1b - gradja atoma - as

Mašinski materijali - Dr Dragan Adamovic 1

Mašinski materijali- Predavanje (AS)-

Građa atoma


Najmanja čestica materije koja zadržava karakteristične osobine hemijskogelementa jeste atom, koji je sastavljen od tri vrste subatomskih čestica:

• protona,

• neutrona i

• elektrona.

Proton i neutron zajednoobrazuju jezgro atoma (nukleus), dok spoljne delove atoma čineelektroni

Atom = Nukleus (protoni i neutroni) + Elektroni


Elektron je otkrio 1897.god. Thomson (Tomson) On je negativno naelektrisanIma masu koja je ~1/2000 deo mase protona.

Proton je otkrio 1919. Rutherford (Radeford)Predstavlja sastavni deo jezgra atomaIma pozitivno naelektrisanjeMasa je ~2000 puta veća od mase elektrona

Neutron je identifikovao 1932. Chadwick (Čadvik):Drugi sastavni deo jezgraNema naelektrisanjeMasa je aproksimativno jednaka masi protona

Delovi atoma


John Dalton

J. J. Thomson

SchrödingerNiels BohrErnest Rutherford

Modeli atoma – istorijski razvoj


U pogledu gradje atoma Nils Bor je 1913. godine predložio planetarnu teoriju kojom se

mogu objasniti spektralne linije vodonika i drugih elemenata sličnih vodoniku. Borova teorija

objašnjava karakteristične spektre i gradju atoma malog atomskog broja (atoma sličnih

vodoniku).

Šredinger (Schrödinger) je 1926. godine, Borov model sferne orbite, po kojoj se elektroni

kao materijalne kuglice obrću oko jezgra, zamenio prostornom ljuskom - elektronskim

oblakom koji može imati više slojeva (nivoa). To znači da jedna ljuska može imati elektrone

rasporedjene po različitim slojevima tj. orbitalama


Izgled prostornih ljuski po kojima se kreću elektroni


Elektroni su čestice koje kruže okojezgra atoma slično Zemlji koja se obrće oko sopstvene ose dokistovremeno kruži oko Sunca.Ta rotacija, kao i ona koju čineplanete, ostvaruje se neprekidno i u savršenom redu po putanjamakoje zovemo orbite. Da načinimo poređenje izmeđuveličine elektrona i veličine Zemlje:ako uvećamo atom do veličineZemlje, elektron bi bio veličinejabuke.

Solarni sistem

Modeli atoma

Elektroni


Elektroni su sićušne čestice, veličine skorodvehiljaditog dela veličine neutrona i protona. Atom ima isti broj elektrona kao i protona, i svaki elektronnosi negativno (-) naelektrisanje koje je jednakopozitivnom (+) naelektrisanju koje nosi svaki proton. Ukupno pozitivno (+) naelektrisanje u jezgru i ukupno negativno (-) naelektrisanje elektronaponištavaju jedno drugo i atom postaje neutralan.

Električno naelektrisanje koje oni nose obavezujeelektrone da poštuju određene fizičke zakone. Jedan od tih fizičkih zakona široko je poznat: "Istaelektrična naelektrisanja međusobno se odbijaju, a suprotna privlače."


Jezgro atoma se sastoji iz približnojednakog broja protona i neutrona.

Jezgro atoma

Proton Neutron

Do 1932. godine, smatrano je da se jezgrosastoji samo od protona i elektrona. Tada jeotkriveno da u jezgru nema elektrona većneutrona koji se nalaze pored protona. Poznatinaučnik Čedvik (Chadwick) dokazao je 1932.godine postojanje neutrona u jezgru i bio jenagrađen Nobelovom nagradom za svojeotkriće.)

Protoni su pozitivno naelektrisani, a elektroninegativno, tako da je atom u električnompogledu neutralan. U svakom atomu, protoni i neutroni gusto su zajednički spakovani i čineoko 99.9% ukupne mase atoma, a ostatakmase čine elektroni.


