Co to jest atom? Budowa, izotopy, zadania maturalne – kompleksowy przewodnik

Rys. 1 Wyobrażenie początku wszechświata jako artystyczna interpretacja teorii Wielkiego Wybuchu.

Każdy pierwiastek – w Twoim ciele, w przedmiotach codziennego użytku, w ziemi, powietrzu, wodzie – ma swoje początki we Wszechświecie. To tam, we wnętrzach gwiazd – odległych, płonących słońcach – zaczęła się historia chemicznych składników naszego świata. Na samym początku istniały jedynie lekkie cząstki, np. protony i neutrony, a zaraz potem z kosmicznej plazmy wyłoniły się ich różne kombinacje, czyli atomy takie jak hel, deuter czy lit. Z czasem, w sercach gwiazd, podczas niezwykle gorących i gwałtownych procesów, zaczęły się formować cięższe pierwiastki.

Gwiazdy to kosmiczne kuźnie. Gdy wodór spala się wewnątrz nich, jego atomy łączą się, tworząc inny pierwiastek – hel, a potem węgiel, tlen i inne atomy, które stanowią fundamenty naszego życia. Każdy oddech, który bierzesz, zawiera m.in. atomy tlenu, powstałe miliardy lat temu, gdy gwiazdy kończyły swoje życie. Kiedy masywna gwiazda umiera, wybucha jako supernowa i uwalnia ogromne ilości energii. Ten kosmiczny wybuch rozsiewa ciężkie pierwiastki w przestrzeń kosmiczną. Żelazo w Twojej krwi, złoto w biżuterii, a nawet krzem w Twoim telefonie – to wszystko powstało w wyniku gwałtownej śmierci gwiazdy. Cząstki te podróżują przez galaktyki, łącząc się w pył i gaz, z którego z czasem rodzą się nowe gwiazdy, planety, a ostatecznie – my.

W każdym atomie kryje się opowieść o dalekich czasach, kiedy Wszechświat dopiero zaczynał formować swoje elementy. Twój organizm, otaczające Cię przedmioty, nasza Ziemia – wszystko to jest produktem procesów zachodzących przez miliardy lat. Każdy pierwiastek, z którego jesteś zbudowany, był kiedyś częścią gwiazdy. Można więc powiedzieć, że wszyscy jesteśmy „dziećmi gwiazd”. Fascynujące, prawda?

Skoro już wiesz, że pierwiastki chemiczne powstały podczas wybuchów gwiazd, czas zgłębić, co je właściwie tworzy. Pierwiastek jest zbiorem identycznych atomów, które mają swoje unikalne właściwości (definicja pierwiastka chemicznego). Czyli pierwiastek to po prostu grupa (zbiór) takich samych atomów. Atomów? Czyli czego?

No właśnie – co to jest atom? To krótkie pytanie pozostawało bez odpowiedzi przez wieki, choć wiedza na ten temat stanowi fundament nie tylko chemii, lecz również fizyki i astronomii.

Obecnie atom określa się jako najmniejszą część pierwiastka chemicznego, która zachowuje jego właściwości chemiczne (definicja atomu). Można powiedzieć więc, że atom to miniaturowa wersja pierwiastka zawierająca wszystkie kluczowe i wyróżniające go cechy.

Atomy mają złożoną strukturę i choć szczegółowy opis ich budowy w ujęciu chemii kwantowej jest bardzo skomplikowany, to jednak można model ten znacznie uprościć. Odpowiadając zatem najkrócej na pytanie „co to jest atom?”, można powiedzieć po prostu, że jest to dodatnio naładowane jądro atomowe i otaczające je elektrony, stanowiące pewnego rodzaju chmurę nieustannie poruszających się ładunków ujemnych.

Jądro atomowe stanowi centrum atomu – składa się z protonów i neutronów (w chemii określa się je wspólnie jednym słowem jako „nukleony”).

nukleony = protony + neutrony

Liczba protonów w jądrze jest jak nazwisko rodowe atomu. Te atomy, które mają tyle samo protonów w jądrze, stanowią jeden, ten sam pierwiastek, tak jak osoby z tym samym nazwiskiem wywodzą się z tego samego rodu (upraszczając oczywiście). Jeśli więc spotkasz atom o 8 protonach w jądrze, to już wiesz, że jest to atom należący do grupy atomów tlenu, jeśli natomiast napotkany atom będzie miał 6 protonów w jądrze – przedstawi Ci się jako atom węgla. 

