Bohri aatomiehituse mudel

  • Mis on aatomiehituse mudelid ja milleks neid vaja on?
  • Millised olid esimesed aatomiehituse mudelid (enne Bohri mudelit)?
  • Millised on Bohri aatomiehituse mudeli põhiseisukohad?
Peatüki taustapilt: aatomimudelid.
Seotud sisu
Muud tegevused

Aatomiehituse käsitluse ajaloost

Kujutlus ainete jagamatutest koostisosakestest – aatomitest (atomos, kr k – „jagamatu“) – pärineb Vana-Kreekast, eelkõige filosoof Demokritoselt (V–IV saj eKr). Demokritose järgi on aatomid muutumatud ja jagamatud osakesed, mis võivad olla erineva kuju või suurusega. Ka mitmed teised Vana-Kreeka filosoofid, sh Aristoteles, oletasid, et materiaalne maailm pole pidev, vaid koosneb väikestest osakestest. Samas ei toetanud nad mõningaid Demokritose seisukohti, nt aatomite täielikku muutumatust.

19. saj algul esitas inglise teadlane John Dalton katseandmetel põhineva käsitluse aatomitest kui keemiliste elementide väiksei­matest jagamatutest osakestest. Iga elemendi aatomitel on iseloomulik suurus ja mass. Väikseimate aatomitega element on vesinik, seepärast valis Dalton vesiniku aatomi tingliku massi aatommassiühikuks.

Dalton avastas ühtlasi, et eri elementide aatomid saavad omavahel ühineda, moodustades nn liitaatomeid (s.t molekule).

John Dalton (1766–1844).
Daltoni pakutud elementide sümboleid: vesinik, lämmastik, süsinik, hapnik, fosfor, väävel, raud.
Seotud sisu
Muud tegevused

Milleks on vaja aatomiehituse tundmist

Keemial on teaduse ja õppeainena üks oluline eelis: tal on üle­vaatlik süsteem – keemiliste elementide perioodilisus­süsteem –, mis võtab kokku suure osa keemia teoreetilistest alustest. Keemiliste elementide perioodilisussüsteemi sisuline väärtus seisneb selles, et elementide asukoht perioodilisustabelis on otseselt seotud nende aatomiehitusega: elektronkihtide ja väliskihi elektronide arvuga jne. Kui tunneme aatomiehituse põhialuseid, siis oskame lugeda ka perioodilisustabelisse peidetud infot keemiliste elementide ja nende ühendite omaduste kohta.

Seotud sisu
Muud tegevused

Aatomiehituse põhialused

Meenutame aatomiehituse kohta varem õpitut. Aatomid on üliväikesed aineosakesed (nt vesiniku aatomi läbimõõt on umbes 10–8 cm ehk 0,1 nm). Aineosakesena on aatom neutraalne, kuid enamik aatomeid saab elektrone loovutada ja mingi osa neist saab ka elektrone siduda, omandades vastava laengu.

Aatomi keskel asub ülisuure tihedusega ja aatomist umbes 100 000 korda väiksem aatomituum. Tuuma mass moodustab põhiosa (vähemalt 99,6%) kogu aatomi massist. Aatomituuma ümbritsev elektronkate on seega väga hõre.

​Juuksekarv skaneeriva elektronmikroskoobi all (2000 korda suurendatud kujutis). Silmaga vaadates tundub juuksekarv üsna peenike (pildil oleva juuksekarva läbimõõt umbes 120 μm), kuid ometi on selle läbimõõt 1 200 000 korda suurem kui vesiniku aatomi oma.
Märkus: osakeste laeng on esitatud elementaarlaenguühikutes, mass aatommassiühikutes.

 

Aatommass – aatomi mass aatommassiühikutes (amü).
​

Massiarv on tuumaosakeste arv aatomis.

Massiarv on võrdne aatomi massiga amü-des, mis on ümardatud täisarvuni.

a. Aatomi tuumalaeng Z võrdub

  • massiarvuga,
  • tuumaosakeste arvuga,
  • prootonite arvuga,
  • neutronite arvuga.

b. Aatomi massiarv A võrdub

  • elektronide arvuga,
  • tuumaosakeste arvuga,
  • prootonite arvuga,
  • neutronite arvuga.

c. Elektronide arv neutraalses aatomis võrdub

  • massiarvuga,
  • tuumaosakeste arvuga,
  • prootonite arvuga,
  • neutronite arvuga.

