Historia De tidigaste kända idéerna om något som liknar dagens atomer utvecklades av Demokritos i Grekland runt 450 f.kr. År 1803 använde John Dalton

Transkript

1 Atomen En atom, från grekiskans ἄτομος, átomos, vilket betyder "odelbar", är den minsta enheten av ett grundämne som definierar dess kemiska egenskaper.

2 Historia De tidigaste kända idéerna om något som liknar dagens atomer utvecklades av Demokritos i Grekland runt 450 f.kr. År 1803 använde John Dalton atombegreppet för att förklara att kemiska föreningar bestod av grundämnen. Han lade fram en teori där varje grundämne bestod av atomer av ett särskilt slag, som sedan kunde förena sig med varandra till olika kemiska föreningar. År 1897 upptäckte engelsmannen J.J. Thomson elektronen, vilket visade att atomer inte var odelbara utan hade en inre struktur. Protonen upptäcktes 1918 av Ernest Rutherford. År 1932 gjorde den brittiske fysikern James Chadwick en serie experiment som slutgiltigt påvisade neutronen.

3 Atomens delar Atomkärnan består av protoner och neutroner. I ett "moln" runt atomens kärna kretsar elektroner. Protoner är positivt laddade (+), p Elektronerna är negativt laddade (-), e Neutroner, n, har ingen elektrisk laddning och är därför neutrala. Neutronen fungerar som ett lim som håller ihop atomkärnan. Atomen består av lika många protoner som elektroner.

4 Elektronskal Elektronmolnet innehåller olika energinivåer. Man säger att elektronerna befinner sig i olika elektronskal. Det innersta skalet kallas K-skalet och sedan följer L-skalet, M-skalet osv. Elektronskalen kan bara innehålla ett visst antal elektroner. När ett skal är fyllt måste elektronerna placera sig i ett yttre skal. Atomer kan max ha 7 stycken skal. Antal elektroner som ryms i ett skal kan beräknas med, 2n2 N= nummer på elektronskal

5 Elektronhopp Elektronerna kan vandra mellan de olika skalen. Om en atom tar emot energi kan det innebära att en elektron "hoppar" ut till ett yttre skal. När sedan elektronen hoppar tillbaka avger atomen samtidigt sin överskottsenergi i form av ljus. Det är detta som är förklaringen till varför ljus sänds ut från en eld. När ett ämne brinner sker atomer och energi sänds ut i form av ljus. Denna upptäckt, att elektronerna hoppar mellan olika energiskal, gav upphov till en ny gren inom fysiken, kvantfysik

6 Isotoper Ett grundämnes atomer kan finnas i flera olika varianter, s.k. isotoper. Vanligt väte är det enklaste grundämnet och innehåller endast en proton och en elektron. Deuterium är också väte, men en variant av väte. Man säger då att deuterium är en väteisotop. Deuterium innehåller en proton, en neutron och en elektron. Tritium är ytterligare en väteisotop som innehåller en proton, två neutroner och en elektron. Det som skiljer isotoper åt är alltså antalet neutroner. Antal protoner är däremot alltid detsamma, annars vore det inte samma grundämne

7 Att beteckna atomer Atomer betecknas precis som grundämnena med bokstäver. Till bokstäverna lägger man två olika sorters tal, atomnummer och masstal. Atomnumret talar om hur många protoner som finns i atomens kärna och masstalet anger hur många protoner och neutroner det finns totalt i kärnan. Genom att subtrahera masstalet med atomnumret kan man räkna ut hur många neutroner som finns i kärnan. Isotoper av ett grundämne har alltid samma atomnummer, men har olika masstal.

8 Strålning Strålning kan vara av olika slag, t ex elektromagnetisk strålning. Den som sänds ut från elektronmolnet, när elektronerna byter energinivå, är elektromagnetisk strålning med en viss våglängd Strålning kan också komma från atomkärnan. Det sker när en atomkärna innehåller för mycket energi och vill göra sig av med energi. En sådan atomkärna kallas instabil. En instabil atomkärna gör sig av med energi på olika sätt. Det kan t ex ske genom att partiklar i atomkärnan omvandlas eller sliter sig loss och lämnar atomen. Atomen sönderfaller. Sönderfall betyder alltså att atomkärnans uppbyggnad förändras. När ett ämne sönderfaller sänds energi ut i form av strålning och ett nytt ämne bildas eftersom antalet protoner ändras.

9 Strålning fortsättn. Det finns tre sorters strålning som kan sändas ut från atomkärnan. Sådan strålning kallas joniserande strålning, eftersom den kan slå bort elektroner ur atomer och därmed bilda joner: Alfastrålning - En skur av alfapartiklar (heliumkärnor). Två neutroner och två protoner, (alltså en heliumkärna), lämnar atomkärnan. * Betastrålning - En skur av betapartiklar (elektroner). En proton omvandlas till en neutron och en skur av betapartiklar lämnar atomkärnan. * Gammastrålning - Elektromagnetisk strålning med mycket hög frekvens. Uppstår vid omvandlingar i kärnan, t ex vid betasönderfall.

