predavanje-1

1

Materija i pojavni obliciStruktura atoma

Doc. Dr. Azra Tahirović

Sarajevo, 16. 09. 2008.

Predmet i metode hemije

�Prirodne pojave - promjene koje se dešavaju na materiji u prirodi.

�Prirodne nauke - proučavaju različite

aspekte pomjena materije.

• Osnovne prirodne nauke:

- hemija

- fizika

- biologija.

Hemija Fizika

Proučava supstance i trajne promjene na

supstancama.

Proučava privremena stanja materije- energiju

i njene transformacije.

Fizička hemija

Hemijske promjene i pojave uz primjenu

fizikalnih zakona i metoda.

Naučna metoda hemije

• posmatranje i postavljanje eksperimenta,

• poređenje i klasifikacija otkrivenih činjenica (opservabla),

• postavljanje hipoteze za objašnjenje činjenica,

• provjeravanje hipoteze i postavljanje teorije,

• provjeravanje istinitosti teorije i postavljanje zakona.

2

Uloga i značaj hemije za šumarstvo

• izučava hemijske i biohemijske procese koji se

dešavaju u zemljištu, biljnim, životinjskim

organizmima;

• trošenje stijena i minerala u prirodi;

• stvaranje zemljišta – supstrata za rast biljaka;

• ishrana biljaka prirodnim i vještačim đubrivima;

• regulisanje rasta biljaka;

• borba protiv štetočina i bolesti.

Definicija materije

�Materija – sve što zauzima prostor i ima masu. �Tvari ili supstance – različiti pojavni oblici

materije. �Broj supstanci u prirodi je jako veliki (nekoliko

miliona). �Masa (m)- sadržaj materije u nekom tijelu. �Masa nekoga tijela je konstantna veličina. �Fizičko tijelo - supstanca ili skup više supstanci

koja zauzima određeno mjesto u prostoru i ima svoju težinu.

supstanca fizičko tijelo

Karakteristike materije

Materija je izložena stalnim promjenama i njene osobine se stalno mjenjaju.

Promjene materije mogu biti fizikalne i hemijske.

Materija se u prirodi nalazi u tri osnovna agregatna stanja: čvrstom, tečnom i gasovitom.

Materija kao i njeno kretanje je neuništiva.

Materija ne može postojati bez kretanja i obrnuto.

Masa i energija

�Korelacija između mase i energije:

E = m·c2

brzina svjetlosti c = 3·108m/s

�Princip ekvivalencije mase i energije

- svakoj masi (m) pripada određena energija (E),

- masa se može pretvoriti u energiju i obrnuto,

- u maloj masi sadržana je velika energija.

3

Razlike između fizičkih ihemijskih promjena

Hemijske promjene� mijenja se sastav

(supstanci) tijela,

� trajne promjene,

� mijenja se hemijski sastav materije,

� trajno mjenjaju osobine supstance,

� veća energetska promjena (termičke, zračne i električne pojave).

Fizičke promjene

� mijenja se oblik ili stanje tijela,

� prolazne promjene,

� nema promjene sastava materije,

� djelimično mjenjaju osobine supstance,

� manja energetska promjena.

Svaku kemijsku promjenu prati fizička promjena.

Primjeri

Hemijske promjene:

� hrđanje željeza,

� ugljenisanje šećera,

� gorenje drveta,

� gorenje magnezija,

� interakcija dvije

supstance uz pojavu

taloga.

Fizičke promjene:

� usitnjavanje drveta,

� mljevljenje raznih

materijala,

� topljenje leda,

� mržnjenje vode,

� ključanje vode,

� hlađenje vodene pare.

Podjela materije

Supstanca

Homogena Heterogena

Čista supstanca

Homogena smjesa

Heterogena smješa

Elementi Spojevi

Fizička separacija

Smjese

�Sastavljene od 2 ili više supstanci.

�Heterogene smjese:

� sastojci se mogu razlikovati golim okom.

