Atommodeller – kan vise det vi ikke kan se

Overflaten på kobberatomer sett i mikroskop

Vi kan altså ikke se atomer med det blotte øye. Hvordan kan vi da vite hva et atom er, og hvordan atomer til sammen kan bli til en hel verden? Spesielle mikroskoper hjelper oss å forstørre atomene flere millioner ganger, slik du ser på bildet av kobberatomene. Men selv med de kraftigste mikroskopene kan vi bare observere hvordan atomer ser ut på utsiden.

Dette mikroskopet kalles et skanning tunneleringsmikroskop og kan vise overflaten på atomer som vist på bildet ovenfor. Det vi vet om hvordan atomene er inni, hva de består av, og hvordan de er bygd opp, har vi fra eksperimenter. Og på bakgrunn av disse eksperimentene er det blitt laget modeller som viser hvordan man mener at atomer er bygd opp. Vi bruker også modellene til å forstå mer om atomenes egenskaper og om hvordan de reagerer med andre atomer. Vurderingseksemplar

Rutherfords eksperiment

I 1911 utførte Ernest Rutherford et kjent eksperiment. Han sendte positivt ladde partikler med stor fart gjennom en tynn folie av gullatomer. Han observerte at de fleste partiklene gikk uhindret gjennom gullfolien, men noen få endret retning. De partiklene som endret retning, må ha kommet så nær andre partikler med positiv ladning at de frastøtte hverandre. Partiklene som gikk uhindret gjennom, kan ikke ha blitt påvirket av andre partikler. Resultatet ble tolket til at det meste av atomet er tomrom, men at det har en liten kjerne med positiv ladning.

To viktige atommodeller

For å studere atomer tar vi altså modeller til hjelp, og noen ganger trenger vi flere modeller. Ingen modell kan vise oss eksakt hvordan noe er i virkeligheten, og det gjelder også atommodellene. Én modell kan for eksempel vise hva atomet består av, mens vi trenger andre modeller for å forstå hvordan elektronene oppfører seg i atomet.

De ulike modellene har sine fordeler og begrensninger, og hvilken modell vi velger å bruke, bestemmes av hva vi skal bruke den til. Vi skal se nærmere på to ulike atommodeller som er mye brukt – skymodellen og skallmodellen. Skymodellen – hvor er elektronene? Elektronene beveger seg tilfeldig rundt atomkjernen i høy fart. Vi kan ikke si nøyaktig hvor et elektron befinner seg. Men ved hjelp av skymodellen kan vi si noe om hvor det er mest sannsynlig at det befinner seg. Områdene der elektronene mest sannsynlig er, vises som fargede områder eller skyer rundt atomkjernen. Det er derfor modellen kalles skymodellen. Elektronskyer har ulik fasong og størrelse avhengig av hvor mye energi elektronene har. Elektroner med omtrent lik energi er på samme energinivå, og befinner seg i samme elektronsky. Og der hvor elektronskyen er tettest, er det mest sannsynlig at elektronene er. Hydrogenatomet som har ett eneste elektron, har bare ett energinivå, og har derfor bare én elektronsky. Litiumatomet har tre elektroner fordelt på to energinivåer, så elektronene beveger seg i to ulike områder vist som to skyer i modellen. Jo flere elektroner et atom har, jo mer komplisert blir formen Vurderingseksemplar på elektronskyene. ne.

Modeller

En modell er en forenklet beskrivelse av virkeligheten, som vi bruker for å forklare noe vi ikke kan se eller undersøke direkte. Det kan være et kart over Norge, en figur som viser planetenes baner i solsystemet, eller en tegning av atomets oppbygning.

Hydrogen

Skymodell av et hydrogenatom og et litiumatom

Skallmodellen – hvor mange elektroner?

