Η ΧΗΜΕΙΑ ΠΕΡΙΓΡΑΦΕΙ ΤΗΝ ΥΛΗ ΜΕ ΤΟΝ ΗΛΕΚΤΡΟΜΑΓΝΗΤΙΣΜΟ: 1ο μέρος. Τα άτομα και τα ηλεκτρικά τους φορτία.

Δήμητρα Σπανού, χημικός, μόνιμη καθηγήτια Δ/θμιας Εκπ/σης στο 1ο Γυμνάσιο Δάφνης (μετά το 2010)

Η ΣΤΟΙΧΕΙΩΔΗΣ ΜΟΝΑΔΑ ΔΟΜΗΣ ΤΟΥ ΥΛΙΚΟΥ ΚΟΣΜΟΥ 

ΕΙΝΑΙ ΤΟ ΑΤΟΜΟ

  Η πρώτη αναφορά στον ηλεκτρισμό έρχεται αμέσως μόλις θελήσουμε να ερευνήσουμε τα στοιχειώδη υλικά σώματα. 

 Σύμφωνα με όσο γνωρίζουμε, η Ύλη η οποία μας περιβάλει κι από την  οποία είμαστε κι εμείς οι οργανισμοί κατασκευασμένοι, έχει σαν στοιχειώδη μονάδα δομής της το Άτομο , του οποίου οι διαστάσεις είναι της τάξης των νανόμετρων δηλαδή 10^-9m

Όπως γνωρίζουμε τα άτομα που αποτελούν την Ύλη δεν είναι όλα ίδια.

Στη φύση είχαν βρεθεί 98 διαφορετικά άτομα ως το 2013,  όμως άλλα 16 ακόμα μεγαλύτερα, από το Αινστάνιο έως το Κοπέρνικον και επιπλέον το Τενέσιο και το Οργκανέσιο, είχαν κατασκευαστεί σε ειδικά εργαστήριαώστε ο αριθμός τους έφτασε τα 114 .  Εως σήμερα έχουν κατασκευαστεί και κάποια άλλα κι αν δεν κάνω λάθος ο αριθμός αυτός έφτασε το 118.

Όταν όμως θελήσουμε να περιγράψουμε αυτό το Άτομο βρίσκουμε ήδη από την αρχή να εμπλέκονται ηλεκτρικές ποσότητες και εμφανίζονται ηλεκτρικά φαινόμενα.

όπως αναφέρεται στοΗ ΧΗΜΕΙΑ ΠΕΡΙΓΡΑΦΕΙ ΤΗΝ ΥΛΗ . Τα Αρχικά Υλικά Σώματα του κόσμου μας: Μοριακές και Διαμοριακές Δυνάμεις . Συσσωμάτωση της Ύλης με δεσμούς μεταξύ ατόμων, ιόντων, μορίων

ΤΑ ΥΠΟΑΤΟΜΙΚΑ ΣΩΜΑΤΙΔΙΑ ΔΟΜΗΣ ΤΟΥ ΑΤΟΜΟΥ 

ΕΙΝΑΙ ΤΟ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΟ ΤΟ ΠΡΩΤΟΝΙΟ ΚΑΙ ΤΟ ΝΕΤΡΟΝΙΟ

Το Άτομο (διαμέτρου διαστάσεων της τάξης  10^-9 m )αρχικά, φαίνεται να αποτελείται από πολύ  μικρότερα υποατομικά σωματίδια :  τα ηλεκτρόνια με μάζα ηρεμίας   0,911x10^-30kg που περιστρέφονται σε τροχαιές γύρω από έναν ατομικό πυρήνα διαστάσεων της τάξης  10^-14 m  που αποτελείται από άλλα μεγαλύτερα υποατομικά σωματίδια, τα  πρωτόνια με   μάζα ηρεμίας 1,673 × 10⁻²⁷ kg και τα νετρόνια με μάζα ηρεμίας 1,675 × 10⁻²⁷ kg

ΠΟΥ ΥΠΑΡΧΕΙ ΗΛΕΚΤΡΙΣΜΟΣ ΣΤΟ ΑΤΟΜΟ- (ΥΠΟATOMIKA ΣΩΜΑΤΙΔΙΑ ΠΡΩΤΟΝΙΟ ΚΑΙ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΟ)

