Atomets bestanddele Indledning Mennesket har i tusinder af år interesseret sig for, hvordan forskellige stoffer er sammensat I oldtiden mente man, at alle stoffer kunne deles i blot fire elementer eller grundstoffer, nemlig jord, ild, luft og vand I fire-element-teorien mente man, at alt stof var bygget op af netop disse fire elementer i forskellige blandingsforhold Denne opfattelse holdt helt til 1700-tallet Tiden skulle dog vise, at der fandtes mange flere grundstoffer end disse fire elementer I dag kendes der flere end hundrede forskellige grundstoffer, og de er sat i system i et såkaldt periodisk system»opdageren«af det periodiske system, som vi kender det i dag, var den russiske kemiker Dmitrij Ivanovitch Mendelejev (1834-1907), der offentliggjorde sit første system i 1869 Atomer I kemien beskæftiger vi os med, hvordan stofferne er bygget op, og hvordan et stof kan omdannes til et nyt stof Når vi taler om stof, mener vi alle de materialer, som omgiver os, det gælder både dem, der findes i naturen, fx jord, træ og sten, og dem, mennesket fremstiller, fx stål, plastic og papir Alle disse stoffer er opbygget af atomer Vi kan ikke se et atom, selv ikke under det kraftigste mikroskop, men når vi alligevel er i stand til at beskrive atomerne, er det fordi, fysikere siden slutningen af 1800-tallet har lavet en masse forsøg og målinger på forskellige stoffer På baggrund af den viden, man har fået, har man opstillet en atomteori, ud fra hvilken det er muligt at opstille en atommodel - den såkaldte skalmodel Industriens Forlag ke 033 ti 95 05 04 1
Skalmodellen Alle atomer er opbygget af en kerne, hvorom der kredser et antal elektroner I skalmodellen forestiller vi os, at elektronerne kredser i cirkelbaner omkring kernen Disse baner kaldes skaller ke033-01cdr Figur 1 - Skalmodeller af forskellige atomer På figuren ses nogle atommodeller I midten ses en prik, der skal illustrere kernen, og uden om ses cirklerne, som forestiller skallerne På skallerne er vist det antal elektroner, som kredser rundt om kernen i den enkelte skal Størrelsesforholdet kan ikke angives rigtigt på 1 figuren, da kernen kun fylder ca af hele 10000 atomet Gennemsnittet for atomernes diameter er ca 3 10 10 m eller 0,0000003 mm Hvis vi anbringer et knappenålshoved på en fodboldbane, svarer det omtrent til størrelsesforholdet mellem kernen og hele atomet Elektronerne er endnu mindre end kernen, og alt det, der er imellem kernen og elektronerne, er tomt rum Elektronstruktur Skallerne kan ikke indeholde lige mange elektroner Skal nr 1 (den inderste) Skal nr 2 Skal nr 3 Skal nr 4 : Højst 2 elektroner : Højst 8 elektroner : Højst 18 elektroner : Højst 32 elektroner Den yderste skal kan højst have 8 elektroner Skallerne 5, 6 og 7 kan have endnu flere elektroner, men der er ingen atomer, der fylder mere end fjerde skal op For alle atomer gælder, at der højst kan være 8 elektroner i den yderste skal 2 Industriens Forlag ke 033 ti 95 05 04
Eksempler Oxygenatomer (ilt) har 8 elektroner og 2 skaller Der er 2 elektroner i 1 skal og 6 elektroner i 2 skal Jernatomer har 26 elektroner og 4 skaller Der er 2 elektroner i 1 skal, 8 elektroner i 2 skal, 14 elektroner i 3 skal og 2 elektroner i 4 skal ke033-02cdr Figur 2 - Oxygenatom Magnesiumatomer har 12 elektroner og 3 skaller Der er 2 elektroner i 1 skal, 8 elektroner i 2 skal og 2 elektroner i 3 skal ke033-04cdr Figur 4 - Jernatom På figurerne er elektronerne placeret 2 og 2 Det er, fordi elektronerne ofte bevæger sig parvis, men i yderste skal kan de godt bevæge sig enkeltvis På figur 4 kan vi se, at 3 skal ikke er fyldt op, selv om 4 skal har 2 elektroner Den måde, elektronerne fordeler sig på i skallerne, kaldes elektronstrukturen Det er denne struktur, som bestemmer, hvilke kemiske forbindelser atomerne kan indgå med hinanden, og det er især den yderste skal, der har betydning ke033-03cdr Figur 3 - Magnesiumatom Industriens Forlag ke 033 ti 95 05 04 3
