Bohri aatomiehituse mudel

  • Mis on aatomiehituse mudelid ja milleks neid vaja on?
  • Millised olid esimesed aatomiehituse mudelid (enne Bohri mudelit)?
  • Millised on Bohri aatomiehituse mudeli põhiseisukohad?
Peatüki taustapilt: aatomimudelid.
Lisää aiheesta
Muut toiminnot

Aatomiehituse käsitluse ajaloost

Kujutlus ainete jagamatutest koostis­osakestest – aatomitest (atomos, kr k – „jagamatu“) – pärineb Vana-Kreekast, eelkõige filosoof Demokritoselt (V–IV saj eKr). Demokritose järgi on aatomid muutumatud ja jagamatud osakesed, mis võivad olla erineva kuju või suurusega. Ka mitmed teised Vana-Kreeka filosoofid, sh Aristoteles, oletasid, et materiaalne maailm pole pidev, vaid koosneb väikestest osakestest. Samas ei toetanud nad mõningaid Demokritose seisukohti, nt aatomite täielikku muutumatust.

19. saj algul esitas inglise teadlane John Dalton katse­andmetel põhineva käsitluse aatomitest kui keemiliste elementide väiksei­matest jagamatutest osakestest. Iga elemendi aatomitel on iseloomulik suurus ja mass. Väikseimate aatomitega element on vesinik, seepärast valis Dalton vesiniku aatomi tingliku massi aatom­massiühikuks.

Dalton avastas ühtlasi, et eri elementide aatomid saavad omavahel ühineda, moodustades nn liit­aatomeid (s.t molekule).

John Dalton (1766–1844).
Daltoni pakutud elementide sümboleid: vesinik, lämmastik, süsinik, hapnik, fosfor, väävel, raud.
Lisää aiheesta
Muut toiminnot

Milleks on vaja aatomiehituse tundmist

Keemial on teaduse ja õppeainena üks oluline eelis: tal on üle­vaatlik süsteem – keemiliste elementide perioodilisus­süsteem –, mis võtab kokku suure osa keemia teoreetilistest alustest. Keemiliste elementide perioodilisus­süsteemi sisuline väärtus seisneb selles, et elementide asukoht perioodilisus­tabelis on otseselt seotud nende aatomi­ehitusega: elektron­kihtide ja välis­kihi elektronide arvuga jne. Kui tunneme aatomi­ehituse põhi­aluseid, siis oskame lugeda ka perioodilisus­tabelisse peidetud infot keemiliste elementide ja nende ühendite omaduste kohta.

Lisää aiheesta
Muut toiminnot

Aatomiehituse põhialused

Meenutame aatomi­ehituse kohta varem õpitut. Aatomid on üli­väikesed aine­osakesed (nt vesiniku aatomi läbi­mõõt on umbes 10–8 cm ehk 0,1 nm). Aine­osakesena on aatom neutraalne, kuid enamik aatomeid saab elektrone loovutada ja mingi osa neist saab ka elektrone siduda, omandades vastava laengu.

Aatomi keskel asub ülisuure tihedusega ja aatomist umbes 100 000 korda väiksem aatomituum. Tuuma mass moodustab põhiosa (vähemalt 99,95%) kogu aatomi massist. Aatomituuma ümbritsev elektronkate on seega väga hõre.

​Juuksekarv skaneeriva elektron­mikroskoobi all (2000 korda suurendatud kujutis). Silmaga vaadates tundub juuks­ekarv üsna peenike (pildil oleva juukse­karva läbi­mõõt umbes 120 μm), kuid ometi on selle läbi­mõõt 1 200 000 korda suurem kui vesiniku aatomi oma.
Märkus: osakeste laeng on esitatud elementaarlaengu­ühikutes, mass aatom­massiühikutes.

؜

Aatommass – aatomi mass aatommassiühikutes (amü).
​

Massiarv on tuuma­osakeste arv aatomis.

Massiarv on võrdne aatomi massiga amü-des, mis on ümardatud täisarvuni.

 

؜

Keemiline element – kindla tuuma­laenguga aatomite liik.

­Aatomi tuuma­laeng Z ehk aatom­number võrdub elemendi järje­numbriga perioodilisus­tabelis.

؜

Mis on isotoobid

Isotoobid on sama keemilise elemendi teisendid, millel on erinev neutronite arv (ja seega ka erinev massiarv).

Nimetus isotoop (kr k, „sama koht“) viitab sellele, et sama elemendi isotoobid asuvad perioodilisus­tabelis samas lahtris. Isotoobi tähistamisel märgitakse elemendi sümboli (E) ette väikeste numbritega tema tuum­alaeng Z (allapoole) ja massi­arv A (ülespoole): EZA.