10 Radioaktivitet Ämnen som sönderfaller sägs vara radioaktiva. Radioaktivitet kan vara mycket farlig för människan eftersom strålningen från radioaktiva ämnen påverkar mänsklig vävnad och människans celler. Om man utsätts för stora mängder joniserande strålning kan cellerna förstöras och orsaka cancer. Radioaktivitet upptäcktes av Henri Becquerel i slutet av talet, när han fann att grundämnet uran påverkade en fotografisk film.

11 Radioaktivitet De olika sorterna av joniserande strålning har olika stor räckvidd. Alfastrålningen som består av relativt stora partiklar stoppas enkelt av en pappskiva medan betastrålning, som har lite längre räckvidd, stoppas av en träskiva. För att stoppa gammastrålning, som tränger rakt genom mänsklig vävnad, krävs ett tjockt lager bly. Vilken strålning som är mest skadlig beror på var strålningskällan befinner sig.

12 Radioaktivitet Utanför kroppen är gammastrålning farligast, medan alfastrålning gör mest skada inne i människokroppen. Det kan alltså vara farligare att äta föda som innehåller alfastrålning än att utsättas för utvändig gammastrålning. Märkligt nog kan vi ibland ha nytta av strålning, t ex för att behandla cancer. Cancerceller behandlas med gammastrålning. De är känsligare för strålningen än normala celler.

13 Radioaktivitet Radioaktivt sönderfall sker spontant, dvs plötsligt och slumpvis, och påverkas inte av yttre faktorer. Det spelar alltså ingen roll om man värmer upp ett radioaktivt ämne. Sönderfallet sker ändå. Hur radioaktivt ett ämne är beror på hur många sönderfall som sker i atomkärnan. Radioaktivitet mäts i enheten Becquerel (Bq) som anger antalet sönderfall per sekund.

14 Halveringstid Även om sönderfall sker spontant och slumpvis kan man mäta hur fort ett ämne sönderfaller. Med halveringstid menas den tid det tar för hälften av ett ämnes atomkärnor att sönderfalla. Radium sönderfaller med en halveringstid på 1620 år. Det betyder att om man från början har 100% radium finns bara 50% radium kvar efter 1620 år. Resten har omvandlats till andra ämnen. Halveringstid kan användas för att bestämma åldern på arkeologiska fynd. Metoden kallas kol-14 metoden. Kol-14 är en isotop av kol, 14 C. Ett exempel på detta kan vara om man skall bestämma åldern för en träbit.

15 Begrepp Atomnummer, Antalet protoner i kärnan Masstal, Antalet protoner och neutroner Atomers massa mäts av praktiska skäl ofta i atommassenheten (u), som är ungefär 1, kg Jon, En atom med olika antal elektroner och protoner Valenselektroner, Elektroner i det yttersta skalet Molekylmassa, Massan av de grundämnen som ingår i molekylen Oxidation, atom avger elektroner Reduktion, atom tar upp elektroner Molekylmassa, massan för de atomer som ingår i en molekyl

16 Periodiska systemet Den första versionen av periodiska systemet uppställdes av Dmitrij Mendelejev (1869), som var först med att publicera sina resultat, och Lothar Meyer, men allteftersom nya grundämnen upptäcktes och den teoretiska grundvalen för systemet fördjupades, har det modifierats och förfinats. Ämnena 113 (borgruppen), 115 (kvävegruppen), 117 (halogen), 118 (ädelgas) var under många år förutspådda, men inte konstaterade. Kolla upp Periodiska systemet på google.

17 Molekylbindning (kovalent bindning) Det som håller ihop en molekyl är en slags kemisk bindning som kallas för molekylbindning (ett annat namn är kovalent bindning). Den fungerar genom att atomerna som ingår i molekylen delar på ett eller flera elektronpar (ett elektronpar är det samma som två elektroner). Ett sådant gemensamt elektronpar kallas för bindning och visas med ett streck mellan atomerna i en strukturformel. Anledningen till att molekylbindningen uppstår är att naturen strävar efter att ge atomerna ädelgasskal. Ser vi exempelvis till väteatomerna som ingår i vätgas vill dessa ha två elektroner i sitt K-skal för att likna ädelgasen helium. I det här youtube-klippet visas på ett mer verklighetstroget sätt vad som händer med de två elektronerna när två väteatomer bildar en vätgasmolekyl.