Zerknięcie na liczbę protonów danego atomu pozwala też od razu przypisać mu właściwe miejsce w układzie okresowym pierwiastków (i na odwrót: jego położenie w układzie mówi o tym, ile jest protonów w jego atomach). We współczesnym układzie okresowym pierwiastki zostały ułożone zgodnie ze wzrastającą liczbą atomową (liczbą protonów), od 1 aż do 118, czyli od wodoru do oganesonu: 

Rys. 3 Układ okresowy pierwiastków chemicznych. W lewym dolnym rogu każdego pierwiastka zaznaczono jego liczbę atomową – jest to liczba protonów w jądrze atomu tego pierwiastka. Liczba atomowa to najważniejsza cecha pierwiastka – identyfikuje ona wszystkie jego atomy. Jeśli dwa atomy mają taką samą liczbę atomową, to znaczy, że jest to ten sam pierwiastek.

Choć obecnie dosyć oczywiste może nam się wydawać stwierdzenie, że atom zbudowany jest z protonów, neutronów i krążących wokół nich elektronów, to przez wieki naukowcy zastanawiali się nad tym, jak opisać strukturę, którą tworzą. Definicje, którym poświęcono najwięcej uwagi, ewoluowały wraz z rozwojem nauki. I tak, opisując budowę atomu, ludzkość przechodziła od wyobrażenia atomu jako niepodzielnej cząstki (J. Dalton), przez wizję porównania go do ciasta z rodzynkami (J. J. Thomson), aż do tworzenia modeli planetarnych (N. Bohr), a ostatecznie takich, które uwzględniają obecnie zasady mechaniki kwantowej i falową naturę elektronu. 

Aktualnie za najbardziej poprawny uznaje się model kwantowy. W modelu tym elektrony nie krążą wokół jądra jak planety wokół Słońca. Zamiast tego traktuje się je jako fale, które mają pewne prawdopodobieństwo znalezienia się w różnych miejscach wokół jądra. Obszary, w których prawdopodobieństwo znalezienia elektronu jest największe, nazywa się orbitalami. Wyobraź sobie, że atom to stadion piłkarski, jądro atomowe to piłka leżąca na środku boiska, a elektrony to kibice, ale zamiast siedzieć na konkretnych miejscach, mogą znajdować się w dowolnym miejscu na trybunach, z tym że mają większe prawdopodobieństwo siedzieć bliżej pewnych sektorów (orbitali) niż innych – tak samo elektrony, najczęściej znajdują się w obszarach zwanych orbitalami o określonej energii.

Rys. 4 Modele budowy atomu pojawiające się na przestrzeni wieków.

Jak już wspomniano wcześniej, w jądrze atomu znajdują się protony i neutrony. Okazuje się, że w jądrach atomów tego samego pierwiastka (o takiej samej liczbie protonów) może znajdować się różna liczba neutronów — i tak możesz napotkać na przykład różne odmiany atomów wodoru: jeden może mieć 1 proton w jądrze i żadnych neutronów (w przyrodzie taka odmiana wodoru stanowi aż ponad 99% wszystkich jego atomów) oraz dwa inne atomy wodoru z 1 protonem w jądrze i 1 lub 2 neutronami. Odmiany tego samego pierwiastka nazwano izotopami.

W przypadku izotopów wodoru każdej jego odmianie nadano inną nazwę:

• prot – izotop wodoru, który w jądrze atomowym ma 1 proton (oraz 1 elektron krążący wokół jądra), najpowszechniejszy izotop wodoru, stanowi około 99,98% naturalnie występującego wodoru;
• deuter – izotop wodoru, który w jądrze atomowym ma 1 proton i 1 neutron (oraz 1 elektron krążący wokół jądra), znany również jako ciężki wodór, stanowi około 0,02% wodoru i jest używany w reaktorach jądrowych i badaniach naukowych;
• tryt – izotop wodoru, który w jądrze atomowym ma 1 proton i 2 neutrony (oraz 1 elektron krążący wokół jądra), radioaktywny izotop wodoru, bardzo rzadko występuje w przyrodzie, stosowany w badaniach naukowych i w broni jądrowej.

Każdy z tych izotopów ma inną liczbę neutronów w jądrze, co wpływa na ich właściwości fizyczne. Chemicznie zachowują się jednak bardzo podobnie, ponieważ mają tę samą liczbę protonów i elektronów.

Izotopy to więc nic innego jak atomy tego samego pierwiastka (mają więc identyczną liczbę protonów), które różnią się liczbą neutronów w jądrze atomowym (definicja izotopów). 