Kvarkovi - granica fizičkog postojanjaDo pre dvadeset godina smatrano je da sunajmanje čestice koje sačinjavaju atome biliprotoni i neutroni. Ipak, nedavno je otkriveno dapostoje mnogo manje čestice u atomu kojeformiraju gore pomenute čestice.Otkriće je dovelo do razvoja nove grane fizike, zvane "fizika čestica" koja istražuje "subčestice" u okviru atoma i njihova kretanja.Istraživanja koja su vršili fizičari koji se bavefizikom čestica otkrila su da su protoni i neutronikoji sačinjavaju atom u stvari formirani odsubčestica zvanih "kvarkovi".Dimenzija kvarkova koji formiraju proton, koji jetako sićušan da prevazilazi mogućnosti ljudskeimaginacije: 10-18 (0,000000000000000001) metara.

Skup od tri kvarka kojisačinjavaju jedan proton


Postoji veliki prostor koji se nalazi između osnovnihčestica. Ako razmišljamo o protonu u jezgrukiseonika kao o kući u centralnoj Francuskoj, ondaelektron koji kruži oko njega pravi krug koji prolazikroz Holandiju, Nemačku i Španiju.


Elementarna čestica

Znak čestice Masa, g Relativna masa

česticeNaelektrisanje

čestice, kuloni (C)

Relativno naelektrisanje

česticeProtonNeutronElektron

p+

n0

e-

1.673×10-24

1.675×10-24

9.109×10-28

110

+1.602×10-19

0-1.602×10-19

+10-1


Atomski broj (Z) pokazuje broj protona (pozitivno naelektrisanih čestica) u jezgru atoma i u neutralnom atomu atomski broj je takođe jednak broju elektrona u njegovom naelektrisanom oblaku. Svaki element ima svoj vlastiti karakteristični atomski broj koji određuje hemijske osobine elementa i prema tome atomski broj određuje element.

Atomski brojevi elemenata, od vodonika, koji ima atomski broj 1, do hanijuma, koji ima atomski broj 105 daju se u Periodnom sistemu elemenata.


Razne vrste atoma nastaju kombinacijama različitih brojeva protona, neutrona i elektrona. Ukupna masa svih čestica predstavlja atomsku masu.

Relativna atomska masa je broj koji se dobija upoređivanjem sa masom nekog drugog atoma, odnosno delom mase atoma koji je uzet za standard. Danas se kao standard koristi 1/12 mase ugljenika C12. Relativna atomska masa pokazuje koliko je puta masa atoma određenog elementa veća od 1/12 mase atoma C12.

Osnovna jedinica za količinu materije je mol. Mol je količina materije koja sadrži onoliki broj osnovnih čestica koliko ima atoma ugljenika u 12 g izotopa C12. Taj broj je uvek 6,023 × 1023 i naziva se Avogadrov broj.


Najprostiji atom, atom vodonikasastoji se iz jednog protona i jednogelektrona te mu je atomski broj 1. Vodonik je najlakša materija kojupoznajemo; u tečnom vodonikupotonuće čak i pluta.

Atom vodonika


Elementi sa 90 i više protona(npr. uranijum) imajunestabilne izotope - jezgra imse raspadaju i nastaju atomidrugih elemenata.

Hemijski elementi koji se razlikujupo broju neutrona, a imaju isti brojprotona nazivaju se izotopimaizotopimadatog elementa.

Mase izotopa su različite, ali su imidentične hemijske osobine. Takonpr. stabilan izotop ugljenika C12

ima 6 protona i 6 neutrona, a radioaktivni ugljenik C14 ima 6 protona i 8 neutrona

Ugljenik CUgljenik C12 14

Izotopi


-

Prva ljuska (orbita)Najniži energetski nivo

Druga ljuska (orbita)Viši energetshi nivo

Treća ljuska (orbita)Još viši energetshi nivo

Elektroni se obrću samo u elektronskim ljuskama. Postoji sedam elektronskihljuski. Svaka elektronska ljuska ima određen nivo energije koji varira u skladu saudaljenošću ljuske od jezgra. Što je elektronska ljuska bliža jezgru, njenielektroni imaju manje energije, a što je dalja od jezgra, njeni elektroni imaju većuenergiju.


