Czy zastanawiasz się nad tym, jak wygląda mikroświat? Jaki jest kształt drobin, które tworzą materię? Czy można je zobaczyć? Czy są kolorowe?

Aby zrozumieć poruszane w tym materiale zagadnienia, przypomnij sobie:
  • składniki materii;

  • symbole i nazwy pierwiastków grup 121318 układu okresowego.

Nauczysz się
  • nazywać poszczególne elementy budulcowe atomu;

  • określać przestrzeń, w której znajdują się elektrony, protony i neutrony;

  • stosować pojęcia: nukleony, liczba masowa, liczba atomowa;

  • określać liczbę: protonów, neutronów, elektronów na podstawie liczby atomowej i liczby masowej;

  • wykonywać obliczenia z użyciem atomowej jednostki masy.

ijSMlmpUvE_d5e191

1. Co to jest atom?

Podstawowymi elementami, z których zbudowana jest materia, są atomyatomatomy. Substancje tworzące świat materialny składają się z różnych atomów. Mają one masę, objętość i kształt. Każdy pierwiastek składa się z atomów tylko jednego rodzaju: żelazo – z atomów żelaza, a złoto – z atomów złota. Pojedyncze atomy żelaza i złota są zbudowane z tych samych cząstek, tylko inna jest ich liczba. Dlatego różnice te są wystarczające, aby ich zbiory tworzyły pierwiastki o odmiennych właściwościach.

Przyjrzyj się zdjęciom przedstawionym w poniższej galerii interaktywnej.

Niewielkie rozmiary atomów nie pozwalają nam na oglądanie ich w sposób, w jaki przywykliśmy obserwować otaczający nas świat. Obecnie nie dysponujemy urządzeniami, które pozwalałyby nam swobodnie wnikać w głąb każdego rodzaju materii.

Od niedawna możemy jednak w bardzo niskich temperaturach dostrzec cienką warstwę atomów unieruchomionych na powierzchni innych ciał stałych. Pomaga nam w tym przyrząd nazywany skaningowym mikroskopem tunelowym. Na otrzymanych za jego pomocą czarno‑białych obrazach zobaczyliśmy, że atomy mają kształt kulisty, a ich rozmiary są różne i zależą od rodzaju badanego pierwiastka. Już na początku XIX w. angielski uczony John Dalton (czyt. dżon dalton) twierdził, że atomy tworzące różne pierwiastki są kulami, które różnią się między sobą wielkością.

R12ZilB5KpqDb
Film przedstawia teorie dwóch uczonych: Demokryta z Abdery oraz Johna Daltona na temat budowy materii.
Polecenie 1
R1YrZsnqEGrss
Który z greckich filozofów jako pierwszy użył nazwy „atom” do opisu składu materii? Zaznacz prawidłową odpowiedź. Możliwe odpowiedzi: 1. Dalton, 2. Sokrates, 3. Demokryt, 4. Platon
Źródło: Gromar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.
R1UMZT1PnpD9B
Film opowiada o skonstruowaniu pierwszego skaningowego mikroskopu tunelowego, a także o możliwościach, jakie ten wynalazek otworzył. Dzięki niemu uzyskano dokładne obrazy wnętrz atomów, możliwe stało się również ich układanie i przemieszczanie.
Polecenie 2
R13Xf9pMpgwck
Dokończ poniższe zdanie, wybierając odpowiednie słowo spośród podanych. Dzięki zastosowaniu skaningowego mikroskopu tunelowego naukowcy potwierdzili, że elektron w atomie wodoru najczęściej przebywa w obszarze, który przyjmuje kształt pierścienia/ sferyczny/ liniowy.
Źródło: Gromar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.
ijSMlmpUvE_d5e229

2. Spoglądamy w głąb atomu

Niemal do końca XIX w. uważano, że atomy przypominają niewyobrażalnie małe i twarde jak kamień kulki. Dziś już wiemy, że nie są jednorodne i niepodzielne. Okazuje się, że mają złożoną wewnętrzną budowę. W środku każdego atomu, w samym jego centrum, znajduje się jądro atomowejądro atomowejądro atomowe. Poruszające się w różnych kierunkach z dużą szybkością ujemnie naładowane cząstki, zwane elektronamielektronelektronami, tworzą chmurę elektronową. Przestrzeń, którą zajmuje jądro atomowe, jest znacznie mniejsza od przestrzeni zajmowanej przez elektrony – średnica atomu jest około 100 000 razy większa od średnicy jądra.

