Atomen

Allting består av atomer! Precis oavsett vad du tittar på, känner lukten av eller känner på så är det i grund och botten atomer. Atomerna är ordnade på olika sätt, till exempel som joner, molekyler eller metaller. I sällsynta fall, som heliumgasen i en ballong, hittar vi atomer som inte sitter ihop med andra atomer. Olika atomslag fungerar dock på olika vis och reglerna styrs av hur atomen är uppbyggd. För att förstå detta måste vi hålla reda på två saker: Att lika laddningar stöter bort varandra och att olika laddningar attraherar varandra. Elektroner är negativt laddade. Två elektroner stöter alltså bort varandra. Protoner är positivt laddade. En proton och en elektron attraherar varandra.

Atomen består av en liten positivt laddad kärna

Atomen består av en mycket liten kärna som innehåller positivt laddade protoner och oladdade neutroner. Antalet protoner, som är samma sak som atomnumret, bestämmer vilket grundämne det är. Atomer med samma antal protoner, men olika antal neutroner kallas isotoper. Antalet neutroner bestämmer vilken isotop det är frågan om. Skulle vi undersöka 10 000 väteatomer från ett glas vatten (H2O) så kommer i medeltal 9 999 av dessa att vara väteatomskärnor med endast en proton. En enda väteatom, av de 10 000, kommer dessutom att ha en neutron. En sådan väteatom kallas för deuterium.

Vatten som består av deuterium istället för vanligt väte kallas för tungt vatten (D2O). Det är ungefär 11 % tyngre än vanligt vatten.

Den absolut vanligaste isotopen av atomslaget kol innehåller sex protoner och sex neutroner. Den kallas kol-12 eftersom den innehåller sammanlagt 12 protoner och neutroner.

Vissa grundämnen förekommer bara i naturen med en isotop. Ett exempel är rhodium (Rh) som finns i katalysatorer i bilar. De flesta grundämnen har flera isotoper. Tenn har flest stabila isotoper - 10 stycken.

Atomkärnan är omgiven av negativt laddade elektroner

Runt atomkärnan finns de negativt laddade elektronerna. Vi kan inte se hur elektroner och protoner samverkar eftersom atomer är så små. Istället har vi skapat modeller för hur atomen är uppbyggd. Modellerna är tillräckligt bra för att förklara hur olika material beter sig på makronivå. Modellerna blir hela tiden bättre eftersom vi lär oss mer och mer om atomer.

Modellerna bygger på att elektronerna rör sig runt kärnan. Annars skulle attraktionen mellan de negativa elektronerna och de positiva protonerna få elektronerna att falla in i kärnan. Men attraktionen finns där ändå, så elektronerna kommer att kretsa så nära kärnan som möjligt.

Men elektronerna stöter också bort varandra så när vi får många elektroner runt atomkärnan blir det besvärligt. De dras alla till atomkärnan. Men ju närmare kärnan de kommer, desto närmare kommer de också varandra. Och då stöts de bort från varandra. Naturen har löst detta genom att se till att elektronerna rör sig i olika ”filer” som inte möter varandra. Det är ungefär som på en motorväg. Med flera filer så får det plats fler bilar som inte krockar med varandra. I atomen kallar vi sådana "filer" för skal.

Atomernas skal kommer i fyra olika varianter där vi kan stoppa in 2, 6, 10 eller 14 elektroner. Eftersom vi måste sätta namn på saker för att kunna prata om dem, så kallar vi skal som har plats för 2, 6, 10 och 14 elektroner för s, p, d och f. Ju närmare kärnan elektronerna befinner sig, desto trängre är det. Längst in finns det bara plats för s-elektroner. Lite längre ut finns det plats för både s- och p-elektroner. Ännu längre ut finns det både s- p- och d-elektroner och så småningom även f-elektroner.

Periodiska systemet byggs upp genom att elektronskal fylls på

Ju fler elektroner det finns i en atom, desto mer komplicerat blir detta, lite som biltrafiken på väg in mot centrum i en storstad som Los Angeles jämfört med en mindre by i Sverige. Men det finns ett enkelt schema för hur vi placerar in elektronerna i olika skal allt eftersom atomerna blir tyngre. Detta kallas ibland för diagonalregeln. Vi börjar med att rita upp de olika skalen. Längst in finns bara ett s-skal. Det döper vi till 1s. Sedan kommer ett nytt s-skal och ett p-skal. De döper vi till 2s och 2p. När vi har skapat tillräckligt många skal är det dags att börja fylla på med elektroner. Då drar vi linjer längs diagonalen, från övre högra hörnet till nedre vänstra. Sedan är det bara att fylla på med elektroner i denna ordning.

