|
[[קובץ:Atomstructure.png|שמאל|ממוזער|250px|חלקיקי האטום]]
==מבנה האטום - חלקיקים תת אטומים:פרוטונים, נויטרונים ואלקטרונים==
=הקדמה=
[[תמונה:Atomstructure.png|left|thumb|250px|מבנה האטום]]
האטום הוא האטום הוא החלקיק הקטן ביותר של [[יסוד כימי]] <ref>חומר המורכב מחלקיקים מסוג אחד בלבד</ref> שבו נשמרות תכונות היסוד.
ה'''אטום''', (ביוונית עתיקה פירושו ''בלתי ניתן לחלוקה''), הוא אבן הבניין של כל חומר. בתקופה העתיקה היו ויכוחים רבים בנוגע למהות החומר. למשל, עלו שאלות כגון ''ממה עשויים מים?'' מבין התשובות שעלו עלתה הנחתו של דמוקריטוס שטען שהחומר מורכב מיחידות שאינן ניתנות לחלוקה, כלומר, ניתן לחלק, למשל, קרש מעץ, רק עד חלקים קטנים בגודל '''מסוים'''. לחלקים קטנים מאוד אלה, קרא דמוקריטוס אטומים. לרוע המזל, במהלך ההיסטוריה של העולם המערבי, לא זכתה תורתו של דמוקריטוס להכרה על ידי הכנסייה הקתולית ונשכחה. במקומה אומצה תיאוריה אחרת שטענה שהעולם מורכב מארבעה יסודות: אש, מים, רוח ואדמה.
לימים התברר שלתורה זו אין בסיס מציאותי וזו נזנחה.
=גרעין האטום=
כאמור, על פי היוונים האטום הינו אבן הבניין היסודית של החומר אך הדבר אינו כך. למעשה, גם האטום מורכב מאבני יסוד קטנות יותר, הנקראות '''חלקיקים אלמנטריים''', כלומר יסודיים. קיימים סוגים שונים ורבים של חלקיקים אלמנטריים. אנו נתייחס רק לאלו שמרכיבים את החומר והם ה'''אלקטרון''', ה'''ניוטרון''' וה'''פרוטון'''. בכימיה לא נתייחס למבנה המסובך של האטום שמתואר בתורת הקוונטים, אלא למודל פשוט יותר, שקל יותר לשימוש ואינו דורש מתמטיקה גבוהה יתר על המידה ולא ידע מעמיק בפיסיקה קוונטית.
גרעין האטום מכיל פרוטונים וניוטרונים.
ואף על פי הכל, לא יאומן עד כמה מורכב עולמנו, מכיוון שלא יאומן, עד כמה מורכב האטום.
ה'''ניוטרונים''' (מסומנים באות <math>\ N</math>) הם חלקיקים מעט כבדים יותר מהפרוטונים אך אינם נושאים מטען חשמלי, כלומר, הם נייטרליים (ועל כן שמם) ואינם מושפעים ממטענים חשמליים או שדות מגנטיים.
===מבנה כללי===
הניוטרונים אינם יציבים מחוץ לאטום ומתפרקים לחלקיקים פשוטים יותר (פרוטון, אלקטרון וחלקיק נוסף שנקרא ניוטרינו), אולם, הם תורמים ליציבות הגרעין.
גם לאחר שהבינו שהאטום מורכב מחלקיקים לא ידעו איך הם מסודרים. ההשערה המקובלת נוגעת בתור "מודל עוגת הצימוקים" אמרה שהחלקיקים הכבדים (הפרוטונים והנויטרונים) בכל אטום נמצאים במרכז האטום ועליהם צמודים האלקטרונים. לאחר ניסוי הוכח שרוב האטום הוא בעצם ריק, חלק שאינו מלא בחומר, באופן מופשט נוכל להתייחס לאטום כמערכת שמורכבת מגרעין (המורכב מהפרוטונים והנויטרונים אשר נושא את כל המטען החיובי של האטום) ומאלקטרונים הנמצאים מסביב לגרעין (הנושאים את המטען השלילי). נהוג להתייחס לאלקטרונים כמעין "ענן" לא מוגדר שמרחף מסביב לגרעין האטום. בפיסיקה קוונטית מתייחסים לעקרון שנקרא עקרון אי-הוודאות של הייזנברג. בשל עקרון זה, בכימיה לא נוכל להתייחס למיקומו המדוייק של האלקטרון, אלא על ההסתברות שלו להמצא במקום מסויים. מכיוון שזהו עקרון פיסיקלי בסיסי, לא ניתן להתייחס לאלקטרון באטום כמעין כדור כפי שהיינו יכולים לצפות מחלקיק באופן אינטואיטיבי. עקרון זה הוא עקרון חשוב מאוד בכימיה (עיקר ההבנה היא ברמה יותר מתקדמת שלא נתעסק בה כרגע ומובעת במונח "אורביטל" שניגע בו בהמשך, לעת עתה נתייחס לאלקטרון כאילו הוא משתמש בכל ה"ענן" שלו, ולא נמצא בנקודה מסויימת, וכך תורם לפעילות האטום).
