מבנה האטום

הכל עשוי מאטומים. אטום מורכב ברובו מחלל ריק. במרכזו נמצא גרעין קטן וכבד. הגרעין מכיל שני סוגי חלקיקים: פרוטונים וניטרונים. סביב הגרעין, בחלל הריק, נעים האלקטרונים. האלקטרונים נשארים במעטפות — שכבות במרחקים קבועים מהגרעין.

הגרעין קטן מאוד אך מכיל כמעט כל המסה. האלקטרונים תופסים כמעט כל החלל אך יש להם כמעט אין מסה.

מטען יחסי ומסה יחסית

אנו משווים בין שלושת החלקיקים באמצעות מטען יחסי ומסה יחסית. אלו מספרים פשוטים, לא יחידות אמיתיות.

לפרוטון ולניטרון יש כמעט אותה מסה. האלקטרון קל פי 1836 לערך. הפרוטון טעון בטעון חיובי, האלקטרון בטעון שלילי, והניטרון אינו טעון — הוא ניטרלי.

מספר פרוטון ומספר נוקלאון

שני מספרים מתארים את הגרעין:

• מספר הפרוטונים (כונה גם מספר אטומי), סממן $Z$ — מספר הפרוטונים.
• מספר הנוקליונים (כונה גם מספר המסה), סממן $A$ — הסך הכולל של פרוטונים ונוטרונים. פרוטונים ונוטרונים הם שניהם נוקליונים.

לכן, מספר הנוטרונים הוא $A - Z$.

ספירת חלקיקים באטום או ביון

באטום ניטרלי, מספר האלקטרונים שווה למספר הפרוטונים, מה ששווה ל$Z$.

יון הוא אטום שאיבד או רכש אלקטרונים, ולכן יש לו מטען:

• יון חיובי יש לו פחות אלקטרונים מאשר פרוטונים.
• יון שלילי יש לו יותר אלקטרונים מאשר פרוטונים.

דוגמה: $^{27}_{13}\text{Al}^{3+}$ יש לו $13$ פרוטונים, $27 - 13 = 14$ נוטרונים, ו$13 - 3 = 10$ אלקטרונים (איבד 3 אלקטרונים כדי להפוך ל$3+$).

איך מסת ומטען מחולקים

מעט几乎 כל המסה נמצאת בגרעין, כי פרוטונים ונוטרונים כבדים ואלקטרונים קלים מאוד. כל המטען החיובי נמצא בגרעין (הפרוטונים). המטען השלילי מפוזר בשכבות (האלקטרונים).

קרני חלקיקים בשדה חשמלי

דמיינו קרניים של פרוטונים, נוטרונים ואלקטרונים הנעות באותה מהכה אל שדה חשמלי בין שתי צלעות טעונות:

• קרן הפרוטונים מתכופפת לכיוון הצלע השלילית (פרוטונים חיוביים).
• קרן האלקטרונים מתכופפת בכיוון ההפוך, לכיוון הצלע החיובית. היא מתכופפת הרבה יותר, כי האלקטרון קל משמעותית — אותו כוח גורם לסטייה גדולה יותר לגוף בעל מסה קטנה יותר.
• קרן הנוטרונים עוברת ישר דרך. אין לה מטען, ולכן השדה לא מפעיל עליה כוח.

רדיוס אטומי ורדיוס יוני

הרדיוס האטומי הוא גודלו של אטום. הרדיוס היוני הוא גודלו של יון.

בכל תקופה (מימין לשמאל), הרדיוס האטומי הופך לקטן יותר. המטען הגרעיני (המשיכה מהפרוטונים) עולה, אך האלקטרונים נכנסים לאותו מעטפת חיצונית, כך שהחסימה על ידי שכבות פנימיות נשארת בערך זהה. המשיכה החזקה יותר מושכת את המעטפת החיצונית פנימה.

לאורך קבוצה (מלמעלה למטה), הרדיוס האטומי הופך לגדול יותר. כל צעד למטה מוסיף שכבה חדשה, ולכן האלקטרונים החיצוניים נמצאים רחוק יותר ומרגישים יותר חסימה מהגרעין.

