Kleinste verdeling van 'n chemiese element
Elektronlading: 0 C
Deursnee: 10pm tot 100pm
Opbou van materie
'n Atoom is 'n submikroskopiese struktuur wat in alle gewone materie voorkom. Atome bestaan uit subatomiese partikels: elektrone, protone, en neutrone. Atome het die geneigdheid om te kombineer om molekule te vorm. Die watermolekuul bestaan byvoorbeeld uit twee waterstofatome en een suurstofatoom. Atome is die fundamentele boustene van chemie en word nie vernietig in chemiese reaksies nie. Slegs 91 tipes chemiese boustene, of chemiese elemente, word natuurlik op die aarde gevind, en word geklassifiseer in die periodieke tabel. Die klassifikasie is gebaseer op die aantal protone in die atoom. Ander tipes atome kan kunsmatig berei word, maar hulle is onstabiel en breek geleidelik af na natuurlike chemiese elemente deur middel van kernfisie.
Atome van dieselfde chemiese element kan verskillende radioaktiewe eienskappe hê, gebaseer op die aantal neutrone. Atome met dieselfde aantal protone maar verskillende getal neutrone word isotope genoem van dieselfde chemiese element. Omdat atome oral voorkom, is dit baie eeue lank reeds 'n belangrike studieveld. Tans fokus navorsing op kwantumeffekte, soos in Bose-Einsteinkondensaat.
3 Moderne teorie van die atoom
4.1 Sub-atomiese partikels
4.2 Elemente en isotope
4.3 Uitstraling van alfadeeltjies
4.4 Uitstraling van betadeeltjies
4.5 Latere verwikkelinge
4.6 Buitenste orbitale en verbinding
6 Relevante artikels
Atoomteorie[wysig | wysig bron]
Die oudste atoomteorie is deur die Griekse filosowe Leucippus van Milete (460- 371 v.C.) en Democritus van Abdera (Se eeu v.C.) opgestel. Hulle het beweer dat materie opgebou is uit atome wat in 'n origens leë ruimte in 'n rustende of bewegende toestand verkeer. Hierdie atome sou voorkom in 'n beperkte aantal vorms wat verband hou met sekere waarneembare eienskappe soos droogheid, natheid, warmte en koue.
Aristoteles was 'n voorstander van die idee dat alle materie opgebou is uit hierdie vier komponente. Die idee dat atome beweeg, en boonop volgens 'n voorspelbare patroon, was in stryd met die destydse godsdienstige opvattings. Volgens die Kerk sou die atoomteorieë impliseer dat die Goddelike ingryping onnodig is nadat die atoommeganisme in werking gestel is.
Die teenstand van die Kerk is egter nie 'n verklaring waarom die atoomteorie tydens die 17e en 18e eeu so min vordering gemaak het nie. Die oorsaak moet eerder gesoek word in die feit dat Democritus se idees moeilik was om eksperimenteel te ondersoek. Die eerste groot deurbraak wat tot die moderne atoomteorie sou lei, is aan die einde van die 18e eeu gemaak.
Robert Boyle het reeds in die helfte van die 17e eeu voorgestel dat atome die eenvoudigste deeltjies is waaruit chemiese elemente saamgestel is, en na die werk van die Franse skeikundiges Antoine Lavoisier en J.L. Proust het Boyle se teorie steun begin kry. Die meeste krediet kom die Engelsman John Dalton toe. Dalton, 'n onderwyser van Manchester, het die samestelling van gasse soos metaan, etileen en koolstofmonoksied bestudeer, wat gelei het tot sy wet dat elemente in sekere verhoudings met mekaar verbind.
Hieruit het Dalton die baie belangrike gevolgtrekking gemaak dat atome van verskillende elemente verskillende massas moet hê. Ten spyte van al hierdie vordering was wetenskaplikes aan die begin van die 19e eeu nog skepties oor die bestaan van die atoom. William Crookes en Jean Perrin het eksperimente gedoen met 'n glasbuis wat onder lae druk met gas gevul is.