ΠΟΙΑ ΕΙΝΑΙ  Η ΣΤΟΙΧΕΙΩΔΗΣ ΜΟΝΑΔΑ ΗΛΕΚΤΡΙΚΟΥ ΦΟΡΤΙΟΥ 

Τον Ηλεκτρισμό, η προέλευση   του οποίου δεν ερμηνεύεται απόλυτα με τις βασικές γνώσεις της Φυσικής   , τον συναντάμε αρχικά, και στο ηλεκτρόνιο και στο πρωτόνιο, αφού και τα δύο φέρουν ηλεκτρικές ποσότητες που είναι όμως αντίθετες

(σε αντίθεση με τα νετρόνια,   που δεν φέρουν ηλεκτρικό φορτίο συνολικά και τα ονομάζουμε ηλεκτρικά ουδέτερα.

 Βρίσκουμε λοιπόν εδώ η ποσότητα ηλεκτρισμού (ή ηλεκτρικό φορτίο) που φέρει το ηλεκτρόνιο, είναι η μικρότερη που υπάρχει και ίδια ποσότητα, αλλά διαφορετικής ποιότητας  υπάρχει και στο πρωτόνιο του πυρήνα και την ποσότητα αυτή την  λέμε  το στοιχειώδες  ηλεκτρικό φορτίο .

Υπάρχουν δύο είδη τέτοιου φορτίου το θετικό ηλεκτρικό φορτίο  και το αρνητικό ηλεκτρικό φορτίο, που όταν βρίσκονται σε ένα ηλεκτρικά μονωμένο σώμα, αθροίζονται αλγεβρικά. Έτσι  το φορτίο πάνω στο  ηλεκτρόνιο είναι το στοιχειώδες αρνητικό   (q_e =- 1,6x10^-19 Cb) ,  και το στοιχειώδες θετικό φορτίο  είναι το φορτίο του πρωτονίου (q_p= 1,6x10^-19 Cb). 

Οποιοδήποτε ηλεκτρικό φορτίο είναι πολλαπλάσιο αυτών των στοιχειωδών φορτίων q= n 1,6x10^-19 Cb 

ΣΤΟ ΑΤΟΜΟ ΥΠΑΡΧΟΥΝ ΗΛΕΚΤΡΙΚΑ ΦΟΡΤΙΑ (ΣΕ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΑ ΚΑΙ  ΠΡΩΤΟΝΙΑ)

ΟΜΩΣ  ΑΥΤΟ ΕΊΝΑΙ ΗΛΕΚΤΡΙΚΑ ΟΥΔΕΤΕΡΟ

Δεδομένου ότι σε κάθε άτομο στην θεμελιώδη κατάσταση, ο αριθμός των ηλεκτρονίων του στις στοιβάδες, είναι ίσος με τον αριθμό των πρωτονίων του στον πυρήνα, και το φορτίο του του ηλεκτρονίου  είναι κατά απόλυτη τιμή ίσο με του πρωτονίου, το άτομο συνολικά είναι ένα ουδέτερο αντικείμενο και δεν εκδηλώνει ηλεκτρικές δυνάμεις προς τον εξωτερικό κόσμο.

Πως σχηματίζεται το άτομο:

Αρχικά, ο  θετικά φορτισμένος ατομικός πυρήνας σχηματίζεται, όταν θετικά πρωτόνια και ουδέτερα νετρόνια "κολλάνε" μεταξύ τους με ισχυρές πυρηνικές δυνάμεις. 

Το άτομο σχηματίζεται όταν, οι θετικά φορτισμένοι πυρήνες, έλκουν αρνητικά ηλεκτρόνια γύρω τους και τα παγιδεύουν σε αποστάσεις περισσότερο από   10⁴ φορές μεγαλύτερες αό το μέγεθός τους. 

