Stavba atomu historie pohledu na stavbu atomu struktura atomu, izotopy struktura elektronového obalu atom vodíkového typu

Transkript

1 Stavba atomu historie pohledu na stavbu atomu struktura atomu, izotopy struktura elektronového obalu atom vodíkového typu obrázky molekul a Lewisovy vzorce molekul v této přednášce čerpány z:

2 Stavba hmoty - historie Leukippós a Démokritos století př.n.l. hmota se skládá z malých, tuhých, dále nedělitelných částic atomos ~ nedělitelný tyto částice se mohou volně pohybovat ve vzduchoprázdnu Aristoteles a Platón teorii o atomech zavrhli: Krása a laskavost nemůžou být tvořeny ničím materiálním neuznávali existenci vakua ( nicoty ) hmota tvořena 4 živly Názory Aristotela a Platóna ovládaly stav poznání o stavbě hmoty až do středověku. picture(s):

3 Stavba hmoty - historie 17. století atomy ano, ale stvořil je Bůh Galileo Galilei první experimenty se vzduchem, pozorování vesmíru vakuum existuje (1638) Robert Boyle v díle The Sceptical Chymist (1661) zkritizoval Aristotelův výklad hmoty (čtyři živly) systematickým studiem vzduchu (Boylův zákon) přispěl k základům atomové teorie rozlišoval mezi směsí a sloučeninou sloučeniny jsou složené z dále nedělitelných částic prvky Isaac Newton v díle Opticks (1704) shrnul názory od Démokrita až po Boyla:.Bůh stvořil hmotu z pevných, tuhých a pohyblivých částic, které jsou nesrovnatelně tvrdší než hmota, kterou tvoří; tyto částice jsou dále nedělitelné a nezničitelné.. picture(s):

4 Stavba hmoty - historie John Dalton zakladatel atomové teorie (1801) prvek se skládá z atomů stejného druhu, tj. stejné hmotnosti; prvky nelze zničit ani vytvořit zákon stálých poměrů slučovacích molekula je tvořena vždy stejným poměrem prvků (~ daltonidy) odhadl hmotnost prvních šesti prvků J.L. Gay-Lussac rozšíření atomové teorie (1809): objem plynů před a po reakci odpovídá počtu částic před a po reakci Amedeo Avogadro stejné objemy plynu obsahují při stejné teplotě a tlaku stejný počet molekul (1811) Avogadrovo číslo (počet částic v 1 molu) až na konci 19.století N A = 6, mol -1 picture(s):

5 Stavba hmoty - historie D.I. Mendělejev 1868 zveřejnil práci, ve které seřadil 63 známých prvků podle jejich chemických vlastností = periodická tabulka prvků zároveň předpověděl existenci prvků s vyšší atomovou hmotností také předpověděl vlastnosti prvků, které chyběly v již objevených periodách (Ga, Ge, Sc) M. Faraday množství náboje přeneseného během přeměny atomu na ion je stejné pro stejné množství daného prvku později Faradayova konstanta ~ náboj 1 molu elektronů F = C/mol picture(s):

6 Stavba hmoty - historie J.J. Thompson pokusy s katodovou trubicí dokázal, že elektrický proud je přenášen záporně nabitými částicemi (1897) určil poměr náboje elektronu a jeho hmotnosti pudingový model atomu kladně nabitá koule se záporně nabitými částicemi uvnitř atom celkově elektroneutrální picture(s):

7 Stavba hmoty - historie R.A. Millikan experiment s nabitými kapkami oleje (1909) měřením jejich rychlosti mezi elektrodami v závislosti na náboji určil hodnotu náboje a hmotnosti elektronu m = 9, g (později upřesněno na 9, g ) e = -1, C hmotnost e - je 2000x menší než hmotnost atomu vodíku picture(s):

8 Stavba hmoty - historie E. Rutherford 1903 určil α-částice a β-částice jako jádra helia (He 2+ ) respektive proud elektronů 1911 provedl experiment se zlatou folií a α-částicemi pokud by platil pudingový model pokud atom obsahuje kladně nabité jádro veliké hmotnosti ale!! H obsahuje 1 proton a 1 elektron He obsahuje 2 protony a 2 elektrony proč je tedy M H :M He = 1:4?! J. Chadwick jádro obsahuje kromě protonů ještě elektroneutrální neutrony (1932) picture(s):