ה'''פורטונים''' (מסומנים באות <math>\ P^+</math>) הם חלקיקים בעלי מטען חיובי, המטען זהה בגודלו לזה של האלקטרון, אך, הפוך בסימנו (חיובי במקום שלילי). כמות הפרוטונים היא זו הקובעת את תוכנות האטום, ונעסוק בה בהמשך בפרק "יסודות".
===הגרעין===
גרעין האטום הוא החלק המכיל את נושאי המטען החיובי, הנקראים פרוטונים. הפרוטון כבד פי כ-2000 מהאלקטרון, לכן גרעין האטום הוא האחראי הכמעט בלעדי למשקלו. בגרעין האטום מצויים שני סוגים של חלקיקים יסודיים (גם הם מורכבים מאבני בניין קטנות יותר אך אין זה קשור לכימיה): פרוטונים וניוטרונים (שסימונם <sup>+</sup>P ו-N). הניוטרונים הם חלקיקים מעט כבדים יותר מהפרוטונים אך אין הם נושאים מטען חשמלי כלומר הם נייטרליים ועל כן שמם. הניוטרונים הם חלקיקים שאינם יציבים מחוץ לאטום ומתפרקים לחלקיקים פשוטים יותר (הם למעשה מתפרקים לפרוטון, אלקטרון וחלקיק נוסף שנקרא ניוטרינו). ניוטרונים אינם משחקים תפקיד חשוב בכימיה, אולם הם התורמים ליציבותו של הגרעין. הכימיה עוסקת רק בכוחות חשמליים ומגנטיים בין החלקיקים. מכיוון שהניוטרונים הם נייטרליים, אין הם מושפעים ממטענים חשמליים או שדות מגנטיים.
פרוטונים הם חלקיקים בעלי מטען חיובי, הזהה בגודלו לזה של האלקטרון אך הפוך בסימנו. כידוע, מטענים חיוביים ושליליים נמשכים בטבע, ואילו מטענים חיוביים דוחים אחד את השני (וכך גם שליליים). באותו אופן, גם חלקיקים יסודיים כמו אלקטרונים נמשכים לגרעין האטום שמכיל רק חלקיקים נייטרליים וחלקיקים חיוביים. קוטר הגרעין הוא קטן מאוד ביחס לגודל האטום כולו. הפרוטונים מרוכזים במקום קטן מאוד. למעשה, הגרעין כל-כך קטן, עד אשר נוכל להמשילו לגודל של נמלה בתוך מגרש של כדורגל (גודל את גודל האטום אנו מחשבים על פי הנפח שבו האלקטרונים נעים). מכיוון שהגרעין מאוד מרוכז, שישנם כוחות חשמליים גדולים של דחייה בין אותם פרוטונים שנמצאים צפופים בגרעין. אותם כוחות מאוזנים על ידי כוחות חזקים עוד יותר, אך שאינם משפיעים על תגובות כימיות ולכן לא נדון בהם. (כל התחום של כוחות תוך גרעינים נמצא בתחום המחקר של הפיזיקה הגרעינית)
כמות הפרוטונים היא זו הקובעת את תוכנות האטום, ונעסוק בה בהמשך בפרק "יסודות".
===ענן אלקטרונים===
בחלקסביב הגרעין (החלק החיצוני של האטום (כל הנפח שאינו הגרעין) יכוליםיש להסתובב"ענן אלקטרונים" (שסימונם <supmath>\ e^-</supmath>e) הנושאים את המטען השלילי של האטום. האלקטרון הוא חלקיק דינאמי יחסיתביחס לאטום ולכן, הוא זה שמאפשרהמאפשר את רוב הקשרים והתגובות בין אטומים, וזה היסוד העיקרי של הכימיה. נעסוק בהרחבה בענן האלקטוניםאטום בהמשךאחד הפרקלאחר.
לאטום במצב הפשוט שלו יש כמות שווה של פרוטונים ואלקטרונים. מכיוון שהמטען החשמלי של פרוטון ואלקטרון הוא זהה אבל הפוך נאמר שאטום כזה הוא "נייטרלי", כלומר בסך הכל אין לאטום מטען חשמלי.
{| border="1" align="center"
''הערה'': בכימיה אנחנו לא מתייחסים לגודל הפיזיקלי של המטען ומתייחסים לכל אלקטרון נוסף כאל יחידה אחת של מטען שלילי. ולכל אלקטרון חסר כאל יחדה אחת של מטען חיובי (שים לב שמטען חיובי הוא לא פרוטון נוסף אלא אלקטרון "חסר" מהאטום הנייטרלי).
| '''אי-הוודאות של הייזנברג-''' עקרון בסיסי ב[[פיסיקה קוונטית]]. על פי העקרון, קיימות תכונות לחומר : מסה, אנרגיה, תנע (תנועה), מיקום ועוד. התכונות ניתנות למדידה בנפרד, אולם, כאשר מנסים למדוד את '''שתי תכונות בו בזמן''', מגלים כי פעמים רבות '''אי אפשר''' למדוד במדוייק את ערכן. למשל, התכונות מיקום ותנע. בשל עקרון זה, לא נוכל להתייחס למיקומו המדוייק של האלקטרון, אלא על ההסתברות שלו להמצא במקום מסויים. <br />
עקרון זה הוא עקרון חשוב מאוד בכימיה. עיקר ההבנה היא ברמה יותר מתקדמת שלא נתעסק בה כרגע ומובעת במונח "אורביטל" שניגע בו בהמשך, לעת עתה נתייחס לאלקטרון כאילו הוא מרחף בכל ה"ענן" שלו, ולא נמצא בנקודה מסויימת, ובכך תורם לפעילות האטום.