Εάν ο αριθμός των ηλεκτρονίων που  παγιδεύονται είναι ίσος με τον αριθμό πρωτονίων του πυρήνα, 

τότε το συνολικό ηλεκτρικό φορτίο του ατόμου που είναι  το αλγεβρικό άθροισμα των θετικών και αρνητικών ηλεκτρικών φορτίων του είναι μηδέν. Το άτομο δηλαδή, είναι συνολικά ουδέτερο

Λέμε τότε ότι το άτομο βρίσκεται στην θεμελιώδη κατάσταση

ΟΙ ΗΛΕΚΤΡΟΣΤΑΤΙΚΕΣ ΔΥΝΑΜΕΙΣ ΣΤΟ ΑΤΟΜΟ 

ΚΑΙ Η ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΔΕΣΜΕΥΣΗΣ ΤΩΝ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΩΝ ΑΠΟ ΤΟΝ  ΠΥΡΗΝΑ

ΌΤα ηλεκτρικά φορτία έχουν δύο δυνατότητες. Να είναι θετικά ή να είναι αρνητικά

Τα σταθερά  ηλεκτρικά φορτισμένα σώματα, ασκούν δυνάμεις το ένα στο άλλο. Αυτές ονομάζονται Ηλεκτρικές Δυνάμεις Ηλεκτροστατικής φύσεως (F_el) 

Ονομάζονται Δυνάμεις  Coulomb και δίνονται από τον τύπο Fc = K q₁q₂/r²

Το Κ  Κ = 8,98 10⁹ nt. m²/ Cb²

Αν τα δύο σώματα σωμάτων είναι όμοια φορτισμένα, οι δυνάμεις αυτές που δρουν μεταξύ τους, είναι απωθητικές, ενώ εάν είναι αντίθετα φορτισμένα είναι ελκτικές. 

Τέτοιες δυνάμεις στο άτομο, ασκούνται μεταξύ των πρωτονίων του πυρήνα και των ηλεκτρονίων του κελύφους (ελκτικές) αλλά και μεταξύ των ηλεκτρονίων των στοιβάδων ασκούνται επίσης δυνάμεις (απωστικές)

Έχουν γίνει προσπάθειες να υπολογιστούν οι δυνάμεις αυτές κυρίως με την μορφή της Ενέργειας Δέσμευσης

Έτσι στην θεμελιώδη κατάσταση η Συνολική Ενέργεια Δέσμευσης όλων των ηλεκτρονίων των στοιβάδων από τον πυρήνα είναι

 B(Z) = 13,6 Z^7/3 eV    Ζ είναι ο αριθμός ηλεκτρονίων (και πρωτονίων) και λέγεται Ατομικός Αριθμός

Εννοείται ότι η ενέργεια δέσμευσης του κάθε ηλεκτρονίου είναι διαφορετική λόγω της διαφορετικής απόστασής του από τον πυρήνα και έτσι υπολογίζεται

 η μέση ενέργεια δέσμευσης κάθε ηλεκτρονίου

 B(Z)/Ζ δηλαδή η ενέργεια  13,6 Z^7/3 /Ζ  =13,6 Ζ^4/3 eV

ΓΙΑΤΙ ΔΕΝ ΔΙΑΛΥΕΤΑΙ Ο ΠΥΡΗΝΑΣ ΤΟΥ ΑΤΟΜΟΥ

 ΛΟΓΩ ΤΩΝ ΑΠΩΣΤΙΚΩΝ ΔΥΝΑΜΕΩΝ ΜΕΤΑΞΥ ΤΩΝ ΠΡΩΤΟΝΙΩΝ

Μέσα στον πυρήνα επίσης υπάρχουν όμοια φορτισμένα πρωτόνια που ασκούν απωστικές δυνάμεις μεταξύ τους. Όμως οι απώσεις αυτές, που θα έκαναν τον πυρήνα του ατόμου να διαλυθεί, αντισταθμίζονται από την ισχυρή έλξη των νετρονίων, τα οποία, αν και ηλεκτρικά ουδέτερα, ασκούν ελκτικές δυνάμεις στα πρωτόνια.

Οι δυνάμεις στον πυρήνα δεν είναι ηλεκτροστατικής φύσης αλλά πρόκειται για άλλον τύπο δύναμης που ονομάζεται ισχυρή πυρηνική δύναμη ή ισχυρή αλληλεπίδραση, που υπερτερεί των απωστικών δυνάμεων μεταξύ των πρωτονίων

 Αυτό είναι θέμα Πυρηνικής Φυσικής και Χημείας και να αναφερθεί σε επόμενα κεφάλαια.