Svaka elektronska ljuska ima "podljuske“ (orbitale), u okviru kojih se elektroni te ljuske neprestano kreću.Elektron mora da primi spoljašnju energiju da bi mogao da putuje izmeđuljuski. Izvor te energije je "foton".


--

--

• Svetlost koja dolazi sa Sunca na Zemljurasipa se u obliku fotonskih čestica. Te fotonske čestice, rasejane širom Zemlje, pogađaju atome materije.• Fotoni ne mogu da putuju daleko unutaratoma. Oni pogađaju elektrone koji kruže okojezgra.• Elektroni apsorbuju te fotone koji ihpogađaju.• Kada elektroni prime energiju fotona kojeapsorbuju, oni dospevaju na drugu ljusku kojaima viši nivo energije.• Ti elektorni pokušavaju da se vrate u svojeprvobitno stanje.• Pošto se vraćaju do svojih prvobitnih ljuski, emituju fotone određene energije.• Fotoni koje emituju elektroni određuju bojutog predmeta.


Glavni kvantni broj n predstavlja pozitivne cele brojeve od 1 do 7 (n = 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7) i definišeenergetski nivo elektrona (označava se i slovimaK, L, M, N, O, P);

Što je veća vrednost n, to je ljuska dalja od jezgra,

Udaljeniji elektroni poseduju veću energiju,

Glavni kvantni broj

Kvantni brojevi elektrona i atoma

Orbitalni elektroni: n = glavnikvantni broj

n=3 2 1

K

L

M


-

Prva ljuskabroj e- = 2(1)2 = 2 e-

Druga ljuskabroj e- = 2(2)2 = 8 e-

Treća ljuskabroj e- = 2(3)2 = 18 e-

Postoji sedam elektronskih ljuski oko jezgra atoma. Broj elektrona u ovih sedamelektronskih ljuski, koji se nikad ne menja, određen je matematičkom formulom:

Maksimalan broj elektrona koji može da bude prisutan u svakoj elektronskoj ljuscioko atoma fiksiran je tom formulom. (Slovo "n" označava broj elektronske ljuske.)

2n2.


11 protona12 neutrona

K ljuska (n=1)

L ljuska (n = 2)

M ljuska (n = 3)

Atomska struktura natrijuma, Atomski broj 11, Prikaz elektrona u K, L, i M ljusci

Atomskastrukturaazota

2D i 3D izgled elektronskih ljuski


Drugi (sekundarni, orbitalni) kvantni broj l = 0, 1, 2, …n-1, odnosi se na podnivo elektrona (označava se sa s, p, d, f); ovaj broj prikazuje moment količine kretanja elektrona(2πr·mv, zamah), kojih u datom energetskom stanju može biti2(2l+1),

Drugi (sekundarni, orbitalni) kvantni broj

Maksimalnibroj elektronau podljuscis = 2p = 6d = 10f = 14

Glavni kvantni broj, n

Ene

rget

ski n

ivo,

→


n=1

n=2

n=3

n=4

1s2s

3s2p

3p

4s4p

3d

Pov

ećan

je e

nerg

ije

n=1n=2

n=3n=4

Glavnikvantni broj

Sekundarnikvantni broj

Glavni i sekundarni kvantni broj


Elektronska konfiguracija azota

Z = 7 → neophodno je 7 elektrona

1s

2s

3s4s

2p

3p4p

3d4d

Energija

N 1s2 2s22p3

Prva glavna ljuska Druga glavna ljuska

Dva elektrona uprvoj glavnoj ljusci

Dva elektrona u s podljusci druge

glavne ljuskeTri elektrona u

p podljusci druge glavne ljuske

Prva glavnaljuska

Druga glavna ljuska


Simbolično se spinovi prikazuju strelicama:

• usmerenim naviše za desnu rotaciju (↑),

• usmerenim naniže za levu (↓), i

• u paru (↑↓) kad je u pitanju spinska ravnoteža.

