Υποατομικά Σωματίδια – Ιόντα 🔬

Το 1898 η Μαρί Κιουρί παρατήρησε κάτι παράξενο: ενώσεις του στοιχείου ουράνιο μαύριζαν το φωτογραφικό φιλμ ακόμα και από απόσταση. Ήταν προφανές ότι κάποια ακτινοβολία προερχόταν από αυτές τις ενώσεις. Τέσσερα χρόνια αργότερα ο λόρδος Ράδερφορντ έδωσε την εξήγηση: η ακτινοβολία προέρχεται από τη διάσπαση των ατόμων του ουρανίου. Έτσι η θεωρία του Ντάλτον, ότι τα άτομα δεν τέμνονται, καταρρίφθηκε — τα άτομα, τελικά, αποτελούνται από ακόμα μικρότερα σωματίδια.

Η δομή του ατόμου

Ο 20ός αιώνας ξεδιάλυνε το μυστήριο της δομής του ατόμου. Η επιστημονική κοινότητα αποδέχτηκε ότι το άτομο είναι ένα σύστημα που αποτελείται από τρία «υποατομικά σωματίδια»:

• Τα πρωτόνια (p): θετικά φορτισμένα σωματίδια, με μία μονάδα θετικού ηλεκτρικού φορτίου (στοιχειώδες θετικό φορτίο).
• Τα νετρόνια (n): ηλεκτρικά ουδέτερα σωματίδια, με μάζα σχεδόν ίση με του πρωτονίου.
• Τα ηλεκτρόνια (e): αρνητικά φορτισμένα σωματίδια, με φορτίο αντίθετο του πρωτονίου (μία μονάδα αρνητικού ηλεκτρικού φορτίου). Το ηλεκτρόνιο έχει 1.836 φορές μικρότερη μάζα από το πρωτόνιο ή το νετρόνιο.

Σχεδόν όλη η μάζα του ατόμου είναι συγκεντρωμένη στο κέντρο του, τον πυρήνα, ο οποίος καταλαμβάνει ένα ελάχιστο τμήμα του ατόμου. Ο πυρήνας αποτελείται από πρωτόνια και νετρόνια, και λόγω των πρωτονίων που περιέχει είναι θετικά φορτισμένος. Γύρω από τον πυρήνα δεν υπάρχει τίποτα άλλο εκτός από κενό και περιφερόμενα ηλεκτρόνια.

Τα ηλεκτρόνια ενός ατόμου είναι πάντα ίσα σε αριθμό με τα πρωτόνιά του. Γι' αυτό κάθε άτομο είναι ηλεκτρικά ουδέτερο, δηλαδή έχει συνολικό φορτίο μηδέν. Για παράδειγμα, το άτομο του λιθίου έχει 3 πρωτόνια και 3 ηλεκτρόνια, άρα συνολικό φορτίο:

Ο πυρήνας και τα ηλεκτρόνια που περιφέρονται γύρω του συγκροτούν ένα σύστημα, που λέγεται άτομο.

Ατομικός και μαζικός αριθμός

Όλα τα άτομα του οξυγόνου έχουν 8 πρωτόνια στον πυρήνα τους — γι' αυτό λέμε ότι ο ατομικός αριθμός του οξυγόνου είναι 8. Ένα άτομο με 7 πρωτόνια στον πυρήνα του είναι άτομο αζώτου, άρα το άζωτο έχει ατομικό αριθμό 7.

Ο ατομικός αριθμός συμβολίζεται με Ζ και αποτελεί την ταυτότητα κάθε στοιχείου. Επειδή τα πρωτόνια ενός ατόμου είναι όσα και τα ηλεκτρόνιά του, ο ατομικός αριθμός δείχνει επίσης πόσα ηλεκτρόνια υπάρχουν στο άτομο.

Ο συνολικός αριθμός πρωτονίων και νετρονίων του πυρήνα δείχνει τη μάζα του ατόμου, γι' αυτό ονομάζεται μαζικός αριθμός και συμβολίζεται με Α.

Παράδειγμα: Το άτομο του νατρίου έχει 11 πρωτόνια και 12 νετρόνια στον πυρήνα του. Ο μαζικός αριθμός του είναι Α = 11 + 12 = 23.

Γενικά, για κάθε άτομο ισχύει:

όπου Ν είναι ο αριθμός των νετρονίων του πυρήνα.