ΔΗΜΙΟΥΡΓΙΑ ΑΤΟΜΙΚΩΝ ΙΟΝΤΩΝ (KAI ΠΟΛΥΑΤΟΜΙΚΩΝ)

ΙΟΝΤΑ: ΟΤΑΝ ΤΑ ΑΤΟΜΑ ΦΕΡΟΥΝ ΦΟΡΤΙΟ

Όπως είπαμε όταν το άτομο βρίσκεται στην θεμελιώδη κατάσταση ο αριθμός των ηλεκτρονίων του είναι ίσος με τον αριθμό των πρωτονίων του και οι δυνάμεις που ασκούν τα ηλεκτρόνια σε εξωτερικά φορτισμένα σωματίδια, εξουδετερώνονται από τις αντίθετες δυνάμεις που ασκεί ο πυρήνας. Εάν όμως, τα εξωτερικά φορτίο βρεθεί πολύ κοντά στο ουδέτερο άτομο, η εξουδετέρωση αυτή δεν είναι πλήρης δημιουργούνται  υπολλειματικές δυνάμεις

εάν  αποσπαστούν ηλεκτρόνια από το άτομο αυτο τότε μετατρέπεται σε θετικό ιόν ΚΑΤΙΟΝ

ενώ εάν τα ηλεκτρόνια που απομακρύνονται για αντίστοιχο λόγο,  "συληφθούν" από ένα άλλο άτομο τότε το άλλο άτομο μετατρέπεται σε ΑΝΙΟΝ

Αν το σωματίδιο που βρίσκεται κοντά δεν είναι   άτομο αλλά δύο ή περισσότερα  συνδεδεμένα άτομα, τότε μετατρέπεται σε 

 ΠΟΛΥΑΤΟΜΙΚΟ ΙΟΝ. (NH₄⁺, SO₄^2-, ClO₄^- , ...)

ΚΑΤΙΟΝΤΑ: Σε αντίθετη περίπτωση ηλεκτρόνια εξωτερικών στοιβάδων, που η έλξη τους απο τον πυρήνα είναι σχετικά αδύναμη απομακρύνονται από την εξωτερική στοιβάδα με συνέπεια να υπερισχύει μετά ο αριθμός των πρωτονίων. Συνολικά το άτομο είναι τότε φορτισμένο θετικά  και 

τα θετικά φορτισμένα άτομα ονομάζονται Κατιόντα (Κ⁺, Η⁺,  Ca²⁺, Fe²⁺,  ...)

Τα ηλεκτρόνια που απομακρύνονται είναι δυνατόν να "συληφθούν" από ένα άλλο άτομο με την ταυτόχρονη δημιουργία ενός ανιιόντος, ή σε να κινούνται ελεύθερα ανάμεσα σε θετικά ιόντα

ΑΝΙΟΝΤΑ: Σε περίπτωση που ένα άτομο συνολικά,  βρίσκεται αρνητικά φορτισμένο, αυτό σημαίνει πως με κάποιον τρόπο, έχουν προστεθεί επιπλέον ηλεκτρόνια που δεν ανήκουν στο άτομο αυτό,

Συνήθως κάποια εξωτερικά  ηλεκτρόνια, τα οποία βρέθηκαν κάτω από την ελκτική επίδραση των πρωτονίων του πυρήνα

, προστίθενται στην εξωτερική στοιβάδα του ατόμου, (αποφεύγοντας όσο είναι δυνατόν την απωθητική επίδαση των ηλεκτρονίων που βρίσκονται στις ενδότερες ηλεκτρονιακές στοιβάδες). Τα άτομα φορτίζονται αρνητικά λόγω των επιπλέον ηλεκτρονίων. Τα αρνητικά  φορτισμένα άτομα λέγονται Ανιόντα. (F^-, S^2-, O2-, ...)

ΔΕΝ ΕΙΝΑΙ ΟΛΑ ΤΑ ΑΤΟΜΑ ΙΔΙΑ ΜΕΤΑΞΥ ΤΟΥΣ

Ποια είναι η διαφορά μεταξύ των διαφόρων ειδών ατόμων;

Η βασική διαφορά μεταξύ αυτών των 118 ειδών των ατόμων (φυσικών και τεχνητών) που ξέρουμε είναι ο διαφορετικός αριθμός πρωτονίων στον πυρήνα τους 

 Ατομικός Αριθμός Z:

Ο αριθμός των πρωτονίων του πυρήνα είναι αυτό που καθορίζει το είδος του κάθε ατόμου και είναι 

διαφορετικές σε αριθμό σε κάθε είδος από αυτά τα άτομα

Η θέση που κατέχουν στο άτομο αυτά τα φορτισμένα σωματίδια, τα πρωτόνια είναι εντοπισμένα στο κέντρο περίπου του ατόμου, τα ηλεκτρόνια βρίσκονται σε προβέλέψιμες αποστάσεις γύρω από τον πυρήνα που είναι γνωστές σαν ηλεκτρονιακές στοιβάδες. Αυτές οι στοιβάδες δέχονται έναν αριθμό ηλεκτρονίων που υπακούει σε κανόνες.  

