momentul total al dipolului magnetic la zero la unii atomi cu număr par de electroni.
În elementele feromagnetice, cum ar fi fierul, cobaltul și nichelul, un număr impar de electroni duce la un electron fără pereche și un moment magnetic net global. Orbitalii atomilor învecinați se suprapun și se obține o stare de energie mai scăzută atunci când spinii electronilor neparticipați sunt aliniați unul cu celălalt, un proces spontan cunoscut ca o interacțiune de schimb. Atunci când momentele magnetice ale atomilor feromagnetici sunt aliniate, materialul poate produce un câmp macroscopic măsurabil. Materialele paramagnetice au atomi cu momente magnetice care se aliniază în direcții aleatorii când nu există un câmp magnetic, dar momentele magnetice ale atomilor individuali se aliniază în prezența unui câmp.
Nucleul unui atom nu va avea spin atunci când are numere egale ale neutronilor și protonilor, dar pentru alte cazuri de numere impare, nucleul poate avea un spin. În mod normal, nucleele cu spin sunt aliniate în direcții aleatorii din cauza echilibrului termic. Cu toate acestea, pentru anumite elemente (cum ar fi xenonul-129) este posibil să se polarizeze o proporție semnificativă din stările de spin nucleare, astfel încât acestea să fie aliniate în aceeași direcție – o stare numită hiperpolarizare. Acest lucru are aplicații importante în imagistica prin rezonanță magnetică.
Nivelurile energetice
(Aceste niveluri de energie ale electronului (nu la scară) sunt suficiente pentru stările de la nivelul atomilor până la cadmiu (5s2 4d10) inclusiv. Nu uitați că chiar și partea superioară a diagramei este mai mică decât o stare electronică nelegată.)
Energia potențială a unui electron într-un atom este negativă, dependența sa de poziția sa atinge valoarea minimă (absolută) în interiorul nucleului și dispare atunci când distanța de la nucleu ajunge la infinit, aproximativ într-o proporție inversă față de distanță. În modelul mecanicii cuantice, un electron legat poate ocupa doar un set de stări centrate pe nucleu și fiecare stare corespunde unui nivel specific de energie. Un nivel de energie poate fi măsurat prin cantitatea de energie necesară detașării electronului de la atom și este de obicei dată în unități de electronvolți (eV). Cea mai mică stare de energie a unui electron legat este numită starea de bază, adică starea staționară, în timp ce o tranziție electronică la un nivel superior are ca rezultat o stare excitată. Energia electronului crește atunci când n crește deoarece distanța (medie) față de nucleu crește. Dependența energiei pe ℓ este cauzată nu de potențialul electrostatic al nucleului, ci de interacțiunea dintre electroni.
Pentru ca un electron să treacă între două stări diferite, de ex. din starea de bază pe primul nivel excitat (ionizare), trebuie să absoarbă sau să emită un foton la o energie care să corespundă diferenței dintre energia potențială a acestor niveluri, conform modelului lui Niels Bohr, ceea ce poate fi calculat cu precizie prin ecuația Schrödinger. Electronii sar între orbite într-un mod asemănător cu particulele. De exemplu, dacă un singur foton lovește electronii, numai un singur electron schimbă starea ca răspuns la foto.
Energia unui foton emis este proporțională cu frecvența sa, astfel încât aceste niveluri specifice de energie apar ca benzi distincte în spectrul electromagnetic. Fiecare element are un spectru caracteristic care poate depinde de sarcina nucleară, subbenzile umplute de electroni, interacțiunile electromagnetice dintre electroni și alți factori.
Atunci când un spectru continuu de energie este trecut printr-un gaz sau plasmă, unii dintre fotoni sunt absorbiți de atomi, provocând electroni să-și schimbe nivelul de energie. Acești electroni excitați, care rămân legați de atomul lor, emit în mod spontan această energie ca un foton, călătoresc într-o direcție aleatorie, reducând astfel nivelul de energie. Astfel, atomii se comportă ca un filtru care formează o serie de benzi de absorbție întunecate în energia de ieșire. (Un observator care privește atomii dintr-o perspectivă care nu include spectrul continuu în fundal, vede în schimb o serie de linii de emisie de la fotonii emiși de atomi.) Măsurătorile spectroscopice ale energiei și lățimii liniilor spectrale atomice permit determinarea compoziției și proprietăților fizice ale unei substanțe.