Sve se to za 3 i 4- ljusku gvoždja prikazuje u obliku:

3s2 3p6 3d6 4s2

(↑↓) (↑↓) (↑↓) (↓↑) (↑↓) (↑↑↑↑) (↑↓)


n=1n=2

n=3n=4

n=1

n=2

n=3

n=4

1s2s

3s2p

3p

4s4p

3d

Pov

ećan

je e

nerg

ije

1s2 2s22p6 3s23p63d10 4s24p6

Pisanje izraza za konfiguraciju elektrona


Primer - Magnezijum

Mg Z=12

Podsećanjes orbita 2 elektronap orbita 6 elektronad orbita 10 elektrona

1s2

Ispunjena 1s orbitaPreostao broj elektrona = 10


2s2 2p6 3s2Mg

Broj elektrona = 12

Ispunjena 2p orbitaPreostao broj elektrona = 2


12 Protona12 neutrona

K ljuska (n=1)L ljuska (n=2)

M ljuska (n=3)


1s22s22p63s23p64s23d104p65s2

4d105p66s24f145d106p67s25f14

6d107p6

7s 7p 6s 6p 6d 5s 5p 5d 5f 4s 4p 4d 4f 3s 3p 3d 2s 2p 1s

Način pamćenja

Maksimalnibroj elektronau podljuscis = 2p = 6d = 10f = 14


Primer za hlor (Cl)

17 Protona18 neutrona

K ljuska (n=1) L ljuska (n=2)

M ljuska (n=3)


Magnetni i spinski kvantni broj

• Magnetni kvantni broj ml vrednosti od -l do +l, uključujući i nulu, definišenagib ravni oblaka elektrona, npr. za n = 2 i l = 2 dobija se ml = -1, 0, +1,

• Spinski kvantni broj ms, vrednosti -1/2 do +1/2 definiše smer obrtanjaelektrona oko sopstvene ose (- ulevo i + udesno).

Paulijev princip isključivosti (Wolfgang Pauli) glasi da dva elementa nemogu da imaju ista četiri kvantna broja.


1s

2s

2p3s

n 1 2 3

l 0 0 1 0 1 2

s p d f s s p s p d

k = l+1 1 1 2 1 2 3

n/k* 1 2 1 3 1.5 1

2(2l+1) 2 2 6 2 6 10* n/k =1 odgovara kružnoj putanji, an/k>1 eliptičnoj putanji

Model atoma natrijuma Tablica za određivanje oblika orbitala


Stabilne elektronske konfiguratcije

Z Elemenat Konfiguracija2 He 1s2

10 Ne 1s22s22p6

18 Ar 1s22s22p63s23p6

36 Kr 1s22s22p63s23p63d104s24p6

54 Xe 1s22s22p63s23p63d104s24p64d105s25p6

86 Rn 1s22s22p63s23p63d104s24p64d104f145s25p66s25d106p6


Opšti izraz konfiguracije elektrona

Fr (Z = 87)1s2 2s22p6 3s23p6 4s23d104p65s24d105p66s24f145d106p67s

He

NeAr

Kr

Xe

Rn


Element Atomski broj Elektronska konfiguracija

Magnezijum (Mg) 12 1s2, 2s2p6, 3s2

Aluminijum (Al) 13 1s2, 2s2p6, 3s2, p1

Gvoždje (Fe) 26 1s2, 2s2p6, 3s2p6d6, 4s2

Bakar (Cu) 29 1s2, 2s2p6, 3s2p6d10, 4s1

Elektronske konfiguracije glavnih tehničkih metala (Fe, Al, Cu, Mg)