Η σταδιακή δόμηση των ατόμων που ξεκίνησε στο Σύμπαν, δίνει σειρά των διαφορετικών ατόμων που δημιουργούν τα Χημικά Στοιχεία και ξεκινά από τα μικρότερα άτομα δηλαδή εκείνα που έχουν λίγα πρωτόνια στον πυρήνα τους και συνεχίζει με μεγαλύτερα με περισσότερα πρωτόνια στον πυρήνα τους

και συνεχίζοντας να προσθέτουμε πρωτόνια στον πυρήνα και ηλεκτρόνια αντίστοιχα στις στοιβάδες προχωράμε σε ακόμα μεγαλύτερα άτομα

Αυτή είναι και η θεώρηση της κατασκευής των ατόμων κατά  Neils Bohr (1913)- Ernest Rutherford (1911)

Τα ηλεκτρόνια που περιβάλουν τον πυρήνα βρίσκονται συνήθως σε απόσταση της τάξης των 10^-10 m που είναι η ατομική ακτίνα και το συνολο των ηλεκτρονίων που περιβάλει τον πυρήνα στην ίδια ατομική ακτίνα είναι γνωστό σαν κέλυφος.

Ο πυρήνας που είναι κατά πολύ μικρότερος, περιλαμβάνει το μεγάλο ποσοστό της μάζας του ατόμου, από 99,95 'εως 99,98%

Τα ηλεκτρόνια του ατόμου (ατομικό κέλυφος), συνδέονται με τον θετικό πυρήνσα λόγω του αρνητικού φορτίου τους.  

Τα ηλεκτρόνια που δέχεται κάθε στοιβάδα δίνονται από τον τύπο: 2n².  Όμως εάν πρόκειται για στοιβάδα εξωτερική (φλοιός) τα ηλεκτρόνια περιορίζονται από ένα έως οκτώ . 

Εάν γνωρίζουμε  τον τρόπο της δόμησης των ατόμων, μπορούμε πλέον να τα ταξινομήσουμε. Η καλύτερη ταξινόμηση των διαφόρων Χημικών στοιχείων  είναι η τοποθέτησή τους σε ένα πίνακα σε συγκεκριμένες θέσεις, ανάλογα με τον αριθμό των πρωτονίων τους . Αυτός   είναι γνωστός σαν Περιοδικός Πίνακας 

Με την θέση τους εκεί παίρνουμε πληροφορίες για την φυσική και χημική τους συμπεριφορά, όπως,   πληροφορίες  για τις ηλεκτρικές ιδιότητες των Χημικών Στοιχείων

Γνωρίζοντας τη δομή του ατόμου, είναι δυνατόν να εξηγηθεί ο ηλεκτρισμός των σωμάτων, η ύπαρξη αγωγών και μονωτών, το φαινόμενο της έλξης μη ηλεκτρισμένων σωμάτων σε ηλεκτρισμένα, να αποκαλυφθεί η φυσική έννοια του σειριακού αριθμού ενός χημικού στοιχείου. και την ατομική του μάζα. Αυτό είναι ένα μάθημα για τη σύνθεση του ατόμου, τη σύνθεση του ατομικού πυρήνα.

Δήμητρα Σπανού

ΠΗΓΕΣ

https://el.wikipedia.org/wiki/%CE%97%CE%BB%CE%B5%CE%BA%CF%84%CF%81%CF%8C%CE%BD%CE%B9%CE%BF

https://www.emf.ethz.ch/de/emf-info/themen/physik/physikalische-grundbegriffe-von-emf/kraefte-die-auf-ladungen-wirken

Aufbau der Stoffe - tec-science

Ατομικό κέλυφος - Βικιπαίδεια (wikipedia.org)

Ηλεκτρική ενέργεια | LEIFIφυσική (leifiphysik.de)

Τι είναι οι ηλεκτροστατικές δυνάμεις; (greelane.com)  

Κατιόν - Βικιπαίδεια (wikipedia.org)