Keemiline element – kindla tuumalaenguga aatomite liik.

 

 

Tuuma­laeng Z

Massi­arv A

Neutro­nite arv

Elekt­ronide arv

16

32

26

56

33

42

 

Mis on isotoobid

Isotoobid on sama keemilise elemendi teisendid, millel on erinev neutronite arv (ja seega ka erinev massiarv).

Nimetus isotoop (kr k, „sama koht“) viitab sellele, et sama elemendi isotoobid asuvad perioodilisustabelis samas lahtris. Isotoobi tähistamisel märgitakse elemendi sümboli (E) ette väikeste numbritega tema tuumalaeng Z (allapoole) ja massiarv A (ülespoole): EZA.

Vesiniku isotoobid

tavaline vesinik (prootium):
​H11 ehk H
​(Z = 1, A = 1);

raske vesinik (deuteerium):
​H12 ehk D
​(Z = 1, A = 2);

üliraske vesinik (triitium):
​H13 ehk T
​(Z = 1, A = 3).

Enamik keemilisi elemente esineb looduses mitme isotoobi seguna. Näiteks looduslik kloor koosneb kahest isotoobist: Cl1735 ja Cl1737. Umbes 75% protsenti moodustab sellest isotoop Cl1737 ja 25% isotoop Cl1735. Loodusliku kloori keskmine aatommass on seetõttu murdarvuline (võrdub ∼35,5).

Seotud sisu
Muud tegevused

Aatomiehituse mudelid

Sageli mõistetakse mudeli all mingi keeruka objekti mõnevõrra lihtsustatud ja enamasti ka vähendatud koopiat. Näiteks on gloobus maakera mudel, mänguauto päris auto mudel jne.

Tegelikult on mudel palju laiem mõiste. Mudel peab kajastama vastava objekti mingeid omadusi või seoseid, kuid ei pea sellega kujult tingimata sarnanema. Alati ei tarvitsegi mudel esineda füüsilise keha kujul. Ta võib olla esitatud ka joonisena, skeemina, matemaatiliselt väljendatud teoreetilise arusaamana jne. Seetõttu saab üht ja sama objekti kirjeldada väga mitmesuguste mudelite abil.

Niels Bohr (1855–1962).

Tänapäeva ülivõimsad teravikmikroskoobid võimaldavad saada küll aatomite kujutisi, kuid aatomite sisemist ehitust nad ei peegelda. Aatomiehitusest annavad ettekujutuse vaid kaudsete uuringute põhjal tehtud järeldused ja nende alusel loodud aatomiehituse mudelid.

Varasemates füüsika- ja keemiakursustes tutvusime aatomiehituse Bohri mudeliga. Selle mudeli töötas välja taani füüsik Niels Bohr 1913. a, toetudes inglise teadlase sir Ernest Rutherfordi 1911. a esitatud nn planetaarsele aatomimudelile. Bohri mudel on küllaltki lihtne ja ülevaatlik, kuid keerukamate probleemide lahendamisel tuleb siiski lähtuda tänapäevasest ehk kvantmehaanilisest aatomimudelist. Elektronide liikumine aatomis on tegelikult palju keerulisem, kui on arvestatud Bohri mudelis.

 

Bohri mudeli põhiseisukohad

Positiivse laenguga aatomituum hoiab koos negatiivse laenguga elektrone, mis moodustavad elektronkatte tuuma ümber. Elektronid tiirlevad ümber aatomituuma ringikujulistel, kindla raadiusega orbiitidel. Iga järgmise elektronkihi elektronide seos tuumaga on nõrgem, nad on kõrgema energiaga ja tiirlevad suurema raadiusega orbiidil.

Elektronkihid täituvad elektronidega energia kasvu järjekorras: kõigepealt tuumale kõige lähem, kõige madalama energiaga elektronkiht, siis järgmine jne. Igasse elektronkihti mahub kindel arv elektrone.

Bohri mudeli järgi tiirlevad elektronid ringikujulistel orbiitidel ümber aatomi tuuma.

Elektronkihid:
​1. kiht – kuni 2 elektroni,
​2. kiht – kuni 8 elektroni,
3. kiht​ – kuni 18 elektroni,
​4. kiht – kuni 32 elektroni jne.

