A kémia alapvetően az anyagok tulajdonságaival, kölcsönhatásával és változásával foglalkozik. Ahhoz, hogy ezeket értelmezni tudjuk, meg kell ismerünk az anyag legkisebb alkotórészeit, a részecskéket.
Ebben a leckében először az elemi részecskéket tanulmányozzuk, majd az atomokat és azok jellemzőit. Két rövid kémiatörténeti részben beszélek a radioaktivitásról, illetve az atommodellekről, majd megtanuljuk a ma használatos kvantummechanikai atommodell szerint felírni az atomok elektronszerkezetét.
Kezdjük a részecskékkel!
A számunkra fontos részecskéket két csoportra oszthatjuk:
Elemi és kémiai részecskékre. Az elemi részecskék a proton, neutron, elektron. Ezek építik fel a kémiai részecskéket: az atomokat, ionokat és molekulákat.
Nézzük az elemi részecskéket először!.
3-at kell ismernetek. A protont, neutront és az elektront.
A protonok és a neutronok alkotják az atom közepén elhelyezkedő atommagot, ezért ezeket nukleonoknak hívjuk, a görög nukleusz, mag szóból. Az elektronok pedig az atommag körüli elektronfelhőben találhatók. Ezenfelül 3 információt kell megjegyeznetek: az elemi részecskék relatív tömegét, relatív töltése és jelét.
Először is mitől lesz egy mennyiség relatív, mint a relatív tömeg és töltés? A relatív annyit jelent, hogy ez egy viszonyszám, azaz nem a valós tömege vagy töltése a részecskének, hanem valamihez hasonlítjuk ezeket a mennyiségeket, van egy referencia. Mi, természettudományokkal foglalkozók, gyakran alkalmazunk ilyen relatív mennyiségeket, mert kényelmes, és jól összehasonlíthatóvá tesz mennyiségeket.
Esetünkben a proton relatív tömegét vesszük egynek. A neutron is közel olyan nehéz mint a proton, ezért neki is 1 a relatív tömege, az elektroné viszont közel kétezrede a proton tömegének. Érdemes megtanulni a pontos számot. 1/1840 lesz az elektron relatív tomege. Észrevehettétek, hogy nem mondtam mértékegységet ezekhez. Ennek oka, hogy a relatív mennyiségeknek sosincs mértékegysége! Persze, ezeknek a részecskéknek van kilogrammban kifejezhető tömege, de ki szeretné kimondani, hogy a proton tömege 1,672*10-27 kg. Elég, ha annyit mondunk, hogy a relatív tömege 1.
A relatív töltés esetén is hasonló a logika. A protoné +1, a neutroné 0, az elektroné pedig a proton töltésével megegyező nagyságú, de ellentétes előjelű, azaz -1.
Jelölések pedig p+, n0 és e-.
Most, hogy ismerjük az elemi részecskéket, építsük fel ezekből az első kémiai részecskéinket, az atomokat.
Az atom meghatározása a következő:
Egy atommagból és elektronfelhőből álló, elektromosan semleges kémiai részecske.
A definíció első része remélem világos, a második felét vizsgáljuk meg egy kicsit! Az atommagban találhatók a protonok és a neutronok. Előbbiek pozitív töltésűek, utóbbiak elektromosan semlegesek. Mivel az elektronok töltésének nagysága megegyezik a protonokéval, ugyanakkor azzal ellentétes, ezért az atom csak úgy lehet semleges, ha pont ugyanannyi elektron van az elektronfelhőben, mint ahány proton található az atommagban.
Az atomot vegyjellel jelöljük, amit a periódusos rendszerből nézhetünk ki, annak bal alsó sarkában tüntetjük fel a rendszámot a bal felső sarokban pedig a tömegszámot.
Nézzük meg, ezek mit jelentenek!
A rendszám:
* az atomban lévő protonok számát adja meg
* helytelen azt mondani, hogy az elektronszámot mutatja! Persze, atomok esetén a kettő megegyezik, akkor nem mindegy?! Nem, hiszen majd látni fogjuk, hogy az elektronok száma változhat, viszont ha a protonok száma megváltozik, akkor már másik elem atomjáról van szó.
A tömegszám pedig a protonok és neutronok számának összege.
Most, hogy ismerjük a rendszámot és tömegszámot, definiáljuk az izotóp fogalmát.
Izotópoknak nevezzük azokat az atomokat, melyeknek rendszáma megegyezik, ugyanakkor tömegszáma különbözik.
Például a hidrogén izotópjai: 1H, 2H, 3H. Ezeknek magjában egyaránt 1-1 proton, ugyanakkor különböző számú neutron található. Az egyes tömegszámúban 0, a kettesben 1, a hármasban pedig 2 neutron van atomonként.
Használtam már a kémiai elemet, mint fogalmat. Ezt most definiálom is:
Az elem azonos protonszámú atomok halmaza. Pontosabb csak annyit mondani, hogy amik benne vannak a periódusos rendszerben, azok az elemek.
Ilyen példál a klór, hidrogén, oxigén, vas, urán. Azért fogjuk gyakran használni az elemet, mint fogalmat, mert a természetben nem egy hanem sok-sok milliárd atomot vizsgálunk a kémiában. Ezek összefoglaló neve az elem.
