MAŠINSKI / TEHNICKI MATERIJALI

2. Predavanje

2. GRAĐA ATOMA I PERIODNI SISTEM ELEMENATA 2

2.1. GRAĐA ATOMA 2 2.1.1. Modeli atoma – istorijski razvoj 2 2.1.2. Delovi atoma 3

Elektroni 3 Jezgro atoma 4

2.1.3. Izotopi 5 2.1.4. Kvantni brojevi elektrona i atoma 6

Glavni kvantni broj 7 Sekundarni (drugi, orbitalni) kvantni broj 8 Pisanje izraza za konfiguraciju elektrona 9 Magnetni i spinski kvantni broj 10 Elektronske konfiguracije glavnih tehničkih metala (Fe, Al, Cu, Mg) 11

2.2. PERIODNI SISTEM ELEMENATA 12 Plemeniti gasovi 14 Metali, nemetali i metaloidi 14 Periodični trend atomskih radijusa 15 Elektropozitivni i elektronegativni elementi 15

2. GRAĐA ATOMA I PERIODNI SISTEM ELEMENATA

2.1. GRAĐA ATOMA

Poznavanje strukture atoma osnova je za razumevanje uticaja strukture atoma na svojstva, ponašanje i primenu materijala u tehnici. Struktura atoma utiče na vrstu veza između strukturnih jedinica. Različite vrste veza direktno utiču na stvarnu primenu materijala.

Reč atom dolazi od starogrčke reči atomos - nedeljiv, što je u skladu s verovanjem (aktualnim do 19. veka) da su atomi najmanji deljivi elementi materije.

2.1.1. Modeli atoma – istorijski razvoj

Demokrit je bio predsokratovski grčki filozof (rođen u Abderi-Traciji 460. pne. - 370. pne.).

Bio je Leukipov učenik i zajedno s njim je začetnik ideje da su sve stvari sačinjene od raznih neuništivih i nedeljivih elemenata koje su zvali "atomi". Prvi model atoma pripisuje se Demokritu. Pošto u to doba nije bilo nikakvih saznanja o strukturi atoma (nisu postojali elektronski mikroskopi), atomi su zamišljani kao jako malene nedeljive kuglice.

Otkriće elektrona 1897. (Tomson) pokazalo je da se u atomima nalaze još fundamentalnije čestice. 14 godina kasnije, Radeford (Rutherford) je otkrio da se većina mase atoma nalazi u sičušnom jezgru (nucleus) čiji je radijus samo 1/100000 u odnosu na celi atom.

Proučavanjem raspršivanja alfa-čestica na atomima Radeford je došao do zaključka da atom čija je veličina 10-8 cm nije kompaktan delić materije, nego sastavljen od pozitivnog jezgra (veličine 10-12 cm) i elektrona koji kruže oko njega. Radeford je prvi upotrebio reč proton za pozitivno naelektrisanu česticu u jezgru atoma.

Danac Bor (Niels Bohr) usavršio je Radefordov model atoma primenivši kvantnu teoriju nemačkog fizičara Planka (Maxa Plancka).

Borov model je ustanovljen posle Radefordovih eksperimenata kojima je utvrđeno da je u centru atoma maleno pozitivno naelektrisano jezgro (nucleus), a elektroni kruže po orbitama oko jezgra poput planeta koje kruže oko Sunca. No, da bi model bio prihvaćen, trebalo je rešiti

John Dalton 1766–1844

J. J. Thomson 1856–1940

Schrödinger 1887-1961

Niels Bohr 1885-1962

Ernest Rutherford 1871–1937

Democritus 460 – 370 pne.

sledeći problem: Jezgro je pozitivno naelektrisano, elektroni negativno, zašto elektron uopšte kruži oko jezgra, zašto se ne spoji s jezgrom?

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).

Današnji model atoma nazivamo kvantno-mehanički model, jer je s vremenom utvrđeno da Borov model ne odgovara baš najbolje eksperimentima, da elektroni ne kruže baš po kružnicama, nego slike dostupne pomoću elektronskih mikroskopa prikazuju nam elektronske oblake.

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

2.1.2. Delovi atoma

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

• protona, • neutrona i • elektrona. Proton i neutron zajedno obrazuju jezgro atoma (nukleus), dok spoljne delove atoma čine

elektroni

Elektron je otkrio 1897.god. Tomson (Thomson) On je negativno naelektrisan Ima masu koja je ~1/2000 deo mase protona. Proton je otkrio 1919. Radeford (Rutherford) Predstavlja sastavni deo jezgra atoma Ima pozitivno naelektrisanje Masa je ~2000 puta veća od mase elektrona Neutron je identifikovao 1932. Chadwick (Čadvik): Drugi sastavni deo jezgra Nema naelektrisanje Masa je aproksimativno jednaka masi protona

Elektroni

Elektroni su čestice koje kruže oko jezgra atoma slično Zemlji koja se obrće oko sopstvene ose dok istovremeno kruži oko Sunca.

Ta rotacija, kao i ona koju čine planete, ostvaruje se neprekidno i u savršenom redu po putanjama koje zovemo orbite.

Da načinimo poređenje između veličine elektrona i veličine Zemlje: ako uvećamo atom do veličine Zemlje, elektron bi bio veličine jabuke.

Elektroni su sićušne čestice, veličine skoro dvehiljaditog dela veličine neutrona i protona. Atom ima isti broj elektrona kao i protona, i svaki elektron nosi negativno (-) naelektrisanje koje je jednako pozitivnom (+) naelektrisanju koje nosi svaki proton. Ukupno pozitivno (+) naelektrisanje u jezgru i ukupno negativno (-) naelektrisanje elektrona poništavaju jedno drugo i atom postaje

Atom = Nukleus (protoni i neutroni) + Elektroni

neutralan. Električno naelektrisanje koje oni nose obavezuje elektrone da poštuju određene fizičke

zakone. Jedan od tih fizičkih zakona široko je poznat: "Ista električna naelektrisanja međusobno se odbijaju, a suprotna privlače."

Jezgro atoma

Do 1932. godine, smatrano je da se jezgro sastoji samo od protona i elektrona. Tada je otkriveno da u jezgru nema elektrona već neutrona koji se nalaze pored protona. Poznati naučnik Čedvik (Chadwick) dokazao je 1932. godine postojanje neutrona u jezgru i bio je nagrađen Nobelovom nagradom za svoje otkriće.

Jezgro atoma se sastoji iz približno jednakog broja protona i neutrona.

Protoni su pozitivno naelektrisani, a elektroni negativno, tako da je atom u električnom pogledu neutralan. U svakom atomu, protoni i neutroni gusto su zajednički spakovani i čine oko 99.9% ukupne mase atoma, a ostatak mase čine elektroni.

Do pre dvadeset godina smatrano je da su najmanje čestice koje sačinjavaju atome bili protoni i neutroni. Ipak, nedavno je otkriveno da postoje mnogo manje čestice u atomu koje formiraju 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 bave fizikom čestica otkrila su da su protoni i neutroni koji sačinjavaju atom u stvari formirani od subčestica zvanih "kvarkovi".

Dimenzija kvarkova koji formiraju proton, koji je tako sićušan da prevazilazi mogućnosti ljudske imaginacije: 10-18 (0,000000000000000001) metara.

Postoji veliki prostor koji se nalazi između osnovnih čestica. Ako razmišljamo o protonu u jezgru kiseonika kao o kući u centralnoj Francuskoj, onda elektron koji kruži oko njega pravi krug koji prolazi kroz Holandiju, Nemačku i Španiju.

Sir James Chadwick

1891-1974

Skup od tri kvarka koji sačinjavaju jedan

Proton Neutron

Elementarna čestica

Znak čestice Masa, g Relativna masa

čestice Naelektrisanje

čestice, kuloni (C)

Relativno naelektrisanje

čestice Proton Neutron Elektron

p+ n0 e-

1.673×10-241.675×10-249.109×10-28

1 1 0

+1.602×10-19 0

-1.602×10-19

+1 0 -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.

Tako atom gvožđa, koji sadrži 26 elektrona i 26 protona, ima atomski broj 26. Ukupna masa svih čestica predstavlja atomsku masu.

Maseni broj (A) je zbir broja protona i neutrona. Masa svakog protona i neutrona je 1,67 x 10-24 g, dok je masa svakog elektrona samo 9,11 x 10-28 g (~2000 x manja).

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 vodonika sastoji se iz jednog protona i jednog elektrona te mu je atomski broj 1. Vodonik je najlakša materija koju poznajemo; u tečnom vodoniku potonuće čak i pluta.

2.1.3. Izotopi

Hemijski elementi koji se razlikuju po broju neutrona, a imaju isti broj protona nazivaju se izotopima datog elementa.

Mase izotopa su različite, ali su im identične hemijske osobine. Tako npr. stabilan izotop ugljenika C12 ima 6 protona i 6 neutrona, a radioaktivni ugljenik C14 ima 6 protona i 8 neutrona

Elementi sa 90 i više protona (npr. uranijum) imaju nestabilne izotope - jezgra im se raspadaju i nastaju atomi drugih elemenata.

Ugljenik C12 (stabilan) Ugljenik C14 (nestabilan)

2.1.4. Kvantni brojevi elektrona i atoma

Elektroni se obrću samo u elektronskim ljuskama. Postoji sedam elektronskih ljuski. Svaka elektronska ljuska ima određen nivo energije koji varira u skladu sa udaljenošću ljuske od jezgra. Što je elektronska ljuska bliža jezgru, njeni elektroni imaju manje energije, a što je dalja od jezgra, njeni elektroni imaju veću energiju.

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 između ljuski. Izvor te energije je "foton".

• Svetlost koja dolazi sa Sunca na Zemlju rasipa se u obliku fotonskih čestica. Te fotonske

čestice, rasejane širom Zemlje, pogađaju atome materije. • Fotoni ne mogu da putuju daleko unutar atoma. Oni pogađaju elektrone koji kruže oko

jezgra. • Elektroni apsorbuju te fotone koji ih pogađaju.

Prva ljuska (orbita)

Najniži energetski nivo

Druga ljuska (orbita)

Viši energetshi nivo

Treća ljuska (orbita)

Još viši energetshi nivo

• Kada elektroni prime energiju fotona koje apsorbuju, oni dospevaju na drugu ljusku koja ima viši nivo energije.

• Ti elektorni pokušavaju da se vrate u svoje prvobitno stanje. • Pošto se vraćaju do svojih prvobitnih ljuski, emituju fotone određene energije. • Fotoni koje emituju elektroni određuju boju tog predmeta.

--

--

--

--

Stanje jednog elektrona u atomu opisuje se s četiri kvantna broja: 1. Glavni kvantni broj, n, 2. Sekundarni (drugi, orbitalni) kvantni broj, l, 3. Magnetni kvantni broj, ml 4. Spinski kvantni broj, ms,

Glavni kvantni broj

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

Što je veća vrednost n, to je ljuska dalja od jezgra, Udaljeniji elektroni poseduju veću energiju,

K

L

M

Postoji sedam elektronskih ljuski oko

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

2n2

Maksimalan broj elektrona koji može da bude prisutan u svakoj elektronskoj ljusci oko atoma fiksiran je tom formulom. (Slovo "n" označava broj elektronske ljuske.). Međutim, to ne važi do kraja zato što nema

hemijskog elementa koji bi imao tako veliki broj protona u jezgru i elektrona u omotaču. Zadnja, valentna ljuska može imati najviše 2 elektrona za helijum (He), a za atome ostalih

elemenata 8 elektrona, oktet.

Primeri atomskih struktura

Sekundarni (drugi, orbitalni) kvantni broj

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 biti 2(2l+1),

Glavni i sekundarni kvantni broj

Elektronska konfiguracija azota

Pisanje izraza za konfiguraciju elektrona

Prvi simbolički zapis 1s2 u prethodnom izrazu pokazuje da prva orbita ima 2-elektrona, dok drugi zapis 2s2p6 pokazuje da druga ljuska ima podslojeve s i p koji sadrže 2 i 6 elektrona, respektivno. Slično tome i dalje ljuske 3 i 4 sadrže podslojeve s, p, d odnosno s i p sa brojevima elektrona upisanih u izložiocu.

Primer – Magnezijum (Mg)

Primer - Hlor (Cl)

Magnetni i spinski kvantni broj

• Magnetni kvantni broj ml vrednosti od -l do +l, uključujući i nulu, definiše nagib 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 obrtanja elektrona oko sopstvene ose (- ulevo i + udesno).

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 (↑↓) (↑↓) (↑↓) (↓↑) (↑↓) (↑↑↑↑) (↑↓)

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

Pri odredjivanju oblika pojedinih orbitala (kružnih – n/k=1, eliptičnih - n/k), polazi se od Borovog modela atoma (slika levo) i tablice (desno) date uz ovu sliku.

Stabilne elektronske konfiguratcije

Opšti izraz konfiguracije elektrona francijuma (Fr)

Elektronske konfiguracije glavnih tehni�kih metala (Fe, Al, Cu, Mg)

Koristeći se gore datim redosledom popunjavanja pojedinih orbitala elektronima, može se napisati elektronska konfiguracija glavnih tehničkih metala (Fe, Al, Cu, Mg) u sledećem obliku:

Za sve poznate hemijske elemente odredjena je njihova elektronska struktura (konfiguracija), tj. glavni kvantni brojevi i broj elektrona u pojedinim ljuskama odnosno podslojevima. Ta struktura za neke odabrane elemente, počev od vodonika atomskog broja 1, pa do kalcijuma atomskog broja 20 data je u sledećoj tabeli.

2.2. PERIODNI SISTEM ELEMENATA

Postoji 109 hemijskih elemenata koji su do sada otkriveni. Ceo svemir, naša Zemlja i sve živo i neživo u našem svetu formirano je raspoređivanjem tih 109 elemenata u različitim kombinacijama. Do sada smo videli da su svi elementi izgrađeni od atoma koji su slični jedni drugima i koji su sačinjeni od istih čestica. Prema tome, ako su svi atomi koji sačinjavaju elemente izgrađeni od istih čestica, šta onda čini da se elementi razlikuju jedni od drugih i šta je uzrok formiranja beskrajno 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 najlakšem elementu, 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 protona u 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.

Ruski hemičar Dmitrij Mendeljejev predložio je 1869. godine da se svi do tada poznati

hemijski elementi srede prema rastućim atomskim težinama i periodičnosti njihovih osobina. Docnije se pokazalo da je za postizanje potpune periodičnosti osobina trebalo poredjati elemente prema rastućem atomskom broju odnosno ukupnom broju elektrona.

Zakon periodičnosti Slična fizička i hemijska svojstva periodično se

ponavljaju pri čemu se elementi mogu poređati po rastućim atomskim brojevima.

Organizovanost elemenata u periodnom sistemu je vezana uz atomsku strukturu. U periodnom sistemu elementi su poređani prema veličini atomskog broja na taj način da elementi, koji imaju slična hemijska i fizička svojstva, leže jedan ispod drugoga u stupcu koji nazivamo grupa. 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 slovima A i B. Sa porastom atomskog broja dolazi do skokovite promene osobina po kojima se elementi medjusobno razlikuju. Elementi koji se nalaze u istoj koloni imaju sličnu gradju spoljašnjeg elektronskog sloja te stoga i slične osobine

Elementi iste grupe periodnog sistema imaju uvek isti broj elektrona u spoljašnjoj ljusci. Električna, hemijska, mehanička i toplotna svojstva atoma zavise od broja elektrona u spoljašnjoj ljusci. Broj vodoravnog reda ili periode ujedno pokazuje u kojoj se ljusci nalazi određeni broj vanjskih elektrona.

Na levoj strani i u sredini periodnog sistema su hemijski elementi koji predstavljaju metale.

Oni imaju tzv. metalna svojstva: veliku električnu i toplotnu provodnost, metalni sjaj, kovkost i duktilnost. Na desnoj strani periodnog sistema su hemijski elementi koji predstavljaju nemetale, tj. materije koje nemaju metalna svojstva. Prelaz između metala i nemetala čine polumetali (semi-metali ili metaloidi) koji nemaju izrazita metalna svojstva.

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.

Metali, nemetali i metaloidi

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

• Nemetali: Elementi gornjeg desnog ugla periodnog sistema. Njihova hemijska 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.

Periodi�ni 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

Elektropozitivni i elektronegativni elementi

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.).

Od leva na desno (po dijagonali) raste elektronegativnost, a u obrnutom smeru raste elektropozitivnost elemenata

Neki trendovi ponašanja elemenata u zavisnosti od položaja u Periodnom sistemu

elemenata prikazani su na sledećoj slici.

Na sledećim slikama pokazani su elementi koji predstavljaju metale kao i oni elementi koji

grade keramike, stakla i polimerne materijale.