�Homogene smjese

�sastojci ne mogu razlikovati golim okom.

�Sastav smjese je promjenjiv.

�Svaka tvar smjese zadržava svoja svojstva.

�Svojstva smjese zavise od količine i vrste tvari koje

je čine - one su aditivne.

�Supstance u smjesi se mogu odvojiti metodama fizičke separacije.

4

Primjeri smjesa

Homogene smjese:

• rastvor šećera,

• rastvor soli,

• morska voda,

• vazduh,

• benzin.

Heterogene smjese:

• krv,

• mlijeko,

• drvo,

• zemljište,

• mutna voda,

• rude,

• prah željeza i sumpora.

Metode separacije

- Rastvaranje

-Dekantacija

-Filtracija

-Centrifugiranje

-Sublimacija

-Destilacija

-Kristalizacija

-Hromatografija

Vrste čistih tvari

• Elementarne tvari - čiste tvari koje se ne mogu

hemijskim postupcima razložiti na jednostavnije

tvari (R. Boyle).

Cu Na Cl2

• Hemijski spojevi - složene čiste tvari koje se

hemijskim postupkom mogu razložiti na

elementarne tvari.

NaCl H2SO4 Ca3(PO4)2

Sinteza

Reakcija sinteze natrij-hlorida:

2 Na + Cl2 → 2 NaCl

čvrsta supstanca,srebrnaste boje

gas,

žutozelene boje

čvrsta, bijela kristalna supstanca

2 ATOMA NATRIJA

1 MOLEKULA HLORA

2 ATOMA

HLORA

2 MOLEKULE NATRIJ HLORIDA

2 ATOMA NATRIJA

2 ATOMA HLORA

sinteza

element element hemijski spoj

5

Analiza

Elektrolitičko razlaganje vode:

2 H2O → 2 H2 + O2.

analiza

2 molekule vode 2 molekule vodika 1 molekule kisika

hemijski spoj element element

H2O2H2O

Hemijski simboli

• BERZELIUS (19. VIJEK, 1813. god).

• Hemijski simboli - skraćeni način prikazivanja imena elementa (Na, Cl, S).

• Ime elementa:

– internacionalno latinsko ime (ferrum, cuprum),

– narodno ime (željezo, bakar),

– po otkrivačima (kirium),

– po regiji ili mjestu otkrića (kalifornij).

Modelni prikaz elementarnih tvari

a) Modelne molekule nitrogena N2

b) Modelne molekule oksigena O2

c) Modelni atomi argona Ar

Modelni prikaz hemijskih spojeva

6

Zakoni hemijskog spajanja

1. Zakon o održanju mase

2. Zakon stalnih masenih odnosa

3. Zakon umnoženih masenih odnosa

4. Zakon ekvivalentnih ili spojnih masa

5. Zakon stalnih zapreminskih odnosa

Zakon o održanju mase

• Otkrivač: francuski hemičar A. Lavoisier (Lavoazije),krajem 18. vijeka.

„ Masa supstanci koje ulaze u hemijsku reakciju jednaka je masi supstanci koje izlaze iz hemijske reakcije“(Zakon o neuništivosti materije).

Primjer:

80 g oksigena + 80 g hidrogena → 90 g vode + 70 g hidrogena

160 g reaktanata 160 g produkata

masa (prije reakcije) = masa (poslije reakcije)

Zakon stalnih masenih odnosa

• Otkrio ga je francuski hemičar JOSEPH PROUST (Prust), krajem 18. vijeka:“Elementi se međusobno jedine u stalnom težinskom odnosu kada daju isto jedinjenje“.

Primjer:

2 H2 + O2 → 2 H2O 1:8

2x2 2x16 2x18

2 Mg + O2 → 2 MgO

2x24 2x16 2x 40 3:2

Zakon umnoženih masenih odnosa

• Otkrio ga je 1802. godine John Dalton i glasi:„Ako dva elementa daju jedan s drugim nekoliko jedinjenja, to se različite količine elementa koje stupaju u reakciju s jednom količinom drugog elementa, odnose kao mali cijeli brojevi“.