Hulle het gevind dat as 'n hoë elektriese spanning oor die buis aangelê word, die buis lig uitstraal. Later het J.J. Thomson hierdie werk voortgesit en strale ontdek wat hy "katode-strale" genoem het. Wat hy egter nie geweet het nie, is dat hy die elektron ontdek het en hiervoor het hy in 1906 die Nobelprys ontvang. Nadat wetenskaplikes die elektron geïdentifiseer het en dit "negatiewe elektrisiteit" genoem het, was die volgende vraag: Wat van "positiewe elektrisiteit?"
In 1886 het die redelik onbekende wetenskaplike Goldstein ontdek dat indien hy gleuwe in die negatiewe plaat van Thomson se apparaat sny, daar eienaardige ligstrepe in die buis ontstaan. Dit is "kanaalstrale" genoem en Thomson het dadelik aan die werk gespring om hierdie strale te ondersoek. Hy het gevind dat die strale positief gelaaide deeltjies is en weer eens is 'n groot deurbraak gemaak, want dit was die voorloper van massa-spektrometrie, wat vandag nog gebruik word om chemiese stowwe te ontleed.
Terselfdertyd het ander wetenskaplikes navorsing gedoen om die atoom te ondersoek. Onder hulle was die Duitser Wilhelm Conrad Röntgen, wat X-strale ontdek het. Vir hierdie werk is die Nobelprys vir fisika in 1901 aan hom toegeken. Röntgen het ontdek dat hierdie strale, baie soos sonlig, in reguit lyne voortplant en nie deur elektriese of magnetiese velde gebuig word nie, in teenstelling met katode- en kanaalstrale. Hy het hierdie strale opgewek deur verskillende metale met elektrone te bombardeer. betastrale, bestaan.
Alfastrale is heliumatome waarvan twee elektrone verwyder is en betastrale is niks anders as elektrone nie. In 1900 het die Franse wetenskaplike Paul Villard gammastrale ontdek. Hierdie strale kom baie ooreen met X-strale, behalwe dat dit meer deurdringend is as X-strale. In 1904 het Thomson met sy "pudding"-model - 'n voorstelling van 'n atoom - 'n nuwe atoomteorie opgestel. Hiervolgens sou die positiewe lading van 'n atoom oor die hele volume van die atoom uitgesprei wees.
Die elektrone sit dan hierbinne en word deur die positiewe lading omhul of ingebed, byna soos rosyntjies in 'n poeding. Terselfdertyd het Philip Lenard 'n atoommodel voorgestaan waarin die negatiewe elektrone rondom die positiewe kern sirkel, soos planete rondom 'n son. Lenard het verbasend min erkenning vir hierdie groot deurbraak gekry, want later sou Ernest Rutherford eksperimenteel bewys dat Lenard se idee van die atoom korrek was. In 1911 het Rutherford met die bewys gekom waarop die wêreld so lank gewag het.
Hy het die baan van alfadeeltjies bepaal wanneer hulle deur 'n dun goudlagie geskiet word en dit was duidelik dat die "planetêre model" nie-'n volledige verklaring van die atoom se bou gee nie. Dit verklaar byvoorbeeld nie waarom sekere atome radioaktiwiteit uitstraal volgens 'n sekere patroon nie. Buitendien was dit strydig met die klassieke teorie van elektromagnetisme, wat beweer dat 'n elektron wat om 'n positiewe kern beweeg, nie 'n stabiele baan kan volg nie.
Die elektron sal 'n energieverlies ondergaan en na die kern val. Basies beteken dit net dat die elektron al hoe stadiger sal beweeg en omdat teegestelde ladings mekaar aantrek, sal die kern (wat positief gelaai is) die elektron nader trek en uiteindelik vasgryp. Hierdie probleem is oorbrug toe die Deense wetenskaplike Niels Bohr in 1913 die eerste werklike suksesvolle atoomteorie geformuleer het. Hy is in 1922 met die Nobelprys bekroon.