18

19

20 Ett sätt att få ädelgaskal Vi har pratat om att atomer alltid är oladdade, det vill säga att de alltid innehåller lika många elektroner som protoner, men vi har också pratat att atomer även strävar efter ädelgasstruktur, dvs 2 eller 8 elektroner i sitt yttersta skal och att naturen strävar efter att ge dem så kallade ädelgasskal (lika många valenselektroner som närmaste ädelgas). Ett sätt att uppnå detta för en atom är genom att göra sig av med överflödiga elektroner eller genom att ta upp så många elektroner som saknas. Som exempel kan vi titta på metallen litium (atomnummer 3) som har två elektroner i K-skalet och en i L-skalet (som är litiums valensskal). Naturen strävar dock efter att litiumatomen ska bli av med valenselektronen och på så vis likna ädelgasen helium

21 Ett sätt att lyckas med detta är att ge bort elektronen till en annan, mer elektronhungrig, atom. Om detta sker får litiumatomen totalt sett två elektroner, vilket leder till att den får ett underskott av elektroner om vi jämför med antalet protoner som fortfarande är tre. Eftersom de positivt laddade protonerna nu är i majoritet kommer litiumatomen som helhet att vara positivt laddad med laddningen 1+. I och med detta är litiumatomen inte längre någon atom eftersom atomer alltid är oladdade som helhet. Li Li + e Detta kallas för oxidation

22 En elektron kan inte bara försvinna från en atom, utan måste kunna tas upp av någon annan atom om den ska kunna avges. Ett exempel på ett atomslag som kan tänkas ta upp vår litiumatoms elektron är fluor (atomnummer 9). En fluoratom har 2 elektroner i K-skalet och 7 stycken i L-skalet. Detta innebär att den bara behöver en elektron extra för att få likadana elektronskal som ädelgasen neon (se tabellen nedan). Om detta sker bildas en negativt laddad fluoridjon med laddningen 1. F + e F Detta kallas för reduktion

23 Vi känner nu till ett atomslag som gärna avger en elektron och ett annat atomslag som gärna tar upp en elektron. Låter vi litium reagera med fluor är det alltså inte så svårt att lista ut vad som händer litiumatomerna avger sina valenselektroner och fluoratomerna kommer att ta upp dem.

24 Jonbindning När en atom ger eller tar valenselektroner av en annan atom och blir joner och samtidigt förenas med varandra, då kallas den föreningen för ett jonförening- Bindningen som håller ihop en jonförening kallas för jonbindning och är en mycket stark bindning. Vanliga jonföreningar bildas mellan Halogenerna och Alkalimetallerna

25 Salter Litiumjonerna och fluoridjonerna är exempel på joner med motsatt laddning. Litiumjonen är positivt laddad och fluoridjonen är negativt laddad. I naturen dras positivt laddade och negativt laddade partiklar mot varandra, vilket kallas att de attraheras. Detta gäller givetvis också joner. Låter man tillräckligt många litium- och fluoratomer reagera kommer de att bilda ett stort nätverk en så kallad kristall. Jonerna som har förenats är ett exempel på en kemisk förening. Just den här typen av kemiska föreningar där joner utgör byggstenarna kallas för jonföreningar eller salter. De namnges genom att man tar namnet på de båda jonerna och tar bort -jon från dem båda. Därefter skriver man den positiva jonen först och den negativa jonen efter. Vårt salt kallas alltså litiumfluorid.

26 Namngivning av salter och kemiska reaktionsformler Metall + Syra Salt + Vätgas Metalloxid + Syra Salt + Vatten Alkalimetall + Halogen Salt

27 Namngivning av salter och kemiska reaktionsformler Salter som bildas av Svavelsyra, H 2 SO 4, bildas av metallen och sulfatjonen, SO 4 2- och får ändelsen sulfat. Salter som bildas av Saltsyra, HCl, bildas av metallen och kloridjonen, Cl - och får ändelsen klorid. Salter som bildas av Salpetersyra, HNO 3, bildas av metallen och nitratjonen, NO 3- och får ändelsen klorid. Salter som bildas av Kolsyra, H 2 CO 3, bildas av metallen och karbonatjonen, CO 3 2- och får ändelsen karbonat. Salter som bildas av Fosfatsyra, H 2 PO 4, bildas av metallen och fosfatjonen, PO 4 2- och får ändelsen fosfat.

28 Metallbindning Metallbindning fungerar på så vis att alla metallatomer släpper ifrån sig en eller flera elektroner till ett gemensamt elektronmoln (även kallat elektronhav), och de enskilda metallatomerna blir till joner. Dessa joner delar på elektronerna i elektronmolnet som finns utspritt genom hela metallkristallen. Detta leder till en mängd med olika fenomen: Metaller har hög smält och kokpunkt Metaller leder elektricitet bra