Primjer:CO 12:16 SO 32:16CO2 12:32 SO2 32: 32

SO3 32: 4816:32 =1:2 16:32:48 = 1:2:3

Daltonov zakon je dokaz da se reakcije vrše sa cijelim brojem atoma.

7

Zakon ekvivalentnih ili spojnih masa

• Zakon spojnih masa je otkrio njemački hemičar BENJAMIN RICHTER 1789. godine, a glasi:„Mase dvije elementarne tvari koje reaguju s nekom trećom elementarnom tvari iste mase reaguju i međusobno, a isto tako i s nekom četvrtomelementarnom tvari jednake i određene mase“. Primjer:

HCl CH4 H2S NaH H2O

1: 35,5 3:1 1:16 23:1 1:8

* Ekvivalentna masa = atomska težina/valencija (za bilo koji element).

Zakon stalnih zapreminskih odnosa

• Francuski hemičar JOSEPH L. GAY-

LUSSAC (GE-LISAK) 1805. godine: „Pri stalnom pritisku i temperaturi volumeni gasova kojireaguju ili nastaju hemijskom reakcijom odnose se u omjeru malih cijelih brojeva“.

Primjer:

1 dm3 kisika + 2 dm3 vodika → 2 dm3 vodene pare

1 dm3 vodika + 1 dm3 hlora → 2 dm3 hlorovodika

Avogadrova hipoteza

Talijanski fizičar AMEDEO AVOGADRO 1811. godine : Atomi nisu najsitnije čestice nekog plina, već skupine malog broja atoma. Te skupine je nazvao molekulima (lat. molliculus = sitan).

• Gasovi jednakog volumena pri istoj temperaturi i pritisku sadrže jednak broj molekula.

H2 + Cl2 → 2 HCl

Atomi i molekuli

Struktura atoma

• Engleski hemičar J. Dalton: “Atomi su sitne čestice koje se ne mogu dijeliti”.

Pojam atoma (sitan, nedjeljiv).

• J. Stoney 1874: “Elektroni su sitne čestice

koje ulaze u sastav atoma”.

8

Atomski modeli

• J. Thomson

• Puding model atoma:

pozitivno naelektrisane

jezgre u koje su

utisnuti sićušni

negativni elektroni.

sferni oblak pozitivnih naboja

elektroni

Puding model atoma prema Thomsonu

Atomski modeli

• E. Rutherford

• Planetarni model atoma:

- atom: pozitivno naelektrisani nukleus oko kojeg kruže elektroni;

- protoni: pozitivno naelektrisane čestice;

- masa protona: 2000 puta veća od mase elektrona.

Planetarni model atoma

Subatomske čestice

Čestica Simbol Naboj

elektron e- -

proton p+ +

neutron n0 0

Rutherfordov model atoma

• Atom je svojim najvećim dijelom prazan.

• Sav pozitivan naboj i veći dio mase se nalazi u malom području atoma-nukleus.

• Elektroni se nalaze u elektronskom oblakukoji okružuje nukleus. Odnos radijusa atoma i

nukleusa

Nukleus (jezgro)

9

Savremeni pojam hemijskog elementa

• Nova definicija elementa

• Henry Moseley (Mozli) 1913. godine:

• Linearni zakon elemenata

• Kemijski element je skup svih atoma sa

istim nabojem jezgre.

• Element je tvar čiji atomi imaju isti naboj

jezgre.

Z = atomski broj (redni broj)

Atomski broj ( Z)

Značenje atomskog broja:

• broj protona u jezgri/nukleusu,

• broj elektrona u neutralnom atomu

Atomski broj se nalazi pored simbola svakog

elementa.

Maseni broj

• J. Chadwick (Čedvik)

• Pojam netrona: – neutralne čestice, iste

mase kao i protoni smješteni u jezgri atoma.