R1LpZwZQpSgfq
Gdyby jądro powiększyć do rozmiarów małej monety o średnicy kilku milimetrów, wówczas cały atom byłby kulą o przekroju wielkości stadionu sportowego
Źródło: dostępny w internecie: https://pixabay.com, domena publiczna.

Samo jądro atomu ma również złożoną budowę. W jego skład wchodzą dodatnio naładowane cząstki, nazwane protonamiprotonprotonami, oraz cząstki pozbawione ładunku – neutronyneutronneutrony. Protony i neutrony (cząstki znajdujące się w jądrze) określa się jako nukleonynukleonynukleony.

Każdy atom jest elektrycznie obojętną drobiną (nie jest obdarzony żadnym ładunkiem). W jego wnętrzu równoważą się ładunki ujemne i dodatnie. Oznacza to, że liczba protonów i liczba elektronów w każdym atomie jest jednakowa.

RODCyUO5nONmi
Atom obojętny
Źródło: Krzysztof Jaworski, epodreczniki.pl, licencja: CC BY-SA 3.0.

Liczba neutronów nie ma wpływu na przynależność atomu do danego pierwiastka.

RKGEr3tGexbuV
Najważniejsze elementy atomu na przykładzie atomu helu
Źródło: Krzysztof Jaworski, licencja: CC BY-SA 3.0.
Cząstki wchodzące w skład atomów

Nazwa

Symbol

Ładunek*

Miejsce w atomie

elektron

e ( e )

-1

obszar poza jądrem
(powłoki elektronowe)

proton

p ( p + )

1

jądro atomowe

neutron

n ( n 0 )

0

jądro atomowe

* Ujemny ładunek elektronu i dodatni ładunek protonu mają tę samą wartość bezwzględną (różnią się tylko znakami). Ustalono, że ładunek ujemny elektronu jest elementarnym ładunkiem ujemnym. Zatem proton ma elementarny ładunek dodatni.

RAHeuy4iGZW2A
Porównanie rozmiarów atomu wodoru oraz uranu. Pikometr o symbolu pm to jednostka długości. Jeden pikometr równy jest 10-12 m
Źródło: Krzysztof Jaworski, licencja: CC BY-SA 3.0.
Ciekawostka

Czy składniki atomu są niepodzielne?
Obecny stan wiedzy pozwala nam powiedzieć, że elementarnymi składnikami materii są dwa rodzaje cząstek: leptony i kwarki. Nie wiemy, czy cząstki te mają strukturę wewnętrzną. Elektron należy do leptonów, czyli zgodnie z obecnym stanem wiedzy jest niepodzielny, nie ma wewnętrznej struktury. Z kolei neutrony i protony są zbudowane z kwarków. Znaleziono dowody na istnienie sześciu rodzajów kwarków. Każdemu z nich fizycy nadali angielskie nazwy, nawiązujące bardziej do życia codziennego niż do świata nauki. W języku polskim nazwy te brzmią: górny (u), dolny (d), dziwny (s), powabny (c), niski (spodni) (b), wysoki (t). Nie istnieją one samodzielnie w przyrodzie, jak tylko w grupie, tworząc inne cząstki. Dwa z nich (górny i dolny) biorą udział w tworzeniu nukleonów.

R1OPef6K7plJs
Protony i neutrony są podzielne
Źródło: Krzysztof Jaworski, licencja: CC BY-SA 3.0.
ijSMlmpUvE_d5e311

3. Opisujemy atomy

Aby opisać atom, należy podać liczby protonów (lub elektronów) i neutronów, wchodzących w jego skład.

Polecenie 3

Spróbuj przedstawić na różne sposoby budowę atomu helu, który zawiera dwa elektrony oraz dwa protony i dwa neutrony w jądrze atomowym. Technika prezentacji jest dowolna.

Atomy można opisywać na różne sposoby – da się je narysować, scharakteryzować słownie bądź również przedstawić w tabeli. Choć istnieje wiele sposobów prezentacji budowy atomu, chemicy wykorzystują tylko jeden – opisują atomy za pomocą dwóch liczb: atomowej i masowej.

Liczba atomowa (Z)liczba atomowaLiczba atomowa (Z) to liczba protonów w jądrze, natomiast liczba masowa (A)liczba masowaliczba masowa (A) to liczba nukleonów (suma protonów i neutronów).

Liczby te umieszcza się w odpowiedniej kolejności i w konkretnym miejscu przy symbolu pierwiastka. Z lewej strony symbolu w indeksie górnym umieszcza się liczbę masową A, a w indeksie dolnym – liczbę atomową Z: EZA.

