Elektronový obal atomu

Podobné dokumenty
Atom vodíku. Nejjednodušší soustava: p + e Řešitelná exaktně. Kulová symetrie. Potenciální energie mezi p + e. e =

Elektronový obal atomu

Od kvantové mechaniky k chemii

Elektronový obal atomu

2. Elektrotechnické materiály

Inovace studia molekulární a buněčné biologie reg. č. CZ.1.07/2.2.00/

Úvod do moderní fyziky. lekce 3 stavba a struktura atomu

Inovace studia molekulární a buněčné biologie

Elektronový obal atomu

Jádro se skládá z kladně nabitých protonů a neutrálních neutronů -> nukleony

Vybrané podivnosti kvantové mechaniky

ELEKTRONOVÝ OBAL ATOMU. kladně nabitá hmota. elektron

[KVANTOVÁ FYZIKA] K katoda. A anoda. M mřížka

Laserová technika prosince Katedra fyzikální elektroniky.

Struktura elektronového obalu

ATOMOVÁ SPEKTROMETRIE

Látkové množství. 6, atomů C. Přípravný kurz Chemie 07. n = N. Doporučená literatura. Látkové množství n. Avogadrova konstanta N A

Fyzika IV. Pojem prvku. alchymie. Paracelsus (16.st) Elektronová struktura atomů

Přednášky z lékařské biofyziky Biofyzikální ústav Lékařské fakulty Masarykovy univerzity, Brno

Praktikum III - Optika

Moravské gymnázium Brno s.r.o. RNDr. Miroslav Štefan

VÍTEJTE V MIKROSVĚTĚ

Atomové jádro, elektronový obal

Úvod do laserové techniky

Řešit atom vodíku znamená nalézt řešení Schrödingerovy rovnice s příslušným hamiltoniánem. 1 4πǫ 0. 2m e

8.STAVBA ATOMU ELEKTRONOVÝ OBAL

Emise vyvolaná působením fotonů nebo částic

16. Franck Hertzův experiment

Počátky kvantové mechaniky. Petr Beneš ÚTEF

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

Kvantová teorie atomů

Stavba atomu. protony p + nukleony neutrony n 0. elektrony e -

r(t) =0 t = a3 0 4cre

Fyzika IV. -ezv -e(z-zv) kov: valenční elektrony vodivostní elektrony. Elektronová struktura pevných látek model volných elektronů

Fyzika, maturitní okruhy (profilová část), školní rok 2014/2015 Gymnázium INTEGRA BRNO

Elektromagnetické vlnění, vlny a částice

Opakování: shrnutí základních poznatků o struktuře atomu

ATOMOVÁ SPEKTROMETRIE

Překryv orbitalů. Vznik vazby překryvem orbitalů na dvou různých atomech A, B Obsazeno dvojicí elektronů Ψ = Ψ A Ψ Β

Vibrace atomů v mřížce, tepelná kapacita pevných látek

Atomové jádro Elektronový obal elektron (e) záporně proton (p) kladně neutron (n) elektroneutrální

Optické spektroskopie 1 LS 2014/15

Úvod do moderní fyziky. lekce 2 částicové vlastnosti vln a vlnové vlastnosti částic, základy kvantové mechaniky

1. Ze zadané hustoty krystalu fluoridu lithného určete vzdálenost d hlavních atomových rovin.

Hamiltonián popisující atom vodíku ve vnějším magnetickém poli:

Balmerova série vodíku

POKUSY VEDOUCÍ KE KVANTOVÉ MECHANICE II

Atom a molekula - maturitní otázka z chemie

ATOM VODÍKU MODEL : STOJÍCÍ BODOVÉ JÁDRO A ELEKTRON VZÁJEMNĚ ELEKTROSTATICKY INTERAGUJÍCÍ SCHRÖDINGEROVA ROVNICE PRO PŘÍPAD POTENCIÁLNÍ ENERGIE.

Orbitaly ve víceelektronových atomech

Fotoelektronová spektroskopie Instrumentace. Katedra materiálů TU Liberec

PLANCK EINSTEIN BOHR de BROGLIE

ATOMOVÉ JÁDRO. Nucleus Složení: Proton. Neutron 1 0 n částice bez náboje Proton + neutron = NUKLEON PROTONOVÉ číslo: celkový počet nukleonů v jádře

Základy spektroskopie a její využití v astronomii

Na základě toho vysvětlil Eisnstein vnější fotoefekt, kterým byla platnost tohoto vztahu povrzena.