|}
=מטענים=
==תכונות הגרעין==
מטענים חיוביים ושליליים נמשכים בטבע, ואילו מטענים חיוביים דוחים אחד את השני ולהפך. לכן, האלקטרונים נמשכים לגרעין האטום שמטנו חיובי (בגלל הפרוטונים). <br />
===מספר אטומי והיסודות===
קוטר הגרעין הוא קטן מאוד ביחס לגודל האטום כולו. למעשה, הגרעין כל-כך קטן, עד אשר נוכל להמשילו לגודל של נמלה בתוך מגרש של כדורגל (גודל את גודל האטום אנו מחשבים על פי הנפח שבו האלקטרונים נעים).
השם "אטום" בא מהמילים: א (בלטינית: בלתי) ו-טום (בלטינית: ניתן לחלוקה). למעשה ראינו האטום מורכב מחלקים קטנים, אך בכל זאת יש משהו נכון בשם. האטום הוא החלקיק הקטן של חומר, ומרכיביו אינם עונים כבר להגדרה חומר שהרי האלקטרונים, הפרוטונים והנייטרונים הינם חלקיקי אנרגיה.
הפרוטונים מרוכזים במקום קטן מאוד ולכן, יש כוחות דחייה בניהם. אותם כוחות מאוזנים על ידי כוחות חזקים עוד יותר, אך שאינם משפיעים על תגובות כימיות ולכן לא נדון בהם. (כל התחום של כוחות תוך גרעינים נמצא בתחום המחקר של ה[[פיזיקה הגרעינית]]).
*אטום נושא מטען נטרלי - כמות שווה של פרוטונים ואלקטרונים. מכיוון שהמטען החשמלי של פרוטון ואלקטרון הוא זהה אבל הפוך נאמר שאטום כזה הוא "נייטרלי", כלומר בסך הכל אין לאטום מטען חשמלי.
כבר אמרנו שכמות הפרוטונים מבדילה את התכונות בין אטום לאטום. לכמות הפרוונים של האטום קוראים '''מספר אטומי'''. לכל האטומים שיש להם מספר אטומי משותף יש את אותן התכונות. לאטום כזה אנחנו קוראים '''יסוד'''. ההפרדה העקרונית בין היסודות הוא המספר האטומי וממנו משתנות גם התכונות.
*אטום נושא מטען חיובי- כמות הפורטונים עולה על כמות האלקטרונים.
*אטום נושא מטען שלישי - כמות האלקטרונים עולה על כמות הפרוטונים.
''הערה'': בכימיה אנחנו לא מתייחסים לגודל הפיזיקלי של המטען אלא, מתייחסים לכמות האלקטרונים הקיימים. כאשר אנו אומרים שהאטום חיובי אנו למעשה אומרים שחסרים אלקטרונים ולהפך.
את המספר האטומי מסמנים בקטן בצד שמאל של היסוד (על שמות היסודות וסמליהן נרחיב בהמשך), למשל היסוד הליום הוא בעל מספר אטומי 2 ומסומן על ידי האותיות He, אם נרצה לסמן את המספר האטומי של אטום הליום נכתוב <math>_{2}He</math>
=תאוריות=
===מספר מסה===
* במאה ה-5 לפנה"ס דמוקריטוס הניח הנחה כי כל חומר מורכב מחלקיקים קטנים שלא נתנים לחלוקה, הוא קרא להם אטומים (א (לא ניתן) טומי (חתך))).
בגלל שעיקר המסה השל האטום מצוי בגרעין, שכן השפעת המסה של האלקטרונים היא מזערית, אנו מחשבים את המסה של האטום על פי סכום הפרוטונים ונויטרונים שבגרעינו. לסכום אנו קוראים '''מספר מסה'''. לדוגמה, אם ניקח אטום הליום, מספר המסה שלו יהיה 4 (שני פרוטונים ושני נויטרונים). נזכור שככל שמספר פרוטונים העולה כך מספר הנויטרונים עולה, בהתחלה בקצב של אחד לאחד.
* התגלה כי האטום מורכב מחלקיקים קטנים יותר.
*"מודל עוגת הצימוקים" - בא לענות על השאלה "כיצד מורכבים החלקיקים באטום?". על פי המודל החלקיקים הכבדים (הפרוטונים והנויטרונים) בכל אטום, נמצאים במרכז האטום ועליהם צמודים האלקטרונים.
*מאוחר יותר התגלה כי האטום מורכב מחלקיקים קטנים יותר: '''גרעין''' שבו '''''פרוטונים ונייטרונים''''', וסביבו '''ענן של אלקטרונים'''. הפרוטונים והנייטרונים עצמם מורכבים מחלקיקים נוספים.
=הערות שולים=
כדי לקבוע את המסה של פרוטון אחד לא יכלו להשתמש במימן (שלמרות שיש לו פרוטון אחד לפעמים אין לו נויטרונים ולפעמים יש לו נויטרון אחד, על כך תלמד מיד), לכן לקחו את היסוד פחמן שקל היה למדוד את המסה שלו.