Vesiniku isotoobid

tavaline vesinik (prootium):
​H11 ehk H
​(Z = 1, A = 1);

raske vesinik (deuteerium):
​H12 ehk D
​(Z = 1, A = 2);

üliraske vesinik (triitium):
​H13 ehk T
​(Z = 1, A = 3).

Enamik keemilisi elemente esineb looduses mitme isotoobi seguna. Näiteks looduslik kloor koosneb kahest isotoobist: Cl1735 ja Cl1737. Umbes 75% protsenti moodustab sellest isotoop Cl1737 ja 25% isotoop Cl1735. Loodusliku kloori keskmine aatom­mass on see­tõttu murd­arvuline (võrdub ∼35,5).

Tuuma­laeng Z

Massi­arv A

Neutro­nite arv

Elekt­ronide arv

16

32

26

56

33

42

a. Aatomi tuumalaeng Z võrdub

  • massiarvuga,
  • tuumaosakeste arvuga,
  • prootonite arvuga,
  • neutronite arvuga.

b. Aatomi massiarv A võrdub

  • elektronide arvuga,
  • tuumaosakeste arvuga,
  • prootonite arvuga,
  • neutronite arvuga.

c. Elektronide arv neutraalses aatomis võrdub

  • massiarvuga,
  • tuumaosakeste arvuga,
  • prootonite arvuga,
  • neutronite arvuga.
Lisää aiheesta
Muut toiminnot

Aatomiehituse mudelid

­Sageli mõistetakse mudeli all mingi keeruka objekti mõne­võrra lihtsustatud ja enamasti ka vähendatud koopiat. Näiteks on gloobus maa­kera mudel, mänguauto päris auto mudel jne.

Tegelikult on mudel palju laiem mõiste. Mudel peab kajastama vastava objekti mingeid omadusi või seoseid, kuid ei pea sellega kujult tingimata sarnanema. Alati ei tarvitsegi mudel esineda füüsilise keha kujul. Ta võib olla esitatud ka joonisena, skeemina, matemaatiliselt väljendatud teoreetilise aru­saamana jne. See­tõttu saab üht ja sama objekti kirjeldada väga mitme­suguste mudelite abil.

Tänapäeva ülivõimsad teravik­mikroskoobid võimaldavad saada küll aatomite kujutisi, kuid aatomite sisemist ehitust nad ei peegelda. Aatomi­ehitusest annavad ette­kujutuse vaid kaudsete uuringute põhjal tehtud järeldused ja nende alusel loodud aatomi­ehituse mudelid.

Varasemates füüsika- ja keemia­kursustes tutvusime aatomi­ehituse Bohri mudeliga. Selle mudeli töötas välja taani füüsik Niels Bohr 1913. a, toetudes inglise teadlase sir Ernest Rutherfordi 1911. a esitatud nn planetaarsele aatomi­mudelile. Bohri mudel on küllaltki lihtne ja ülevaatlik, kuid keerukamate probleemide lahendamisel tuleb siiski lähtuda tänapäevasest ehk kvant­mehaanilisest aatomi­mudelist. Elektronide liikumine aatomis on tegelikult palju keerulisem, kui on arvestatud Bohri mudelis.

Niels Bohr (1855–1962).

؜

Bohri mudeli põhiseisukohad

Positiivse laenguga aatomi­tuum hoiab koos negatiivse laenguga elektrone, mis moodustavad elektron­katte tuuma ümber. Elektronid tiirlevad ümber aatomituuma ringi­kujulistel, kindla raadiusega orbiitidel. Iga järgmise elektron­kihi elektronide seos tuumaga on nõrgem, nad on kõrgema energiaga ja tiirlevad suurema raadiusega orbiidil.

Elektronkihid täituvad elektronidega energia kasvu järjekorras: kõigepealt tuumale kõige lähem, kõige madalama energiaga elektron­kiht, siis järgmine jne. Igasse elektron­kihti mahub kindel arv elektrone.

Bohri mudeli järgi tiirlevad elektronid ringikujulistel orbiitidel ümber aatomi tuuma.

Elektronkihid:
​1. kiht – kuni 2 elektroni,
​2. kiht – kuni 8 elektroni,
3. kiht​ – kuni 18 elektroni,
​4. kiht – kuni 32 elektroni jne.

Väliskiht on tuumast kõige kaugem elektron­kiht, milles asub elektrone. Olenemata sellest, mitmes elektron­kiht on antud aatomi korral välis­kihiks, saab välis­kiht mahutada vaid kuni 8 elektroni (välja arvatud 1. kiht, kuhu mahub ainult 2 elektroni).

Elektronskeem – väljendab elektronide paigutust elektron­kihtides.