Εφαρμογή: Θα βρούμε τη δομή ενός ατόμου με Ζ = 17 και Α = 37. Ο ατομικός αριθμός Ζ δείχνει τόσο τον αριθμό των πρωτονίων όσο και τον αριθμό των ηλεκτρονίων — άρα το άτομο έχει 17 πρωτόνια και 17 ηλεκτρόνια. Για τα νετρόνια ισχύει:

Άρα στον πυρήνα του ατόμου περιέχονται 17 πρωτόνια και 20 νετρόνια, ενώ γύρω από τον πυρήνα περιφέρονται 17 ηλεκτρόνια.

Ιόντα

Κάτω από ορισμένες συνθήκες, τα άτομα παίρνουν ή χάνουν ηλεκτρόνια και μετατρέπονται σε φορτισμένα σωματίδια, που ονομάζονται ιόντα.

• Όταν ένα άτομο πάρει ηλεκτρόνια, μετατρέπεται σε αρνητικό ιόν, που ονομάζεται ανιόν.
• Όταν ένα άτομο χάσει ηλεκτρόνια, μετατρέπεται σε θετικό ιόν, που ονομάζεται κατιόν.

Εφαρμογή: Ας δούμε τι ιόν σχηματίζεται όταν αποσπαστούν δύο ηλεκτρόνια από το άτομο του ασβεστίου, που έχει ατομικό αριθμό Ζ = 20. Το άτομο του ασβεστίου έχει 20 πρωτόνια και 20 ηλεκτρόνια. Μετά την απόσπαση των δύο ηλεκτρονίων έχει πλέον 18 ηλεκτρόνια. Το συνολικό φορτίο του ιόντος είναι:

Πρόκειται, επομένως, για κατιόν με δύο στοιχειώδη θετικά φορτία.

Ιόντα και ηλεκτρική αγωγιμότητα

Η ύπαρξη ιόντων μέσα σε ορισμένα διαλύματα εξηγεί γιατί μέσα από αυτά μπορεί να περάσει ηλεκτρικό ρεύμα. Αν φτιάξουμε ένα κύκλωμα με μπαταρία, καλώδια, λαμπάκι, διακόπτη και απιονισμένο νερό, το λαμπάκι δεν ανάβει. Αν όμως προσθέσουμε στο νερό λίγο μαγειρικό αλάτι και ανακατέψουμε, το λαμπάκι ανάβει.

Αυτό συμβαίνει γιατί το διάλυμα αλατιού έχει ηλεκτρική αγωγιμότητα εξαιτίας της κίνησης των κατιόντων νατρίου και των ανιόντων χλωρίου που περιέχει.

Συμπέρασμα: Οι δομικές μονάδες των ουσιών είναι τα μόρια και τα ιόντα:

Λίγα στοιχεία φτιάχνουν όλον τον κόσμο

Η ιδέα ότι λίγα στοιχεία συνθέτουν τον κόσμο είναι πολύ παλιά και τη βρίσκουμε στις μυθολογίες αρχαίων λαών. Οι αρχαίοι Έλληνες φιλόσοφοι ανέπτυξαν διάφορες θεωρίες για την προέλευση του κόσμου. Κυρίαρχη ιδέα ήταν ότι ο κόσμος δημιουργήθηκε από την ένωση τεσσάρων στοιχείων: αέρα, γης, νερού και φωτιάς — μια αντίληψη που ενοποίησε ο φιλόσοφος Εμπεδοκλής, ο οποίος έζησε στον Ακράγαντα της Σικελίας το 490-430 π.Χ.

Σήμερα έχουμε φτάσει στα 115 διαφορετικά στοιχεία. Τα περισσότερα τα έχουμε βρει στη φύση, τα υπόλοιπα έχουν φτιαχτεί σε εργαστήρια. Και τα 115 αυτά στοιχεία αποτελούνται από τα ίδια υποατομικά σωματίδια: πρωτόνια, νετρόνια και ηλεκτρόνια.

Κάτω από ειδικές συνθήκες, τα άτομα των διαφορετικών στοιχείων φτιάχνουν μεσοαστρικά νέφη, αστέρια, πλανήτες, ζωντανούς οργανισμούς, ακόμα και νοήμονα όντα.

Πώς αντιλαμβανόμαστε τις διαστάσεις του μικρόκοσμου

Το άτομο έχει διαστάσεις τόσο μικρές που δεν μπορούν να γίνουν αντιληπτές με τις ανθρώπινες αισθήσεις. Γι' αυτό καταφεύγουμε σε γιγαντιαία μοντέλα: για να συγκρίνουμε τις διαστάσεις του πυρήνα και του ατόμου, τις αντιπαραβάλλουμε με ένα μπαλάκι μέσα σε ένα Ολυμπιακό Στάδιο. Έτσι, για να κατανοήσουμε τον μικρόκοσμο, σκεφτόμαστε αναλογικά.