<references/>
[[קטגוריה:כימיה לבגרות תשס"ט]]
את מספר המסה מסמנים בקטן מעל המספר האטומי, לפעמים מתעלמים מהמספר האטומי מכיוון שסמל היסוד כבר אומר לנו מה המספר האטומי שלו. אם נחזור לדוגמא של ההליום, יש לו 2 פרוטונים ו-2 נויטרונים, אנחנו יכולים לסמן ככה::<math>^{4}_{2}He</math> או ככה:<math>^{4}He</math>
{{תרגיל
|מספר=1
|שאלה=לאטום חמצן (המסומן באות O) יש 8 פרוטונים ו-8 נויטרונים:
# מה המספר האטומי ומה מספר המסה שלו?
#איך נסמן את האטום?
|פתרון=
# המספר האטומי של האטום הוא 8 ומספר המסה הוא 16
# נסמן את האטום כך: <math>^{16}_{8}O</math>
|יישור=ימין}}
===איזוטופים===
על פי מה שאמרנו כבר, מספר הפרוטונים קובע את תכונות החומר, האלקטרונים יוצרים את הקשרים הבין-אטומים ושניהם יחד משפיעים על המטען החשמלי של האטום. אם כך, מה ההשפעה שיש לכמות הנויטרונים על תכונות האטום?
הנויטרונים אחראים לייצב את הגרעין. כמות הנויטרונים יכולה להשתנות בין אטומים של אותו היסוד ובכך להשפיע על יציבותו. אנחנו קוראים ליסוד שיש לו מספר אפשרויות לכמויות של נויטרונים "יסוד עם מספר '''איזוטופים'''", כאשר כל איזוטופ של היסוד הוא אטום שיש לו מספר פרוטונים המייחס אותו ליסוד מסויים אך מספר הנויטרונים שונה. אם אנחנו רוצים להתייחס לאיזוטופ מסויים אנחנו קוראים לו על שם היסוד שלו ומספר המסה שלו.
לדוגמא: לכל אטומי הפחמן, המסומנים באות C, ביקום יש 6 פרוטונים (''אתה יכול להסביר למה?''). לאיזוטופ פחמן-12 (<math>^{12}_{6}C</math>) יש 6 פרוטונים ו-6 נויטרונים. לאיזוטופ פחמן-14 (<math>^{14}_{6}C</math>) יש 6 פרוטונים ו-8 נויטרונים.
{{תרגיל
|מספר=2
|שאלה=מצא את הנתונים עבור האטומים הבאים:
<math>^{12}_{6}C</math>, <math>^{13}_{6}C</math>, <math>^{14}_{6}C</math>, <math>^{238}_{92}U</math>, <math>^{27}_{13}Al</math><br />
(נתונים: ניוטרונים, אלקטרונים, פרוטונים, מסה אטומית ומספר אטומי)
|פתרון=
<math>^{12}_{6}C</math>:'''ניוטרונים''' - 6, '''אלקטרונים''' - 6, '''פרוטונים''' - 6, '''מסה אטומית''' - 12, '''מספר אטומי''' - 6<br />
<br />
<math>^{13}_{6}C</math>:'''ניוטרונים''' - 7, '''אלקטרונים''' - 6, '''פרוטונים''' - 6, '''מסה אטומית''' - 13, '''מספר אטומי''' - 6<br />
<br />
<math>^{14}_{6}C</math>:'''ניוטרונים''' - 8, '''אלקטרונים''' - 6, '''פרוטונים''' - 6, '''מסה אטומית''' - 14, '''מספר אטומי''' - 6<br />
<br />
<math>^{27}_{13}Al</math>:'''ניוטרונים''' - 14, '''אלקטרונים''' - 13, '''פרוטונים''' - 13, '''מסה אטומית''' - 27, '''מספר אטומי''' - 13<br />
<br />
<math>^{238}_{92}U</math>:'''ניוטרונים''' - 146, '''אלקטרונים''' - 92, '''פרוטונים''' - 92, '''מסה אטומית''' - 238, '''מספר אטומי''' - 92<br />
|יישור=ימין}}
===רדיואקטיביות ותגובות גרעיניות===
למה התכוונו כשאמרנו שהנויטרונים אחראים לייצוב הגרעין?
אמרנו שבגרעין יש רק פרוטונים ונויטרונים ולכן כל המטען שלו הוא חיובי. עוד אמרנו שמטענים חיוביים דוחים אחד את השני. מי שלמד פיזיקה יודע כי הכוח החשמלי מתחזק ככל שהמטענים מתקרבים אחד לשני. לכן, מספיק שהפרוטונים לא יהיו צמודים אלא עם הפרדה קטנה כדי להקטין את הכוח החשמלי שדוחה אותם בצורה משמעותית. את ההפרדה הזו מבצעים הנויטרונים. מצד שני אמרנו גם שנויטרון בעצמו הוא לא יציב, והוא בעצמו מתפרק לפרוטון ואלקטרון.
יוצא מזה שצריך איזון בין כמות הפרוטונים לכמות הנויטרונים באטום כדי שהפרוטונים לא ידחו אחד את השני וכדי שהנויטרונים לא יתפרקו בעצם. אם לא קיים האיזון הזה אז הגרעין הוא לא יציב. לאיזוטופ לא יציב של אטום אנחנו קוראים "איזוטופ רדיואקטיבי". גם גרעינים גדולים מדי הם רדיואקטיבים וזה בגלל שהכוחות שמחברים אותם כנגד הכוח החשמלי כבר חלשים מדי בגרעינים גדולים.
