Stavba atomů a molekul Michal Otyepka V prezentaci jsou použity obrázky z řady zdrojů, které nejsou důsledně citovány, tímto se všem dotčeným omlouvám.
Vidět znamená věřit
Úvod l cíle seznámit studenty s moderními představami a fakty o struktuře a vlastnostech látky
Proč? Konečný výklad všech chemických jevů musí být založen na struktuře atomů. Cotton A., Wilkinson G.
Přehled témat l struktura mikrosvěta l elementární částice l atomy l molekuly l mezimolekulové interakce l struktura biomakromolekul
Hmota l? l Látka z částic s nenulovou klidovou hmotností atomy, molekuly, ionty l Pole bude diskutováno dále
Skupenství hmoty l pevné, kapalné, plynné l plazma, kvark-gluonové plazma (kvagma), Bose-Einsteinův kondenzát ionizace deionizace
Stavba mikrosvěta v historii l živly/elementa (Aristoteles) oheň, vzduch, voda, země základy Alchymie l atomisté (Demokritos 460 př.n.l.) nedělitelné částečky hmoty mají háčky a důlky, stále se hýbou, jsou různě velké, těžké a pohyblivé, sdružují se do větších pozorovatelných útvarů
Paradoxy mikrosvěta l diskrétní hladiny některých dynamických veličin l dualismus vln a částic l nekomutativnost aktu měření l relace neurčitosti l nedeterminismus kvantové teorie
Než začneme frekvence (Hz) l vlnění λ λν rychlost = u l elektromagnetické vlnění vlnová délka vlnočet ~ = ν 1 λ λν = c c = 2.9979.10 8 m.s 1
E = hν = h c λ h = 6,6256.10-34 J.s český název frekvence vlnová délka anglické označení gama záření 10 19-10 24 Hz 10-10 - 10-14 m Gamma Rays rentgenovo záření 10 16-10 19 Hz 10-0,1 nm X-Rays ultrafialové záření 10 14-10 16 Hz 400-10 nm Ultra Violet (UV) viditelné záření 10 14 Hz 400-900 nm Visible (VIS) infračervené záření 10 10-10 14 Hz 1 mm - 1 mm Infra Red (IR) mikrovlny 30-300 GHz 10-1 mm Extremely High Frequency (EHF) mikrovlny 3-30 GHz 100-10 mm Super High Frequency (SHF) ultra krátké vlny (UKV) 0,3-3 GHz 1-0,1 m Ultra High Frequency (UHF) velmi krátké vlny (VKV) 30-300 MHz 10-1 m Very High Frequency (VHF) krátké vlny (KV) 3-30 MHz 100-10 m High Frequency (HF) střední vlny (SV) 0,3-3 MHz 1-0,1 km Medium Frequency (MF) dlouhé vlny (DV) 30-300 khz 10-1 km Low Frequency (LF) velmi dlouhé vlny 3-30 khz 10 2-10 km Very Low Frequency (VLF) extrémně dlouhé vlny 0,3-3 khz 10 3-10 2 km Extremely Low Frequency (ELF)
Než začneme l energie J, ev, kcal/mol, Rydberg 1 ev = 1.6 10-19 J, 1 cal = 4.184 J, 1 Ry = 13.605 ev l délka Angström 1 Å = 10-10 m (zakázaná SI) předpony SI 10 3 mili m 10 3 kilo k 10 6 mikro µ 10 6 mega M 10 9 nano n 10 9 giga - G 10 12 piko p 10 12 tera - T 10 15 femto f 10 18 atto a
Elementární částice
Elementární částice l do roku 1932 byly známy jen elektron (Thomson 1897, katodové částice) proton (Rutheford - 1918), protos = první neutron (Chadwick - 1932)
Další objevy elementárních částic l H. Yukawa pion l P. Dirac predikce antičástice, pozitron l Anderson - 1932 l W. Pauli neutrino l E. Fermi - 1934 l M. Gell-Mann kvarky
Chemické elementární částice
Elektron - e 0 1 e l náboj 1.602177.10 19 C považuje se za elementární náboj, značí se e l hmotnost m e = 9.10939.10 31 kg... lepton l spinové kvantové číslo spin ½... fermion spin, vnitřní moment hybnosti
Proton - p + 1 1 p l náboj +1.602177.10 19 C l hmotnost m p = 1.67262.10 27 kg... baryon, hadron m p = 1836 m e l spinové kvantové číslo spin ½... fermion l tvoří jej tři kvarky up, up, down
Neutron - n 1 0 n l náboj = 0 C l hmotnost m n = 1.67493.10 27 kg... baryon, hadron m n = 1839 m e l spinové kvantové číslo spin ½... fermion l tvoří jej tři kvarky up, down, down l volný neutron se rozpadá (poločas 15.2 min) na proton, elektron a elektronové neutrino