Atomkernen Indtil nu har vi kun set på en af atomets bestanddele, nemlig elektronerne Imidlertid findes der yderligere to bestanddele i kernen, nemlig protoner og neutroner Carbonatomerne (kulstof) har i alt 6 elektroner, 6 protoner og 6 neutroner Protoner og neutroner kaldes under et nukleoner Isotoper Hvis man undersøger atomkernerne i et stykke jern, vil det vise sig, at alle jernatomerne har 26 protoner Derimod vil antallet af neutroner være forskelligt fra atom til atom De fleste jernatomer har 30 neutroner, men der er også jernatomer, som har 28, 31 og 32 neutroner Atomer af samme grundstof, men med forskelligt antal neutroner, kaldes under et for grundstoffets isotoper ke033-05cdr På figur 5 er der angivet et minus ved elektronerne og et plus ved protonerne, hvilket betyder, at partiklerne er elektrisk ladede Elektronen har en negativ ladning, og protonen har en positiv ladning I et atom er der altid lige mange elektroner og protoner, derfor vil atomet udadtil være elektrisk neutralt Neutronen (angivet N på figur 5) har ingen elektrisk ladning Neutronen er vigtig for stabiliteten i kernen Hvis der ingen neutroner er, vil kernen sprænges på grund af den stærke elektriske frastødning mellem de positive protoner Elektroner, protoner og neutroner kaldes atomets elementarpartikler Protonen er positivt ladet Figur 5 - Carbonatom Antal protoner Antal neutroner Procentvis andel 26 28 5,84 26 30 91,68 26 31 2,17 26 32 0,31 Tabel 1 - Fordeling af isotoper i naturligt forekommende jern Fordelingen af jernisotoper vil være den samme, uanset hvor på jorden man finder jern Alle grundstoffer, der findes i naturen, har sin ganske bestemte isotopsammensætning Eksempel 1 Hydrogen (1 proton) 99,985% har ingen neutroner 0,015% har 1 neutron Der er en tredje isotop af hydrogen, som har 2 neutroner, men den findes ikke i naturen Oxygen (8 protoner) 99,759% har 8 neutroner 0,037% har 9 neutroner 0,204% har 10 neutroner Neutronen er neutral Elektronen er negativt ladet 4 Industriens Forlag ke 033 ti 95 05 04
Hvis man ønsker at angive en bestemt isotop, findes følgende symboler I N A Betegner antal protoner Betegner antal neutroner Betegner antal protoner og neutroner (= nukleontallet) Atommasse Atomets masse kan angives i kg, men man bruger ofte enheden unit eller bare u, som defineres: 1 u er 1 af massen af et C-12 atom 12 Eksempel 2 Den mest almindelige jernisotop har Z = 26, N = 30 og A = 26 + 30 = 56 Man angiver en bestemt isotop ved at skrive A og Z foran grundstofsymbolet Eksempel 3 A Z (grundstofsymbol) Jern har grundstofsymbolet Fe og en isotop med A = 30 og Z = 26 ke033-06cdr De tre oxygenisotoper skrives: ke033-07cdr De tre hydrogenisotoper skrives: ke033-09cdr Ved et C-12 atom forstås et carbonatom med massetallet 12 Sammenhængen mellem unit og kg er bestemt til: 1 u = 1,66 10 27 kg Partikel Masse i unit Masse i kg Proton 1,007277 1,673 10 27 Neutron 1,008665 1,675 10 27 Elektron 0,000549 9,117 10 31 Tabel 2 - Elementpartiklernes masse målt i enhederne unit og kg Atommassen for et grundstof beregnes som gennemsnittet af masserne for grundstoffernes isotoper Ved beregningen tager man hensyn til den procentandel, de enkelte isotoper udgør af grundstofatomerne Eksempler Hydrogen: 99,985% har ingen neutroner og massen 1,01 u (proton + elektron) 0,015% har 1 neutron og massen 2,01 u Hydrogens atommasse beregnes 99,985 100 1,01 u + 0,015 100 2,01 u 1,01 u Hydrogen har atommassen 1,01 u Oxygen: 99,759% har 8 neutroner og massen 15,99 u 0,037% har 9 neutroner og massen 17,00 u 0,204% har 10 neutroner og massen 18,00 u Industriens Forlag ke 033 ti 95 05 04 5