• A = maseni broj

• Maseni broj - broj protona i neutrona u jezgri.

• Označava se sa lijeve gornje strane simbola elementa.

Atomski simboli

� Prikazuje maseni broj i atomski broj

� Daje simbol elementa

maseni broj

23 Na natrij-23

atomski broj 11

10

Primjeri atomskih simbola

16 31 65

O P Zn

8 15 30

8 p+ 15 p+ 30 p+

8 n0 16 n0 35 n0

8 e- 15 e- 30 e-

Izotopi

� Atomi sa istim brojem protona ali različitim brojem

neutrona.

� Atomi istog elementa (isti atomski broj) sa različitim

masenim brojevima.

� Element je prirodna smjesa izotopa, zastupljenih u

različitim masenim odnosima.

� Najstabilniji izotop elementa je najviše zastupljen.

� Najmanje su zastupljeni nestabilni izotopi

(radioaktivni).

� Izotop nekog elementa se zove nuklid.

Broj elektrona

- atom je neutralan,

- ukupan naboj atoma je nula,

- broj protona = broju elektrona,

- atomski broj = broju elektrona,

- atomski broj = broju protona.

Na osnovu iznesenih

spoznaja o građi atoma,

može se reći:

Relativne atomske mase

� Navedena u periodnom sistemu elemenata.

� Predstavlja masu prosječnog atoma elementa u

poređenju sa izotopom atoma 12C.

� Prosječni atom zasnovan na svim izotopima i

njihovoj zastupljenosti %.

� Relativna atomska masa nije cijeli broj.

Na

22.99

11

Relativna atomska i molekulska masa

Mr(Al(NO3)3) = Ar(Al) + 3·Ar(N) +9·Ar(O)

u

a

r

m

mA =

u

f

r

m

mM =

ma (12C)/12= mu = 1,66 ·10-27 kg

Unificirana atomska jedinica mase

am - prosječna masa atoma

fm - prosječna masa molekule

Mol i molarna masa

• n - količina tvari (mol)

• M - molarna masa (g/mol)

• m- masa (g)

• N- broj jedinki (atoma, molekula, iona, elektrona itd).

• NA = 6,022 ·1023 1/mol

NA = (Avogadrova konstanta)

M

mn =

Mnm ⋅=

ANnN ⋅=

= 6.02 x 1023 C atoma

= 6.02 x 1023 H2O molekula

= 6.02 x 1023 NaCl “molekula”

JedanJedan mmolol ččesticaestica

sadrži 6.02 x 1023 čestica

1 mol C

1 mol H2O

1 mol NaCl

Molarna masa

• masa 1 mola supstance – atoma, molekula, iona izražena u

gramima;

• jednaka numeričkoj vrijednosti Ar (iz periodnog sistema).

1 mol C atoma = 12.0 g

1 mol Mg atoma = 24.3 g

1 mol Cu atoma = 63.5 g

Primjer molekula metana

12

Elektronska struktura atoma

•Svjetlost je dvojne prirode

Kvant energije - atom energije

Foton - kvant svjetlosti (čestica, paketići energije) L. de Broglie-va

(d’ Brolj) relacija:

λ

chE

⋅=ν⋅= hE

vm

h

⋅=λ

svjetlo kao val

svjetlo kao struja fotona (paketići energije)

Borov model atoma

1. Elektroni se kreću po kružnim putanjama (energetski nivoi).

-Glavni kvantni broj – n

n = 1,2,3...

2. Atom ne emitira energiju u osnovnom stanju.

Osnovno i pobuđeno stanje atoma

-Atom može apsorbirati

ili emitovati određenu

količinu energije.