RMxqlHzEKyOVt
Opis budowy atomu za pomocą symboli
Źródło: Krzysztof Jaworski, OpenClips, dostępny w internecie: http://pixabay.com, licencja: CC BY-SA 3.0.
1
Opis przykładowych atomów pierwiastków za pomocą liczb A i Z

Nazwa pierwiastka

Symbol pierwiastka

Liczba protonów w jądrze

Liczba neutronów w jądrze

Liczba elektronów

Liczba masowa

Liczba atomowa

Zapis

wodór

H

1

0

1

1

1

H11

tlen

O

8

8

8

16

8

O816

wapń

Ca

20

20

20

40

20

Ca2040

srebro

Ag

47

60

47

107

47

Ag47107
ijSMlmpUvE_d5e355

4. Jak duże są atomy pierwiastków i jaka jest ich masa? Jak możemy wyrażać masę atomów pierwiastków?

Znane są rozmiary i masy atomów. Średnice atomów to wielkości rzędu miliardowej części metra (10-9 m ), a ich masy stanowią niewyobrażalnie małą część grama
(10-24 g ). Atomy, które należą do innych pierwiastków, różnią się pod względem masy i wielkości.

Najlżejszy z nich, atom wodoru, ma masę około 1,66·10-24 g 
(0,00000000000000000000000166 g), a jego promień wynosi 30 pm
(0,00000000003 m).

Najcięższy z istniejących na Ziemi atomów – atom uranu – ma masę 3,95·10-22 g
 (0,000000000000000000000395 g), a jego promień wynosi 138 pm
(0,000000000138 m).

W codziennej pracy chemik rzadko wykorzystuje wiedzę dotyczącą wielkości atomów, natomiast częściej bierze pod uwagę ich masę. W tym wypadku posługiwanie się wielkościami, które mają małe wartości, jest bardzo niewygodne. Dokonywanie operacji matematycznych na tak małych liczbach może prowadzić do pomyłki i otrzymania niewłaściwego wyniku. Dlatego chemicy w opisie masy atomów posługują się wielkością zwaną atomową jednostką masyjednostka masy atomowejatomową jednostką masy lub unitem, co oznaczają symbolem u. Wartość tej jednostki wynosi 0,0000000000000000000000016 g
 (1 , 66 10 24   g).

Masa atomu pierwiastka, którą wyrazimy za pomocą wspomnianej jednostki, nazywa się masą atomową.

Masa atomowa wodoru wynosi około 1 u, co oznacza, że rzeczywista masa atomu wodoru jest równa liczbowo jednemu unitowi, czyli
0,00000000000000000000000166 g (1 , 66 10 24   g).

RLBOsyX3B8R1e
Film prezentuje proces obliczania masy atomowej helu, na podstawie masy podanej w gramach. Film nie posiada lektora oraz napisów. Slajd 1. Napis - treść zadania: Wyraź masę atomu helu w atomowych jednostkach masy, jeśli masa atomu helu wyrażona w gramach wynosi:0,000000000000000000000006644 g6,644·10-24 gSlajd 2. Po lewej stronie jest zielony kwadrat z symbolem helu na środku. W lewym dolnym rogu symbolu zapisana jest liczba atomowa 2. W prawym górnym rogu kwadratu jest zapisana liczba masowa wynosząca 4,0. W prawej części slajdu jest rozwiązanie zadania. Napis: To wiemy: <math aria‑label="jeden unit">1 u równa się 0,00000000000000000000000166 g 1,66·10-24 gMasa helu wyrażona w gramach równa się 0,000000000000000000000006644 g 6,644·10-24 gSlajd 3. Sprawdźmy, ile unitów mieści się w masie atomu helu. W tym celu dzielimy masę atomu helu wyrażoną w gramach przez atomową jednostkę masy. Slajd 4. Masa atomowa helu równa się równanie, kreska ułamkowa, licznik 0,00000000000000000000006644, mianownik 0,00000000000000000000000166 koniec ułamka, równa się kreska ułamkowa, licznik 6,644·10-24 g, mianownik 1,66·10-24, koniec ułamka, <math aria‑label="cztery przecinek zero zero dwa unity">4,002 u. Slajd 5. Otrzymujemy wynik - masę atomową helu (masę atomu helu wyrażoną w atomowych jednostkach masy).
1
Polecenie 4

Oblicz, ile wynosi masa atomu kobaltu, wyrażona w atomowych jednostkach masy, jeżeli masa atomu kobaltu w gramach wynosi 9 , 794 10 23   g.