רדיואקטיביות היא פעילות של הגרעין שנועדה לייצב אותו. כאשר ישנו גרעין לא יציב יש לו שלוש אפשרויות להגדיל את היציבות שלו, וכולן על ידי פליטה של חלקיק מתוכו:
* האפשרות הראשונה היא פליטה של גרעין הליום (שני פרוטונים ושני נויטרונים) והיא משמשת להקטנת הגודל של הגרעין. נשאר לנו אטום עם מספר אטומי קטן ב-2 ומספר מסה קטן ב-4. פליטה זאת נקראת "קרינת אלפא"
:<math> ^{238}_{92}U \longrightarrow ^{234}_{90}Th + ^{4}_{2}He</math>
* האפשרות השניה היא פליטה של אלקטרון מתוך הגרעין (ולא מענן האלקטרונים), כלומר נויטרון מתפרק לאלקטרון ופרוטון, הפרוטון נשאר בגרעין והאלקטרון יוצא ממנו. פליטה זו משתמשת לשינוי היחס בין מספר הפרוטונים למספר הנויטרונים. נשאר לנו אטום עם אותו המפר מסה ואבל עם מספר אטומי שונה. פליטה זו נקראת "קרינת בטא"
''הערה'': קיימת קרנית בטא הפוכה, בה פרוטון מתפרק לנויטרון ולפוזיטרון (להרחבה עליו קרא את הערך "פוזיטרון" בויקיפדיה) שבה האיזון מושג על ידי הגדלת מספר הנויטרונים בגרעין.
:<math> ^{14}_{6}C \longrightarrow ^{14}_{7}N + e^{-}</math>
* האפשרות השלישית היא יציאה של פוטון מהגרעין. הפוטון לא משנה את המבנה של הגרעין אלא מוציא ממנו אנרגיה. הפליטה הזו נקראת "קרינת גמא" והיא הקרינה הרדיואקטיבית ששמעתם עליה ועל הסכנות שלה.
ההבדל ביציבות בין האיזוטופים גורמים להם להופיע בטבע בשכיחויות שונות. ככה שהאיזוטופ פחמן-10 לא קיים בטבע מכיוון שהוא מאוד לא יציב, לעומתו האיזוטופ פחמן-12 הוא היציב ביותר כך שהוא האיזוטופ הכי נפוץ. כאשר קיימים מספר איזוטופים בטבע ניתן להגיד על פי השכיחויות שלהם כמה הם יציבים. למשל חמצן-16 נמצא 99.76 אחוז בטבע וחמצן-18 נמצא 0.2 אחוז בטבע. אנחנו יכולים להסיק שהאיזוטופ חמצן-16 הוא איזוטופ יציב יותר מאשר האיזוטופ חמצן-18.
== היערכות האלקטרונים ברמות אנרגיה ==
===מבנה ענן האלקטרונים===
[[קובץ:neon orbitals.JPG|שמאל|ממוזער|250px|הצורה של חמשת האורביטלים הראשונים:1s, 2s, 2p<sub>x</sub>,2p<sub>y</sub>, 2p<sub>z</sub>.]]
עכשיו אנחנו יכולים להתקדם לענן האלקטרונים. הזכרנו בקצרה את מיקומו של האלקטרון באטום כחלקיק דינאמי שיכול להימצא בכל הנפח של אטום מלבד בתוך הגרעין. אם כן, עד כמה יכול האלקטרון להתרחק מהגרעין? ואיפה בכל הנפח הזה הוא נמצא?
עד להתפתחות הפיזיקה המודרנית ניתן היה לדמות את האלקטרון לכדור טניס בחדר, כאשר הכדור נמצא בנקודה כלשהיא וכל עוד הוא בחדר הוא "שייך" לאטום. אבל, הפיזיקה המודרנית קובעת שאין לשום חלקיק מיקום שאנחנו יכולים לקבוע אותו, ולכן על פי חישובים שעשו פיזיקאים גילו שלכל אלקטרון יש פונקציה של המרחב בו הוא יכול להימצא. ובמילים פשוטות אנחנו יכולים ליצור תמונה של איפה האלקטרון יכול להיות ולדעת מה האחוזים שהוא באמת שם. לפונקציה הזאת קוראים '''אורביטל אטומי'''. בכל אורביטל יכולים להיות עד שני אלקטרונים שיש להם '''ספין''' הפוך (לא נרחיב על הספין אבל נסמן את ההבדל בין האלקטרונים ע"י חצים אלקטרון אחד יסומן על ידי חץ למעלה או למטה ושני אלקטרונים בעלי ספין הפוך יסומנו על ידי שני חיצים למעלה ולמטה אחד על יד השני)
האורביטלים נחלקים למספר סוגים על פי הצורה שלהם, וכל סוג של אורביטל יכול להופיע במספר צורות. הסוג הראשון הוא אורביטל s ויש לו רק צורה אחת. האורביטל השני הוא אורביטל p עם 3 צורות שהוא יכול להופיע. אחריהם מופעים אורביטל d ואורביטל f בעלי 5 ו-7 הופעות בהתאמה. האורביטלים מסודרים ב'''רמות אנרגיה''' כשבכל רמה יכולים להיות n סוגי אורביטלים וסך הכל n<sup>2</sup> אורביטלים. ברמה הראשונה יש רק אורביטל s אחד (המסומן ככה: 1s מספר הרמה וסמל האורביטל). ברמה השניה יש אורביטל 2s ושלושה אורביטלי 2p המסומנים 2p<sub>x</sub>,2p<sub>y</sub>,2p<sub>z</sub> וכן הלאה. נזכור שככל שהאלקטרון נמצא ברמה גבוהה יותר או באורביטל גבוהה יותר באותה הרמה יש לו יותר אנרגיה שממנה האטום ישאף להפטר ולחזור לאנרגיה נמוכה, ולכן באיכלוס של אלקטרונים באטום מתחילים ברמה הנמוכה ביותר ומשם עולים לפי סדר האנרגיה.
