Budowa atomu na maturę z chemii: konfiguracje i zadania

Na maturze z chemii budowa atomu to przede wszystkim konfiguracje elektronowe, liczby kwantowe, izotopy i przemiany promieniotwórcze. Atom opisujesz modelem kwantowo-mechanicznym: elektrony zajmują orbitale, a ich stan określają cztery liczby kwantowe.

Poniżej znajdziesz zasady zapisu konfiguracji, wyjątki, obliczenia średniej masy atomowej i okresu półtrwania oraz 5 zadań maturalnych z rozwiązaniami. Podstawy, czyli protony, neutrony i elektrony, są w artykule o budowie atomu dla klasy 7.

Jądro atomowe i izotopy

Jądro tworzą nukleony: protony i neutrony. Atom zapisujesz jako ${}^{A}_{Z}\mathrm{E}$, gdzie Z to liczba atomowa (liczba protonów), a A to liczba masowa (suma nukleonów). Liczba neutronów to A − Z.

Izotopy to atomy tego samego pierwiastka o tej samej liczbie Z i różnej liczbie A. Mają te same właściwości chemiczne, bo decyduje o nich powłoka elektronowa, a różnią się masą i trwałością jądra.

Jak obliczyć średnią masę atomową

Masa atomowa w układzie okresowym to średnia ważona mas izotopów, z zawartością procentową jako wagą.

Przykład dla chloru: w przyrodzie jest około 75,8% izotopu ³⁵Cl i 24,2% izotopu ³⁷Cl.

$$m = \frac{75{,}8 \cdot 35 + 24{,}2 \cdot 37}{100}$$

$$m = \frac{2653 + 895{,}4}{100}$$

$$m \approx 35{,}5\ \mathrm{u}$$

Wynik jest bliżej 35, bo tego izotopu jest więcej. To dobry sposób na szybkie sprawdzenie obliczeń.

Liczby kwantowe: co opisuje każda z nich

Orbital to obszar wokół jądra, w którym prawdopodobieństwo znalezienia elektronu jest największe. Stan elektronu w atomie opisują 4 liczby kwantowe.

Z tabeli wynika pojemność podpowłok: s ma 1 orbital i mieści 2 elektrony, p ma 3 orbitale i 6 elektronów, d ma 5 orbitali i 10 elektronów, f ma 7 orbitali i 14 elektronów. Powłoka o numerze n mieści najwyżej 2n² elektronów.

Jak zapisać konfigurację elektronową

Kolejność zapełniania podpowłok

Elektrony zajmują podpowłoki od najniższej energii. Kolejność ustala reguła n + l: najpierw podpowłoka o mniejszej sumie n + l, a przy równej sumie ta o mniejszym n.

1s → 2s → 2p → 3s → 3p → 4s → 3d → 4p → 5s → 4d → 5p → 6s → 4f → 5d → 6p

Podpowłoka 4s (n + l = 4) zapełnia się przed 3d (n + l = 5). To najczęstsze miejsce pomyłek.

Reguła Hunda

Na orbitalach jednej podpowłoki elektrony najpierw obsadzają osobno każdy orbital, z równoległymi spinami. Dopiero potem tworzą pary. Dla azotu 2p³ zapis klatkowy to trzy orbitale po jednym elektronie: ↑ | ↑ | ↑. Azot ma więc 3 elektrony niesparowane.

Zapis pełny i skrócony

Przykład dla żelaza, Z = 26:

• zapis pełny: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d⁶,
• zapis skrócony z rdzeniem argonu: [Ar] 4s² 3d⁶.

Na maturze możesz porządkować podpowłoki według kolejności zapełniania albo według numeru powłoki ([Ar] 3d⁶ 4s²). Czytaj polecenie, bo czasem wymaga konkretnej formy.

Konfiguracja jonów

Kation powstaje przez oddanie elektronów z najwyższej powłoki. W metalach bloku d najpierw odchodzą elektrony 4s, dopiero potem 3d.