Fyzika pro chemiky II

ABSORPČNÍ A EMISNÍ SPEKTRÁLNÍ METODY

VAROVÁNÍ Přemýšlení o kvantové mechanice způsobuje nespavost

1. 2 Z Á K L A D Y K V A N T O V É T E O R I E

VYPOUŠTĚNÍ KVANTOVÉHO DŽINA

Jméno autora: Mgr. Ladislav Kažimír Datum vytvoření: Číslo DUMu: VY_32_INOVACE_06_Ch_OB Ročník: I. Vzdělávací oblast: Přírodovědné

Rentgenová spektrální analýza Elektromagnetické záření s vlnovou délkou 10-2 až 10 nm

Balmerova série, určení mřížkové a Rydbergovy konstanty

FYZIKA 4. ROČNÍK. Kvantová fyzika. Fotoelektrický jev (FJ)

Lehký úvod do kvantové teorie II

Plazmové metody. Základní vlastnosti a parametry plazmatu

Přirovnání. Elektrony = obyvatelé panelového domu Kde bydlí paní Kostková? Musíme udat patro a číslo bytu.

Skalární a vektorový popis silového pole

Stručný úvod do spektroskopie

ATOM. Autor: Mgr. Stanislava Bubíková. Datum (období) tvorby: Ročník: osmý

Elektromagnetické pole je generováno elektrickými náboji a jejich pohybem. Je-li zdroj charakterizován nábojovou hustotou ( r r

1. 3 ŘEŠENÍ SR PRO ATOM VODÍKU

POKUSY VEDOUCÍ KE KVANTOVÉ MECHANICE III

Světlo x elmag. záření. základní principy

ÈÁST VII - K V A N T O V Á F Y Z I K A

MAKROSVĚT ~ FYZIKA MAKROSVĚTA (KLASICKÁ) FYZIKA

Teorie Molekulových Orbitalů (MO)

Světlo jako elektromagnetické záření

2. Atomové jádro a jeho stabilita

Born-Oppenheimerova aproximace

Profilová část maturitní zkoušky 2017/2018

SBÍRKA ŘEŠENÝCH FYZIKÁLNÍCH ÚLOH

Dualismus vln a částic

6.2.8 Vlnová funkce. ψ nemá (zatím?) žádný fyzikální smysl, fyzikální smysl má funkce. Předpoklady:

Fyzika opakovací seminář tematické celky:

FYZIKA MIKROSVĚTA. Mgr. Jan Ptáčník - GJVJ - Fyzika - Fyzika mikrosvěta - 3. ročník

Teorie chemické vazby a molekulární geometrie Molekulární geometrie VSEPR

Inovace výuky prostřednictvím šablon pro SŠ

Balmerova série. F. Grepl 1, M. Benc 2, J. Stuchlý 3 Gymnázium Havlíčkův Brod 1, Gymnázium Mnichovo Hradiště 2, Gymnázium Šumperk 3

SPEKTRÁLNÍ METODY. Ing. David MILDE, Ph.D. Katedra analytické chemie Tel.: ; (c) David MILDE,

Elektromagnetické záření. lineárně polarizované záření. Cirkulárně polarizované záření

2. ATOM. Dualismus částic: - elektron se chová jako hmotná částice, ale také jako vlnění

Náboj a hmotnost elektronu

atom Lomonosov Lavoisier Dalton Proutova modely atomů Thomsonův kladným elektronů vysílají elektromagnetické záření nedostatky: počet původ

Maturitní otázky z fyziky Vyučující: Třída: Školní rok:

OPTIKA Fotoelektrický jev TENTO PROJEKT JE SPOLUFINANCOVÁN EVROPSKÝM SOCIÁLNÍM FONDEM A STÁTNÍM ROZPOČTEM ČESKÉ REPUBLIKY.