בכל אורביטל יכולים להיות עד שני אלקטרונים, ולכן בכל רמת אנרגיה יכולים להיות עד 2n<sup>2</sup> אלקטרונים. ברמה האחרונה שמתמלאת באטום יכולים להיות עד שמונה אלקטרונים באורביטלי ה- s וה-p של אותה הרמה, אותה רמה נקראת '''רמת הערכיות'''. כמובן שאם רמת הערכיות היא הרמה הראשונה היא יכולה להתמלא רק בשני אלקטרונים כמו שאמרנו.
===הערכות האלקטרונים ברמות האנרגיה===
לסדר בו נערכים האלקטרונים באטום אנו קוראים כלל האוטובוס. דמיינו את עצמכם עולים על האוטובוס ומחפשים מקום לשבת, אתם רוצים לשבת כמה שיותר קרוב, אבל תעדיפו מושב ריק על מושב מלא.
גם האלקטרונים ממלאים את האורביטלים בעלי האנרגיה הנמוכה ביותר, אלקטרון בכל אורביטל, עד שכל האורביטלים בעלי אותה הרמה מאוכלסים עם אלקטרון אחד ואז האלקטרון הבא נכנס לאורביטל שכבר יש בו אלקטרון נוסף.
נעבור על הערכות האלקטרונים באטום נתרן בעל המספר האטומי 11 ויש לו 11 אלקטרונים (כל אטום בעל מספר אטומי נמוך יותר מתמלא באותה השיטה אך עוצר את איכלוס האלקטרונים כאשר אין לו עוד אלקטרונים לאכלס). האלקטרון הראשון מאכלס את האורביטל 1s. האלקטרון השני שלו מאכלס גם הוא את האורביטל 1s והוא יהיה בעל ספין הפוך לאלקטרון הראשון באורביטל. ומלאנו את רמת האנרגיה הראשונה.
האלקטרון השלישי בנתרן יאכלס את האורביטל 2s, ובכך יעביר את רמת הערכיות לרמת אנרגיה השניה. האלקטרון הרביעי יאכלס גם את 2s ויהיה בעל ספין הפוך. האלקטרונים החמישי, השישי והשביעי וימלאו כל אחד אורביטל 2p שונה, מכיוון ששלושת האורבילים בעלי אנרגיה זהה האלקטרונים לא ימלאו אורביטל אחד וישאירו אורביטל אחר ריק. האלקטרונים השמיני עד העשירי ימלאו את האורביטלי 2p כך שיהיה בכל אחד שני אלקטרונים (מה יהיה היחס בין האלקטרונים?) והרמה השניה תהיה מלאה.
האלקטרון האחרון של הנתרן יאכלס את האורביטל 3s ויקבע את רמת הערכיות של האטום ברמת האנרגיה שלישית. באטום הנתרן יש רק אלקטרון אחד ברמת הערכיות.
סך הכל נסמן את ההערכות האלקטרונית של הנתרן בצורה הבאה:
<math>Na(2,8,1)</math>
{{תרגיל
|מספר=1
|שאלה=מהי היערכות האלקטרונים באטום חמצן <math>_{8}O</math> ואטום זרחן <math>_{15}P</math>?
|פתרון=<math>O(2,6)</math><br />
<br />
<math>P(2,8,5)</math>
|יישור=ימין}}
===יונים===
מצב בו מסירים או מוסיפים אלקטרונים לאטום נקרא '''יינון''', על ידי יינון אנחנו יכולים לשנות את המטען של האטום, אם נסיר אלקטרון מהאטום המטען הכולל שלו יהיה חיובי ואם נוסיף אלקטרון המטען יהיה שלילי. לאטום שעבר יינון ויש לו מטען (לא משנה אם חיובי או שלילי) אנחנו קוראים '''יוֹן'''. את היון מסמנים על ידי הסימן המתאים וכמות האלקטרונים שנוספו או חוסרו מהאטום בצד הימני העליון של הסימון של האטום (לדוגמא יון של חמצן שנוספו לו 2 אלקטרונים הוא:<math>^{16}_{8}O^{2-}</math> או <math>O^{2-}</math> אם אנחנו לא מתעסקים במספר האטומי ובמסה האטומית)
''הערה'': שים לב שהסימן מייצג את המטען ולא את השינוי במספר האלקטרונים ולכן אם הוצאנו אלקטרונים הסימן יהיה חיובי!