E1

E2

E2-E1 = hν

nukleus

energetski nivoi

pobuđeno energetsko stanje

osnovno energetsko stanje

emitovani foton

Elektronska struktura atoma

energetski podnivoi• Elektroni mogu da se kreću ne samo po kružnim nego i

po eliptičnim putanjama- energetski podnivoi. • Sporedni kvantni broj (l)• l =0,1,2....n -1

• n =1 l = 1-1 l = 0

• n =2 l =2-1, 1-1 l = 0, 1

• n = 3 l = 3-1, 2-1, 1-1 l = 0, 1, 2

Vrijednosti l = 0, 1, 2 ili 3 označavaju orbitale: s,p,d, f.

• prvi kvantni nivo: ima samo s orbitalu;• drugi kvantni nivo: ima s i p orbitale;• treći kvantni nivo: ima s, p i d orbitale;• četvrti kvantni nivo ima s, p, d, f orbitale.

0 1 2 3

s p d f

Elektronska struktura atoma

energetski podpodnivoi

• Magnetni kvantni broj (ml)

• ml = - l, ....0.....+ l

• ml = 0 l =s

• ml = -1,0,1 l =p

• ml = -2,-1,0,1,2, l = d

• ml = -3,-2, -1, 0, 1, 2, 3 l = f

Može biti: samo jedna s orbitala; tri p orbitale; 5 d orbitala; 7 f orbitala.

Energetski podnivoi su iste energije a različite usmjerenosti u prostoru - degenerirani su.

13

Elektronska struktura atomaspinski kvantni broj

• spinski kvantni broj (s)

• vrtnja oko vlastite osi (spin = okretati se)

• paralelna i antiparalelna orjentacija u magnetnom polju

• ms = +1/2 -1/2

paralelna orjentacija

antiparalelna orjentacija

Zaključak: jedna orbitala može primiti maksimalno dva elektrona suprotne orjentacije!!!

Slikoviti prikaz orbitala

• Orbitalu možemo prikazati kvadratićem -kućica.

• U jednoj kućici mogu biti maksimalno smještena 2 elektrona.

• Kod popunjavanja degeneriranih orbitala, prvo se popunjavaju sve kućice sa paralelnom orjentacijom elektrona (Hundovo pravilo).

atom He

1s21s2 2s1

atom Li

2s2 2pz2py2px

atom C

Uvodi vjerovatnoću nalaženja elektrona u

prostoru oko atomske jezgre (Ψ 2) .

Trodimenzionalni dijagram Ψ 2 daje oblikorbitala.

Samo su s i p orbitale važne u organskoj

hemiji (kovalentne veze).

Orbitala: područje u prostoru (volumen)

velike vjerovatnoće nalaženja elektrona.

Vremensko zadržavanje elektrona u tom

prostoru je 90-95%.

Atomske orbitale - kvantnomehanički

pristup• 1s i 2s orbitale su centrirane oko nukeusa sfernosimetrično.

– Svaka orbitala može primiti 2 elektrona.

– 2s orbitala je energetski veća.

• Postoje tri p orbitale koje su okomito usmjerene u odnosu jedna na drugu.

– Svaka p orbitala može primiti po 2 elektrona - ukupno 6 elektrona.

– Sve tri p orbitale su degenerirane (jednake energije samo se razlikuju po položaju u prostoru).

• 2p orbitale su energetski veće nego 1s ili 2s orbitale.

čvorna ravan

14

Kvantnomehanički model strukture atoma

Prostor vjerovatnoće nalaženja elektrona

elektronski oblak različite gustoće

-Atomska orbitala

-valna funkcija, kombinacija n, l, ml

px

s-orbitala

pzpy

Modelni prikazi atomskih orbitala

Raspodjela elektrona u kvantnim nivoima

•U atomu ne mogu postojati dva elektrona iste vrijednosti sva četiri kvantna broja- Paulijev princip zabrane.

•Maksimalan broj elektrona jedne ljuske: 2n2

•Nižu energiju ima orbitala čiji je zbir n+l manji.

4s 4+0 = 4

3d 3+2 = 5

•Ukoliko je zbir n+l za dvije orbitale isti, manju energiju ima orbitala čija je n vrijednost niža.