Transkript:

Elektronový obal atomu Chemické vlastnosti atomů (a molekul) jsou určeny vlastnostmi elektronového obalu. Chceme znát energii a prostorové rozložení elektronů Znalosti o elektronovém obalu byly získány studiem záření emitovaného excitovanými atomy (vybuzení ze základního stavu do stavu excitovaného dodáním energie - tepelná, elektrická jiskra, oblouk) 1

Elektromagnetické záření c = 2.998 10 8 m s 1 rychlost šíření světla ve vakuu Vektor elektrického pole James C. Maxwell (1831-1879) Vektor magnetického pole Elektromagnetické vlny oscilující elektrické a magnetické pole Heinrich Hertz (1857-1894) 2

Vlnová délka λ, frekvence ν, vlnočet ΰ amplituda νλ= c c = 2.998 10 8 m s 1 ΰ = 1/λ [cm 1 ] 3

Vlnová délka, λ [m] Elektromagnetické záření 380 nm 780 nm 4

Spektrální citlivost lidského oka 3 typy čípků Vlnová délka, nm 5

Spektrum záření 6

Newtonovo kolo Světlo má charakter: vlnový (interference) částicový (pohyb po přímce) Předmět absorbuje žlutou barvu z bílého světla a jeví se jako modrý 7

8

9

Spektrum záření Sluneční spektrum: He, Fe, Mg,... 10

Čárová spektra prvků 11

Emisní čárová spektra prvků 12

Kvantování energie 1900 Energie záření o vlnové délce λ se může absorbovat nebo emitovat po diskrétních množstvích = kvantech Excitovaný stav E 2 E 2 Dodání energie E 2 -E 1 = h ν E 1 E 1 Základní stav Světelná kvanta = fotony E = n h ν = n h c / λ Planckova konstanta h = 6.626 10 34 J s Max Planck (1858-1947) NP za fyziku 1918 13

černé těleso Záření černého tělesa Atomy = oscilátory Kvantování energie E = h ν Vyzářená energie je funkcí pouze teploty 14

Záření černého tělesa Wienův zákon λ max T = konst Stefan-Boltzmannův zákon P = σ T 4 Teplota záření vesmíru 2.73 K 15

16

Fotoelektrický jev 1887 Heinrich Hertz 1898 J. J. Thomson elektrony jsou emitovány z povrchu kovu při ozařování UV zářením existuje maximální λ, delší už nevyrazí elektrony kinetická energie fotoelektronů závisí na λ foton Katoda z alkalického kovu 17

Φ = Tok fotoelektronů Fotoelektrický jev hν 0 = výstupní práce I = Intenzita světla KE = Kinetická energie 18

Fotoelektrický jev Pod ν 0 žádná emise bez ohledu na intenzitu světla! 19

1905 Fotoelektrický jev Částicový charakter elmag. záření Světlo = fotony energie fotonu E = h ν energie vyletujícího elektronu E kin = ½ mv 2 h ν = E i + ½ mv 2 E kin = h (ν ν 0 ) Albert Einstein (1879-1955) NP za fyziku 1921 ν 0 = konstanta kovu h = Planckova konstanta E i = hν 0 = výstupní práce 20

Fotoelektrický jev E kin = h (ν ν 0 ) h ν = E i + ½ mv 2 h ν h ν h ν 0 h ν 0 hν 0 = výstupní práce 21

Aplikace fotoelektrického jevu - Night Vision 22

Emisní spektrum vodíku Spektrum světla emitovaného H atomy 23

Rydbergova rovnice 1 λ 1 1 = R 2 2 n m Experimentálně získaná rovnice ze spektrálních měření Rydbergova konstanta, R = 109678 cm 1 n, m celá čísla, n = 2, m = 3, 4, 5, 6,... Balmerova série, vis Rydbergova rovnice platí pouze pro spektrum H 24

Spektrum atomu vodíku 1 1 1 = R 2 2 λ n m m n 25

26

Bohrův model atomu v 1913 r Z F c F o Elektrony obíhají kolem jádra po kruhových drahách, rovnováha odstředivé a Coulombovské přitažlivé síly 2 F O = F C mv r = Ze 0 2 4πε r Niels Bohr (1885-1962) NP za fyziku 1922 2 27

Bohrův model atomu mv r 2 Ze Ze 2 2 = r = 2 2 4πε 0r 4πε0mv E = E kin + E pot = 1 / 2 m v 2 Z e 2 / 4 π ε 0 r= Z e 2 / 8 π ε 0 r Pokud je r libovolné, obíhající e ztrácí (vyzařuje) energii, r se snižuje, e se srazí s jádrem. Není to ve skutečnosti pravda. Tedy e musí obíhat jen po určitých drahách s danou E a r, na kterých nevyzařuje energii = stacionární stavy. Nejnižší energetický stav = nejstabilnější = základní stav vyšší = excitované stavy Změna stavu kvantována E 2 E 1 = hν 28