יון בעל מטען חיובי נקרא '''קטיון''' ויון בעל מטען שלילי נקרא '''אניון'''. על פי חוקי הפיזיקה מטענים מנוגדים נמשכים זה לזה ולכן נמצא הרבה פעמים קטיונים ואניונים אחד על יד השני. ישנו קשר בין אטומים הנקרא "קשר יוני" עליו תלמדו בהמשך.
האלקטרונים הנוספים מאכלסים את האורביטלים באטום על פי כלל האוטובוס שלמדנו קודם, והאלקטרונים היוצאים מהאטום יוצאים בסדר הפוך לסדר הכניסה, האחרון שנכנס יהיה הראשון שיצא.
{{תרגיל
|מספר=2
|שאלה=לוקחים אטום כלור <math>_{17}Cl</math> ומוסיפים לו אלקטרון אחד, איך נסמן את היון? מהי היערכות האלקטרונים ביון?
|פתרון=הסימון של יון הכלור הוא <math>Cl^{-}</math><br />
<br />
היערכות האלקטרונים היא <math>Cl^{-}(2,8,8)</math>
|יישור=ימין}}
===רדיוס אטומי===
אנחנו מתייחסים לרדיוס של האטום על פי המרחק בין הגרעין לרמת הערכיות. השימוש באורביטלים הוא חלקי בכך שהוא מתאר את ההסתברות למצוא אלקטרון במרחב של האטום והחל מהסתברות מסויימת אנחנו מתייחסים למיקום כאילו לא יתכן שיהיה שם אלקטרון.
בכאופן כללי כדי לדעת את היחס בין הגדלים של אטומים שונים אנחנו מסתכלים על גודל הגרעין ועל מספר רמות האנרגיה המלאות באטום. מצד אחד, כאשר הגרעין גדול יותר המטען שלו מושך את האלקטרונים יותר לכיוון הגרעין ומקטין את הרדיוס האטומי. מצד שני, אם הגרעין גדל עד כדי כך שנוספה רמת אנרגיה כדי להכיל את האלקטרונים שנוספו אז הרדיוס גדל.
לדוגמא באטומים בעלי כמות אלקטרונים שווה כמו <math>_{9}F^{-}</math>, <math>_{10}Ne</math> ו- <math>_{11}Na^{+}</math> רדיוס האטום יקבע על פי גודל הגרעין, ככל שהגרעין, ליתר דיוק המספר האטומי מכיוון שהנויטרונים לא משפיעים, גדול יותר (ובעקבות כך, בעל מטען חשמלי גדול יותר) הרדיוס של האטום יקטן.
{{תרגיל
|מספר=3
|שאלה=מי מהאטומים הבאים הוא בעל הרדיוס הקטן ביותר ומי בעל הגדול?
<math>_{9}F^{-}</math>, <math>_{10}Ne</math> ו- <math>_{11}Na^{+}</math>
|פתרון=<math>_{9}F^{-}</math> הוא בעל הרדיוס הגדול ביותר, ו- <math>_{11}Na^{+}</math> בעל הרדיוס הקטן ביותר
|יישור=ימין}}
==אנרגית ינון==
[[תמונה:Ionization energies.JPG|left|thumb|250px|גרף אנרגיית היינון הראשונה והשניה ביסודות הראשונים בטבלה המחזורית. ניתן לראות שכל פעם שעולים רמת אנרגיה, אנרגיית היינון יורדת]]
[[תמונה:Ionization energies Boron.JPG|left|thumb|250px|אנרגיות היינון של בורון : ניתן לראות שכל הוצאה של אלקטרון דורשת יותר אנרגיה מהוצאת האלקטרון הקודם וכל פעם שמתחילים להוציא מרמת אנרגיה נמוכה יותר צריך להשקיע אנרגיה רבה יותר בצורה משמעותית]]
הזכרנו את פעולת היינון, כלומר היכולת להוציא או להוסיף אלקטרון לאטום ולהפוך אותו מאטום ניטרלי ליון. נשאלת השאלה אם האלקטרון הוא חלק מהאטום איך בכלל אפשר להוציא אותו או להוסיף אלקטרון אחר?
===חוק קולון===
על פי הפיזיקה יש קשר בין הכח המופעל על מטענים (נזכיר שוב שמטענים הפוכים מושכים אחד את השני ומטענים בעלי סימן זהה דוחים זה את זה) לבין המרחק ביניהם. הנוסחה המבטאת את הקשר נקראת '''חוק קולון''' והיא:
<math>F \sim \frac{q_1 \cdot q_2}{r^2}</math><br />
*F הוא הכוח בין הגרעין לאלקטרון
* q<sub>1</sub> הוא המטען של הגרעין (התלוי בכמות הפרוטונים)
* q<sub>2</sub> הוא המטען של האלקטרון
* r הוא המרחק בין האלקטרון לגרעין
על פי הנוסחא קל לראות שככל שהאלקטרון יהיה יותר רחוק מהגרעין הכח בינו לגרעין יהיה חלש יותר.
