Otsime seletusi
Kuidas siiani maailma „ehituskivideks“ peetavate aatomite esialgsetest kujutlustest kui üliväikestest jagamatutest osakestest on jõutud praeguste aatomi mudeliteni, mis kujutavad aatomit kui väga keerulist ja veelgi väiksematest osakestest koosnevaid moodustisi?
Aatomi koostisosad ja nende omadused
Juba iidsetest aegadest peale on aatomeid peetud maailma „ehituskivideks“. Kui Vana-Kreeka filosoofide, nagu Demokritos, arvates olid aatomid erineva suuruse ja kujuga väga väikesed jagamatud osakesed, siis tänapäeval teatakse aatomist palju-palju enam. Kõigepealt pole aatomid jagamatud, vaid koosnevad veelgi väiksematest osakestest – elektronidest, prootonitest ja neutronitest.
Kolm põhiosakest
Kui kaks viimast moodustavad aatomi keskme aatomituuma, siis elektronid ümbritsevad aatomituuma, moodustades selle ümber argitähenduses üsna kummalise elektronkatte. Et aatom ei ole jagamatu, vaid liitosake, tehti kindlaks juba 19. sajandi teisel poolel. Esmalt leiti, et aatomid sisaldavad negatiivselt laetud osakesi, mida hakati nimetama elektronideks. Viimase omadusteni jõudsid teadlased tunduvalt hiljem, määrates nii elektroni laengu kui ka massi arvulise väärtuse. 19.–20. sajandi vahetusel sai selgeks, et aatom sisaldab ka positiivselt laetud osakesi, mida nimetati prootoniteks.
Positiivsed osakesed paiknevad aga aatomi keskel väga väikeses ruumiosas, mis on ligemale 100 000 korda väiksem aatomi enda mõõtmetest. Seda aatomi keskset osa hakati nimetama aatomituumaks. Ent see polnud veel kõik. Kui 1932. aastal avastas inglise füüsik James Chadwick veel ühe aatomituuma osakese – neutroni, olid aatomi põhilised koostisosad avastatud ning nendest hakati „konstrueerima“ aatomi tänapäevast „portreed“.
Põhiosakeste massid
Kui võrrelda aatomi koostisosade masse selliste argiühikute nagu grammide ja kilogrammidega, saame kaduvväikesed suurused, mida keegi kaaluma ei hakka. Esmase ettekujutuse saamiseks võib vaid mainida, et prooton ja neutron on enam-vähem ühesuguse massiga ja ligemale 1836 korda elektronist raskemad.
Põhiosakeste laengud
Elektroni laeng on füüsikas võetud laenguühikuks ja selle tõttu nimetatakse elektroni laengut negatiivseks elementaarlaenguks. Sama suur laeng, aga märgilt vastupidine, s.o positiivne, on prootonil. Seevastu neutronil laeng puudub – neutron on elektriliselt laenguta aatomi koostisosa. Hiljem, eeskätt füüsikakursuste raames, saad teada, et ka prooton ja neutron ei ole veel kaugeltki kõige väiksemad aatomi koostisosad, ent keemiliste nähtuste seletamiseks ning nendest arusaamiseks piisab eespool toodud andmetest.
Tabelis 4 on toodud elektroni, prootoni ja neutroni omadused, mida keemias kõige rohkem tarvis läheb. Aatomi massi ja suhtelise aatommassi väärtustega tutvume lähemalt veidi hiljem.
Tabel 4. Aatomi koostisosade omadusi
Osake | Raadius (m) | Mass (kg) | Laeng (elü)* |
Aatom | ~ 10–10 | 10–27...10–25 | 0 |
Aatomituum | ~ 10–14 | 10–27...10–25 | + (1, ..., n) |
Prooton | ~ 10–15 | 1,673 · 10–27 | 1 |
Neutron | ~ 10–15 | 1,673 · 10–27 | 0 |
Elektron | < 10–18 | 9,106 · 10–31 | –1 |
* Elementaarlaenguühik (elü) võrdub absoluutväärtuselt elektroni laenguga.
Jätame meelde!
- Aatomid on üliväikesed aineosakesed, millest koosnevad (tekivad) elusa ja eluta looduse ained.
- Keemilistes reaktsioonides aatomid ei teki, hävi ega muundu teisteks aatomiteks.
Nanomõõde ja aatomi ehitus
Meid ümbritsevatest esemetest, putukatest ja isegi viirustest on aatomid palju väiksemad. Ühest keskmist kasvu Eesti mehest on aatom ligemale miljard korda väiksem. Kui meil õnnestuks ette kujutada tolmuosakestest 100 miljonit korda väiksemat osakest, jõuaksime mõttes aatomite maailma (vt alljärgnevat joonist).