Beroende på vilket skal vi fyllt på sist kommer atomerna få olika kemiska egenskaper. Periodiska systemet kan därför grovt delas upp i fyra delar: En del med grundämnen som har s-elektroner ytterst, en där p-elektronerna fyllts på sist, en med d-elektronerna ytterst och sist en med f-elektroner. För att spara lite plats när periodiska systemet ritas upp bryts ofta de grundämnen som har f-elektroner ytterst loss och placeras under de andra grundämnena.

Varje gång ett skal har blivit helt fyllt har atomen fått extra stabilitet. Det blir dessutom ännu lite mer stabilt när vi fyllt ett p-skal och kommit till ädelgaserna.

Atomer kan ta upp eller lämna ifrån sig elektroner

Det går även att uppnå ett fyllt yttre elektronskal genom att atomerna tar åt sig extra elektroner och bildar negativa joner. Ett exempel är grundämnena i grupp 17, som vi kallar halogenerna. De har fem elektroner i sitt yttre p-skal. Genom att ta upp en till elektron så får de ett fyllt yttre p-skal. Eftersom de tar upp en elektron blir de negativt laddade. Ett annat exempel är syrgas som reagerar med något brännbart och bildar vattenmolekyler och i den processen tar upp två elektroner.

De grundämnen som står längst till vänster i periodiska systemet kallas för alkalimetaller. De har bara en elektron i sitt yttre s-skal. Genom att lämna ifrån sig den elektronen så får de ett fyllt yttre p-skal. Natrium kan lämna ifrån sig en elektron och blir då en positivt laddad natriumjon, Na+. Kalcium, som har två elektroner i sitt yttre s-skal kan lämna ifrån sig båda och blir Ca2+.

Olika ämnens storlek och massa beror på antalet laddningar

Att lika laddningar stöter bort varandra och att olika laddningar attraherar varandra skulle du känna om du får möjlighet att hålla i en guldtacka någon gång. En svensk guldtacka väger ungefär 12,5 kg. En lika stor bit av metallen aluminium väger endast 1,8 kg. Atomer blir förstås större ju fler elektroner som kommer till, men samtidigt ökar ju antalet protoner i kärnan. Guldatomerna har 79 protoner och 79 elektroner. Det uppstår en kraftig attraktion mellan den höga positiva laddningen hos guldatomkärnan och elektronerna. Det gör att guldatomerna drar ihop sig och inte blir så stora som man skulle kunna tro. Aluminium har atomnummer 13 och har en atomradie som är nästa lika stor som guldatomernas. Men en guldatom väger mer än sju gånger så mycket som en aluminiumatom!

Kom ihåg detta om det periodiska systemet

Det finns ingen anledning att lära sig periodiska systemet utantill. Det som du bör komma ihåg är detta:

  • Att vi grovt kan dela in det periodiska systemet i fyra delar där grundämnena har s-, p- d- eller f-elektroner ytterst.
  • Att atomnumret, och alltså antalet protoner och elektroner, ökar i periodiska systemets horisontella rader med ett varje gång vi kliver ett steg åt höger.
  • Att dessa rader kallas för ”perioder”.
  • Att kolumnerna kallas ”grupper” och att grundämnena i samma grupp har liknande egenskaper. Ett exempel är att de ofta bildar joner med samma laddning.
  • Att egenskaperna i en grupp varierar något när vi rör oss från de lättaste till de tyngsta ämnena i gruppen.
  • Att vilka joner som bildas mycket ofta har att göra med att ett fullt s-, p- d- eller f-skal har bildats.
  • Att grundämnen som inte vill bilda joner ofta redan har fulla s-, p- d- eller f-skal.  Ädelgaserna har till exempel fulla p-skal.
  • Att storleken på atomerna och jonerna har att göra med hur många elektroner de har och hur hårt dessa hålls fast av atomkärnans positiva laddning.
Det har funnits många olika atommodeller

Atomen som en minsta odelbar partikel som allting är uppbyggt av har en lång historia som filosofisk idé. De första bevisen för att grundämnena bestod av olika slags atomer kom när kemisterna i början av 1800-talet kunde visa att grundämnena kombinerades med varandra i vissa fasta proportioner. Till exempel bildades alltid vatten av samma mängder vätgas och syrgas.

Att atomen inte var odelbar förstod forskarna när elektronen upptäcktes i slutet av 1800-talet. Det var då också möjligt att mäta att elektronen har en mycket mindre massa än av resten av atomen.

Till en början tänkte sig forskarna att de mycket små negativt laddade elektronerna var inbäddade som russin i en större muffins av positiva laddningar. Den här modellen visade sig vara felaktig. Istället visade experiment i början av 1900-talet att atomer består av en liten positivt laddad kärna omgiven av negativt laddade elektroner. Den danske fysikern Niels Bohr föreslog då att elektronerna cirkulerade runt kärnan ungefär som planeter runt en sol. Bohrs modell kunde förklara ganska mycket men inte hur det periodiska systemet var uppbyggt.