Bohrův model atomu Bohrův postulát: moment hybnosti elektronu je celočíselným násobkem Planckova kvanta h/2π n = kvantové číslo h mvr = n = 2π nh dosadíme z m v 2 = Z e 2 / 4 π ε 0 r r n = n 2 (a 0 / Z) a 0 = ε 0 h 2 / π m e 2 a 0 = 0.529 Å Bohrův poloměr atomu H v n = Z e 2 / 2 ε 0 n h 29

Bohrův model atomu E = E kin + E pot = 1 / 2 m v 2 Z e 2 / 4 π ε 0 r E = E n Z 2 0 n 2 zavedením kvantování E 0 (= m e 4 / 8 ε 02 h 2 ) = 2.18 10 18 J (1 ev = 1.6 10 19 J) E 0 = 13.6 ev Ionizační potenciál H atomu 30

Bohrův model atomu E = 0 Čím je elektron pevněji vázán k jádru, tím je jeho energie negativnější, více energie se uvolní. 31

Ionizační energie Atomové číslo, Z 32

Bohrův model atomu E n = E 0 Z 2 / n 2 = (m e 4 / 8 ε 02 h 2 ) Z 2 / n 2 Rozdíl energií mezi dvěma hladinami E 2 E 1 = ( E 0 Z 2 / n 22 ) ( E 0 Z 2 / n 12 ) E = h ν = h c / λ 4 1 me 1 1 = 2 3 2 2 λ 8ε h c n m 0 Identická rovnice s Rydbergovou!!! 33

1 1 1 = R 2 2 λ n m Spektrum atomu vodíku 34

Vzestup a pád Bohrova modelu atomu Bohrův (planetární) model atomu: jednoduchý a snadno srozumitelný vysvětlil dokonale linie ve vodíkovém spektru vysvětlil kvantování energie v atomu nevysvětloval spektra víceelektronových atomů použitelný pro atomy vodíkového typu (jádro = Z +, jediný elektron) fundamentálně nesprávný model byl překonán kvantově-mechanickým modelem 35

Vlnový charakter světla Rozptyl na mřížce, interference, difrakce Christian Huygens Augustin J. Fresnel Thomas Young James C. Maxwell Heinrich Hertz 36

Duální charakter světla Elektromagnetické záření = vlnění E = h ν Elektromagnetické záření = částice fotony Compton 1922 Foton má hmotnost m f E = h ν = h c / λ E = m f c 2 m f = h / λ c Arthur H. Compton (1892-1962) 37

Duální charakter světla Vlnová délka fotonu se prodlužuje po kolizi s elektronem = předání energie 38

1923 de Broglieho rovnice Vlnový charakter elektronu Elektronu přísluší vlnová délka λ = h / mv Planck + Einstein E = h ν = h v/λ E = m v 2 částice mv = hybnost vlna vlnová délka λ Louis de Broglie (1892-1987) NP za fyziku 1929 39

Rozptyl elektronů na krystalu Ni 1925 C. J. Davisson (1881-1958) L. Germer G. P. Thomson (1892-1975) NP za fyziku 1937 E = e V = ½ m v 2 40

Braggova rovnice de Broglieho vlnová délka elektronu λ Rentgenovo záření Elektrony 41

Elektron jako stojaté vlnění Elektron = vlna λ = h / m v Stojaté vlnění na kružnici o poloměru r n λ = 2 π r spojením rovnic dostaneme nh/ 2 π = m v r Toto je ale Bohrův postulát! 42

Vlnový charakter částic 1 / 2 mv 2 = 3 / 2 kt λ = h/(3ktm) 1/2 S klesající teplotou roste vlnová délka částice Ochlazení plynu malá rychlost, překryv vlnových funkcí Kvantový plyn Bose-Einsteinův kondenzát 4 He pod 2.17 K kvantová kapalina = ztráta viskozity, superfluidita 43