Elektronskeemis märgitakse elemendi tähise järel tema tuuma­laeng ja seejärel elektronide arv elektron­kihtide kaupa.

Näited

  • Kloori elektronskeem

Cl: +17| 2) 8) 7)

  • Kaaliumi elektronskeem

K: +19| 2) 8) 8) 1)

Suuremate aatomite korral tuleb enne märkida välis­kihi elektronide arv ja alles seejärel saab leida eel­viimase kihi elektronide arvu (nt kaaliumi korral). Arvesta, et väliskihi­elektronide arv A-rühma elementidel võrdub rühma numbriga.

  1. Elemendi aatomis on 7 elektroni. Mitu elektroni on selle aatomi väliskihis?
    Aatomi väliskihis on  elektroni.
  2. Elemendi aatomis on 14 elektroni. Mitu elektronkihti ja mitu väliskihi elektroni on selles aatomis?
    Elektronkihte on  ja väliskihis on  elektroni.
  3. Elemendi aatomi kolmandas elektronkihis on 6 elektroni. Mitu elektroni on selles aatomis?
    Aatomis on  elektroni.

Ne: +10 |))))

Si: + |))))

Ca: + | ) ) ))

P: + | ))))

Na: + | ) ) ))

Br: + |))))

Lisää aiheesta
Muut toiminnot

Lisalugemist. Aatomiehituse mudelite ajaloost

Inglise füüsik J. J. Thomson avastas 1897. aastal, et aatomitest saavad teatud tingimustes eralduda üli­väikesed negatiivse laenguga osakesed – elektronid. Sellest tegi ta järelduse, et aatomid polegi jagamatud. Ta oletas, et aatom koosneb positiivse laenguga aine­massist, mis sisaldab vastava arvu negatiivse laenguga elektrone (nagu jõulu­puding sisaldab ploome), nii et aatom tervikuna on neutraalne.

Inglise füüsik E. Rutherford tegi 1911. aastal katseliselt kindlaks, et aatom on seest põhiliselt „tühi“, sest aatomi põhi­mass on koondunud üli­väiksesse positiivse laenguga tuuma. Selle põhjal esitas ta aatomi­ehituse nn planetaarse mudeli: aatomis tiirlevad elektronid ümber tuuma, nagu planeedid ümber Päikese.

Kuna planetaarne mudel oli vastuolus mõningate katse­andmetega, vajas see täiustamist. Taani füüsik Niels Bohr koostas 1913. aastal arvutus­tulemustele tugineva mudeli, mis eeldas, et elektronid saavad aatomis tiirelda vaid tuumast kindlal kaugusel asuvatel ringi­kujulistel orbiitidel. Bohri mudeli usaldus­väärsust kinnitas vesiniku aatomi kohta saadud arvutus­tulemuste väga hea koos­kõla katse­tulemustega.

­Tänapäevase ehk kvant­mehaanilise aatomimudeli järgi polegi võimalik leida elektroni kindlat liikumis­teed aatomis. Elektroni liikumist aatomis saab iseloomustada vaid tema leidumise tõe­näosusega vaadeldavas ruumi­osas.

Aatomiehituse mudelid: a) Daltoni mudel (jagamatu aatom), b) Thomsoni nn pudingi­mudel (elektronid positiivse laenguga aine­massis),​ c) Rutherfordi planetaarne mudel (elektronid tiirlevad ümber aatomi­tuuma), d) Bohri mudel (elektronid tiirlevad tuumast kindlal kaugusel asuvate orbiitidel), e) täna­päevane ehk kvant­mehaaniline aatomi­mudel.
Lisää aiheesta
Muut toiminnot

Küsimused

  1. Miks on keemia õppimisel vaja tunda aatomi­ehitust?
  2. Millest koosneb aatom?
  3. Milline on seos elemendi tuuma­laengu, prootonite arvu ja elektronide arvu vahel (neutraalses aatomis)?
  4. Mis on massi­arv? Mille poolest see erineb aatom­massist?
  5. Mis on keemiline element?
  6. Mis on isotoobid? Kuidas neid tähistatakse?
  7. Miks kasutatakse aatomite omaduste käsitlemisel aatomi­ehituse mudeleid?
  8. Kuidas liiguvad elektronid aatomis Bohri mudeli järgi?
  9. Millises järje­korras täituvad aatomi elektron­kihid elektronidega? Miks?
  10. Mitu elektroni asub esimeses kolmes elektron­kihis (kihtide kaupa)?
  11. Mitu elektroni saab maksimaalselt olla aatomi välis­kihis (kui see pole esimene elektron­kiht)?
Lisää aiheesta
Muut toiminnot