כימיה לבגרות/מבנה האטום

הקדמה

האטום הוא החלקיק שנחשב כקטן בגרעין ובתוכו מוכלים האלקטרונים, הנויטרונים והפרוטונים

גרעין האטום

גרעין האטום מכיל פרוטונים וניוטרונים.

הניוטרונים (מסומנים באות $\ N$) הם חלקיקים מעט כבדים יותר מהפרוטונים אך אינם נושאים מטען חשמלי, כלומר, הם נייטרליים (ועל כן שמם) ואינם מושפעים ממטענים חשמליים או שדות מגנטיים. הניוטרונים אינם יציבים מחוץ לאטום ומתפרקים לחלקיקים פשוטים יותר (פרוטון, אלקטרון וחלקיק נוסף שנקרא ניוטרינו), אולם, הם תורמים ליציבות הגרעין.

הפרוטונים (מסומנים באות $\ P^{+}$) הם חלקיקים בעלי מטען חיובי, המטען זהה בגודלו לזה של האלקטרון, אך, הפוך בסימנו (חיובי במקום שלילי). כמות הפרוטונים היא זו הקובעת את תוכנות האטום, ונעסוק בה בהמשך בפרק "יסודות".

אלקטרונים

סביב הגרעין (החלק החיצוני של האטום) יש "ענן אלקטרונים" ($\ e^{-}$) הנושאים את המטען השלילי של האטום. האלקטרון הוא חלקיק דינאמי ביחס לגרעין ולכן, הוא המאפשר את רוב הקשרים והתגובות בין אטום אחד לאחר.

אי-הוודאות של הייזנברג- עקרון בסיסי בפיסיקה קוונטית. על פי העקרון, קיימות תכונות לחומר : מסה, אנרגיה, תנע (תנועה), מיקום ועוד. התכונות ניתנות למדידה בנפרד, אולם, כאשר מנסים למדוד את שתי תכונות בו בזמן, מגלים כי פעמים רבות אי אפשר למדוד במדוייק את ערכן. למשל, התכונות מיקום ותנע. בשל עקרון זה, לא נוכל להתייחס למיקומו המדוייק של האלקטרון, אלא על ההסתברות שלו להמצא במקום מסויים. עקרון זה הוא עקרון חשוב מאוד בכימיה. עיקר ההבנה היא ברמה יותר מתקדמת שלא נתעסק בה כרגע ומובעת במונח "אורביטל" שניגע בו בהמשך, לעת עתה נתייחס לאלקטרון כאילו הוא מרחף בכל ה"ענן" שלו, ולא נמצא בנקודה מסויימת, ובכך תורם לפעילות האטום.

מטענים

מטענים חיוביים ושליליים נמשכים בטבע, ואילו מטענים חיוביים דוחים אחד את השני ולהפך. לכן, האלקטרונים נמשכים לגרעין האטום שמטענו חיובי (בגלל הפרוטונים).
קוטר הגרעין הוא קטן מאוד ביחס לגודל האטום כולו. למעשה, הגרעין כל-כך קטן, עד אשר נוכל להמשילו לגודל של נמלה בתוך מגרש של כדורגל (את גודל האטום אנו מחשבים על פי הנפח שבו האלקטרונים נעים). הפרוטונים מרוכזים במקום קטן מאוד ולכן, יש כוחות דחייה בניהם. אותם כוחות מאוזנים על ידי כוחות חזקים עוד יותר, אך שאינם משפיעים על תגובות כימיות ולכן לא נדון בהם. (כל התחום של כוחות תוך גרעינים נמצא בתחום המחקר של הפיזיקה הגרעינית).

• אטום נושא מטען נטרלי - כמות שווה של פרוטונים ואלקטרונים. מכיוון שהמטען החשמלי של פרוטון ואלקטרון הוא זהה אבל הפוך נאמר שאטום כזה הוא "נייטרלי", כלומר בסך הכל אין לאטום מטען חשמלי.
• אטום נושא מטען חיובי- כמות הפרוטונים עולה על כמות האלקטרונים.
• אטום נושא מטען שלילי - כמות האלקטרונים עולה על כמות הפרוטונים.

הערה: בכימיה אנחנו לא מתייחסים לגודל הפיזיקלי של המטען אלא, מתייחסים לכמות האלקטרונים הקיימים. כאשר אנו אומרים שהאטום חיובי אנו למעשה אומרים שחסרים אלקטרונים ולהפך.

תאוריות

• במאה ה-5 לפנה"ס דמוקריטוס הניח הנחה כי כל חומר מורכב מחלקיקים קטנים שלא נתנים לחלוקה, הוא קרא להם אטומים (א (לא ניתן) טומי (חתך)).
• התגלה כי האטום מורכב מחלקיקים קטנים יותר.
• "מודל עוגת הצימוקים" - בא לענות על השאלה "כיצד מורכבים החלקיקים באטום?". על פי המודל החלקיקים הכבדים (הפרוטונים והנויטרונים) בכל אטום, נמצאים במרכז האטום ועליהם צמודים האלקטרונים.
• מאוחר יותר התגלה כי האטום מורכב מחלקיקים קטנים יותר: גרעין שבו פרוטונים ונייטרונים, וסביבו ענן של אלקטרונים. הפרוטונים והנייטרונים עצמם מורכבים מחלקיקים נוספים.