Δομικά Σωματίδια της Ύλης – Δομή του Ατόμου ⚛️

Δομικά σωματίδια της ύλης

Κάθε σώμα συγκροτείται από απείρως μικρά σωματίδια (σχεδόν αμελητέα), που ονομάζονται δομικά σωματίδια ή δομικές μονάδες της ύλης. Τα σωματίδια αυτά είναι τα άτομα, τα μόρια και τα ιόντα.

Άτομα – Μόρια

Αν πάρουμε μια καθορισμένη ουσία, π.χ. τη ζάχαρη, και τεμαχίσουμε μια ποσότητά της σε όσο το δυνατόν μικρότερα κομμάτια (π.χ. διαλύοντάς την σε νερό), η ζάχαρη χωρίζεται σε τόσο μικρά κομμάτια που δεν μπορούμε πια να τα διακρίνουμε ούτε με μικροσκόπιο. Παρ' όλα αυτά, το διάλυμα εξακολουθεί να είναι γλυκό — η ζάχαρη κρατά τις ιδιότητές της. Ο διαχωρισμός αυτός δεν μπορεί να συνεχίζεται επ' άπειρον: υπάρχει ένα πολύ μικρό κομμάτι ζάχαρης, πολύ μικρών διαστάσεων και μάζας, το οποίο δεν μπορεί να κοπεί σε μικρότερα κομμάτια χωρίς να χάσει τις ιδιότητές του. Αυτό είναι το μόριο.

Μόριο είναι το μικρότερο κομμάτι μιας καθορισμένης ουσίας (ένωσης ή στοιχείου) που μπορεί να υπάρξει ελεύθερο, διατηρώντας τις ιδιότητες της ύλης από την οποία προέρχεται.

Τα μόρια των χημικών στοιχείων συγκροτούνται από ένα είδος ατόμων (π.χ. $O_2$, $N_2$, $O_3$, $P_4$), ενώ τα μόρια των χημικών ενώσεων συγκροτούνται από δύο ή περισσότερα είδη ατόμων (π.χ. $H_2O$, $CH_4$, $C_{12}H_{22}O_{11}$). Τα μόρια δηλαδή είναι ομάδες ατόμων με καθορισμένη γεωμετρική διάταξη στον χώρο.

Άτομο είναι το μικρότερο σωματίδιο ενός στοιχείου, που μπορεί να πάρει μέρος στον σχηματισμό χημικών ενώσεων.

Ατομικότητα στοιχείου

Τα μόρια των χημικών στοιχείων δεν αποτελούνται πάντοτε από τον ίδιο αριθμό ατόμων. Υπάρχουν:

• Μονοατομικά στοιχεία, όπως τα ευγενή αέρια (π.χ. ήλιο, He)
• Διατομικά στοιχεία, όπως το οξυγόνο ($O_2$) και το υδρογόνο ($H_2$)
• Τριατομικά στοιχεία, όπως το όζον ($O_3$)
• Τετρατομικά στοιχεία, όπως ο φώσφορος ($P_4$)

Ο αριθμός που δείχνει από πόσα άτομα συγκροτείται το μόριο ενός στοιχείου ονομάζεται ατομικότητα του στοιχείου και αναγράφεται ως δείκτης στο σύμβολο του στοιχείου.

Ιόντα

Τα άτομα είναι ηλεκτρικά ουδέτερα, αφού έχουν ίδιο αριθμό πρωτονίων και ηλεκτρονίων. Τα άτομα όμως μπορούν να μετατραπούν σε ιόντα με αποβολή ή με πρόσληψη ενός ή περισσότερων ηλεκτρονίων.

Ιόντα είναι είτε φορτισμένα άτομα (μονοατομικά ιόντα), π.χ. $Na^+$, $Ca^{2+}$, $S^{2-}$, $Cl^-$, είτε φορτισμένα συγκροτήματα ατόμων (πολυατομικά ιόντα), π.χ. $NH_4^+$, $CO_3^{2-}$, $H_2PO_4^-$.

Τα ιόντα με θετικό ηλεκτρικό φορτίο ονομάζονται κατιόντα (π.χ. $Na^+$), ενώ αυτά με αρνητικό ηλεκτρικό φορτίο ονομάζονται ανιόντα (π.χ. $Cl^-$). Τα ιόντα αποτελούν τα δομικά σωματίδια των ιοντικών ή ετεροπολικών ενώσεων. Για παράδειγμα, ο κρύσταλλος του $NaCl$ συγκροτείται από ιόντα $Na^+$ και $Cl^-$.

Δομή του ατόμου

Τον 5ο π.Χ. αιώνα, οι Έλληνες φιλόσοφοι Δημόκριτος και Λεύκιππος διατύπωσαν την άποψη ότι η ύλη αποτελείται από πολύ μικρά σωματίδια, που δεν μπορούν να διαιρεθούν σε άλλα απλούστερα — τα ονόμασαν άτομα. Η άποψη αυτή ήταν αντίθετη με τη θεώρηση του Πλάτωνα και του Αριστοτέλη, οι οποίοι πίστευαν στη συνεχή διαίρεση της ύλης.

