Stavba hmoty. Atomová teorie Korpuskulární model látky - chemické

Rozměr: px

Začít zobrazení ze stránky:

Download "Stavba hmoty. Atomová teorie Korpuskulární model látky - chemické"

Vladimír Janda
před 7 lety
Počet zobrazení:

1 Stavba hmoty Atomová teorie Korpuskulární model látky - chemické látky jsou složeny z mikroskopických, chemicky dále neděčástic atomů. Později byl model rozšířen na molekuly a ionty (chemický druh - specie). Dalton (1809) zákon stálých poměrů slučovacích prvky se slučují v poměru celých čísel předpoklad existence atomů Thomson (1896) atomy obsahují elektricky nabité částice - záporné elektrony a kladné protony pudinkový model Rutherford (1906) protony jsou umístěny ve velmi malém jádru uprostřed atomu, které je obklopeno elektronovým obalem

2 Thomsonův model atomu Rutherfordův model atomu

Struktura atomu Rutherford (1906) experiment s Au-fólií a časticemi α (He 2+ ) zdroj α Au-fólie stínítko atom ~ 10-10

3 Struktura atomu Rutherford (1906) experiment s Au-fólií a časticemi α (He 2+ ) zdroj α Au-fólie stínítko atom ~ m = 1 Å jádro ~ m, ρ ~10 12 kg/m 3 Chadwick (1932) - jádro obsahuje kromě protonů ještě elektroneutrální neutrony

4 Elementární částice

5 Elementární částice

6 Kvark-gluonové plasma Trinty1.mpeg

7 Struktura atomu částice symbol hmotnost (g) hmotnost (amu) náboj (C) relativní náboj elektron e, β 9.109x x x proton p, H x x neutron n 1.675x atomová hmotnostní jednotka relativní hmotnost amu = 1 m( 12 C) = 1.661x10-24 g M r = m 12 6 amu molární hmotnost mol počet atomů obsažený v g nuklidu 6 C N A = 6.022x10 23 M = M r *amu*n A

8 Struktura atomu z A X Atomové (protonové) číslo - Z počet protonů v jádře u elektroneutrálních atomů rovno počtu elektronů v elektronovém obalu izotopy - atomy se stejným Z, mohou se lišit v N(A) Neutronové číslo - N počet neutronů Z v jádře izotony- atomy se stejným N, mohou se lišit v Z(A) Nukleonové číslo - A = Z + N izobary- atomy se stejným A, mohou se lišit v Z(N) A Nuklid - Z X- prvek obsahující pouze atomy s daným Z a N(A)

9 Struktura atomu M r (prvku) vážená suma M r jednotlivých nuklidů přítomných v daném prvku M r (Cl) * M r ( 17 Cl) * M r ( 17 Cl) = = * * 37 = Vazebná energie jádra M(X) < Z*m p + N*m n + Z*m e = M teor M teor M(X)= M = E / c 2 M( 2 He) = kg M teor = kg M = kg = amu E= J/at= J/mol

10 Vazebná energie nuklidů

11 Stabilita nuklidů Maximální stabilita: sudé Z N Magická čísla: 2, 8, 20, 28, 50, 82, He, 208 Pb 2 x magic Halo nuklidy ( 11 Li):

12 Jádro atomu Proton Neutron

13 Termonukleární syntéza Podmínky : vysoká teplota ( min K, elementární částice a následně lehké prvky) 1 1H + 1 1H 2 1H + pozitron H + 1 1H 3 2 He + záření gama 3 2 He He 4 2He H 4 2He + 4 2He 8 4Be 8 4Be + 4 2He 12 6 C

14 Tvorba prvků Spalování vodíku na helium ( 4 He) (Slunce) 1 H + 1 H 2 H + β + 1 H + 2 H 3 He + γ 3 He + 3 He 4 He H 25.6 MeV Spalování helia na uhlík ( 12 C) (větší starší hvězdy) 12 p C 13 N 13 p C 14 p N 15 O 15 p N 4 He + S-procesy zachycení pomalých neutronů (vznik prvků od Fe výše blízko linii stability) R-procesy zachycení rychlých neutronů (vznik prvků od Fe výše daleko od linie stability) RS-procesy jako r-procesy, navíc zachycení p X-procesy štěpení těžších prvků na lehčí působením kosmického záření