Klasická teorie: Hmota je částicová, má hmotnost Energie je kontinuální, vlnový charakter Černé těleso, Planck, energie záření kvantována Fotoelektrický jev, Einstein, světlo je částicové, fotony Atomová spektra, Bohr, energie atomů kvantována Difrakce elektronů na krystalu Ni, Davisson de Broglie, hmota má vlnový charakter, energie atomů je kvantována, protože elektrony se chovají jako vlny Vlnová délka fotonu se prodlužuje po kolizi s elektronem, Compton Kvantová teorie: Hmota a energie jsou ekvivalentní, mají hmotnost, jsou částicové, mají vlnový charakter 44

Heisenbergův princip neurčitosti 1927 Není možné určit zároveň přesně polohu (x) a hybnost (p = m v) elektronu x p = h/2π h = 6.626 10 34 J s elektron v atomu H v základním stavu v = 2.18 10 6 m s 1 přesnost 1%, v = 10 4 m s 1 x = 0.7 10 7 m = 70 nm Werner Heisenberg (1901-1976) NP za fyziku 1932 a 0 = 0.053 nm Nelze určit přesnou polohu elektronu v atomu 45

Heisenbergův princip neurčitosti Není možné určit zároveň přesně energii elektronu v daném časovém intervalu ( t doba měření) E t = h/2π h = 6.626 10 34 J s 46

Důsledek Heisenbergova principu neurčitosti Energie elektronu je známa velmi přesně (emisní spektra) Poloha elektronu tedy nemůže být určena přesně Kruhové dráhy elektronů kolem jádra s určitým poloměrem jsou nesmysl Stav elektronu je nutno popsat pomocí kvantové mechaniky 47

Schrödingerova rovnice 1926 Schrödingerova rovnice = postulát Ĥ Ψ = E Ψ 2 Ψ 2 Ψ 2 Ψ 8π 2 m + + + (E V) Ψ = 0 x 2 y 2 z 2 h 2 Erwin Schrödinger (1887-1961) NP za fyziku 1933 Ĥ = Hamiltonův operátor celkové energie (E), kinetická a potenciální (V) energie 48

Schrödingerova rovnice Parciální diferenciální rovnice druhého řádu exaktní řešení jen pro H a jednoelektronové systémy (He +, Li 2+,...) přibližná řešení pro víceelektronové atomy (He,...) řešením diferenciální rovnice jsou: Vlastní vlnové funkce, Ψ - orbitaly - prostorové rozložení e Vlastní hodnoty energie elektronu v orbitalech, E, jedné vlastní hodnotě E může příslušet více vlnových funkcí (degenerované) 49

Vlastní vlnové funkce Ψ(x,y,z) je řešením stacionární Schrödingerovy rovnice Jen některé stavy e jsou povoleny Ψ je komplexní funkce souřadnic x, y, z, nemá fyzikální význam, může nabývat kladných i záporných hodnot Ψ 2 má význam hustoty pravděpodobnosti výskytu e Ψ závisí na kvantových číslech (celá čísla) 50

Bornova interpretace vlnové funkce Ψ(x,y,z) je řešením stacionární Schrödingerovy rovnice, (Ψ nemá fyzikální význam) Ψ 2 dv pravděpodobnost výskytu elektronu v objemu dv v místě r (dv= dx dy dz) dv Max Born (1882-1970) NP za fyziku 1954 51

Heisenbergův princip neurčitosti. Podle principu neurčitosti dvojice "konjugovaných" proměnných (jako je poloha a hybnost nebo energie a čas) nelze měřit se stejnou přesností ve stejný okamžik, neboť nemají v daný okamžik stejně definované hodnoty. Bornův zákon pravděpodobnosti. Podle tohoto zákona druhá mocnina absolutní hodnoty vlnové funkce odpovídá pravděpodobnosti toho, že se systém nachází ve stavu popsaném danou vlnovou funkcí. Bohrův princip komplementarity. Podle tohoto principu je Heisenbergův princip neurčitosti vnitřní vlastnost přírody a nikoliv problém měření. Pozorovatel, jeho měřící přístroj a měřený systém tvoří celek, který nelze rozdělit. Heisenbergova interpretace znalosti. Podle této interpretace vlnová funkce není fyzickou vlnou, která se pohybuje prostorem ani není přímým popisem fyzikálního systému, ale matematickým popisem znalosti pozorovatele, kterou získal měřením systému. Heisenbergův positivismus. Podle tohoto principu nemá smysl diskuse o aspektech reality, které leží za formalismem kvantové mechaniky, neboť diskutované veličiny nebo fyzikální entity lze měřit experimentálně. 52