עבור יונים:

• יון חיובי (קטיאן) הוא קטן יותר מאטומו. הוא איבד את המעטפת החיצונית שלו, והאלקטרונים שנותרו מרגישים משיכה חזקה יותר כל אחד.
• יון שלילי (אניון) הוא גדול יותר מאטומו. הוא רכש אלקטרונים, ולכן יש יותר דחייה בין האלקטרונים.
• בקרב יונים בעלי אותו מספר אלקטרונים, זה עם יותר פרוטונים הוא קטן יותר.

איזוטופים הם אטומים של אותו יסוד עם אותו מספר פרוטונים אך מספר שונה של נייטרונים. לכן לאיזוטופים יש אותו מספר פרוטונים $Z$ אך מספר נוקלאוני שונה $A$.

אנו כותבים איזוטופ כ$^{A}_{Z}\text{X}$: מספר הנוקלאונים $A$ בחלק העליון, ומספר הפרוטונים $Z$ בחלק התחתון. לדוגמה, לכלור יש שני איזוטופים עיקריים, $^{35}_{17}\text{Cl}$ ו$^{37}_{17}\text{Cl}$.

תכונות כימיות זהות

תכונות כימיות תלו באלקטרונים, במיוחד באלקטרונים החיצוניים. לאיזוטופים של אותו יסוד יש אותו מספר אלקטרונים המסודרים באותו אופן. לכן הם מגיבים בדיוק באותו אופן — להם יש תכונות כימיות זהות.

תכונות פיזיקליות שונות

חלק מהתכונות הפיזיקליות תלו במסה, ולכן הן שונות בין איזוטופים. איזוטופ כבד יותר יש בו יותר נייטרונים, ולכן יותר מסה, ולכן צפיפות גבוהה יותר. (התוכנית לימודית מגבילה הבדל זה למסה ולצפיפות.)

אלקטרונים מסודרים בשכבות, תת-שכבות ואורביטלים.

שכבות ומספר הקוונטי הראשי

כל שכבה מסומנת על ידי מספר הקוונטי הראשי $n = 1, 2, 3, \dots$. ערך גדול יותר ל$n$ מציין שכבה הנמצאת רחוקה יותר מהגרעין ובעלת אנרגיה גבוהה יותר.

תת-שכבות ואורביטלים

כל שכבה מחולקת לתת-שכבות, המכונות s, p ו-d. כל תת-שכבה בנויה מאורביטלים. אורביטל הוא אזור קטן שיכול להכיל עד שני אלקטרונים.

לכן, תת-שכבת s מכילה 2 אלקטרונים, תת-שכבת p מכילה 6, ותת-שכבת d מכילה 10.

סדר העלייה באנרגיה

אלקטרונים ממלאים תחילה את תת-השכבה בעלת האנרגיה הנמוכה ביותר. עבור השלוש שכבות הראשונות, כמו גם 4s ו-4p, סדר עליית האנרגיה הוא:

שימו לב לפתע: 4s נמצא מעט מתחת לאנרגיה של 3d, ולכן 4s ממולא תחילה.

קונפיגורציה אלקטרונית

הקונפיגורציה האלקטרונית מפרטת כמה אלקטרונים נמצאים בכל תת-שכבה. הסידור בעל האנרגיה הנמוכה ביותר הוא המצב היסודי.

לברזל (Fe, $Z = 26$):

ניתן לכתוב סיכום באמצעות הגז האציל הקרוב ביותר בסוגריים מרובעים:

כאן $[\text{Ar}]$ מייצג את הקונפיגורציה המלאה של ארגון.

ליונים, מוסיפים או מורידים אלקטרונים. חוק מרכזי אחד: כאשר מתכת מעבר יוצרת יון חיובי, היא מאבדת את האלקטרונים ב-4s לפני האלקטרונים ב-3d. לכן $\text{Fe}^{3+}$ הופך ל$[\text{Ar}]\,3\text{d}^5$.

