Náboj a hmotnost elektronu

Transkript

1 1911 změřil náboj elektronu Pomocí mlžné komory q = C Náboj a hmotnost elektronu Elektrický náboj je kvantován, Každý náboj je celistvým násobkem elementárního náboje (elektronu) z hodnoty q a q/m e vypočetl hmotnost elektronu m e = kg Robert Millikan ( ) NP za fyziku

2 Měření rychlosti pádu kapiček při různém napětí na deskách Mlžná komora Zdroj ionizujícího záření Hmotnost olejových kapiček 2

3 1886 Anodové (kanálové) paprsky Kationty plynu Proton q/m p = C g 1 m p = kg Jsou různé pro různé druhy použitého plynu, odpuzovány kladným potenciálem, celistvé násobky e, nejmenší pro H 2 q p = elememtární náboj = C 3

4 Nukleární model atomu 1911 Rozptyl α částic na Au Radium zdroj alfa částic Sulfid zinečnatý Ernest Rutherford ( ) NP za chemii

5 Experiment - rozptyl α částic 5

6 Experiment - rozptyl α částic Model 1 Thomson Model 2 Rutherford Většina projde bez změny směru = Prázdný prostor Malý počet je odražen zpět 6 Srážka s masivní nabitou částicí = jádro

7 Nukleární model atomu Většinu objemu atomu tvoří oblak negativního náboje s malou hmotností Jádro atomu Jádro atomu sestává z pozitivního náboje s vysokou hustotou ( g cm 3 ) Hmotnost jádra činí 99.9% hmotnosti atomu 7

8 Objevy elementárních částic 8

9 Elementární částice Částice Symbol El. náboj Spin m, kg m, amu Elektron e 1 ½ Proton p +1 ½ Neutron n 0 ½

10 X záření pronikající hmotou Rentgenovo záření Wilhelm K. Roentgen ( ) NP za fyziku

11 Rentgenovo záření U = kv Vlnová délka λ = Å podle druhu anody Materiál anody Cu K α E = 8.05 kev λ = Å 11

12 Spektrum rentgenova záření K α nejintenzivnější linie Charakteristické čáry Pro různé prvky 1 Ångström = m Minimum ev = hν Brzdné záření Vlnová délka, Å 12

13 Moseleyho zákon ΰ(K α ) = vlnočet linie K α Vlnočet linie K α je různý pro různé prvky Henry Moseley ( ) Zabit ostřelovačem ν ~ ( ) = C( Z 1) K α 13

14 Atom A, Nukleonové číslo Z, Protonové číslo 19 9 F A = Z + N Nuklid = soubor atomů se stejným A a Z Prvek = soubor atomů se stejným Z 14

15 Moseleyho zákon ~ 3R ν = Z 4 ( 1) ΰ(K α ) = vlnočet linie K α R = Rydbergova konstanta Z = celé číslo = protonové číslo Protonové číslo 15

16 1913 Moseleyho zákon Správné pořadí prvků v periodickém systému Z = 27 Co Z = 28 Ni Předpověděl prvky: Z = 43 (Tc), 61 (Pm), 72 (Hf), 75 (Re) Oprava periodického zákona (Mendělejev 1869): Vlastnosti prvku závisí na protonovém čísle ne na atomové hmotnosti Atomové (protonové) číslo prvku je rovno počtu protonů v jádře. 16

17 Izotopy 1 H protium 2 H = D deuterium 3 H = T tricium 1 H 2 H = D 3 H = T Liší se fyzikální vlastnosti Teploty varu (K) : H , D , T

18 Přírodní zastoupení, % 1 H H C C N N O O O S S S S

19 Kolísání přírodního zastoupení, % 10 B (7) 11 B (7) 16 O (16) 17 O (1) 18 O (14) Sledování změny poměrného zastoupení izotopů je využíváno v geochemii původ a stáří hornin 19

20 Ne Ne + + e + Hmotnostní spektrometrie J. J. Thomson objevil dva izotopy Ne 20 Ne 90.48% 21 Ne 0.27% 22 Ne 9.25% Nakresli si hmotnostní spektrum Neonu! 20

21 Hmotnostní spektrometrie 1. Ionizace 2. Rozdělení podle m/z 3. Detekce 21

22 Hmotnostní spektrometrie TOF (Time-of-flight) 22

23 Hmotnostní spektrum Hg 80 A Hg %

24 Hmotnostní spektrum Cl 2 35 Cl + a 37 Cl + ( 35 Cl- 35 Cl) + ( 35 Cl- 37 Cl) + ( 37 Cl- 37 Cl) + 17 Cl % % m/z 24

25 Izotopomery CH 3 CD 3 CD 2 H CD 3 D D D D D H 2 O D 2 O HDO H 2 17 O H 2 18 O H 3 C C N D 3 C C N D 2 HC C N H 3 13 C C N H 3 C 13 C N H 3 C C 15 N 25

26 Izotopická substituce Značené sloučeniny 13 C/ 15 N peptidy IR spektrum, vibrace AlH 3 /AlD 3 Redukovaná hmotnost: m = m 1 m 2 /(m 1 + m 2 ) v = 1 2π k m H/D kinetický izotopový efekt: k H /k D =

27 Hmotnost mol Avogadrova konstanta Prvky se slučují ve stálých hmotnostních poměrech: NaCl: 23.0 g sodíku s 35.5 g chloru Škála relativních atomových hmotností: H = 1.0, C = 12.0, O = 16.0 Definice molu: 12.0 g C = 1 mol Pak 23.0 g Na = 1 mol 1 mol = 22.4 litru Změřit kolik částic je v 1 molu = Loschmidt, Perrin,... N A = mol 1 27