9 Struktura atomu částice symbol hmotnost (g) hmotnost (amu) náboj (C) relativní náboj elektron e, β 9, , , proton p, H + 1, ,0072 1, neutron n 1, , atomová hmotnostní jednotka 1 12 amu = m( C) = 1, g 12 6 relativní hmotnost M r = m amu 1 mol počet atomů obsažený ve 12 g nuklidu 6 C N A = 6, mol molární hmotnost M = M r amu N A

10 Struktura atomu 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) S vs 16 S A Z X Neutronové číslo N ~ počet neutronů v jádře Izotony - atomy se stejným N, mohou se lišit v Z(A) 16S vs 15 P (N = 16) Hmotové (nukleonové) číslo A = Z + N Izobary - atomy se stejným A, mohou se lišit v Z(N) 16S vs 18 Ar (A = 36) Nuklid ~ prvek obsahující pouze atomy s daným Z a N(A) relativní atomová hmotnost prvku A r vážená suma A r jednotlivých nuklidů přítomných v daném prvku A r (Cl) 0,7543 A r ( Cl) + 0,2457 A r ( Cl) = 0, , = 35,47

11 Atomové jádro Hmotnost, velikost, tvar hustota jádra je 1, g/cm 3 (ping-pongový míček by vážil tun) tvar souvisí se stabilitou daného jádra velikost je dána dosahem jaderných sil x menší než atom (má-li jádro velikost ping-pongového míčku, pak nejvyšší elektronová hustota je ve vzdálenosti 0,5 km) picture(s):

12 Atomové jádro Vazebná energie jádra hmotnost jádra je vždy menší než součet hmotnosti nukleonů ~ celková vazebná energie jádra Δ m = m teor - m exp = Δ E / c 2 jaderná energie: odpudivé síly mezi protony vzájemné gravitační účinky soudržné síly kvarků vazebná energie jádra je obrovská např. energie jádra jednoho molu 4 He (4 g) m( 24 He) = 6, kg m teor = 6, kg Δm = kg ~ ~ DE = 4, J/at = 2, J/mol tato jaderná energie 1 molu He by ohřála 6500 t vody z 0 C na 100 C picture(s):

13 Atomové jádro vazebná energie na jeden nukleon štěpení jader nejvyšší hodnoty vazebné energie na 1 nukleon (8,7 MeV) mají stabilní jádra v oblasti triády Fe nukleonové číslo slučování jader neutrony ředí odpudivé síly mezi protony do Z = 20 stačí N = Z pro vyšší počet protonů je nutné zvyšovat počet neutronů (nad Z = 83 už je potřeba N/Z ~ 5/3) magická čísla: převaha netronů údolí stability prvky stabilní, pokud mají 2, 8, 20, 28, 82 (114, 164) protonů nebo 2, 8, 20, 28, 82 a 126 (184, 196) neutronů ( např Pb) moře nestability ostrov superstability ~ 114 protonů neutronů picture(s):

14 picture(s): Elektronový obal J.R. Rydberg pozoroval spektrum po excitaci vodíku (1888) diskrétní emise vysvětlil přechody elektronů mezi definovanými energetickými hladinami Balmerova Série VIS 2 e 1 1 DE E n E 1 n a0 n2 n1 série emisních čar Lymanova n 2 = 1 (UV) Balmerova n 2 = 2 (VIS) Paschenova n 2 = 3 (IČ) N. Bohr elektrony se vyskytují pouze na stabilních orbitech s diskrétní energií (1913) poloměru orbitu odpovídá diskrétní moment hybnosti Bohrův model atomu m e v r = n h 2π v r m p m e