16 Radioaktivní rozpad jader ROZPAD ALFA ( těžká jádra) - uvolňují se stabilní částice alfa ( 4 2 He) ROZPAD BETA (-) (kde mají jádra nuklidů nadbytek neutronů 3 1H, Hg,..) Uvolňuje se neutron, ten se rozpadá na proton a elektron. Elektron opustí jádro. ROZPAD BETA (+) (kde mají jádra nuklidů nadbytek protonů u uměle připravených jader) Proton se uvolňuje a rozpadá na neutron a pozitron (antielektron). Ten opouští jádro a anihiluje s elektronem za vzniku záření fotonů. ROZPAD GAMA (gama záření fotony)

17 Trinty1.mpeg

18 Schéma jaderné elektrárny s vodou chlazeným reaktorem

19 Jaderné reakce X + a [ meziprodukt]* Y + b Reakce 4 He (α): 14 N + 4 He [ 18 F] 17 O + 1 H reakce (α,p) 9 Be + 4 He [ 13 C] 12 C + 1 n reakce (α,n) Reakce neutronů: 23 Na (n,γ) 24 Na (β, τ 1/2 =15h) 32 S (n,p) 32 P (β, τ 1/2 =14d) 27 Al (n,α) 24 Na (n,f) neutronem vyvolané štěpení (jaderné reaktory) 235 U + 1 n 92 Kr Ba n Reakce γ: 9 Be (g,n) 8 Be rozbijimatomolova.mp3

20 Radioaktivní izotopy Poločas rozpadu (přeměny) = doba, za kterou se přemění právě polovina z výchozích atomů. Široké meze. U 14 6 C je to let. Využití např. archeologie, radiodiagnostika a radioterapie, Metabolismus - radioaktivní tracery.

Užití radioizotopů Turínský plášť Radiokarbonová metoda - 14 C (poločas rozpadu 5 730 let) 13. či 14.

21 Užití radioizotopů Turínský plášť Radiokarbonová metoda - 14 C (poločas rozpadu let) 13. či 14. století (1260 až 1390). Využití radioizotopů v medicíně Radiodiagnostika Radiotherapie ( ozařování) ( 60 Co 131 I 192 Ir ) NUKLEÁRNÍ MEDICÍNA

22 Elektronový obal Chemické vlastnosti (reakce, vznik chemické vazby) jsou spojeny s interakcemi mezi elektrony (elektronovými obaly) zúčastněných atomů Popis chování elektronů pro elektrony jako mikročástice platí zákony kvantové mechaniky zdroj N 1 =a 1 2 N 12 =(a 1 +a 2 ) 2 N 2 =a 2 2 N 1 + N 2 a 1,a 2 amplitudy pravděpodobnosti

23 Kvantová mechanika Axiomatický charakter základní postuláty kvantování energie Planckova konstanta -záření ε = hν h= Js -částice ve vázaném stavu (e v krabici nebo v atomu) Dualistický charakter záření a částic (Louis de Broglie ) -záření ε = mc 2 = hν m f = hν/c 2 =h/cλ -částice λ= h/mv = h/p Heisenbergův princip neurčitosti existují dvojice veličin, které nelze určit společně s libovolnou přesností pravděpodobnostní charakter veličin p x x ħ/2 ε τ ħ/2 ħ=h/2π

24 Atomové orbitaly AO Stav elektronu v atomu je charakterizován: vlastní vlnovou funkcí Ψ (x,y,z), nebo Ψ (r,ϕ, θ) základní fyzikální konstanty(h, M e,e, π) veličiny charekterizující daný systém (Z, x,y,z nebo r,ϕ, θ) vlastní hodnotou energie E vymezují Existenční oblasti nejpravděpodobnějšího výskytu elektronu AO Jak popisovat stav elektronu?