Atom vodíku Nejjednodušší soustava: p + e Řešitelná exaktně Kulová symetrie Potenciální energie mezi p + e V 2 e = 4πε r 0 53

Polární souřadnice využití kulové symetrie atomu Ψ(x,y,z) Ψ(r,θ, φ) x =? y=? z= r cosθ 54

Rozklad vlnové funkce na radiální a angulární část Ψ n, l, m (r,θ, φ) = N R n, l (r) χ l, m (θ, φ) Separace proměnných R n, l (r) = radiální část vlnové funkce, závisí jen na vzdálenosti r od jádra χ l, m (θ, φ) = angulární (úhlová) část vlnové funkce závisí na směru θ, φ N = normalizační konstanta Ψ 2 dv = +1 normalizační podmínka, elektron určitě někde je R n, l (r) závisí na kvantových číslech n a l χ l, m (θ, φ) závisí na kvantových číslech l a m l 55

Kvantová čísla R n, l (r) závisí na kvantových číslech n a l χ l, m (θ, φ) závisí na kvantových číslech l a m l Hlavní kvantové číslo n, (1 až ) Vedlejší kvantové číslo l, (0 až n 1) l = 0 (s), 1 (p), 2 (d), 3 (f), 4 (g), 5 (h),... Magnetické kvantové číslo m l, (+ l,...0,... l) Pro každé l je (2l + 1) hodnot m l Spinové kvantové číslo m s : ±½ 56

Vlastní hodnoty E elektronu v atomu H typu E n = µ = redukovaná hmotnost systému jádro-elektron e = elementární náboj, ε 0 = permitivita vakua N Z čím vyšší náboj jádra tím silněji je elektron vázán, nižší energie, jednoelektronové ionty (He +, Li 2+,...) n s rostoucím hlavním kvantovým číslem se e stává méně stabilní µ A 2 0 e 2 4 Z 8ε h n 2 2 Odpovídá Bohrově rovnici!! 57

Vlastní hodnoty E elektronu v atomu H typu E n = N µ A 2 0 e 2 4 Z 8ε h n 2 2 E 2 =? Energie závisí jen na n E 1 = 13.6 ev (13.6 ev = 1 Ry) 58

Určuje energii hladiny, vyšší n má vyšší energii, méně stabilní, stejné jako v Bohrově modelu, přípustné hodnoty 1 až Pro každé n existuje n 2 degenerovaných hladin l = n 1 Σ (2l + 1) = n 2 l = 0 Hlavní kvantové číslo n 59

Orbitální moment hybnosti L = orbitální moment hybnosti L = m v r L = h l( l +1) 60

Vedlejší kvantové číslo l Určuje typ orbitalu, (0 až n 1) l orbital 0 s 1 p 2 d 3 f 4 g 5 h 6 i 7 j 8 k L = orbitální moment hybnosti L = m v r L tyto orbitaly nejsou zaplněny elektrony u atomů v základním stavu = h l( l +1) 61

Magnetické kvantové číslo m l l orbital m l 0 s 0 1 p 1, 0, 1 2 d 2, 1, 0, 1, 2 3 f 3, 2, 1, 0, 1, 2, 3 4 g nejsou zaplněny 5 h elektrony u atomů v 6 i základním stavu L = m h = z l m l h 2π 62

Kvantování orbitálního momentu hybnosti L = h l( l +1) L = m h = z l m l h 2π 63

s p d f g h l = 0 1 2 3 4 5 n = 1 1s n = 2 2s 2p n = 3 3s 3p 3d n = 4 4s 4p 4d 4f n = 5 5s 5p 5d 5f 5g n = 6 6s 6p 6d 6f 6g 6h 64

Magnetické spinové kvantové číslo m s Stern-Gerlachův experiment Pícka s Ag Nehomogenní magnetické pole vakuum S = spinový moment hybnosti S = h/2π [s (s +1)] ½ s = ½ S Z = m s h/2π 65

Magnetické spinové kvantové číslo m s S = h/2π [s (s +1)] ½ s = ½ S Z = m s h/2π m s = ±½ 66