Elektronska struktura prvih 20 elemenata

Ime Atomski broj Elektronska struktura

Vodonik 1 1s1

Helijum 2 1s2

Litijum 3 1s22s1

Berilijum 4 1s22s2

Bor 5 1s22s22p1

Ugljenik 6 1s22s22p2

Azot 7 1s22s22p3

Kiseonik 8 1s22s22p4

Fluor 9 1s22s22p5

Neon 10 1s22s22p6

Natrijum 11 1s22s22p63s1

Magnezijum 12 1s22s22p63s2

Aluminijum 13 1s22s22p63s23p1

Silicijum 14 1s22s22p63s23p2

Fosfor 15 1s22s22p63s23p3

Sumpor 16 1s22s22p63s23p4

Hlor 17 1s22s22p63s23p5

Argon 18 1s22s22p63s23p6

Kalijum 19 1s22s22p63s23p64s1

Kalcijum 20 1s22s22p63s23p64s2

Inertni gas -elektronskakonfiguracijaje stabilna


VodonikHelijumLitijumBerilijumBorUgljenikAzotKiseonikFluorNeonNatrijumMagnezijumAluminijumSilicijumFosfor

1 1s1

2 1s2

3 1s22s1

4 1s22s2

5 1s22s22p1

6 1s22s22p2

7 1s22s22p3

8 1s22s22p4

9 1s22s22p5

10 1s22s22p6

11 1s22s22p63s1

12 1s22s22p63s2

13 1s22s22p63s23p1

14 1s22s22p63s23p2

15 1s22s22p63s23p3

HHe

LiBe

BC

NO

FNe

NaMg

AlSi

P

121234567812345

Atomski Elektronska Valenca Lewis-oveElement broj konfiguracija Electrons tačke


Mg - primer

Valentni elektroni i elektroni u unutrašnjim ljuskama

Valentna ljuska je spoljašnja ljuska atoma po kojoj se kreću elektroni

1s22s22p6

3s2[Ne]

3s2 Elektroni u valentnoj ljusci određuju hemijske osobine

Elektroni u unutrašnjim ljuskama nemaju značajnog uticaja na hemijske osobine


Postoji 109 hemijskih elemenatakoji su do sada otkriveni. Ceosvemir, naša Zemlja i sve živo i neživo u našem svetu formirano jeraspoređivanjem tih 109 elemenatau različitim kombinacijama. Do sada smo videli da su svi elementiizgrađeni od atoma koji su sličnijedni drugima i koji su sačinjeni odistih čestica. Prema tome, ako susvi atomi koji sačinjavaju elementeizgrađeni od istih čestica, šta ondačini da se elementi razlikuju jedniod drugih i šta je uzrok formiranjabeskrajno različitih supstanci?

Broj protona u jezgru atoma suštinski odvaja elemente jedne od drugih. Postoji jedan proton u atomu vodonika, najlakšem elementu, dva protona u atomu helijuma, drugom najlakšemelementu, 79 protona u atomu zlata, 8 protona u atomu kiseonika i 26 protona u atomu gvožđa. Ono što čini razliku između zlata i gvožđa, i gvožđa i kiseonika je jednostavno različit broj protonau njihovim atomima. Vazduh koji dišemo, naše telo, biljke i životinje, planete u svemiru, živo i neživo, gorko i slatko, čvrsto i tečno, sve... sve ovo je izgrađeno od protona, neutrona i elektrona.


Periodni sistem elemenata

Zakon periodičnostiSlična fizička i hemijska svojstva periodično se ponavljaju pri čemu se elementi mogu poređati po rastućim atomskim brojevima.

Ruski hemičar Dmitrij Mendeljejev predložio je 1869. godine da se svi do tadapoznati hemijski elementi srede prema rastućim atomskim težinama i periodičnosti njihovih osobina. Docnije se pokazalo da je za postizanjepotpune periodičnosti osobina trebalo poredjati elemente prema rastućematomskom broju odnosno ukupnom broju elektrona.