RFGJQ8yuIR9IJ
Odpowiedź zapisz w zeszycie do lekcji chemii, zrób zdjęcie, a następnie umieść je w wyznaczonym polu.
Źródło: Gromar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.
RfCV1esfsImGc
(Uzupełnij).
Źródło: Gromar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.
R1BABjP6rpArM
Nagranie prezentujące proces obliczania masy atomów węgla w gramach, na podstawie masy atomowej. Film nie posiada lektora oraz napisów. Slajd 1. Oblicz, jaka jest masa (jednego) atomu węgla wyrażona w gramach, jeśli jego masa atomowa wynosi 12 u. Slajd 2. Po lewej stronie jest symbol węgla – C. W lewym dolnym rogu jest liczba atomowa 6, natomiast w górnym rogu jest liczba masowa o wartości 12. Po prawej stronie zapis: To wiemy: 1 u równa się 0,00000000000000000000000166 g 1,66·10-24 gSlajd 3. Masa atomowa węgla równa się 12 u. Slajd 4. Aby obliczyć masę atomu węgla wyrażoną w gramach, należy jego masę atomową <math aria‑label="dwanaście unitów">12 u pomnożyć przez masę jednego unitu. Slajd 5. Masa atomu węgla wyrażona w gramach: 12·1,66·10-24 g=19,92·10-24 gOtrzymujemy wynik‑masę atomu węgla wyrażoną w gramach.
1
Polecenie 5

Oblicz, ile wynosi masa atomu wapnia, wyrażona w gramach, jeżeli masa atomu wapnia w atomowych jednostkach masy wynosi 40   u.

RrScmtwRPPIUw
Odpowiedź zapisz w zeszycie do lekcji chemii, zrób zdjęcie, a następnie umieść je w wyznaczonym polu.
Źródło: Gromar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.
RinmegaaUipqT
(Uzupełnij).
Źródło: Gromar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Masę cząstek subatomowych można także wyrazić w atomowych jednostkach masy. Okazuje się, że masy protonu i neutronu są równe około 1 u. Masa elektronu jest znacznie mniejsza od masy protonu i neutronu.

Cząstki subatomowe wchodzące w skład atomów

Nazwa

Symbol

Ładunek

Masa [u]

elektron

e (e-)

-1

1 1847

proton

p (p+)

1

1

neutron

n ( n 0 )

0

1

Należy wyraźnie podkreślić, że mimo bardzo małych rozmiarów jądra w stosunku do całego atomu, jest ono bardzo ciężkie. Skupia aż 99 , 9   % masy całego atomu.

ijSMlmpUvE_d5e421

Podsumowanie

  • Podstawowym elementem, który buduje materię, jest atom.

  • Atom jest zbudowany z jądra i poruszających się wokół niego elektronów (ujemnie naładowanych cząstek).

  • Jądro atomowe zajmuje centrum atomu i składa się z nukleonów, którymi są protony (cząstki o ładunku dodatnim) i neutrony (cząstki, które nie posiadają ładunku elektrycznego).

  • W jądrze atomowym jest skupiona prawie cała masa atomu.

  • Liczba elektronów i protonów w atomie jest jednakowa.

  • Atomy opisuje się za pomocą liczby masowej (A) i liczby atomowej (Z) – EZA.

  • Liczba atomowa opisuje, ile protonów tworzy jądro atomowe i ile elektronów znajduje się w chmurze elektronowej.

  • Liczba masowa to suma liczby protonów i liczby neutronów w jądrze atomu.

  • Jednostką masy atomowej jest unit [u], a jego wartość wynosi 1 , 66 10 24   g.

Praca domowa
Polecenie 6.1
R1PPmLjPcfiR7
Dopasuj atomy do odpowiadającym im opisom. Ma najmniejszą masę: 1. Ne1021
Źródło: Gromar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.
1
Polecenie 6.2

Wyjaśnij, dlaczego nie można zobaczyć atomów za pomocą mikroskopu optycznego.

R1Cwvq4peXPYp
Odpowiedź: (Uzupełnij).
Źródło: Gromar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.
ijSMlmpUvE_d5e605

Słownik

atom
atom

najmniejsza część pierwiastka chemicznego, zachowująca jego właściwości

elektron
elektron

trwała cząstka elementarna o ładunku ujemnym (elementarnym ładunku ujemnym); składnik atomu, zajmuje obszar w przestrzeni wokół jądra

jądro atomowe
jądro atomowe

centralna część atomu, zbudowana z jednego lub więcej protonów i neutronów (nie wszystkie jądra atomowe zawierają neutrony, np. H11); stanowi niewielką część objętości całego atomu, ale w jądrze skupiona jest prawie cała masa atomu

liczba atomowa
liczba atomowa

liczba protonów w jądrze atomowym (równa liczbie elektronów)