Με την ανακάλυψη των υποατομικών σωματιδίων, άνοιξε ο δρόμος για νέες θεωρίες σχετικά με τη δομή του ατόμου:

1. Rutherford (1911): Η μάζα του ατόμου είναι συγκεντρωμένη σε έναν πολύ μικρό χώρο, που λέγεται πυρήνας.
2. Bohr (1913): Τα ηλεκτρόνια κινούνται σε καθορισμένες κυκλικές τροχιές γύρω από τον πυρήνα, που ονομάζονται στιβάδες.
3. Sommerfeld (1916): Τα ηλεκτρόνια διαγράφουν, εκτός από κυκλικές τροχιές (στιβάδες), και ελλειπτικές (υποστιβάδες).
4. Σύγχρονες αντιλήψεις: Το ηλεκτρόνιο συμπεριφέρεται ως κύμα, οπότε δεν μπορούμε να γνωρίζουμε με ακρίβεια την τροχιά που διαγράφει. Εισάγεται η έννοια του ατομικού τροχιακού — του χώρου γύρω από τον πυρήνα όπου υπάρχει μεγάλη πιθανότητα να βρεθεί ένα ηλεκτρόνιο.

Η σύγχρονη εικόνα του ατόμου

Η μάζα του ατόμου είναι συγκεντρωμένη σε έναν χώρο που ονομάζεται πυρήνας. Ο πυρήνας συγκροτείται από πρωτόνια (p), που φέρουν θετικό ηλεκτρικό φορτίο, και από ουδέτερα νετρόνια (n). Γύρω από τον πυρήνα, σε σχετικά μεγάλες αποστάσεις από αυτόν, κινούνται τα ηλεκτρόνια (e), που φέρουν αρνητικό ηλεκτρικό φορτίο και ευθύνονται για τη χημική συμπεριφορά των ατόμων. Τα άτομα είναι ηλεκτρικά ουδέτερα, καθώς ο αριθμός των πρωτονίων ισούται με τον αριθμό των ηλεκτρονίων.

Ατομικός αριθμός – Μαζικός αριθμός – Ισότοπα

Ατομικός αριθμός (Ζ) είναι ο αριθμός των πρωτονίων στον πυρήνα του ατόμου ενός στοιχείου. Ο αριθμός αυτός καθορίζει το είδος του ατόμου — αποτελεί δηλαδή ένα είδος ταυτότητας για αυτό. Η τιμή του Ζ δείχνει επίσης τον αριθμό των ηλεκτρονίων, αφού στο άτομο ο αριθμός ηλεκτρονίων ισούται με τον αριθμό πρωτονίων, ώστε το άτομο να είναι ηλεκτρικά ουδέτερο.

Για παράδειγμα, όταν λέμε ότι ο ατομικός αριθμός του νατρίου (Na) είναι 11, εννοούμε ότι το άτομο του Na έχει 11 πρωτόνια στον πυρήνα του, αλλά και 11 ηλεκτρόνια γύρω από τον πυρήνα. Επειδή ο ατομικός αριθμός είναι καθοριστικός για το είδος κάθε στοιχείου, κάθε άτομο στη φύση που έχει 11 πρωτόνια στον πυρήνα του είναι άτομο νατρίου.

Μαζικός αριθμός (Α) είναι ο αριθμός των πρωτονίων και των νετρονίων στον πυρήνα ενός ατόμου. Τα σωματίδια αυτά (πρωτόνια και νετρόνια) ονομάζονται νουκλεόνια.

Για παράδειγμα, όταν λέμε ότι ο μαζικός αριθμός του φθορίου (F) είναι 19 και ο ατομικός του αριθμός είναι 9, εννοούμε ότι στον πυρήνα του ατόμου του υπάρχουν 9 πρωτόνια και 19 νουκλεόνια συνολικά (πρωτόνια και νετρόνια μαζί). Άρα, στον πυρήνα του υπάρχουν 10 νετρόνια.

Αν συμβολίσουμε με Ν τον αριθμό των νετρονίων του ατόμου, τότε ισχύει:

Το άτομο ενός στοιχείου X συμβολίζεται ως $^A_Z X$.

Ισότοπα ονομάζονται τα άτομα που έχουν τον ίδιο ατομικό αριθμό αλλά διαφορετικό μαζικό αριθμό. Τα ισότοπα είναι, με άλλα λόγια, άτομα του ίδιου στοιχείου με διαφορετική μάζα, αφού έχουν τον ίδιο αριθμό πρωτονίων αλλά διαφορετικό αριθμό νετρονίων.