• Fe: [Ar] 3d⁶ 4s²
• Fe²⁺: [Ar] 3d⁶
• Fe³⁺: [Ar] 3d⁵

Anion przyjmuje elektrony na pierwszą wolną podpowłokę. Cl: [Ne] 3s² 3p⁵, a Cl⁻: [Ne] 3s² 3p⁶, czyli konfiguracja argonu.

Konfiguracja a położenie w układzie okresowym

Z konfiguracji odczytasz miejsce pierwiastka w układzie okresowym:

1. Numer okresu to największa wartość n w konfiguracji.
2. Blok (s, p, d, f) to rodzaj podpowłoki, na którą trafił ostatni elektron.
3. Elektrony walencyjne w blokach s i p to elektrony ostatniej powłoki. W bloku d to elektrony ns i (n − 1)d.

Przykład: siarka [Ne] 3s² 3p⁴ leży w 3. okresie, w bloku p, w grupie 16, i ma 6 elektronów walencyjnych.

Przemiany promieniotwórcze i okres półtrwania

Rodzaje przemian

Przykłady:

$${}^{238}_{92}\mathrm{U} \rightarrow {}^{234}_{90}\mathrm{Th} + {}^{4}_{2}\mathrm{He}$$

$${}^{14}_{6}\mathrm{C} \rightarrow {}^{14}_{7}\mathrm{N} + {}^{0}_{-1}\mathrm{e}$$

W równaniu przemiany suma liczb masowych i suma liczb atomowych po obu stronach strzałki musi być taka sama.

Okres półtrwania

Okres półtrwania T to czas, po którym rozpada się połowa jąder izotopu. Masę, która zostaje po czasie t, liczysz ze wzoru:

$$m = m_0 \cdot \left(\tfrac{1}{2}\right)^{t/T}$$

Przykład: izotop ma T = 5 dni, a próbka waży 80 g. Po 15 dniach minęły 3 okresy półtrwania: 80 g → 40 g → 20 g → 10 g. Zostaje 10 g.

Na czym łatwo stracić punkty

1. Zła kolejność 4s i 3d. Przy zapełnianiu 4s jest przed 3d, ale przy tworzeniu kationu elektrony 4s odchodzą pierwsze.
2. Pominięte wyjątki. Chrom i miedź mają tylko jeden elektron na 4s.
3. Mylenie liczby masowej z masą atomową. A to liczba całkowita dla jednego izotopu, masa atomowa to średnia ważona.
4. Nieuzgodnione równanie przemiany. Sprawdzaj sumy A i Z po obu stronach.
5. Zła wartość l. Poboczna liczba kwantowa ma wartości od 0, więc podpowłoka s to l = 0, a nie l = 1.

Zadania maturalne z budowy atomu

Podsumowanie

• Stan elektronu opisują 4 liczby kwantowe: n, l, m i mₛ. Na jednym orbitalu są najwyżej 2 elektrony o przeciwnych spinach.
• Podpowłoki zapełniasz według reguły n + l, więc 4s przed 3d. Na orbitalach jednej podpowłoki stosujesz regułę Hunda.
• Chrom i miedź mają konfigurację z jednym elektronem 4s.
• Kationy metali bloku d tracą najpierw elektrony 4s.
• Przemiana α zmniejsza A o 4 i Z o 2, przemiana β⁻ zwiększa Z o 1. Po każdym okresie półtrwania zostaje połowa izotopu.

Jeśli przygotowujesz się do matury, zobacz też, jakich błędów unikać przy kwasach na maturze z chemii.

Bezpłatne szkolenie online

Chcesz więcej takich zadań?

Na szkoleniu „Jak zdać rozszerzenie z chemii na ponad 80%” rozwiążemy je razem, krok po kroku.

Prowadzi Gosia Smoliło-Utrata, doktor chemii

Zapisz się bezpłatnie

albo zobacz kurs Chemia matura rozszerzona