Dagens modell, med s-, p- d- eller f-skal bygger på så kallad kvantmekanik och slog igenom på 1920-talet. Kvantmekanik, som utvecklades av bland annat den österrikiske fysikern Erwin Schrödinger, använder avancerad matematik för att förstå var elektroner kan befinna sig i en atom.

Kombinationen av de teoretiska framstegen i fysik och insamlande och analys av en stor mängd kemiska data var båda mycket viktiga steg. Det gjorde att forskare som Gilbert Lewis och Linus Pauling kunde förfina och utveckla vår bild av hur atomerna sitter ihop i molekyler och hur de samverkar med andra molekyler. Det ledde till exempel till att vi på 1940-talet började förstå hur proteiner satt ihop och fungerade, och senare till DNA och hur vår genetiska kod fungerar.

Det är möjligt att se atomer

Trots att atomer är mycket små finns det sätt att faktiskt se dem. Redan för hundra år sedan användes röntgenkristallografi för att se hur kolatomerna satt ihop i en diamantkristall och 40 år senare kunde forskaren Dorothy Hodgkin i Oxford bestämma hur atomerna satt ihop i den mycket komplicerade vitamin-B12 molekylen. Röntgenkristallografi bygger på att röntgenstrålar får studsa mot atomerna i en kristall och det mönster som bildas när strålarna kommer ut ur kristallen igen fotograferas av. Efter mycket datorarbete är det sedan möjligt att konstruera en modell av hur atomerna är ordnade inuti kristallen. Kristallografi är en av de mest använda instrumentella metoderna inom kemi, biokemi och materialforskning än idag.

Sveptunnelmikroskopi (STM) och atomkraftsmikroskopi (AFM) är två metoder som i vissa fall kan ge mycket detaljerade bilder av enskilda molekyler och atomer på en yta. Ett gemensamt namn för dessa tekniker är elektronmikroskop. Det är fantastiskt att faktiskt kunna se enskilda atomer i molekyler på detta sätt, men det är ännu inte någon rutinmetod som kemister använder för att undersöka hur atomerna i molekyler sitter ihop.

Quiz - Atomen
Varianter av samma grundämne kallas...
Fysiker som föreslog att elektronerna cirklade runt atomkärnan ungefär som planeter runt en sol.
Dessa ämnen har lika många laddade partiklar, men olika många oladdade partiklar i atomkärnan.
Dessa oladdade partiklar fungerar som en stötdämpare i atomkärnan
Atomer med samma antal protoner, men olika antal neutroner kallas
Bildas när atomer tar upp en extra elektron
Har fem elektroner i sitt yttre p-skal. Fyller yttre skalet genom att ta upp en till elektron och blir då negativt laddade joner.
Kallas de laddade partiklarna i atomkärnan.
Till denna grupp hör natrium som bara har en elektron i sitt yttre s-skal. När natrium lämnar ifrån sig en elektronen bildas en positivt laddad jon.
Antalet av denna partikel i atomkärnan är lika med ämnets atomnummer.
Bildas när en atom lämnar ifrån sig en elektron
Uppgifter

Förklara och beskriv

  1. Hur är en atom uppbyggd?
  2. Vad är en isotop?
  3. Vad är en proton?
  4. Vad är en neutron?
  5. Vad händer om det är för få neutroner i atomkärnan?
  6. Vilket samband finns det mellan antalet protoner i atomkärnan, antalet elektroner och ett ämnes atomnummer?
  7. Vad är en elektron?
  8. Vad innebär makroskopisk nivå?
  9. Varför används modeller av hur en atom är uppbyggd?
  10. Beskriv hur en atom är uppbyggd. Använd en modell.
  11. Varför rör sig elektronerna i olika skal?
  12. Förklara hur elektronskalen är uppbyggda.
  13. Vad innebär diagonalregeln?
  14. Periodiska systemet kan grovt delas in i fyra delar. Förklara hur.
  15. Varför är ädelgaserna mer stabila ämnen?
  16. Vad är en negativ jon?
  17. Varför bildar halogenerna negativa joner?
  18. Varför bildar alkalimetallerna positiva joner?
  19. Förklara varför guld har hög densitet.
  20. Vad innebär kvantmekanik?
  21. Vad är röntgenkristallografi?
  22. Vad är en isotop?

    Argumentera och resonera
     
  23. Hur kommer det sig att det alltid bildas samma mängd vatten av samma mängd vätgas och syrgas?
  24. Varför är det en viktig kunskap att känna till hur atomer är uppbyggda?

    Ta reda på
     
  25. Ta reda på mer om Niels Bohrs liv och upptäckter.
  26. Ta reda på mer om kvantmekanik.
  27. Ta reda på mer om den senaste forskningen om atomens byggnad.
  28. Hur många isotoper finns det av olika ämnen?
  29. Vilket ämne har flest isotoper?