Die kwantumteorie Bohr het sy kwantumhipotese op Rutherford se planetêre model toegepas. Hy het geredeneer dat as 'n elektron nader aan die kern beweeg, dit energie in diskrete hoeveelhede sal afgee, terwyl dit presies dieselfde energie sal opneem as dit van die kern af wegbeweeg. Die elektron se beweging is egter baie beperk en daar is nie 'n kontinue verandering van bane nie. In 1900 het Max Planck al 'n soortgelyke redenasie gebruik met die formulering van sy kwantumteorie vir straling. Dit was 'n baie revolusionêre konsep, waarvoor Planck in 1918 die Nobelprys ontvang het.
Moderne teorie van die atoom[wysig | wysig bron]
Daar is al baie "modelle" van die atoom geformuleer. 'n Model is bloot 'n beskrywing van 'n atoom. Dit kan vergelyk word met 'n kaart. Sommige kaarte bevat meer detail as ander, en dit is presies dieselfde probleem waarmee wetenskaplikes sit. Daar is al vroeg besef dat die atoom baie ingewikkelder is as wat aanvanklik gedink is. 'n Kaart kan baie volledig opgestel word, maar dit is baie onwaarskynlik dat elke klein dorpie of spruitjie daarop aangedui sal wees. En selfs al is dit gedoen, bly daar nog die huise en plase oor wat nie aangedui is nie.
In die atoom is daar 'n hele klomp klein geheimsinnige deeltjies waarvan ons nog nie baie weet nie. 'n Atoom bestaan uit 'n kern wat opgebou is uit 'n aantal positief gelaaide deeltjies (protone). Rondom die kern beweeg dieselfde aantal elektrone met hulle negatiewe ladings. In 'n neutrale atoom kanselleer die negatiewe en positiewe ladings mekaar uit, sodat die atoom as geheel geen elektriese lading bevat nie. As een of meer van die elektrone verwyder word, is daar meer positiewe as negatiewe ladings en dit word 'n ioon genoem (die atoom is elektries gelaai). In so 'n geval is dit 'n positiewe ioon, maar daar kan ook negatiewe ione wees.
In 'n negatiewe ioon is daar meer elektrone as protone. Dit behoort duidelik te wees as 'n mens in gedagte hou dat elektrone negatief gelaaide deeltjies is en dat protone positief gelaai is. Die elektron is baie klein - 'n proton is 1 840 keer swaarder as 'n elektron. Hieruit kan dus afgelei word dat 'n atoom se massa oorwegend in die kern geleë is. Die kern is egter ook relatief klein en maak 'n baie klein deel van die atoom se volume uit.
As 'n atoom vergroot sou word sodat die kern so groot soos 'n lemoen is, sou die naaste elektrone 'n hele paar kilometer ver weg wees. Die atoom word hierom beskryf as "relatief leeg". Verskillende elemente se atome het verskillende massas. As 'n mens in gedagte hou dat verskillende elemente se atome verskillende getalle protone het, is dit nie moeilik om dit te begryp nie. 'n Waterstofatoom het een proton in die kern en een elektron daarbuite, 'n heliumatoom het twee protone en twee elektrone.
Die aantal protone (wat dieselfde as die aantal elektrone is) word die atoomgetal genoem. Daar is egter nog 'n deeltjie wat in die kern van 'n atoom voorkom. Dit is die neutron, 'n deeltjie wat ongeveer dieselfde massa as 'n proton het, maar wat geen elektriese lading het nie, met ander woorde dit is elektries neutraal. Die kern is dus opgebou uit protone en neutrone en saam word hulle nukleone genoem. Die aantal nukleone in die kern word die massagetal van daardie element genoem.
Dit kan gebeur dat 'n atoom van 'n sekere element nie altyd dieselfde aantal neutrone in die kern het nie. In so 'n geval is daar sprake van die isotope van 'n element. Die kern van een van die isotope van chloor het byvoorbeeld 17 protone en 18 neutrone, terwyl 'n ander 17 protone en 20 neutrone bevat. Let daarop dat hulle dieselfde aantal protone (atoomgetal) het. Dit moet inderdaad ook so wees, anders is hulle nie meer van dieselfde element nie.