See on suuruste vahe, mida on raske endale ette kujutada. Kui üks sentimeeter on meetrist sada korda väiksem ja millimeeter meetrist tuhat korda väiksem, siis suurust, mis on meetrist miljard korda väiksem nimetatakse nanomeetriks ja tähistatakse nm.
1 nm = 10–9 m ehk miljard korda meetrist väiksem
Huvitav teada!
Ega tänapäeva teadlased nimeta asjatult aatomeid maailma ehituskivideks. Nendest ei ole üles ehitatud üksnes meid ümbritsev loodus, vaid ka inimesed on leidnud viisid ja meetodid, kuidas aatomitest või nende väikestest hulkadest valmistada arvukalt tänapäeval vajalikke esemeid, aparatuuriosi ja materjale. Õpetust vajalike esemete (materjalide) valmistamisest nimetatakse tehnoloogiaks. Kui aga lähtume aatomitest või nende suhteliselt väikesest hulgast, siis nimetatakse seda õpetust nanotehnoloogiaks.
Mõndadele puulehtedele või puuviljadele kogunevad veetilgakesed. Tänapäeval seletatakse seda nanotehnoloogiliste lahendustena, mida loodus ise loob. Füüsikud nimetavad seda puulehti katvat tihedat aatomite kihti lootose efektiks. Analoogia põhjal saab luua ka materjale, mis ei märgu. Teaduslikku terminoloogiat kasutades nimetatakse neid hüdrofoobseteks materjalideks (kreeka keelest: vett põlgavad või tõrjuvad materjalid). Neile vastandiks on hüdrofiilsed materjalid, mis märguvad ja isegi lahustuvad vees. Nanotehnoloogiliselt on võimalik valmistada ka mittemärguvaid riidekangaid.
Tuumalaeng
Kõrvuti aatomi mõõtmete ja massiga tuleb aatomi kõige tähtsamaks omaduseks pidada prootonite arvu aatomituumas. Teatavasti koosneb aatomituum positiivselt laetud prootonitest ja laenguta neutronitest. Et ühe prootoni laeng elementaarlaenguühikutes on +1, siis määrab prootonite summaarne arv tuumas selle kogulaengu ehk tuumalaengu.
Vesiniku aatomi tuumas on üks prooton, seega on vesiniku tuumalaeng +1. Suurima laenguga tuum, mis nüüdseks on tuvastatud, sisaldab 118 prootonit (tuumalaeng +118). Sellel avastusel on küll ainult teaduslik tähtsus, sest sellise tuuma eluiga ulatub kõigest miljondikesse sekunditesse. See, milline hulk prootoneid on looduse poolt tuuma pakitud, määrab kindlaks aatomi liigi.
Kui mõõteaparaadid registreerivad kas Maal või universumis aatomi, mille tuumas on üks prooton, on see alati vesiniku aatom, kui 8 prootonit, siis hapniku aatom, ja kui 26 prootonit, siis raua aatom. Tuumalaeng on seega aatomi tähtsaim omadus. Et aatom tervikuna on elektriliselt neutraalne, võrdub prootonite arv aatomituumas elektronide arvuga elektronkattes.
Prootonite arv aatomituumas määrab tuumalaengu ja võrdub elektronide arvuga elektronkattes.
Aatomi mudel  | Aatomituum prootoneid neutroneid |
Elektrone | |
Prootonite ja elektronide arvvõrdne. |
Aatomi mudel  | Aatomituum prootoneid neutroneid |
Elektrone | |
Prootonite ja elektronide arvvõrdne. |
Aatomi mudel  | Aatomituum prootoneid neutroneid |
Elektrone | |
Prootonite ja elektronide arvvõrdne. |
Elektronkate
Elektronkatte ehitus aatomis on üsna keeruline, sest üksikute elektronide täpsest asukohast aatomis pole mõtet rääkida. Me võime fikseerida ainult ruumipiirkonnad ümber aatomituuma, kus 90–95% juhtudest võib elektron viibida, ent täpsemalt me elektroni asukohta määrata ei saa. Kõige lihtsamatel juhtudel kujutavad need ruumipiirkonnad endast sfääre ümber aatomituuma, kus elektron kõige sagedamini esineb.
Et elektronid paiknevad aatomituumast eri kaugusel ja neil on erinev energia, siis lihtsustatult võiksime aatomi elektronkatet ette kujutada kihilise ehitusena. Kui sinul on rohkem energiat, jõuad joosta pikema maa. Elektron, millel on rohkem energiat, saab liikuda tuumast kaugemale. Hea näitlik aatomi kihilise ehituse mudel on vene rahvussuveniir Matrjoška. Selle keskel oleva väikese nukukese ümber olevate suuremate nukkude valmistamiseks on kulutatud rohkem materjali ja energiat.