28 Atomová hmotnostní jednotka Avogadrova hypotéza: Při stejné teplotě a tlaku obsahují stejné objemy různých plynů stejný počet částic Nejsnadnější bylo určit relativní atomové hmotnosti plynů Kyslík váží 16krát více než vodík Kyslík tvořísloučeniny s většinou prvků, standard O = 16 Chemická analýza dává průměrnou hmotnost O = 16 (směs isotopů) Hmotnostní spektrometrie dává izotopovou hmotnost 16 O = 16 28

29 Atomová hmotnostní jednotka 1961 Atomová hmotnostní jednotka kompromis mezi stupnicemi založenými na O/ 16 O = 16, zvolili nuklid 12 C 1 amu = 1 u = 1 m u = 1 d = 1 (Dalton) = 1/12 hmotnosti atomu nuklidu 12 C 1 amu = kg Hmotnost 1 atomu 12 C je 12 amu (definice) Hmotnost 1 molu 12 C je 12 g přesně (Počet platných číslic?) 29

30 Relativní atomová hmotnost Nuklidová hmotnost = hmotnost čistého izotopu Atomová (střední) hmotnost prvku = průměr hmotností izotopů vážený přirozeným zastoupením Relativní atomová hmotnost = m(a) / amu [bezrozměrná] 1 amu = kg Hmotnost 1 atomu 12 C je 12 amu (definice) = kg Relativní atomová hmotnost 12 C = 12 Hmotnost 1 molu 12 C je 12 g přesně m( atomu) A r = amu 30

31 Střední atomová hmotnost Přírodní C: % 12 C % 13 C Nuklidová hmotnost 12 C = 12 amu Nuklidová hmotnost 13 C = amu Střední atomová hmotnost C (vážený průměr): A stř = ( )(12) + ( )( ) = amu 1 amu = kg 31

32 Střední atomová hmotnost Mo, molybden A stř = Hm. číslo Nukl. Hmotnost, amu Zastoupení, %

33 Střední atomová hmotnost Prvek Nuklidy Z N A Nuklidová hm., amu PZ, % Atomová hmotnost, amu H H D T He 3 He He B 10 B B F 19 F Platné číslice 33

34 Střední relativní atomová hmotnost Mg 1 atom (průměrný) Mg má hmotnost amu 1 mol Mg má hmotnost g 34

35 Relativní molekulová hmotnost Výpočet M r ze vzorce M r (CO 2 ) = A r (C) + 2 A r (O) = M r (CuSO 4.5H 2 O) = = A r (Cu) + A r (S) + (4 + 5) A r (O) + 10 A r (H) = Molární hmotnost CuSO 4.5H 2 O = g mol 1 35

36 Výpočet % složení ze vzorce C 3 H 12 O 4 PN M r (C 3 H 12 O 4 PN)= = 3 A r (C) + 12 A r (H) + 4 A r (O) + 1 A r (P) + 1 A r (N) = M r (C 3 H 12 O 4 PN) = % 3 A r (C).22.92% 12 A r (H) 7.70% 4 A r (O).40.74% 1 A r (P) % 1 A r (N) 8.92% 36

37 Výpočet empirického vzorce Vypočítejte stechiometrický vzorec sloučeniny, která se skládá z 26.58% K, 35.35% Cr a 38.07% O. Hledáme stechiometrické koeficienty x, y, z K x Cr y O z x = = y = = z = = n = m Ar K 1 Cr O K 2 Cr 2 O 7 37

38 Rentgenovo záření v medicíně a chemii 38

39 Difrakce Spektroskopie energetické hladiny, interpretace poskytne informace o vazebných parametrech Difrakce čistě geometrický jev, závisí na rozložení difraktujících bodů (atomů) a vlnové délce záření, poskytne přímé informace o rozložení atomů 39

40 Pohyb vlny Difrakce záření Vznikají kulové vlny interferují = sčítají se nebo odčítají Difraktující body 40

41 Difrakce 1912 Difrakční experiment Přirozená mřížka = krystal, např. LiF, pravidelné uspořádání atomů. Vzdálenosti rovin (řádově jednotky Å) jsou srovnatelné s vlnovou délkou rentgenova záření. Max von Laue ( ) NP za fyziku

42 Difrakce na atomech 42

43 Krystal Základní buňka 43

44 Difrakce na krystalových rovinách 44

45 Braggůvzákon 2 d sinθ = nλ W. Henry a W. Lawrence Bragg NP za fyziku

46 Rentgenová prášková difrakce - Po 46

47 Rentgenová strukturní analýza 47

48 Rentgenová strukturní analýza Mapa elektronové hustoty Polohy atomů v elementární buňce Vazebné délky a úhly Vibrace 48

49 NMR Jaderný spin, I I = 0 : 12 C, 16 O sudo-sudá(z/n) I = ½ : n, p, 13 C, 1 H, 31 P, 19 F, 29 Si I > ½ : D, 27 Al, 14 N 49

50 Proton (I = ½) v magnetickém poli Rozdíl v energiích hladin Intenzita magnetického pole B 0 50

51 51

52 NMR Rozliší Geometricky (tedy i chemicky) odlišné atomy v molekule Intenzita signálu odpovídá počtu jader Z interakcí lze zjistit propojení fragmentů v molekule 13 C NMR 52

53 NMR C 60 je vysoce symetrická molekula, všechny atomy jsou geometricky (tedy i chemicky) stejné. Jediný signál v 13 C NMR spektru 53

54 NMR Dynamika pohybu molekul v závislosti na teplotě 54

55 MRI-Magnetic Resonance Imaging Paul C. Lauterbur (1929) Sir Peter Mansfield (1933) NP za fyziologii a medicínu