liczba masowa
liczba masowa

liczba nukleonów, równa sumie liczby protonów i liczby neutronów

jednostka masy atomowej
jednostka masy atomowej

atomowa jednostka masy, unit [u]; jednostka masy, wykorzystywana do określania względnych mas atomów (tzw. mas atomowych), liczbowo równa 1 , 66 10 24   g

neutron
neutron

cząstka bez ładunku elektrycznego, składnik jądra atomowego

nukleony
nukleony

składniki jądra atomowego; zaliczają się do nich protony i neutrony

pierwiastek
pierwiastek

zbiór atomów o jednakowej liczbie protonów w jądrze

proton
proton

cząstka o elementarnym ładunku dodatnim, składnik jądra atomowego

ijSMlmpUvE_d5e824

Ćwiczenia

Pokaż ćwiczenia:
1
Ćwiczenie 1
R1EovRsjlL2Ec
zadanie interaktywne
Źródło: Bożena Karawajczyk, licencja: CC BY-SA 3.0.
1
Ćwiczenie 2
R9CKT4PWG5nPR
zadanie interaktywne
Źródło: Bożena Karawajczyk, licencja: CC BY-SA 3.0.
1
Ćwiczenie 3

Obejrzyj poniższy schemat i wskaż miejsca przebywania w atomie wymienionych cząstek. Wpisz odpowiednią literę w polach poniżej.

RS9HUHJsMUwAG
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.
R1bpoBcERn0g0
Protony - Tu uzupełnij Elektrony - Tu uzupełnij Neutrony - Tu uzupełnij Nukleony - Tu uzupełnij
Źródło: Gromar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Uzupełnij poniższe zdanie.

RjYyoKYrChdei
Jądro atomowe zbudowane jest z dwóch rodzajów cząstek: dodatnio naładowanych Tu uzupełnij oraz obojętnych Tu uzupełnij, które razem tworzą Tu uzupełnij.
Źródło: Gromar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.
2
Ćwiczenie 4
RvcyHgUyXvbsZ
zadanie interaktywne
Źródło: Bożena Karawajczyk, licencja: CC BY-SA 3.0.
2
Ćwiczenie 5
R1SMElwxqhvBP
zadanie interaktywne
Źródło: Bożena Karawajczyk, licencja: CC BY-SA 3.0.
R1BV5WPIIYMd7
Ćwiczenie 6
Określ skład atomu N714. Wpisz właściwe liczby do poszczególnych pól.
Ro0WSkKqHCVed
Ćwiczenie 7
Określ skład atomu Li37. Wpisz właściwe liczby do poszczególnych pól.
2
Ćwiczenie 8
Rx2MgWX0vkygj
zadanie interaktywne
Źródło: Bożena Karawajczyk, licencja: CC BY-SA 3.0.
2
Ćwiczenie 9
R1E9MWRcS9mPS
zadanie interaktywne
Źródło: Bożena Karawajczyk, licencja: CC BY-SA 3.0.
RLGpiEIpHI7jr3
Ćwiczenie 10
liczba elektronów: 1. 4, 2. 10, 3. 7, 4. 4, 5. 7, 6. 6, 7. 3, 8. 3, 9. 5, 10. 3
liczba protonów: 1. 4, 2. 10, 3. 7, 4. 4, 5. 7, 6. 6, 7. 3, 8. 3, 9. 5, 10. 3
liczba neutronów: 1. 4, 2. 10, 3. 7, 4. 4, 5. 7, 6. 6, 7. 3, 8. 3, 9. 5, 10. 3
liczba masowa: 1. 4, 2. 10, 3. 7, 4. 4, 5. 7, 6. 6, 7. 3, 8. 3, 9. 5, 10. 3
liczba atomowa: 1. 4, 2. 10, 3. 7, 4. 4, 5. 7, 6. 6, 7. 3, 8. 3, 9. 5, 10. 3
Źródło: Gromar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.
R1csl9ZgnzZxF3
Ćwiczenie 11
What particles are found in the nucleus of an atom? Choose the correct answer. Możliwe odpowiedzi: 1. protons and neutrons, 2. protons and electrons, 3. neutrons and electrons
Źródło: Gromar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Bibliografia

Kulawik J., Kulawik T., Litwin M., Podręcznik do chemii dla klasy siódmej szkoły podstawowej, Warszawa 2020.

Łasiński D., Sporny Ł., Strutyńska D., Wróblewski P., Podręcznik dla klasy siódmej szkoły podstawowej, Kielce 2020.

bg‑gray3

Notatnik

Rsvfy1BcGlvXs
(Uzupełnij).
Źródło: Gromar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.