25 operátor celkové energie E p p k E E E E Η + = + = 2 2 ~ ~ ~ h ψ Eψ Η = Schrödingerova rovnice p e p k E m E E E + = + = 2 ψ Eψ E m p e = h ( ) = + ψ ψ p e E E m h rovnice zveřejněna Nobelova cena

26 Oblast, kde je nejvyšší pravděpodobnost výskytu elektronu orbital. Orbital a vlastnosti vlnové funkce charakterizují kvantová čísla: kvantové číslo název možné hodnoty význam n hlavní n = 1, 2, 3, určuje energii a velikost orbitalu l vedlejší l = 0, 1, 2,, n 1 určuje tvar orbitalu m magnetické m = 0, ±1, ±2,, ±l určuje orientaci orbitalu v prostoru s spinové s = ± ½ určuje moment hybnosti elektronu

27 Orbital 1s

28 Orbitaly p z p x p z =p 0 z y x y p z y p ±1 p * z ±1 x

29 Orbitaly 3d

30 Orbitaly d d xz z d yz z x x y d x2-y2 z d xy z x y x y

31 Orbitaly d d z2 =d 0 z d ±1 d ±1 * z x y x y d ±2 d * z ±2

32 Orbitaly f

33 Výstavbový princip Výstavbový princip s p d f Obsazování orbitalů E d f p f d d p s s p d p s p s s s n = Princip vzrůstající energie Pauliho princip Hundovo pravidlo (maximální celkový spin)

34 Výstavbový princip Pořadí AO (H typu): 1s,2s,2p,3s,3p,4s,3d 4p,5s,4d,5p,6s Pořadí AO (víceel.at.): 1s,2s,2p,3s,3p,3d,4s 4p,4d,5s,5p,6s Příklady: 20Ca: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 21Sc: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 1 4s 2 26Fe: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 6 4s 2 23Fe 3+ : 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 5

35 Výstavba elektronového obalu Multiplicita: M=2Σm s +1

36 Diagram energetických hladin A a) jednoel. Atomů b) víceelektr, atomů

37 Valenční sféra atomu Valenční elektrony všechny elektrony nad konfigurací nejbližšího nižšího vzácného plynu Valenční orbitaly orbitaly podílející se na vazbě nejvýše obsazená slupka n + případně částečně obsazené podslupky (n-1) d nebo (n-2) f Př. Li - 2s 1 (2s, 2p) F - 2s 2, 2p 5 (2s, 2p) S - 3s 2, 3p 4 (3s, 3p, 3d) Ca- 4s 2 (4s, 4p) Fe - 4s 2, 3d 6 (4s, 4p, 3d) Eu - 6s 2, 4f 7 (6s, 6p, 4f, 5d) Vzácné plyny (ns 2, np 6 ) - 2 He, 8 Ne, 18 Ar, 36 Kr, 54 Xe, 86 Rn

38 Valenční sféra atomu AO, které obsahují valenční elektrony t.j orbitaly o nejvyšším hlaním nebo vedlejším kvantovém čísle (AO prostorově nejvzdálenější od jádra) Ionizační energie atomu Práce, kterou musíme vykonat abychom z atomu odtrhli nejslaběji poutaný elektron a ůplně jej vzdálili z prostoru atomu (ev nebo J.mol -1 ) Elektronová afinita Energie, která se uvolní při upoutání elektronu k atomu za vzniku iontu

39 Elektronegativita míra shopnosti prvku přitahovat vazebné elektrony ve sloučenině Pauling: χ χ = D( A B) 1 2 [ D( A A) + D( B B) ] D A B disociační energie vazby ( A B ) = 1 [ D ( A A ) + D ( B B ) ] + 23 ( χ χ ) A B Mulliken: χ M = I E + E 2 A Allred-Rochow: χ A Z r =

41 Realizováno v rámci projektu Průřezová inovace studijních programů Lesnické a dřevařské fakulty MENDELU (LDF) s ohledem na disciplíny společného základu; reg. číslo CZ.1.07/2.2.00/ za přispění finančních prostředků EU a státního rozpočtu České republiky

Podobné dokumenty

Atomové jádro, elektronový obal

Atomové jádro, elektronový obal 1 / 9 Atomové jádro Atomové jádro je tvořeno protony a neutrony Prvek je látka skládající se z atomů se stejným počtem protonů Nuklid je systém tvořený prvky se stejným