אלקטרונים בקופסאות

הסימון אלקטרונים בקופסאות מצייר כל אורביטל כקופסה וכל אלקטרון כחץ. שני אלקטרונים באותו אורביטל חייבים להיות מכוונים לכיוונים הפוכים, משום שכל אלקטרון possesses תכונה הנקראת ספין, והאורביטל המשותף דורש ספינים הפוכים.

בתוך תת-קליפה, אלקטרונים ממלאים אורביטלים ריקים אחד לאחד, בחיצים מקבילים, לפני שכל אורביטל מקבל אלקטרון נוסף. התפזרות כזו משאירה את האלקטרונים מרוחקים זה מזה ומצמצמת את הדחייה ביניהם.

מדוע הקונפיגורציה לוקחת צורה זו

אלקטרונים ממלאים מאנרגיה נמוכה לגבוהה כי כך מתקבל האטום היציב ביותר (בעל אנרגיה מינימלית). בתוך תת-קליפה הם מתפזרים בודד תחילה כדי להפחית את הדחייה בין האלקטרונים השליליים.

צורות של אורביטלי s ו-p

• אורביטל s הוא כדור הממוקם במרכז הגרעין.
• אורביטל p יש לו שני פתחים, כמו משקולת דמיונית, המצויים לאורך ציר אחד. שלושת אורביטלי ה-p מצויים לאורך שלושה כיוונים הנמצאים בזווית ישרה (צירי $x$, $y$ ו$z$).

רדיקלים חופשיים

רדיקל חופשי הוא מין בעל אלקטרון אחד או יותר בלתי זוגיים. רדיקלים חופשיים הם מאוד תגובתיים.

אנרגיית יוניזציה ראשונה

אנרגיית יוניזציה ראשונה (IE) היא האנרגיה הנדרשת להוצאת אלקטרון אחד מכל אטום באחד מול של אטומים גזיים, תוך היווצרות של מול אחד של יונים גזיים $+1$.

אנו משתמשים באטומים גזיים כדי שלא יהיו כוחות בין החלקיקים. היחידה היא $\text{kJ mol}^{-1}$. כמשוואה, עבור יסוד X:

ה$(\text{g})$ מראה שהמין הוא בגז.

אנרגיות יוניזציה עוקבות

לאחר ההוצאה של אלקטרון אחד, ניתן להוציא אלקטרון נוסף. אנרגיית יוניזציה שנייה מוצאת אלקטרון אחד מכל יון $+1$:

ניתן להמשיך. אלו הן אנרגיות יוניזציה עוקבות. כל אחת מהן גדולה מהקודמת שלה, כי כל אלקטרון מושך הרחק מיון בעל מטען חיובי גדול יותר.

על מה תלויה אנרגיית יוניזציה

אנרגיית יוניזציה נובעת מהמשיכה בין הגרעין החיובי לבין האלקטרון החיצוני. שלושה גורמים עיקריים קובעים את חוזק המשיכה הזו:

• טענת גרעין: ככל שיש יותר פרוטונים, הם מושכים את האלקטרונים חזק יותר, ולכן אנרגיית היוניזציה גבוהה יותר.
• רדיוס אטומי: ככל שהאלקטרון החיצוני רחוק יותר מהגרעין, המשיכה חלשה יותר, ולכן אנרגיית היוניזציה נמוכה יותר.
• מסך: מערכות פנימיות חוסמות חלק ממשיכת האלקטרון החיצוני. ככל שיש יותר מערכות פנימיות, כך יש מסך גדול יותר ואנרגיית יוניזציה נמוכה יותר.

יש גם השפעה קטנה יותר — דחיית זוג סpin. כאשר שני אלקטרונים משתפים אורביטלי אחד, הם דוחים זה את זה מעט, ולכן אחד מהם קל יותר להוצאה.

מגמות באנרגיית יוניזציה ראשונה

במהלך תקופה, אנרגיית היוניזציה הראשונה בדרך כלל עולה. הטענת הגרעין גדלה בעוד המסך נשאר בערך אותו דבר, ולכן האלקטרונים החיצוניים נתפסים חזק יותר.