Ψ = vlnová funkce Vlnové funkce Ψ jsou řešením Schrödingerovy rovnice 1s Ψ 2 = hustota pravděpodobnosti výskytu e Ψ 2 dv = pravděpodobnost výskytu e v objemu dv, rozložení elektronové hustoty 67

Pravděpodobnost výskytu elektronu Polární souřadnice R n, l (r) radiální část vlnové funkce dv = 4πr 2 dr (kulová slupka tloušťky dr) radiální distribuční funkce P = 4πr 2 Ψ 2 dr = 4πr 2 R 2 n, l (r) dr P = Pravděpodobnost výskytu e v objemu tvaru kulové slupky tloušťky dr ve vzdálenosti r 68

Orbital Vlnová funkce Hustota pravděpodobnosti Radiální rozložení (distribuční fce) 69

Orbital Polohu elektronu nelze určit přesně Heisenbergůvprincip lze ale stanovit pravděpodobnost výskytu elektronu Radiální část vlnové funkce určuje pravděpodobnost výskytu e směrem od jádra (do r = ) a počet nodálních ploch Angulární část vlnové funkce určuje tvar orbitalu (počet nodálních rovin) 70

Orbital Každému orbitalu (vlnové funkci) přísluší hodnota energie E n E n = KE + V Nízká potenciální energie, když je elektron blízko jádra Vysoká kinetická energie pro elektron v malém orbitalu x p h malé x, velké p, velká v, velká KE 71

Radiální část vlnové funkce n l m l R n, l (r) 1 (K) 0 (s) 0 2 (Z/a 0 ) 3/2 exp( Zr/a 0 ) 2 (L) 1 (p) 0 2 (Z/2a 0 ) 3/2 (1 Zr/2a 0 ) exp( Zr/2a 0 ) 2 (L) 1 (p) ±1 2/ 3 (Z/2a 0 ) 3/2 (Zr/2a 0 ) exp( Zr/2a 0 ) 72

s - orbitaly R n, l (r) = radiální část vlnové funkce, závisí jen na vzdálenosti od jádra r χ l, m (θ, φ) = angulární (úhlová) část vlnové funkce, je konstanta pro s-orbitaly (l = 0) = KULOVÝ TVAR 73

Atomový orbital 1s R n, l (r) n = 1, l = 0 74

75

R n, l (r) = radiální část vlnové funkce atomu H 4πr 2 R 2 n, l (r) = radiální distribuční funkce r max = nejpravděpodobnější poloměr pro 1s r max = a 0 Bohrův poloměr 76

77

78

79

Uzlové (nodální) plochy Počet kulových uzlových (nodálních) ploch = n l 1 80

Účinek Z na radiální část vlnové funkce s Z R n, l (r) = 2 exp a0 3 Zr a 0 S rostoucím nábojem jádra se poloha maxima pravděpodobnosti výskytu e přibližuje k jádru 81

Radiální distribuční funkce 1s 82

4πr 2 (R nl ) 2 83

Angulární část vlnové funkce p orbitalů 84

p - orbitaly n = 2, l = 1, m = 1,0, 1 85

p - orbitaly 86

p - orbitaly z y p z x p x p y 87

p - orbitaly n = 2, l = 1, m = 0 n = 3, l = 1, m = 0 88

89

90

Angulární část vlnové funkce d orbitalů 91

d - orbitaly z z y y x d Z 2 x d YZ y y x d X 2 -Y 2 x d XY 92

d - orbitaly d Z 2 d X 2 -Y 2 d XZ d XY d YZ 93

94

95

f - orbitaly 96

Uzlové (nodální) plochy a roviny Kulové uzlové (nodálních) plochy = n l 1 Platí pro s, p, d, f,... Uzlové (nodálních) roviny: Orbital Počet s 0 p 1 d 2 f 3.... Pouze s-orbitaly mají nenulovou hodnotu vlnové funkce na jádře 97

Rydbergovy elektrony r = n 2 a 0 /Z a 0 = 53 pm 110-6 m = n 2 x 53 10-12 m n =138 98

Energie orbitalů v H atomu 99

Energie orbitalů v H atomu n Energeticky degenerované hladiny E n N = µ e Z 4 2 A 2 2 2 8ε 0 h n 100