Oxygens atommasse beregnes: 99,759 100 = 15,99 u 15,99 u + 0,037 100 Oxygen har atommassen 16,00 u 17,0 u + 0,204 100 18,0 u Grundstoffernes atommasse er angivet i det periodiske system ved hvert enkelt grundstof Navngivning I det kemiske tegnsprog bruger man et bestemt symbol for hvert grundstof Alle grundstoffer har et navn og betegnes med et eller to bogstaver Det første bogstav skrives altid med stort Det andet bogstav skrives altid med lille og bruges kun, når flere navne begynder med det samme forbogstav Eksempler Grundstoffer Alle atomer har et forskelligt antal protoner Der kan være fra 1 til over 100 protoner i et atom Antallet af elektroner er det samme som antallet af protoner i det enkelte atom (det er jo elektrisk neutralt) Derimod behøver antallet af neutroner ikke at være det samme Symbol H He F Fe C Cd Navn Hydrogen Helium Fluor Jern Carbon (kulstof) Cadmium Et stof, hvor alle atomer har samme antal protoner, kaldes et grundstof I naturen findes der ikke ret mange»rene«grundstoffer, da de for det meste er sammensat af 2 eller flere forskellige grundstoffer Eksempel Hydrogen (brint) er et grundstof, og oxygen (ilt) er et grundstof, men vand er sammensat af både hydrogen og oxygen og er derfor ikke et grundstof Antal protoner Antal elektroner Grundstof 1 1 Hydrogen 2 2 Helium 3 3 Lithium 80 80 Kviksølv Tabel 3 - Et bestemt grundstof har et bestemt antal protoner Forskellen mellem store og små bogstaver er vigtig Eksempel Sn betyder tin, men SN er en sammensætning af svovl og nitrogen Molekyler De fleste stoffer eksisterer ikke som frie atomer i naturen Oxygen findes fx ikke som enkeltatom, men er sammensat af 2 oxygenatomer Vand er sammensat af 2 hydrogenatomer og 1 oxygenatom Når stofferne er sammensat af flere ens eller forskellige atomer, kalder vi dem molekyler Eksempler 2 oxygenatomer sammen kaldes et oxygenmolekyle 2 hydrogenatomer og et oxygenatom sammen kaldes et vandmolekyle 2 hydrogenatomer sammen kaldes et hydrogenmolekyle Vi skal senere se på, hvordan atomerne binder sig sammen 6 Industriens Forlag ke 033 ti 95 05 04
Tilstandsformer Alle stoffer kan forekomme i tre tilstande: Fast form Flydende form Gasform Den faste form kan fx være jern ved stuetemperatur Den flydende form kan fx være vand ved stuetemperatur Gasformen kan fx være oxygen ved stuetemperatur Disse tre tilstande kaldes i kemien for tilstandsformer Ved at tilføre energi til et stof kan det ændre sig fra en tilstand til en anden Fx kan vi få jern til at blive flydende ved at varme det op til 1535 C Hvis vi varmer det yderligere op til 2750 C, vil det fordampe, dvs det går over på gasform Industriens Forlag ke 033 ti 95 05 04 7
ke033-08cdr Figur 6 - Ændring af tilstandsformen ved at tilføre energi På figur 6 kan vi se, hvordan atomerne eller molekylerne ændrer sig, når tilstandsformen ændres I fast form ligger atomerne eller molekylerne tæt sammen i et ensartet mønster, som danner krystaller I den flydende form er der ikke den samme orden som i et krystal På gasform er der langt mellem de enkelte atomer eller molekyler, og de bevæger sig hurtigt i alle mulige retninger Alle stoffer har et smeltepunkt og et kogepunkt, men det er den kemiske sammensætning, som bestemmer, hvilken temperatur der skal til for at bringe et stof på smeltepunktet eller kogepunktet Eksempel Oxygen har et kogepunkt ved 183 C, og hydrogen har et kogepunkt ved 253 C Begge er på gasform over disse temperaturer Hvis vi blander 2 hydrogenatomer og 1 oxygenatom, så får vi vand, og vand har kogepunkt ved 100 C Fra dagligdagen kender vi overgangen mellem tilstandsformerne for vand: Når is smelter: Når vand koger: Fast flydende Flydende gas (damp) 8 Industriens Forlag ke 033 ti 95 05 04