Rys. 5 Izotopy wodoru.

Ważne jest, aby zauważyć, że izotopy różniąc się liczbą neutronów, różnią się również swoją masą. 

Z czego wynikają te różnice?

Neutrony i protony mają podobną masę:
neutron „waży” 1,675 ⋅ 10⁻²⁷ kg, a proton 1,673 ⋅ 10⁻²⁷ kg, zatem jeśli atom ma 1 proton, to jego masa wynosi 1,673 ⋅ 10⁻²⁷ kg, ale jeśli dany izotop zawiera w jądrze 1 proton i 1 neutron, to jego masa wynosi już: 1,673 ⋅ 10⁻²⁷ kg + 1,675 ⋅ 10⁻²⁷ kg, czyli 3,348 ⋅ 10⁻²⁷ kg.

Te podstawowe informacje o tym, jak zbudowany jest atom, z pewnością mogą przydać się podczas rozwiązywania zadań maturalnych z chemii. Zerknij na zadanie, które pojawiło się na egzaminie w 2022 roku (CKE, matura próbna z chemii, grudzień 2022, zad. 2): 

Ustaliliśmy już, że izotopy to atomy tego samego pierwiastka, które różnią się liczbą neutronów (a więc i masą), ale mają taką samą liczbę protonów w jądrze (gdyby liczba protonów była różna, to byłyby to po prostu atomy różnych pierwiastków).

Czy umiesz ocenić prawdziwość pierwszego zdania?

Tak, pierwsze zdanie jest prawdziwe – atomy tego samego pierwiastka mogą różnić się pod względem masy atomowej (to po prostu różne izotopy).

Pełne rozwiązanie tego zadania wraz z wyjaśnieniem przygotowanym przez nauczycieli znajdziesz na naszym kursie do matury z chemii Więcej niż Matura.

Wiesz już, jak zbudowany jest atom, a w szczególności jego jądro. Wydawać by się mogło, że jądro jest najważniejszą częścią atomu, jego centrum i sercem, ale dla chemika najważniejsze jest jednak wszystko to, co je otacza, czyli elektrony – to one umożliwiają tworzenie cząsteczek i związków chemicznych. 

W świecie chemii atom i cząsteczka różnią się tym, że atom jest najmniejszą jednostką pierwiastka zachowującą jego właściwości, podczas gdy cząsteczka składa się z dwóch lub więcej atomów połączonych ze sobą, tworząc nową substancję o unikalnych właściwościach chemicznych. 

Co ciekawe, warto zapamiętać, że w obojętnym atomie zawsze jest tyle samo elektronów, co protonów. Znając więc liczbę protonów danego pierwiastka, od razu wiesz, ile ma on elektronów do dyspozycji, aby utworzyć cząsteczki i związki chemiczne.

liczba elektronów = liczba protonów

Elektrony krążą wokół jądra w postaci chmury ładunku ujemnego. W takiej chmurze można wyróżnić dwa obszary:

• wewnętrzny, bezpośrednio otaczający jądro – elektrony te razem z jądrem stanowią rdzeń atomowy (tzw. zrąb atomowy),
• zewnętrzny, który znajduje się w najdalszych obszarach atomu (tzw. elektrony walencyjne) – umożliwia zachodzenie reakcji chemicznych i łączenie się atomów w cząsteczki. 

Rys. 6 Z punktu widzenia chemii najistotniejsze w atomie są elektrony walencyjne – to one umożliwiają powstawanie wiązań oraz sprawiają, że atomy i cząsteczki łączą się ze sobą, tworząc związki chemiczne.

Dla chemika najważniejsze są elektrony walencyjne – właściwie to one (a nie wszystkie elektrony atomu) tworzą wiązania, które łączą atomy i cząsteczki. Elektrony walencyjne są odpowiedzialne za właściwości chemiczne pierwiastków i zazwyczaj (choć nie zawsze) są tymi elektronami, które znajdują się na najbardziej zewnętrznym poziomie energetycznym atomu, czyli na poziomie walencyjnym.

Liczbę elektronów walencyjnych atomu danego pierwiastka można odczytać z jego położenia w układzie okresowym. Atomy pierwiastków należących do tej samej grupy układu okresowego (tej samej kolumny) mają identyczną liczbę elektronów walencyjnych (elektronów na zewnętrznej powłoce), co sprawia, że cechują je podobne właściwości chemiczne. Ta liczba elektronów decyduje o tym, jak pierwiastki reagują chemicznie. W związku z tym pierwiastki z jednej grupy często tworzą podobne związki chemiczne i mają zbliżone właściwości, takie jak np. charakter metali lub niemetali, reakcje z wodą czy charakter kwasowo-zasadowy.