* egy elemben többféle izotóp is előfordulhat
* a természetben előforduló izotópok aránya az elemre jellemző érték, minden elemnél más és más
* például a hidrogén zömében 1-es tömegszámú izotópokból álló, a kettes tömegszámú izotópok aránya csekély, a hármas pedig csak nyomokban található meg
* a klór esetében a 35-ös és a 37-es a két természetben előforduló izotóp
* jelölésére vegyjelet` használunk,
* Jöns Jakob BERZELIUS (1779-1848) svéd vegyész, a modern kémia egyik megalapozója fejlesztette ki a modern kémiai jelrendszert.
Az atomtömegek és a rendszám összehasonlítása alapján megállapítható, hogy a kisrendsámú_u elemek esetében a neutronok és a protonok száma közel azonos, a nagyobb rendszámú remek esetében viszont egyre több neutron szükséges az atommag stabilizálásához, hiszen a neutonok . A túlságosan nagy neutronszám sem stabilis, ezért megkülönböztetünk stabilis és instabil, vagy más néven radioaktív izotópokat.
Utóbbiak atommagja radioaktív bomlást szenved el. Ez egy olyan spontán magreakció, melyet kisebb részecskék és/vagy elektromágneses sugárzások kibocsátása követ. Ezalatt az radioaktívabb magok kisebb magokra bomlanak, melyek maguk is lehetnek radioaktívak.
Az elektromágneses sugárzás nagyon durvának hangzik, és persze, tényleg nagy kárt tudnak okozni a radioaktivív bomlásból származó elektromágneses sugarak. Ugyanakkor szeretném tisztázni, hogy a látható fény, illetve a rádióhullámok is ez elektromágneses sugárzások közé tartoznak. Ezek viszont kisebb energiájú fotonokból állnak, a radioaktivitásból származó gamma-sugaraknál, így korántsem olyan veszélyesek.
3 radioaktív sugárzást kell ismernetek az emelt szintű érettségire: Az alfa, béta és gamma sugárzást.
Az alfa sugárzás tipikusan nehéz magokra jellemző. Az atommagból 2 protonból és 2 nuetronból álló héliumatommagok lépnek ki, tehát olyan atom keletkezik, melynek rendszáma 2-vel, tömegszáma pedig 4-gyel kisebb. A héliumatommagok kétszeresen pozitív töltésűek, hiszen nem tartalmaznak elektront, ezért a negatív elektróda felé térülnek el az alfa-sugarak. Csak néhány centiméter vastag levegőn tudnak áthatolni. Azt gondolhatnánk ezért, hogy az alfa-sugázás ártalmatlan. Azonban ez korántsincs így. Ha egy alfa-sugárzó bejut a szervezetbe, akkor a vele közvetlenül érintkező szövetekben elképesztő károkat tud okozni.
A béta-sugarzás, pontosabban a negatív béta-sugárzás a második fajta, melyet tárgyalunk. A leggyakoribb radiokatív sugárzás, mely nagy energiájú elektronokból áll. Lényege, hogy egy neutron protonná és elektronná bomlik. A keletkező proton a magban marad, az elektron pedig kierpül a magból. Így a rendszáma eggyel nő, a tömegszám viszont nem változik. Ennek oka, hogy hiába bomlik el egy neutron, ami csökkentené a tömegszámot. A keletkező, magban maradó proton miatt az mégsem csökken. A béta-sugarak – elektronok lévén – a pozitív töltésű elektróda felé hajlanak. Levegőben pár métert haladhat, ugyanakkor néhány milliméter alumuníiumlemez már nem engedi át.
A harmadik sugárzásfajta, a gamma-sugárzás nem lép fel önállóan, csak az alfa- és béta-sugárzás kísérősugárzásaként. Nagy energiájű elektromágneses sugárzásról van szó, ami akár több centiméteres ólomlemezen is áthalad.
Ettől függetlenül az orvoslásban is remekül lehet használni gamma-sugárzó izotópokat, mint például a Technécium-99-et.
A radioaktív Izotopokat széles körben használják:
· a gyógyászatban, ahol a sugárzással a kóros sejteket pusztítják, illetve sugárzó izotópokkal követik nyomon az élettani folyamatokat,
· a kormeghatározásnál, ahol az őslények vázában megtalálható széntartalom a 14C -* 14N
* a műszaki életben, ahol például fémkristályok rácshibáinak nyomon követésére használják
A radioaktivitás felfedezése a XIX. század végére tehető (HENRY BECQUEREL).
MARIE CURIE (1867-1934) lengyel származású fizikus és kémikus férjével Pierre Curie francia fizikussal együtt felfedezte a rádiumot és polóniumot. A radioaktivitással kapcsolatos kutatásaiért férjével és Becquerellel együtt 19o3-ban fizikai Nobel-díjat kapott. Később, 191I-ben kémiai Nobel-díjjal tüntették ki.
HEVESY GYÖRGY (1885-1966) magyar származású kémikus részt vett a radioaktív követés módszerének kidolgozásában, és kémiai, illetve biológiai folyamatok tanulmányozására alkalmazta. E téren kifejtett munkásságáért 1943-ban kémiai Nobel-díjat kapott.