15 Axiomatický charakter, základní postuláty: Kvantová mechanika Kvantování energie pro záření ɛ = h ν h Planckova konst. (M. Planck 1900, N. Bohr 1913) h= Js částice ve vázaném stavu (e - v krabici nebo v atomu) Dualistický charakter pro záření ɛ = m c 2 = h ν = h c/λ (A. Einstein 1905, A. Compton 1922, L. de Broglie 1924) částice a její vlna λ = h/mv = h/p Princip neurčitosti (W. Heisenberg 1927) existují dvojice veličin, které nelze zároveň určit s libovolnou přesností pravděpodobnostní charakter veličin Δp x Δx ħ/2 Δɛ Δ τ ħ/2 ħ=h/2π (pro atom Δτ, a proto Δɛ 0)

16 Schrӧdingerova rovice vlnová funkce Ψ(τ, r) popisuje stav částice v daném čase a místě τ čas, r =(x,y,z) polohový vektor hustota pravděpodobnosti výskytu elektronu ~ Ψ 2 pravděpodobnost výskytu elektronu v objemu dv v okolí bodu r(x,y,z) ~ Ψ(r) 2 dv Schrӧdingerova rovice Ĥ Ψ = E Ψ Hamiltonián H - operátor celkové energie E Η 2 ~ ~ ~ E E k E p 2m kinetická potenciální energie energie e 2 E p E. Schrӧdinger rovnici publikoval 1924 Nobelova cena 1933 picture(s):

17 Schrӧdingerova rovice Řešení pro atom vodíkového typu tzn. jeden elektron a jádro s jedním protonem potenciální energie ~ E p E p Ze r 2 (~ přitahování jádra a elektronu) řešení vyžaduje transformaci souřadnic z x, y, z r, q, j x = r sinq cosj y = r sinq sinj q r z = r cosj j x (x,y,z) n,l,m (r, q, j) R n,l (r) Y l,m (q, j) y radiální část angulární část ~ energie, tvar ~ tvar, orientace v prostoru řešením rovnice 3 kvantová čísla n, l, m l

18 Kvantová čísla hlavní kvantové číslo n = 1,2,3,4,5 ~ energie elektronu, tzn. vzdálenost od jádra vedlejší kvantové číslo l = 0,1,2,.(n-1) ~ tvar atomového orbitalu l=0 orbital s, l=1 orbital p l=2 orbital d, l=3 orbital f magnetické kvantové číslo m l = -l,,-1,0,1,...,+l ~ orientace orbitalu v prostoru Pauliho princip výlučnosti daný orbital (stav elektronu) popsaný konkrétní funkcí R n,l (r) Y l,m (q, j) charakterizovaný čísly n, l, m l může být obsazen maximálně dvěma elektrony ale!! žádné dva elektrony daného atomu nemůžou mít stejný stav zavádí se čtvrté kvantové číslo spinové kvantové číslo m s = +1/2, -1/2 ~ vnitřní moment hybnosti picture(s):

19 Atomové orbitaly s n = 1,2,. 1s Ψ 2s Ψ l = 0 m l = 0 r r r průběh vlnové funkce pro n 2 má s-orbital vnitřní strukturu: obsahuje oblasti s opačným znaménkem vlnové funkce obsahuje tzv. nodální plochy (nodes), kde je Ψ 2 = 0 - zde se jedná o radiální (vnitřní) nodální plochy - angulární (vnější) plochy neobsahuje s-orbital má střed symetrie picture(s):

20 Atomové orbitaly p n = 2,3,. p x z p y z p z z l = 1 m l = -1,0,+1 y x x y průběh vlnové funkce 2p x Ψ 3p x Ψ vždy 1 angulární (vnější) uzlová plocha od n = 3 také vnitřní nodální plocha nemá střed symetrie 2p x 3p x 4p x 5p x picture(s):

21 Atomové orbitaly d n = 3,4,. d x2-y2 z d z2 z l = 2 m l = -2,-1,0,+1,+2 x y x y d xz z d yz d xy z x y x y - orbitaly d mají střed symetrie

22 Atomové orbitaly d - vždy dvě angulární nodální plochy - od n = 4 také vnitřní nodální plochy picture(s):

23 Atomové orbitaly f - tři vnější nodální plochy - nemají střed symetrie n = 4,5. l = 3 m l = -3,-2,-1,0,+1,+2,+3 f z3 f xyz f x3 f z(x2-y2) f y3 f x(z2-y2) f y(z2-x2)