Liczbę elektronów walencyjnych pierwiastka można wyznaczyć na podstawie numeru grupy układu okresowego, w której znajduje się dany pierwiastek. Liczba elektronów walencyjnych odpowiada numerowi grupy, z wyjątkiem grup 10–18, gdzie liczbę elektronów walencyjnych wyznacza się poprzez odjęcie 10 od numeru grupy. 

Liczba elektronów walencyjnych w danym atomie determinuje jego właściwości. Często znajomość tych zależności sprawdzana jest na egzaminie maturalnym, ponieważ budowa atomu jest jednym z podstawowych zagadnień chemii. Zadanie obejmujące tę tematykę pojawiło się w arkuszu maturalnym w 2016 roku (CKE, matura z chemii, maj 2016, zad. 3): 

Na początek znajdź symbol wapnia oraz potasu w układzie okresowym.
Wapń leży w 2. grupie układu okresowego, a potas w grupie 1.: 

Kiedy już znasz położenie analizowanych pierwiastków w układzie okresowym, wiesz również, ile mają one elektronów walencyjnych: 

Z układu okresowego wynika, że potas ma 1 elektron walencyjny, a wapń 2.

A ile pierwiastki te mają protonów? Zerknij na liczbę w lewym dolnym rogu przy symbolach pierwiastków. Jak już wiesz, jest to liczba atomowa, określa ona właśnie liczbę protonów w jądrze danego pierwiastka.

Zatem widać, że potas ma 19 protonów, a wapń 20.

Wiesz już, że w obojętnym atomie liczba elektronów jest zawsze równa liczbie protonów, więc możesz stwierdzić, że potas ma 19 elektronów, a wapń 20.

Przyjrzyj się teraz pierwszemu zdaniu w punkcie numer 1 omawianego zadania:

„Węzły sieci krystalicznych wapnia, jak i potasu obsadzone są (dodatnio / ujemnie) naładowanymi jonami zwanymi rdzeniami atomowymi”.

Czym są rdzenie atomowe? Jak już wiesz, rdzeń jest to dodatnio naładowane jądro atomu oraz jego niewalencyjne elektrony. Skoro więc potas wszystkich elektronów ma 19, a w tym 1 elektron walencyjny, to jego rdzeń atomowy będzie stanowić dodatnio naładowane jądro, w którym znajduje się 19 protonów oraz 18 ujemnie naładowanych elektronów rdzenia (niewalencyjnych). Rdzeń atomowy ma więcej dodatnich ładunków niż ujemnych, dlatego węzły sieci krystalicznych obsadzone jonami są naładowane właśnie dodatnio. Sprawdź, czy tak samo jest w przypadku atomu wapnia.

Wapń ma 20 protonów oraz 20 elektronów, przy czym 2 elektrony są elektronami walencyjnymi. Rdzeń atomowy stanowi więc dodatnio naładowane jądro z 20 protonami oraz 18 elektronów niewalencyjnych. Rdzeń atomowy wapnia również ma więcej ładunków dodatnich niż ujemnych.

Możesz zatem wybrać już prawidłowe słowo w pierwszym zdaniu:

Węzły sieci krystalicznych wapnia, jak i potasu obsadzone są (dodatnio / ujemnie) naładowanymi jonami zwanymi rdzeniami atomowymi.

Przeczytaj teraz drugie i trzecie zdanie w punkcie numer 1 omawianego zadania:

„Pomiędzy rdzeniami atomowymi obecne są słabo związane elektrony walencyjne, które mogą wędrować swobodnie przez kryształ metalu. Dlatego zarówno wapń, jak i potas odznaczają się (dużą /małą) przewodnością elektryczną”.

Aby wybrać poprawną odpowiedź, wyobraź sobie, że metal to taki wielki park pełen dzieci (elektrony walencyjne), które mogą biegać wszędzie, gdzie tylko chcą. Teraz: jeśli ktoś zaczyna klaskać (przyłożenie zewnętrznego napięcia), dzieci zaczynają biegać tylko w jednym kierunku. Takie uporządkowane bieganie dzieci to prąd elektryczny.