===אנרגיית יינון===
כדי להוציא את האלקטרון מהאטום יש להרחיק את האלקטרון מהאטום עד שהכח החשמלי ביניהם יהיה חלש מכדי להחזיר את האלקטרון לאטום. כדי להרחיק את האלקטרון אנחנו צריכים להשקיע אנרגיה (על ידי [[w:עבודה|עבודה]]) באלקטרון.
אמרנו שהאלקטרון הראשון שיוצא האטום הוא האחרון שנכנס, כלומר האלקטרון באטום שנמצא הכי רחוק מהגרעין, וראינו מחוק קולון שיש בין האלקטרון הזה לגרעין את הכח החשמלי החלש ביותר. לכן כדי להוציא אותו נצטרך להשקיע כמות אנרגיה קטנה יחסית. לכמות האנרגיה הזו אנחנו קוראים '''אנרגיית יינון''' כלומר האנרגיה הקטנה ביותר שצריך כדי להוציא אלקטרון מאטום.
לאנרגיה הדרושה להוצאת אלקטרון אחד מאטום ניטרלי קוראים '''אנרגיית יינון ראשונה'''. לאנרגיה הדרושה להוצאת אלקטרון שני קוראים '''אנרגיית יינון שנייה'''. ככל שנוציא יותר אלקטרונים מהאטום נצטרך יותר אנרגיה כדי להוציא אלקטרון נוסף. וכאשר נוציא את כל האלקטרונים מרמת הערכיות ונרצה להוציא אלקטרונים מרמת האנרגיה הנמוכה יותר נצטרך להשקיע אנרגיה רבה יותר.
{{תרגיל
|מספר=1
|שאלה=למי יש אנרגיית יינון ראשונה גבוהה יותר ל<math>_{11}Na</math> או ל<math>_{3}Li</math>?
|פתרון=<math>_{3}Li</math> בעל אנרגיית יינון גבוהה יותר מכיוון שהאלקטרון שאנחנו מוציאים נמצא ברמת האנריה השנייה וב<math>_{11}Na</math> האלקטרון שמוציאים נמצא ברמת האנרגייה השלישית
|יישור=ימין}}
{{תרגיל
|מספר=2
|שאלה=למי יש אנרגיית יינון הראשונה גבוהה יותר ל <math>_{11}Na</math> או ל<math>_{12}Mg^{+}</math>?
|פתרון=אנרגיית היינון הראשונה של <math>_{12}Mg^{+}</math> גבוהה יותר. כפי שלמדנו בגלל שהגרעין של <math>_{12}Mg^{+}</math> גדול יותר הרדיוס האטומי שלו קטן יותר מאשר הרדיוס האטומי של <math>_{11}Na</math>. ומחוק קולון רואים שככל שהרדיוס האטומי קטן יותר הכח החשמלי גדול יותר וצריך יותר אנרגיה על מנת להוציא אלקטרון
|יישור=ימין}}
===ניתוח גרף אנרגיות יינון===
על פי מה שלמדנו בפרק תוכלו להסיק מגרף אנרגיות יינון פשוט את היסוד שעליו נבנה הגרף. מספר היינונים (כלומר האלקטרונים שהוצאו מהאטום) לפני מעבר לרמה נמוכה יותר יאמר לכם את כמות האלקטרונים ברמת הערכיות. ואם יתנו לכם אנרגיות היינון של כל האלקטרונים תוכלו לדעת את היסוד על פי ספירה של האלקטרונים.
אם לא נותנים את כל האלקטרונים אפשר להשוות את אנרגיית היינון הראשונה של היסוד המבוקש לאנרגיות יינון ראשונות של יסודות מרמות אנרגיה שונות ואם האנרגיות קרובות מדובר ביסוד עם אותה רמת ערכיות.
{{תרגיל
|מספר=3
|שאלה =[[תמונה:Ionization energies Si (Graph).JPG|rigth|250px]]<br>
איזה יסוד מופיע בגרף?
|פתרון=# מספר מדרגות (או מספר הקווים עליהם יש נקודות) הוא 3 - כלומר יש 3 רמות אנרגיה.
# ממלאים את השורות ע"פ הנקודות עליהם יש.X 2, 8, 4 - זוהי היערכות האלקטרונים באטום
# חישוב מספר האלקטרונים לגילוי מספר אטומי. 2+8+4 = 14
# בדיקה בטבלה המחזורית מהו יסוד בעל מספר אטומי 14. יסוד מספר ה-14 הוא צורן (סיליקון)
|יישור=ימין}}
== מושגים חדשים ==
להרחבה במושגים החדשים ביחידה, ראו את הערכים הבאים בויקיפדיה:
[[w:כימיה|כימיה]] - [[w:אטום|אטום]] - [[w:חלקיק יסודי|חלקיק יסודי]] - [[w:פרוטון|פרוטון]] - [[w:אלקטרון|אלקטרון]] - [[w:נייטרון|נייטרון]] - [[w:גרעין האטום|גרעין האטום]] - [[w:מספר אטומי|מספר אטומי]] - [[w:מספר מסה|מספר מסה]] - [[w:רדיואקטיביות|רדיואקטיביות]] - [[w:רמת אנרגיה|רמת אנרגיה]] - [[w:אורביטל אטומי|אורביטל אטומי]] - [[w:יינון|יינון]] - [[w:יון|יון]]
[[קטגוריה:כימיה - 3 יחידות|מבנה האטום]]
| 