לאורך מחלקה, אנרגיית היוניזציה הראשונה יורדת. אלמנטים תחתונים יש להם יותר מערכות, ולכן מסך גדול יותר ורדיוס גדול יותר, והאלקטרון החיצוני קל יותר להוצאה.

הנפילות הן עדות לתת-מערכות

העלייה במהלך תקופה אינה חלקה. מופיעות שתי נפילות קטנות, ועליך להיות מסוגל להסביר את שתיהן:

• ממחלקה 2 למחלקה 13 (למשל Mg ל-Al): האלקטרון המושלם מ-Al מגיע מתת-מערכת 3p, שהיא בגובה אנרגטי גבוה יותר מאשר תת-מערכת 3s המלאה ב-Mg. אלקטרון 3p קל יותר להוצאה, ולכן הערך נופל.
• ממחלקה 15 למחלקה 16 (למשל P ל-S): ב-S, אורביטלי 3p אחד מכיל כעת זוג אלקטרונים. דחיית זוג הסpin גורמת לאחד מהם להיות קל יותר להוצאה, ולכן הערך נופל.

נפילות אלו הן עדות לקיום תת-מערכות.

אנרגיות יוניזציה עוקבות הן עדות למערכות

אם תצייר את אנרגיות היוניזציה העוקבות של אלמנט אחד, הערכים יעלו, עם קפיצים גדולים בנקודות מסוימות. קפיץ גדול מתרחש כאשר האלקטרון הבא חייב להתפרק ממערכת הקרובה יותר לגרעין.

ספור כמה אלקטרונים משתחררים בקלות לפני הקפיץ הגדול הראשון — זהו מספר האלקטרונים במערכת החיצונית, שמספר לך את המחלקה בה נמצא האלמנט. ניתן גם להשתמש בדפוס כדי לחשב את הקונפיגורציה האלקטרונית ואת מיקום האלמנט בטבלה המחזורית.

*אנרגיות יינון עוקבות של נתרן (סולם לוגריתמי): הקפיצות הגדולות חושפות את מבנה $2,8,1$

דוגמה מופת. חמש אנרגיות היינון העוקבות הראשונות של יסוד הן $590$, $1150$, $4940$, $6480$ ו$8120\ \text{kJ}\,\text{mol}^{-1}$. באיזו קבוצה הוא נמצא? חפש את הקפיצה הגדולה, לא את המספר הגדול ביותר. מה-1 ל-2 הערך מכפיל בערך פי שניים, זהו עלייה רגילה. מה-2 ($1150$) ל-3 ($4940$) הוא מעלה פי ארבעה: זוהי הקפיצה. לכן שני אלקטרונים נשלפים בקלות לפני כן, הקליפה החיצונית מכילה 2 אלקטרונים, והיסוד נמצא ב-קבוצה 2. ספור את האלקטרונים שנשלפו לפני הקפיצה, והסבר את הקפיצה נכון: האלקטרון הבא נמשך מקליפה קרובה יותר לגרעין, ולא מאלמנט אחר.

• הגדר איזוטופים במלואם: אטומים של אותו יסוד עם אותה מספר פרוטונים אך מספר שונה של נייטרונים — תוכנית ההערכה דורשת את שני החלקים.
• 4s מתמלא לפני 3d, אך אלקטרונים נשלפים מ-4s תחילה בעת יצירת יונים, כך ש$\text{Fe}^{3+}$ הוא $[\text{Ar}]3\text{d}^5$ (ולא $[\text{Ar}]3\text{d}^3 4\text{s}^2$).
• באנרגיות יינון עוקבות, קפיצה גדולה מסמנת את תחילת קליפה חדשה (פנימית) — השתמש בקפיצות כדי למקם את היסוד בקבוצתו.
• הסבר כל מגמת אנרגיית יינון באמצעות שלושת הגורמים: מטען גרעיני, מרחק ומסך, בנוסף להשפעות תת-קליפה עבור הנפילות הקטנות.
• למד את הסיבה המדויקת לכך שאנרגיית הינון ראשונה של חמצן היא מתחת לזו של חנקן: אלקטרונים זוגיים ב-2p של החמצן דוחים זה את זה, ולכן אחד מהם נשלף בקלות.