Hulle massagetalle verskil, maar hulle chemiese eienskappe is presies dieselfde. In die natuur kom elemente as mengsels van isotope voor. Uraan wat in die natuur voorkom, bestaan uit verskeie isotope. Die uraankern bestaan uit 92 protone en 'n aantal neutrone. Een van die isotope het 146 neutrone en staan bekend as uraan 238. Die massa van hierdie atoom is 238 atoommassa-eenhede, want dit bevat 92 plus 146 nukleone, wat 'n totaal van 238 gee. Dit het dus 'n massagetal van 238. 'n Ander isotoop van uraan, wat baie belangrik is in die moderne samelewing, is uraan 235. Hierdie kern het 92 protone en 143 neutrone.
Die isotoop maak slegs 0,7 % van alle uraanatome uit en word verrykte uraan genoem nadat dit deur verrykingsmetodes van die ander atome geskei is. Wanneer hierdie atome met neutrone gebombardeer word, kan hulle op gewelddadige wyse uitmekaar spat en baie energie in die vorm van lig en hitte vrystel. Dit is die beginsel waarop kern reaktors werk, en is ook vir die eerste kernbomme gebruik. Wanneer uraan 238 met neutrone gebombardeer word, verander dit in uraan 239 (die kern het een neutron bygekry).
Uraan 239 is nie stabiel nie en gaan via neptunium oor in plutonium. Laasgenoemde is nuwe elemente en staan bekend as die " trans-uraniese" elemente. Dit het dus moontlik geword om nuwe elemente sinteties te vervaardig.
Sub-atomiese partikels[wysig | wysig bron]
Atome bestaan hoofsaaklik uit leë spasies, maar ook uit kleiner subatomiese partikels. In die kern van 'n atoom is 'n klein positief gelaaide kern wat bestaan uit nukleone (nl. protone en neutrone). Die res van die atoom bestaan uit die buigsame elektronskille. In 'n neutrale atoom, is die getal protone en elektrone ewe veel, en balanseer die elektriese ladings mekaar uit. Gelaaide atome word ione genoem.
Atome met minder elektrone as protone het 'n positiewe lading en staan bekend as katione. Atome met meer elektrone as protone het 'n negatiewe lading en staan bekend as anione.
Elektrone wentel rondom die kern teen hoë snelhede. Elektrone wentel teen verskillende afstande vanaf die kern. Ons sê die naaste aan die kern kom in een skil (ook 'n orbitaal genoem) voor en dié wat verder weg is weer in 'n ander skil. Daar word aan elke skil/orbitaal 'n nommer toegeken. Die een naaste aan die kern is skil 1, die volgende skil vanaf die kern word skil 2 genoem, ensovoorts. Die kern is meer as 100 000 keer kleiner as die atoom – die grootte van die atoom word dus bepaal deur die grootte van die buitenste elektronskil. Indien 'n atoom vergroot sou word tot die grootte van Johannesburg se lughawe, sou die kern in die middel kleiner as 'n gholfballetjie wees!
Elemente en isotope[wysig | wysig bron]
Atome word gewoonlik geklassifiseer volgens hul atoomgetalle, wat ooreenstem met die aantal protone in die atoom (in neutrale atome, is dit dieselfde as die aantal elektrone). Die atoomgetal bepaal die familie of element waaraan die atoom behoort. Koolstofatome is byvoorbeeld die enigste atome wat 6 protone bevat. Al die atome met dieselfde atoomgetal deel 'n wye verskeidenheid fisiese eienskappe en toon dieselfde chemiese gedrag. Die verskillende tipes atome word in die periodieke tabel aangedui. Die massagetal of nukleongetal is die totale protone en neutrone wat in die atoom voorkom. Die aantal neutrone het geen invloed op die elementklassifikasie van 'n atoom nie. Daar kan dus in een "atoomfamilie" of element verskeie atoomtipes wees wat dieselfde atoomgetal het, maar met verskillende massagetalle. Hierdie verskillende atoomtipes word dan isotope van mekaar genoem.
Om 'n isotoop van ander isotope in sy elementfamilie te onderskei skryf 'n mens net die naam van die element en sy massagetal neer, bv. koolstof-14 (wat bestaan uit 6 protone en 8 neutrone in elke atoom).