Można powiedzieć, że elektrony walencyjne są nośnikami prądu głównie z trzech powodów:

• mogą się swobodnie poruszać – tak jak dzieci mogą biegać po całym parku, elektrony walencyjne w metalu mogą swobodnie się poruszać po węzłach sieci krystalicznej.
• reagują na sygnał – kiedy ktoś zaczyna klaskać, dzieci zaczynają biegać w jednym kierunku; podobnie gdy przyłożymy napięcie do metalu, elektrony zaczynają przemieszczać się
  w jednym kierunku, tworząc prąd,
• ruch elektronów tworzy prąd – dzięki temu, że elektrony mogą się swobodnie poruszać i reagować na napięcie, mogą przewodzić prąd; tak jak bieganie dzieci tworzy ruch w parku, ruch elektronów tworzy prąd w metalach.

Tak więc elektrony walencyjne przewodzą prąd, ponieważ mogą swobodnie się poruszać po metalu i reagują na napięcie, podobnie jak dzieci biegające po parku reagują na wyklaskany sygnał.

Jeśli rozumiesz tych kilka podstawowych założeń, możesz teraz wybrać prawidłowe słowo w trzecim zdaniu:

„Pomiędzy rdzeniami atomowymi obecne są słabo związane elektrony walencyjne, które mogą wędrować swobodnie przez kryształ metalu. Dlatego zarówno wapń, jak i potas odznaczają się (dużą /małą) przewodnością elektryczną”.

Pełne rozwiązanie tego zadania wraz z wyjaśnieniem przygotowanym przez nauczycieli znajdziesz na naszym kursie z chemii Więcej niż Matura.

Krótkie podsumowanie informacji zawartych w tym artykule o tym, jak zbudowany jest atom, znajdziesz w formie graficznej na poniższych schematach: 

Jest wiele zagadnień, którymi zajmuje się chemia – znajomość budowy atomu oraz odpowiedź na pytanie „co to jest atom?” stanowią fundament dla zrozumienia podstaw, na których opiera się nauka chemii, szczególnie w szkole. Zrozumienie struktury atomu pomaga pojąć, jak powstają wiązania chemiczne, jak przebiegają reakcje oraz dlaczego substancje mają właśnie takie, a nie inne właściwości. 

Jeśli zamierzasz zdawać chemię podczas swojego egzaminu maturalnego lub uczysz się w systemie edukacji domowej, to czeka Cię nie lada wyzwanie, aby przyswoić wszystkie ważne informacje w tym temacie. Budowa atomu w ujęciu maturalnym nie ogranicza się do tych kilku podstawowych informacji, które tutaj omówiono – choć, jak widzisz, nawet z zawartą tutaj elementarną wiedzą, już jesteś w stanie rozwiązać kilka zadań opracowanych przez Centralną Komisję Egzaminacyjną (CKE). 

Aby jednak poznać szczegółowo opis budowy atomu, tzw. chemię budowy atomu”, potrzebujesz dobrych kilku godzin nauki. Niewiele dało się opisać tutaj, w tak krótkim artykule. Więcej informacji o tym, jak zbudowany jest atom i szczegółowe opracowanie tej tematyki pod kątem przygotowań do matury na poziomie rozszerzonym omawia nasz Kurs maturalny z Chemii Więcej niż Matura. Nasi nauczyciele i korepetytorzy wyjaśniają w nim wszystkie zagadnienia, opisują, jak łączą się atomy i cząsteczki, jak elektrony rozmieszczone są wokół jądra atomowego, jak prawidłowo zapisać konfigurację elektronową, czyli matematyczną reprezentację rozkładu elektronów wokół jądra atomowego. 

Nasi nauczyciele odpowiadają na wszystkie pytania Kursantów, sprawdzają zadania maturalne i pomagają zrozumieć każde zagadnienie chemiczne. Jeśli nie wiesz, od czego zacząć naukę, to nasi metodycy opracują dla Ciebie indywidualny plan nauki.

Co więcej, jeśli potrzebujesz zbioru zadań, to możesz całkowicie za darmo pobrać gotowy zbiór zadań maturalnych z chemii ponad 1400 zadań z arkuszy egzaminacyjnych CKE, podzielonych tematycznie na działy: 

• Budowa atomu
• Wiązania chemiczne
• Stechiometria i roztwory wodne
• Chemia fizyczna
• Reakcje jonowe
• Elektrochemia
• Chemia związków nieorganicznych
• Przegląd pierwiastków i ich związków chemicznych
• Węglowodory
• Jednofunkcyjne związki organiczne
• Wielofunkcyjne związki organiczne

Życzymy Ci powodzenia w zdobywaniu wiedzy chemicznej.🧪

• Jak się przygotować do matury z chemii?
• Matura z chemii – Informator 2025