Simbol elementa

Atomski broj

Atomska masa

Atomski broj = broj protona

Atomska masa = masa protona + masa neutrona


Periodni sistem zasnovan na elektronskoj konfiguracijiPlemeniti gasoviAlkalni metali

Halogenielementi

Slična svojstva u vertikalnim kolonama koje se nazivaju grupe

Vrst

e se

zov

u pe

riode

Alkalni zemljani metali

Lantanidi

Aktinidi

K

L

M

N

O

P

Q

Metali

Nemetali

Prelazni metali


Moderan periodni sistem elemenata


Periodni sistem elemenata se sastoji od horizontalnih redova (perioda) i vertikalnih redova (grupa). Periode se označavaju slovima K, L, M, N, O, P, Q ili brojevima 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, a kolone rimskim brojevima od I - VIII + (nulta) grupa (0). Kolone I - VII dodatno su podeljene na podgrupe označene slovimaA i B. Sa porastom atomskog broja dolazi do skokovite promene osobina pokojima se elementi medjusobno razlikuju. Elementi koji se nalaze u istoj koloniimaju sličnu gradju spoljašnjeg elektronskog sloja te stoga i slične osobine.


Periodični trend atomskih radijusa

Svaki atom se može smatrati u prvoj aproksimaciji kao sfera sa određenim radijusom. Radijus atomske sfere nije konstantan, već zavisi u izvesnom stepenu od njegove okoline.Na osnovu prethodne slike očigledne su težnje (uz male izuzetke) u atomskoj veličini.Veličina atoma je značajna pri proučavanju difuzije atoma u metalnim legurama.


Metali: Elementi koji su obično na sobnoj temperaturi u čvrstom stanju. Najveći broj elemenata su metali.Nemetali: Elementi gornjeg desnog ugla periodnog sistema. Njihovahemijska i fizička svojstva su različita od metala.Metaloidi: Elementi leže na dijagonalnoj liniji između metala i nemetala. Njihova hemijska i fizička svojstva su između metala i nemetala.

Metali, nemetali i metaloidi


s, p, d i f blokovi u Periodnom sistemu elemenata


Elektropozitivni elementi su po svojoj prirodi metalni i odaju elektrone u hemijskim reakcijama stvarajući pozitivne jone, ili katjone. Najviše elektropozitivni elementi su u grupi 1A i 2A Periodnog sistema elemenata.Elektronegativni elementi su po svojoj prirodi nemetalni i primaju elektrone u hemijskim reakcijama stvarajući negativne jone, ili anjone. Najviše elektronegativni elementi su u grupi 6A i 7A Periodnog sistema elemenata.Neki elementi mogu se ponašati na elektronegativni ili elektropozitivni način (C, Si, Ge, P itd.).

Elektropozitivni i elektronegativni elementi

Plemeniti gasovi

Hemijska svojstva atoma elemenata zavise u osnovi od reaktivnosti najudaljenijih elektrona. Najstabilniji ili najmanje reaktivni od svih elemenata su plemeniti gasovi ili tzv. inertni gasovi (He, Ne, Ar, Kr, Xe i Rn).

Svi oni, osim He, u zadnjoj ljusci imaju s2p6 elektronsku konfiguraciju, koja ima veliku hemijsku stabilnost što se odražava neaktivnošću plemenitih gasova da hemijski reaguju sa drugim elementima.


Elektronegativnost se definiše kao stepen kojim atom privlači elektron ka sebi.Uporedna težnja atoma da pokaže elektropozitivno ili elektronegativno ponašanje može se kvantitativno izraziti označavanjem svakog elementa elektronegativnim brojem.Kreće se u granicama od 0.7 do 4.0,Veće vrednosti: tendencija ka preuzimanju elektrona.

Manja elektronegativnost Veća elektronegativnost

He -

Ne -

Ar -

Kr -

Xe -

Rn -

F 4.0

Cl 3.0

Br 2.8

I 2.5

At 2.2

Li 1.0

Na 0.9

K 0.8

Rb 0.8

Cs 0.7

Fr 0.7

H 2.1

Be 1.5

Mg 1.2

Ca 1.0

Sr 1.0

Ba 0.9

Ra 0.9

Ti 1.5

Cr 1.6

Fe 1.8

Ni 1.8

Zn 1.8

As 2.0

Elektronegativnost


Neki trendovi ponašanja elemenata u zavisnosti od položaja u Periodnom sistemu elemenata


Metali: Elementi koji su obično na sobnoj temperaturi u čvrstom stanju. Najveći broj elemenata su metali.


Pauza

1b - gradja atoma - as

Documents