Elektron on üksaatomi koostises olevast osakesest. Aatomis olevad elektronid onenergiaga. Aatomis jagunevad elektronidjärgi.
Elektronkihid
Elektronkate koosneb elektronkihtidest. Elektronkihtide täitumises valitseb kindel seaduspära. Igale kihile mahub kindel arv elektrone.
Elektronide suurim arv kihil leitakse valemiga 2n2, kus n on kihi number alates tuumast.
Esimene elektronkiht: | n = 1 | 2n2 = 2 · 12 = 2 elektroni |
Teine elektronkiht: | n = 2 | 2n2 = 2 · 22 = 8 elektroni |
Kolmas elektronkiht: | n = 3 | 2n2 = 2 · 32 = 18 elektroni |
Neljas elektronkiht: | n = 4 | 2n2 = 2 · 42 = 32 elektroni |
Nii nagu vesi voolab kõrgemalt madalamale, täituvad elektronidega kõigepealt madalamad energiatasemed ehk tuumale lähimad kihid. Seejärel hõivavad elektronid tuumast üha kaugemaid kihte. Väliskiht ja eelviimane kiht on tihtipeale pooltühjad, s.t neis on vähem elektrone kui maksimaalselt võimalik. Elektronide arvu väliskihil ei saa määrata valemi 2n2 järgi, selleks on teised reeglid. Väliskihil ei saa aga kunagi olla rohkem kui 8 elektroni.
Lihtsamate aatomite mudeleid
Nagu eespool mainitud, ei ole võimalik aatomis määrata täpset elektroni asukohta, vaid räägime ruumipiirkondadest, kus elektron kõige sagedamini esineb. Olukorra lihtsustamiseks joonistatakse õpikutes aatomituuma ümbritsevad elektronid ringjoonele, mis nagu varem mainitud, ei vasta elektronide tegelikule paiknemisele aatomis.
Näited aatomite mudelitest
Vesiniku aatom. Aatomituumas on 1 prooton (tuumalaeng +1). Tuuma ümber liigub 1 elektron (laeng –1) teatud sagedusega sfäärilises ruumiosas. Lihtsustatult võib öelda, et see elektron paikneb esimesel elektronkihil.
Heeliumi aatom. Aatomituumas on 2 prootonit (tuumalaeng +2). Ka heeliumi aatomi teine elektron liigub teatud sagedusega tuuma ümbritsevas sfäärilises ruumiosas. Lihtsustatult võiks öelda, et heeliumi esimesel elektronkihil on 2 elektroni. Rohkem neid sinna ei mahugi.
Liitiumi aatom. Aatomituumas on 3 prootonit (tuumalaeng +3). 3 elektroni on jaotunud kahele elektronkihile: esimesele kihile 2 ning teisele kihile jääb 1 elektron. Ka liitiumi aatomi kolmas elektron paikneb sfäärilises ruumiosas, mis on tuumast kaugemal. Teine kiht aga veel elektronidega täidetud ei ole – sinna mahuks maksimaalselt 8 elektroni.
 Neooni aatom |  Neooni aatomi tänapäevane mudel |
Neooni aatom. Aatomituumas on 10 prootonit (tuumalaeng +10). Kõik need 10 elektroni paiknevad kahel kihil: esimesel 2 ning teisel 8 elektroni. Seejuures ei paikne kõik neooni 8 väliskihi elektroni enam sfäärilistes ruumipiirkondades, vaid nende „koduks“ on 8-kujulised ruumiosad. Mõlemad elektronkihid on neooni puhul elektronidega maksimaalselt täidetud.
Elektronide arvu kihtidel (eriti väliskihil) on oluline teada, sest reaktsiooni käigus toimuvad muutused aatomi elektronkattes.
Keemilistes protsessides osalevad peamiselt väliskihi elektronid. Täielikumatel aatomimudelitel näidatakse ära ka neutronite arv aatomituumas. Heeliumi aatomi tuumas on lisaks kahele prootonile kaks neutronit. Süsiniku aatomi tuuma aga moodustavad 6 prootonit ja 6 neutronit. Elektronid paiknevad tuuma ümber kahel kihil – esimesel 2 elektroni ning teisel 4 elektroni.
Kindlasti märkasid aatomite mudeleid analüüsides, et aatom sisaldab ühepalju prootoneid ja elektrone. Nende osakeste laengud on võrdsed ja vastasmärgilised (prooton +1, elektron –1), seetõttu ongi aatom laenguta aineosake.
Jätame meelde!
- Aatomis on prootoneid ja elektrone ühepalju.
- Neutronite arv tuumas võib varieeruda.