Co ty kvarky? Three quarks for muster Mark J. Joyce Finnegan s Wake (1963)
Co ty kvarky? l hadrony jsou složené z kvarků
Hadrony l hadrony l mezony l piony l kaony l baryony l nukleony (proton, neutron) l hyperony
Standardní model l 12 částic tvořících hmotu l 12 antičástic l vzájemné působení polními částicemi
12 částic hmoty
Co to všechno drží pohromadě? silové interakce
Stavba atomů
Stavba atomů - SŠ l atomové jádro protony, neutrony průměr ~10 15 m Z, protonové číslo = počet protonů N, neutronové číslo = počet neutronů A, nukleonové číslo = Z+N jaderný spin 4 He průměr ~10 10 2 m l elektronový obal
Hmotnost v mikrosvětě l g nejsou praktické l atomová hmotnostní jednotka m u 1 12 l m u = m( C) = 1.661.10 24 g 12 6 l relativní hmotnost M r = m/m u l látkové množství n = 1 mol l 1 mol počet atomů v 12g ( C) = 6.022.10 23 mol -1 l Avogadrovo číslo N A, n = N/N A l molární hmotnost M = M r *m u *N A = M r (g) 12 6
Schéma atomu - SŠ elektronový obal jádro centrum hmotnosti rozdíl 5 řádů
Schémata a představy atomů
Jádro vs. obal l Rutheford, Geiger, Marsden 1909 atomy obsahují kladné jádro < 10 fm
Ruthefordův model - 1911 l na základě svých experimentů navrhuje planetární model atomu malé, hmotné, kladně nabité jádro okolo něj krouží elektrony!rozpor! l elektron obíhající po kruhové dráze vykonává zrychlený pohyb a musí vyzařovat!... ztrácí tak rychlost a padá po spirále k jádru
Pár poznámek k jádru l izotop stejné protonové číslo, různý počet neutronů H, D, T nebo 35 Cl, 37 Cl... l nuklid prvek mající čisté izotopové složení l Cl (75,4% 35 Cl, 24,6% 37 Cl) l jádro stabilní nebo přirozená radioaktivita l jádra lze štěpit jaderné reakce slučovat jaderné fúze
Radioaktivita l nestálá jádra spontánní jaderný rozpad emise α-, β- či γ- záření α - emise jader 4 He β- emise elektronů γ- emise fotonu Bi graf známých nuklidů, zelené stabilní, béžové radioaktivní
Utváření představ o elektr. obalu l excitované atomy emitují světlo jen o určitých vlnových délkách H Hg Ne
Atom se při absorbci fotonu excituje Energie S 1 Excitace excitovaný stav vzbuzený stav E(S 1 ) E(S 0 ) = ΔE = E(γ) = hν H více přechodů více stavů světlo (energie) S 0 základní stav
Emisní a absorpční spektrum
Spektrum atomu vodíku ~ ν 1 1 1 = R 2 λ n j n i = 2 Rydbergova konstanta Energy hrana série R(0.14) R(0.22) 6 5 4 3 2 1 R(0.75) Ultra Violet Lyman Visible Balmer R(0.97) Infrared Paschen n R = 109 677.581 cm -1
Ionizační energie l energie potřebná na odstranění elektronu ze základního stavu atomu (přenesení do nekonečné vzdálenosti) E hc hcr 1 1 = ~ν = = 2 2 1 hcr Energy 3 2 1 n
Ionizační energie určení ze spektra l linie H: 82 259; 97 492; 102 824; 105 292; 106 632; 107 440 cm -1 E I = hcν ~ E I = 2.179 10 18 ~ 110000 1 ν ( cm J = 13.6 ev ) 105000 100000 95000 ~ ν = E I hc R 2 n y = -109679x + 109679 90000 85000 80000 1 n 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 2
Bohrův model - 1913 l zlepšil planetární model l jen některé hladiny okolo jádra jsou povolené elektron na nich nezáří l elektron může přeskočit na jinou hladinu za současného vyzáření (absorpce) kvanta energie l kvantování tak vstupuje jako dodatečná podmínka
Bohrův model l revoluce v nazírání na hmotu l měl řadu much kvantováním řešil kolaps z pohledu klasické fyziky platil dobře jen pro vodíku podobné atomy l otevřel cestu pro vybudování plně kvantově mechanického modelu atomu