Degenerované hladiny Neštěpené čáry ve spektru H 3p 2s = 3d 2p 101

Energie orbitalů ve víceelektronových atomech ve víceelektronových atomech nejsou energetické hladiny degenerované 102

Energie orbitalů ve víceelektronových atomech Stabilnější orbital (nižší energie) Nižší (n + l) Při rovnosti n + l nižší n 103

Víceelektronové atomy Penetrace a stínění 1s 2s a 2p penetrují 1s 2s penetruje více než 2p E(2s) < E(2p) ale maxima r(2s) > r(2p) 2p 2s 104

Víceelektronové atomy Penetrace a stínění Čím se elektron průměrně nachází blíže k jádru, tím je pevněji vázán a má nižší energii E(2s) < E(2p) r(2s) > r(2p) 105

Relativní energie orbitalů s, p, d E(3s) < E(3p) < E(3d) r(3s) > r(3p) > r(3d) 106

Slaterovy orbitaly Orbitaly pro víceelektronové atomy orbitaly (vlnové funkce) vodíkového typu azimutální část: stejná jako u H radiální část: R (r) = N r n* 1 exp( Z * r/n*) Z* = efektivní náboj jádra E i = N (Z* i /n i ) N = 1313 kj mol 1 107

Efektivní náboj jádra Z * = Z σ σ = stínící konstanta, součet pro všechny elektrony (1s)(2s,2p)(3s,3p)(3d)(4s,4p)(4d)(4f)(5s,5p)(5d)(5f)... Slaterova pravidla: e napravo nestíní, nepřispívá k σ Uvnitř skupiny stíní 0.35 (1s jen 0.30) n 1 (s,p) stíní 0.85 n 2 stíní 1.00 Pokud je elektron v d nebo f, vše nalevo stíní 1.00 108

Efektivní náboj jádra K (1s) 2 (2s,2p) 8 (3s,3p) 8 (3d) 1 σ(3d) = 0 x (0.35) + 8 x 1.00 + 10 x 1.00 = 18 Z * = 19 18 = 1 K (1s) 2 (2s,2p) 8 (3s,3p) 8 (4s) 1 σ(4s) = 0 x (0.35) + 8 x 0.85 + 10 x 1.00 = 16.8 Z * = 19 16.8 = 2.2 109

Efektivní náboj jádra Efektivní náboj 16 Z* 14 12 10 8 6 4 2 0 H He Li Be Be C N O F Ne Na Mg Al Si P S Cl Ar K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr 110

Efektivní náboj Z* 1s nejsou stíněny 111

Poloměrmaximální elektronové hustoty r(2s) > r(2p) r(3s) ~ r(3p) 112

Energie orbitalů 113

Elektronová konfigurace atomu v základním stavu Aufbau (výstavbový) princip: Elektronové hladiny se zaplňují elektrony v pořadí rostoucí energie tak, aby měl atom co nejnižší celkovou energii Pauliho princip: Žádné dva elektrony nemohou mít všechny 4 kvantová čísla stejná. Hundovo pravidlo: V degenerovaných orbitalech je stav s max. počtem nepárových spinů nejstabilnější. 114

Elektronová konfigurace C 115

Elektronová konfigurace valenční slupky (Ne) 116

Energie orbitalu Obsazení orbitalů elektrony může změnit pořadí energií 117

4s 118

(Ar) Elektronová konfigurace valenční slupky 119

Ionizační Energie 120

Fotoelektronová spektroskopie Element Ionizační Energie (MJ mol 1 ) H 1.31 He 2.37 Li 6.26 0.52 Be 11.5 0.90 B 19.3 1.36 0.80 C 28.6 1.72 1.09 N 39.6 2.45 1.40 O 52.6 3.12 1.31 F 67.2 3.88 1.68 Ne 84.0 4.68 2.08 Na 104 6.84 3.67 0.50 Mg 126 9.07 5.31 0.74 Al 151 12.1 7.79 1.09 0.58 Si 178 15.1 10.3 1.46 0.79 P 208 18.7 13.5 1.95 1.01 S 239 22.7 16.5 2.05 1.00 Cl 273 26.8 20.2 2.44 1.25 Ar 309 31.5 24.1 2.82 1.52 K 347 37.1 29.1 3.93 2.38 0.42 Ca 390 42.7 34.0 4.65 2.9 0.59 121

122