Väliskiht on tuumast kõige kaugem elektronkiht, milles asub elektrone. Olenemata sellest, mitmes elektronkiht on antud aatomi korral väliskihiks, saab väliskiht mahutada vaid kuni 8 elektroni (välja arvatud 1. kiht, kuhu mahub ainult 2 elektroni).

  1. Elemendi aatomis on 7 elektroni. Mitu elektroni on selle aatomi väliskihis?
    Aatomi väliskihis on  elektroni.
  2. Elemendi aatomis on 14 elektroni. Mitu elektronkihti ja mitu väliskihi elektroni on selles aatomis?
    Elektronkihte on  ja väliskihis on  elektroni.
  3. Elemendi aatomi kolmandas elektronkihis on 6 elektroni. Mitu elektroni on selles aatomis?
    Aatomis on  elektroni.

Ne: +10 |))))

Si: + |))))

Ca: + | ) ) ))

P: + | ))))

Na: + | ) ) ))

Br: + |))))

Seotud sisu
Muud tegevused

Lisalugemist. Aatomiehituse mudelite ajaloost

Aatomiehituse mudelid: a) Daltoni mudel (jagamatu aatom), b) Thomsoni nn pudingimudel (elektronid positiivse laenguga ainemassis),​ c) Rutherfordi planetaarne mudel (elektronid tiirlevad ümber aatomituuma), d) Bohri mudel (elektronid tiirlevad tuumast kindlal kaugusel asuvate orbiitidel), e) tänapäevane ehk kvantmehaaniline aatomimudel.

Inglise füüsik J. J. Thomson avastas 1897. aastal, et aatomitest saavad teatud tingimustes eralduda üliväikesed negatiivse laenguga osakesed – elektronid. Sellest tegi ta järelduse, et aatomid polegi jagamatud. Ta oletas, et aatom koosneb positiivse laenguga ainemassist, mis sisaldab vastava arvu negatiivse laenguga elektrone (nagu jõulupuding sisaldab ploome), nii et aatom tervikuna on neutraalne.

Inglise füüsik E. Rutherford tegi 1911. aastal katseliselt kindlaks, et aatom on seest põhiliselt „tühi“, sest aatomi põhimass on koondunud üliväiksesse positiivse laenguga tuuma. Selle põhjal esitas ta aatomiehituse nn planetaarse mudeli: aatomis tiirlevad elektronid ümber tuuma, nagu planeedid ümber Päikese.

Kuna planetaarne mudel oli vastuolus mõningate katseandmetega, vajas see täiustamist. Taani füüsik Niels Bohr koostas 1913. aastal arvutustulemustele tugineva mudeli, mis eeldas, et elektronid saavad aatomis tiirelda vaid tuumast kindlal kaugusel asuvatel ringikujulistel orbiitidel. Bohri mudeli usaldusväärsust kinnitas vesiniku aatomi kohta saadud arvutustulemuste väga hea kooskõla katsetulemustega.

Tänapäevase ehk kvantmehaanilise aatomimudeli järgi polegi võimalik leida elektroni kindlat liikumisteed aatomis. Elektroni liikumist aatomis saab iseloomustada vaid tema leidumise tõenäosusega vaadeldavas ruumiosas.

Seotud sisu
Muud tegevused

Küsimused

  1. Miks on keemia õppimisel vaja tunda aatomiehitust?
  2. Millest koosneb aatom?
  3. Milline on seos elemendi tuumalaengu, prootonite arvu ja elektronide arvu vahel (neutraalses aatomis)?
  4. Mis on massiarv? Mille poolest see erineb aatommassist?
  5. Mis on keemiline element?
  6. Mis on isotoobid? Kuidas neid tähistatakse?
  7. Miks kasutatakse aatomite omaduste käsitlemisel aatomiehituse mudeleid?
  8. Kuidas liiguvad elektronid aatomis Bohri mudeli järgi?
  9. Millises järjekorras täituvad aatomi elektronkihid elektronidega? Miks?
  10. Mitu elektroni asub esimeses kolmes elektronkihis (kihtide kaupa)?
  11. Mitu elektroni asub aatomi väliskihis (kui see pole esimene elektronkiht)?
Seotud sisu
Muud tegevused