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
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 m = 1 Å jádro ~ 10-15 m, ρ ~10 12 kg/m 3 Chadwick (1932) - jádro obsahuje kromě protonů ještě elektroneutrální neutrony
Elementární částice
Elementární částice
Kvark-gluonové plasma Trinty1.mpeg
Struktura atomu částice symbol hmotnost (g) hmotnost (amu) náboj (C) relativní náboj elektron e, β 9.109x10-27 5.486x10-4 -1.602x10-19 -1 proton p, H + 1.672x10-24 1.0072 1.602x10-19 1 neutron n 1.675x10-24 1.0086 0 0 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 12 12 g nuklidu 6 C N A = 6.022x10 23 M = M r *amu*n A
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)
Struktura atomu M r (prvku) vážená suma M r jednotlivých nuklidů přítomných v daném prvku 35 37 M r (Cl) 0.7543* M r ( 17 Cl) + 0.2457* M r ( 17 Cl) = = 0.7543 * 35 + 0.2457 * 37 = 35.47 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) = 6.64644 10-27 kg M teor = 6.69650 10-27 kg M = 5.10-29 kg = 0.0301 amu E=4.5 10-12 J/at=2.7 10 12 J/mol
Vazebná energie nuklidů
Stabilita nuklidů Maximální stabilita: sudé Z N Magická čísla: 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126 4 He, 208 Pb 2 x magic Halo nuklidy ( 11 Li):
Jádro atomu Proton Neutron
Termonukleární syntéza Podmínky : vysoká teplota ( min. 10 7 K, elementární částice a následně lehké prvky) 1 1H + 1 1H 2 1H + pozitron 1 1 1 2 1H + 1 1H 3 2 He + záření gama 3 2 He + 3 2 He 4 2He + 2 1 1H 4 2He + 4 2He 8 4Be 8 4Be + 4 2He 12 6 C
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 + 2 1 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
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, 205 80 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)
Trinty1.mpeg
Schéma jaderné elektrárny s vodou chlazeným reaktorem
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 + 142 Ba + 2 1 n Reakce γ: 9 Be (g,n) 8 Be rozbijimatomolova.mp3
Radioaktivní izotopy Poločas rozpadu (přeměny) = doba, za kterou se přemění právě polovina z výchozích atomů. Široké meze. U 14 6 C je to 5 600 5 700 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. století (1260 až 1390). Využití radioizotopů v medicíně Radiodiagnostika Radiotherapie ( ozařování) ( 60 Co 131 I 192 Ir ) NUKLEÁRNÍ MEDICÍNA
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
Kvantová mechanika Axiomatický charakter základní postuláty kvantování energie Planckova konstanta -záření ε = hν h=6.626 10-34 Js -částice ve vázaném stavu (e v krabici nebo v atomu) Dualistický charakter záření a částic (Louis de Broglie - 1924) -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
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?
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 = + 2 2 2 h ( ) 0 2 2 2 = + ψ ψ p e E E m h 1926 - rovnice zveřejněna 1933 - Nobelova cena
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
Orbital 1s
Orbitaly p z p x p z =p 0 z y x y p z y p ±1 p * z ±1 x
Orbitaly 3d
Orbitaly d d xz z d yz z x x y d x2-y2 z d xy z x y x y
Orbitaly d d z2 =d 0 z d ±1 d ±1 * z x y x y d ±2 d * z ±2
Orbitaly f
Výstavbový princip Výstavbový princip s p d f 8 7 6 5 7 6 5 4 6 5 4 5 4 3 4 3 3 2 2 1 Obsazování orbitalů E d f p f d d p s s p d p s p s s s n = 1 2 3 4 5 6 Princip vzrůstající energie Pauliho princip Hundovo pravidlo (maximální celkový spin)
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
Výstavba elektronového obalu Multiplicita: M=2Σm s +1
Diagram energetických hladin A a) jednoel. Atomů b) víceelektr, atomů
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
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
Elektronegativita míra shopnosti prvku přitahovat vazebné elektrony ve sloučenině Pauling: χ χ = 0.208 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 ) 2 1 2 23 A B Mulliken: χ M = I E + E 2 A Allred-Rochow: χ 0.359 + A 0. 744 2 Z r =
Realizováno v rámci projektu Průřezová inovace studijních programů Lesnické a dřevařské fakulty MENDELU (LDF) s ohledem na disciplíny společného základu; reg. číslo CZ.1.07/2.2.00/28.0021 za přispění finančních prostředků EU a státního rozpočtu České republiky