Skallmodellen er eldre enn skymodellen. Den viser atomkjernen og elektronene som beveger seg i bestemte avstander fra kjernen, som her blir kalt elektronskall. Elektroner med omtrent lik energi er i samme elektronskall. I skallet nærmest kjernen finner vi elektronene med lavest energi, mens elektronene med høyere energi befinner seg i skall lenger ut. Skallmodellen viser også hvor mange elektroner det er i hvert skall, og dermed hvor mange elektroner atomet har til sammen.

17+

Skallmodell av kloratomet + +

Kjerne

Nøytron Proton Skall Elektron Skallmodell av heliumatomet Et elektronskall i skallmodellen svarer til en elektronsky i skymodellen. Skallene viser energinivåene til elektronene på en tydeligere måte enn skymodellen. Det er viktig å være klar over at skallene ikke er fysiske skall, på samme måte som elektronskyene ikke er fysiske skyer. Det er bare en måte å tegne energinivåene på, for å kunne vise hvordan elektronene fordeler seg. Skallmodellen er nyttig fordi den viser både antall elektroner og energinivåer, mens skymodellen som er nyere, gir et riktigere bilde av hvor elektronene mest sannsynlig befinner seg. Figuren til venstre viser skallmodellen av kloratomet. Klor er grunnstoff nummer 17 og har derfor 17 protoner i atomkjernen og 17 elektroner i skallene rundt kjernen. . Skallmodellen kan gi inntrykk av at elektronene beveger seg rundt atomkjernen på samme måte som planetene går i bestemte baner rundt sola, men det stemmer ikke. Elektronene har ikke et fast bevegelses mønster, og vi vet bare hvor det er mest sannsynlig at de befinner seg – slik skymodellen viser.

+ Vurderingseksemplar

Å tegne skallmodeller Tenk deg at du skal tegne skallmodellen til et bestemt atom. Da må du vite hvordan det er bygd opp, og hva som skal med i atommodellen.

Det er antallet protoner i kjernen som skiller en atomtype fra en annen. Det enkleste atomet som finnes, er hydrogenatomet som har kun ett proton. Helium har to protoner. For hver gang vi øker antallet protoner i kjernen med én, får vi en ny atomtype og dermed et nytt grunnstoff.

De fleste atomer har like mange nøytroner som protoner i kjernen, men det er vanlig bare å skrive inn antallet protoner i kjernen når vi tegner skallmodeller. Litium har tre protoner i kjernen, og vi skriver derfor «3+» inni den tegnede kjernen.

Videre tegner vi elektronene i bestemte avstander fra kjernen, elektronskallene. I det innerste skallet er det kun plass til to elektroner. Litium, med tre protoner, har derfor to elektronskall – to elek troner i det innerste og ett i det neste. Når skall nummer to har åtte elektroner, påbegynnes neste skall. Det samme gjelder skall tre: Når det har åtte elektroner, påbegynnes skall fire. Denne fordelingen av elektroner gjør at vi enkelt kan tegne skallmodeller av de 20 første grunnstoffene. Men systemet blir mer komplisert for stoffer med mer enn 20 protoner og elektroner.

Grunnstoffatomer er i utgangspunktet elektrisk nøytrale. Det betyr at de har like mange elektroner rundt kjernen som protoner i kjernen.

1+ 3+ 8+ - - Vurderingseksemplar

Niels Bohr

Skallmodellen ble foreslått i 1913 av den da 28 år gamle danske fysikeren Niels Bohr. Den blir derfor ofte kalt Bohrs atommodell. Bohr fikk nobelprisen i fysikk i 1922 for sitt arbeid med atomer. Han har fått et grunnstoff oppkalt etter seg, bohrium, et kunstig framstilt grunnstoff.

Hydrogen Litium Oksygen

Tenk etter ...

Atomer kan gi fra seg eller motta elektroner. Hva tror du skjer med atomets ladning når det mottar ett eller flere elektroner? Og hva skjer dersom det gir fra seg elektroner?