Die eenvoudigste atoom is die waterstofatoom, met 'n atoomgetal van 1 en wat bestaan uit een proton en een elektron. Die waterstofisotope wat 1 addisionele neutron bevat word deuterium genoem; die waterstofisotoop met 2 addisionele neutrone word tritium genoem. Die isotope was 'n onderwerp wat baie belangstelling in wetenskap ontlok het, veral in die vroeë ontwikkeling van kwantumteorie.
Uitstraling van alfadeeltjies[wysig | wysig bron]
Sommige radioaktiewe elemente gee alfadeeltjies af. Soos vroeër aangetoon, is alfadeeltjies heliumatome waarvan twee elektrone verwyder is. Die heliumkern bestaan uit twee protone en twee neutrone en as 'n element 'n alfadeeltjie uitwerp (so 'n element word 'n alfastraler genoem), sal daardie atoom se massagetal met 4 verminder (onthou 'n alfa bestaan uit 4 nukleone). Terselfdertyd sal die atoomgetal (die aantal protone van die alfa) met twee verminder. So kan op natuurlike wyse nuwe elemente gevorm word.
Uitstraling van betadeeltjies[wysig | wysig bron]
Soos reeds gesê, is betadeeltjies elektrone. Hoe 'n elektron, wat nie deel van die kern is nie, uitgewerp kan word, is nog nie heeltemal duidelik nie. Hier is dit asof 'n neutron verval tot 'n proton en in die proses 'n elektron uitwerp. Die nuwe element wat gevorm word, se atoomgetal is een meer, terwyl die massagetal onveranderd bly.
In 1931 het Wolfgang Pauli die bestaan van die neutrino ('n klein deeltjie sonder enige lading) veronderstel. Hierna het wetenskaplikes probeer om bekende deeltjies te beskryf met behulp van die kwantummeganika en relatiwiteitsteorie in die vorm van wiskundige teorieë. Met dieselfde teorieë het hulle ook probeer om ander fundamentele deeltjies te voorspel. In 1934 het Enrico Fermi Pauli se teorie verder ontwikkel en dit was hy wat die neutrino (klein neutron) sy naam gegee het. In 1934 het Hideki Joekawa sy veldteorie gepubliseer.
Joekawa het probeer om met sy teorie te verklaar waarom 'n proton en 'n neutron in 'n kern so sterk aan mekaar gebind is. Omdat die invloed van swaartekrag op sulke klein deeltjies veels te swak is om sulke kragte tot gevolg te hê en omdat elektromagnetiese krag nie ter sprake is nie (die neutron is elektries neutraal). moes na 'n ander oorsaak vir hierdie krag gesoek word. Joekawa het die bestaan van 'n nuwe deeltjie voorspel wat vir hierdie krag verantwoordelik is.
Dit word die meson genoem en Joekawa het bereken dat die massa hiervan ongeveer 280 maal die van die elektron is. Die massa val dus tussen die van die elektron en proton. Hierdie deeltjie is eers in 1946 deur Cecil Frank Powell ontdek. Powell se deeltjie word die pimeson genoem. Die rede hiervoor is dat Neddermyer en Anderson al in 1932 'n soortgelyke deeltjie, die munieson ontdek het. Aanvanklik is gemeen dat dit Joekawa se deeltjie was, maar later is gevind dat die massa daarvan ongeveer 207 keer die van die elektron is.
Vir hulle werk het Joekawa in 1949 die Nobelprys ontvang en Powell in 1950. Die Amerikaner Eugene Gardner het in 1948 vir die eerste keer mesone in die laboratorium geproduseer. Dit was nog nie die einde van nuwe fundamentele deeltjies nie. Veel meer is al ontdek, maar die eienaardigste van almal, met die ewe eienaardige naam "kwark", se bestaan is al voorspel. Kwarke is veronderstel om onderverdelings van 'n proton te wees. Navorsing op die gebied duur voort en deesdae word kragtige versnellers ingespan om hierdie vreemde deeltjies te "jag". Baie inligting is al ingesamel, maar baie daarvan kan nog nie geïnterpreteer word nie.