Examinarea în profunzime a liniilor spectrale arată că unele prezintă o structură fină care se descompune. Acest lucru se întâmplă din cauza cuplării spin-orbită, care este o interacțiune între rotația și mișcarea celui mai îndepărtat electron. Atunci când un atom este într-un câmp magnetic extern, liniile spectrale ajung să fie împărțite în trei sau mai multe componente; un fenomen numit efectul Zeeman. Acest lucru este cauzat de interacțiunea câmpului magnetic cu momentul magnetic al atomului și electronii săi. Unii atomi pot avea mai multe configurații de electroni cu același nivel de energie, care apar astfel ca o singură linie spectrală. Interacțiunea câmpului magnetic cu atomul schimbă aceste configurații electronice la niște niveluri de energie ușor diferite, ducând la mai multe linii spectrale. Prezența unui câmp electric extern poate provoca o divizare și o schimbare comparabilă a liniilor spectrale prin modificarea nivelurilor de energie ale electronilor, fenomen numit efectul Stark.
Dacă un electron legat este într-o stare excitată, un foton care interacționează cu energia adecvată poate provoca emisia stimulată a unui foton cu un nivel de energie corespunzător. Pentru ca acest lucru să se întâmple, electronul trebuie să scadă la o stare de energie mai scăzută, care are o diferență energetică care se potrivește cu energia fotonului interactiv. Fotonul emis și fotonul care interacționează se deplasează apoi în paralel cu ajustarea fazelor. Respectiv, tiparele undelor celor doi fotoni sunt sincronizate. Această proprietate fizică este utilizată pentru a construi lasere, care pot emite un fascicul coerent de energie luminoasă într-o bandă îngustă de frecvență.
Valența și comportamentul legăturilor
Valenția este puterea de combinare a unui element. Ea este egală cu numărul de atomi de hidrogen cu care atomul poate să se combine sau să-i înlocuiască în compoziția compușilor. Banda externă de electroni a unui atom în starea sa necombinată este cunoscută sub denumirea de bandă de valență, iar electronii din acea bandă se numesc electroni de valență. Numărul de electroni de valență determină comportamentul de legare cu alți atomi. Atomii tind să reacționeze chimic unul cu celălalt într-o manieră care umple (sau golește) banda lor de valență exterioară. De exemplu, un transfer al unui singur electron între atomi este o aproximație utilă pentru legăturile care se formează între atomi cu un electron mai mult decât o bandă umplută, și alții care sunt cu un electron mai puțin față de o bandă completă, așa cum apare în compusul clorură de sodiu și alte săruri ionice chimice. Cu toate acestea, multe elemente prezintă valențe multiple sau tendințe de a împărți numere diferite de electroni în diferiți compuși. Astfel, legătura chimică dintre aceste elemente ia multe forme de partajare a electronilor care sunt mai mult decât simple transferuri de electroni. Exemplele includ elementul carbon și compușii organici.
Elementele chimice sunt adesea afișate într-un tabel periodic care este prevăzut să afișeze proprietăți chimice recurente, iar elementele cu același număr de electroni de valență formează un grup care este aliniat în aceeași coloană a tabelului. (Rândurile orizontale corespund umplerii unei benzi cuantice a electronilor.) Elementele de la extrema dreaptă a tabelului au banda exterioară complet umplută cu electroni, ceea ce are ca rezultat elemente inerte chimice cunoscute sub numele de gaze nobile.
Stări
Atomii se găsesc în diferite stări ale materiei care depind de condițiile fizice, cum ar fi temperatura și presiunea. Prin modificarea condițiilor, materialele pot trece între solide, lichide, gaze și plasme. În cadrul unei stări, un material poate exista și în stări alotrope diferite. Un exemplu este carbonul solid, care poate exista ca grafit sau diamant. De asemenea, există stări alotrope gazoase, cum ar fi dioxidul și ozonul.
La temperaturi apropiate de zero absolută, atomii pot forma un condens Bose-Einstein, moment în care efectele mecanice cuantice, care sunt observate în mod obișnuit la scară atomică, devin vizibile la scară macroscopică. Această colecție super-răcită de atomi se comportă apoi ca un singur super atom, ceea ce poate permite verificări fundamentale ale comportamentului mecanic cuantic.
Traducere din Wikipedia
Lasă un răspuns