Hydrogenatomet har bare ett elektron og derfor ett elektron skall, mens litium har sine tre elektroner fordelt på to skall. Oksygenatomet har totalt åtte elektroner, også fordelt på to skall – to i det innerste skallet og seks i det ytterste.

Selv om skymodellen gir et riktigere inntrykk av hvor elektronene befinner seg, er skallmodellen nyttig i flere sammenhenger. Den gjør det lett å vise hvor mange elektroner et atom har, og hvordan de er fordelt på energinivåer rundt kjernen. Fordelingen er viktig fordi det er elektronene i det ytterste skallet som bestemmer mange av egenskapene et grunnstoff har. Når vi vet hvor mange elektroner atomet har i ytterskallet, kan vi derfor ofte forutsi hvordan de reagerer med hverandre og danner nye stoffer. Dette skal du lære om i neste kapittel.

Tegn et atom Grunnstoffet fluor har ni protoner. Bruk denne informasjonen til å tegne skallmodellen til fluor.

Reflekter Protoner og nøytroner er bygd opp av enda mindre partikler – som kalles kvarker. For å lære mer om slike ørsmå partikler gjennomfører man eksperimenter. Hva tror du er viktig når et eksperiment planlegges og gjennomføres for at resultatet skal bli riktig og gyldig?

Modellene viser ikke hele sannheten Atommodeller kan fortelle mye om hva et atom består av, og hvordan det er bygd opp. Men ingen av modellene gir et riktig bilde av avstander, størrelsesforhold og masse. Tenk deg at du skal tegne et atom med riktige avstander og størrelsesforhold. Hvis du tegner kjernen med en diameter på 0,5 cm, vil det nærmeste elektronet være omtrent 100 meter unna og så lite at selv Vurderingseksemplar den minste blyantprikk er for stor. Det er altså umulig å tegne en atommodell som viser størrelsesforholdene på riktig måte. Protonet og nøytronet har omtrent like stor masse, og begge veier nesten 2000 ganger mer enn elektronet. Det betyr at mesteparten av massen til et atom befinner seg i kjernen. Om vi kunne fylle en fyrstikkeske med bare atomkjerner, ville eska veid omtrent 7 000 000 000 000 kg, altså 7 billioner kilogram.

Tenk etter...

Se for deg et atom med atomkjerne og elektroner. Hva befinner seg mellom kjernen og elektronene, tror du?

Hvis et eple ble forstørret til samme størrelse som jorda, ville atomene i det enorme eplet vært like store som eplet var opprinnelig.

Hva leste du nå? 1 Hvorfor trenger vi modeller i naturfag? 2 Hva er grunnen til at vi har behov for flere ulike atommodeller? 3 Hva ved atomet er det skymodellen viser på en god måte? 4 Hva ved atomet er det skallmodellen viser på en god måte? 5 Gi to eksempler på hva atommodeller ikke viser. Kjemiens verden Du har nå fått et lite innblikk i en mikroverden som er en del av kjemien. Denne mikroverdenen er en verden vi ikke kan se, og som vi trenger modeller for å forstå. Vi har sett på modeller som viser atomenes oppbygning, og hva de består av. Dette er viktig for å forstå kjemi. Det er mye kjemi i oss og rundt oss. Ta en mobiltelefon, for eksempel. Den er bygd opp av atomer. Du kan bruke mobilen fordi atomer i batteriet reagerer med hverandre og frigjør energi. Det skjer en Vurderingseksemplar kjemisk reaksjon. Det er også kjemiske reaksjoner som foregår inni deg når du fordøyer maten du har spist, og i plantene skjer kanskje den viktigste kjemiske reaksjonen av alle – fotosyntesen. I neste kapittel skal du lære om hvordan grunnstoffenes egenskaper er bestemt ut fra antallet protoner og elektroner i de ulike atomtypene, og om den fantastiske tabellen som inneholder alle atomtypene vi kjenner – periodesystemet.