Buitenste orbitale en verbinding[wysig | wysig bron]
Die chemiese gedrag van atome is hoofsaaklik te danke aan die interaksie tussen hulle elektrone. Veral die elektrone in die buitenste skil/orbitaal, wat die valenselektrone genoem word, het die grootste invloed op chemiese gedrag. Kernelektrone (dié wat nie in die buitenste skil voorkom nie) speel wel 'n sekondêre rol, hoofsaaklik vanweë die afskermingseffek van die positiewe lading in die atoomkern.
Elke orbitaal rondom die kern kan 'n beperkte aantal elektrone huisves:
Orbitaal 1: - 2 elektrone
Orbitaal 2: - 8 elektrone
Orbitaal 3: - 8 of 18 elektrone (afhangende van watter element)
Elke atoom wat 'n vol (of leë) buitenste orbitaal het, is meer stabiel. Atome bereik die stabiliteit deur elektrone te deel met naburige elektrone of deur elektrone van ander atome geheel en al te verwyder. Wanneer elektrone gedeel word, word 'n kovalente verbinding gevorm.
Kovalente verbindings is die sterkste atomiese verbinding. Sodoende bly atome saam in groepe wat molekules genoem word. Die elektrone in die buitenste orbitale wentel dan om al die atome, wat elke individuele atoom dan laat met 'n vol (dus stabiele) buitenste orbitaal.
Ander, soos chloor, het net een meer elektron nodig om die buitenste orbitaal vol te maak. As natriumatome dus kontak maak met chlooratome, sal die natriumatome hulle buitenste elektrone afgee aan die chlooratome. Die natriumatome sal dus 'n positiewe lading verkry en die chlooratome sal 'n negatiewe lading verkry. Die ioon wat die elektron gesteel het word die anioon genoem en is negatief gelaai. Die atoom wat sy elektron verloor het word 'n katioon genoem en is positief gelaai. Katione en anione word na mekaar aangetrek as gevolg van die coulombiese kragte tussen die positiewe en negatiewe ladings. Die aantrekkingskrag word elektrovalente of ioniese verbinding genoem en is swakker as kovalente verbindings.
Protone: Die positief-gelaaide deeltjies in 'n atoom. Dit kom in die middel van die atoom voor, in die atoomkern of atoomnukleus. Die aantal protone in die kern bepaal die chemiese eienskappe van 'n atoom asook watter chemiese element dit is: bv. waterstof het 1 proton, koolstof het 6 protone, suurstof het 8, yster het 26 en goud het 79 (kyk Periodieke tabel)
Ioon: 'n Atoom met 'n lading (verskillende hoeveelheid protone as neutrone). 'n Atoom met 'n negatiewe lading (het 'n elektron te veel), word 'n anioon genoem (omdat dit tot anodes aangetrokke is). 'n Atoom met 'n positiewe lading (het 'n elektron verloor), word 'n katioon genoem (omdat dit tot anodes aangetrokke is).
Neutrone: Is saam met die protone in die middel van die atoom. Neutrone het nie 'n positiewe of negatiewe lading nie en hulle doel is om te verseker dat die positiefgelaaide protone mekaar nie wegstoot nie en daarom in die middel van die atoom bly. Gewoonlik is daar ongeveer dieselfde hoeveelheid protone as neutrone. Waterstof (H), met atoomgetal een (het slegs een proton), bevat gewoonlik nie neutrone nie. Dit is omdat daar nie verskillende protone is wat mekaar kan afstoot nie.
Isotoop: Isotope is atome van dieselfde atoomgetal (aantal protone), maar met verskillende aantal neutrone. Bv koolstof, met 6 protone, kan 6, 7 of 8 neutrone bevat. Die isotoop word aangedui met 'n boskrif, bv die koolstofisotoop wat die mees algemeenste voorkom is koolstof-12. Dit bevat 12 nukleune (6 protone + 6 neutrone) en word aangedui deur 12C. Indien koolstof 7 neutrone bevat, word dit 13C aangedui. Die aantal protone word soms aangedui as 'n voetskrif. Die volgende is voorbeelde: