Atomen, je hebt misschien gehoord, vertegenwoordigen het kleinst mogelijke stukje van een bepaald soort materie. Als je het geluk had om een steen van één pond van het element goud (Au) te hebben, zou je het in kleinere en kleinere stukjes kunnen verdelen totdat je alleen maar goudatomen overhoudt; verdere onderverdelingen zijn mogelijk, maar geen van de resulterende componenten is specifiek voor goud.
Het periodiek systeem der elementen omvat 118 afzonderlijke soorten atomen (dat wil zeggen elementen), die allemaal een uniek aantal protonen en elektronen en een vergelijkbaar aantal neutronen hebben. Maar hoe klein is deze oneindig kleine entiteit eigenlijk? Is er een manier om de grootte van een atoom tot de straal van iets in uw eigen ervaring?
Wat zijn de onderdelen van een atoom?
Alle atomen bevatten minstens één proton, met protongetal dat de identiteit van een element bepaalt. Een element heeft een atoomnummer, de unieke identificatie die is gekoppeld aan het protonnummer en met een één- of tweelettersymbool (bijvoorbeeld Ca voor calcium, elementnummer 20 in het periodiek systeem).
In de neutrale, niet-geladen toestand heeft elk atoom hetzelfde aantal elektronen zoals het protonen doet. Elementen die beginnen met helium bevatten ook een aantal neutronen vergelijkbaar met en meestal iets groter dan het protongetal. Varianten van elementen met verschillende aantallen neutronen worden isotopen genoemd.
Protonen zijn negatief geladen en zijn geclusterd met neutronen om de atoomkern te vormen. De negatief geladen elektronen ritselen ondertussen rond op aanzienlijke afstanden van de kern in verhouding tot de totale grootte van het atoom, zoals je in detail zult zien.
Welke krachten bepalen de atoomgrootte?
Atomen worden gekenmerkt door hun enorme hoeveelheid onbezette ruimte, wat een schijnbaar bizarre observatie is over iets dat al zo minuscuul is. De atomaire straal wordt normaal gesproken gedefinieerd als de afstand van het centrum van de kern tot de buitenste elektron orbitaal. In die zin kan een atoom grafisch worden weergegeven als cirkelvormig, waarbij de kern in het midden en de buitenste elektronenschil de cirkelboog vormen.
Terwijl je van links naar rechts langs een rij beweegt, nemen het protonnummer en het elektronnummer beide met één toe bij elke verandering in element. Omdat de elektronen echter verstrooid worden toegevoegd dankzij de regels van elektron-orbitale vulling, terwijl de groeiende positieve lading van de kern blijft geconcentreerd in één kleine ruimte, de elektronen worden dichter bij de kern getrokken tot de edelgassen in periode 18 van elk rij.
Dan, met een sprong naar de volgende rij, worden de buitenste elektronen van de atomen gevonden in een geheel nieuw energieniveau, waardoor de atoomstraal aanzienlijk toeneemt. Vervolgens nemen de stralen af langs de nieuwe rij op het periodiek systeem, zoals eerder.
Wat is de grootte van de atoomkern?
Er is geen formele atoomstraalformule die van toepassing is op alle atomen, maar in covalent gebonden atomen kan de straal worden geschat door de afstand tussen atoomkernen door twee te delen.
Atoomstralen worden over het algemeen bepaald door experimenteren en aftrekken. Als de straal van één atoom bekend is (bijvoorbeeld calcium, ongeveer 178 picometer of pm, gelijk aan 1,78 10–10 m), en de afstand tussen de kernen van een calciumselenide (CaSe)-molecuul 278 pm is, kun je 178 van 278 aftrekken om een redelijke schatting te krijgen van de straal van een seleniumatoom (100 pm).
In termen van real-world analogieën, heeft een klassieke grootte van een atoomvergelijking betrekking op een sportstadion. De straal van de kern zelf gaat alleen over 1 × 10–15 m ongeacht het element, en in een typisch atoom, zou het buitenste elektron zich dicht bij een voetbalveld bevinden, of ongeveer 100 m.
Atom-maattabel:
Zie de bronnen voor een grafiek met de geschatte waarden van de eerste 86 elementen in het periodiek systeem. Deze variëren van ongeveer 40 pm voor waterstof tot ongeveer 240 pm voor cesium.