1 Stavba atomů a molekul Úvod 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 struktura mikrosvěta elementární částice atomy molekuly mezimolekulové interakce struktura biomakromolekul Hmota ? Látka – z částic s nenulovou klidovou hmotností – atomy, molekuly, ionty Pole – bude diskutováno dále Skupenství hmoty pevné, kapalné, plynné plazma, kvark-gluonové plazma (kvagma), Bose-Einsteinův kondenzát ionizace deionizace
7
Embed
stavba atomů a molekul - fch.upol.czfch.upol.cz/skripta/sam/1.pdf · Stavba atomů a molekul Úvod ! cíle – seznámit studenty s moderními představami a fakty o struktuře a
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
1
Stavba atomů a molekul 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
2
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
l vlnění
l elektromagnetické vlnění
u=λνvlnová délka
frekvence (Hz)
rychlost
c=λνλ
ν1~ =
vlnočet
18 m.s 10.9979.2 −=c
λ
λν
chhE ==
h = 6,6256.10-34 J.s
český název frekvence vlnová délka anglické označenígama záření 1019 - 1024 Hz 10-10 - 10-14 m Gamma Rays
viditelné záření 1014 Hz 400 -900 nm Visible (VIS)infračervené záření 1010 - 1014 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 102 - 10 km Very Low Frequency (VLF)
extrémně dlouhé vlny 0,3 - 3 kHz 103 - 102 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)
10–3 mili – m 103 kilo – k 10–6 mikro – µ 106 mega – M 10–9 nano – n 109 giga - G 10–12 piko – p 1012 tera - T 10–15 femto – f 10–18 atto – a
předpony SI
Elementární částice
3
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–
l náboj –1.602177.10 –19 C – považuje se za elementární náboj, značí se e
l hmotnost me = 9.10939.10 –31 kg ... lepton l spinové kvantové číslo „spin“ ½ ... fermion
– spin, vnitřní moment hybnosti
e0 1−
Proton - p+
l náboj +1.602177.10 –19 C l hmotnost mp = 1.67262.10 –27 kg ... baryon,
hadron – mp = 1836 me
l spinové kvantové číslo „spin“ ½ ... fermion l tvoří jej tři kvarky – up, up, down
p11 Neutron - n
l náboj = 0 C l hmotnost mn = 1.67493.10 –27 kg ... baryon,
hadron – mn = 1839 me
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
n10
4
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
5
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
l elektronový obal – průměr ~10 –10 m
He42
Hmotnost v mikrosvětě
l g nejsou praktické l atomová hmotnostní jednotka mu
l mu = ⎯ m( C) = 1.661.10 – 24 g
l relativní hmotnost Mr = m/mu
1 12
12 6
l látkové množství n = 1 mol l 1 mol počet atomů v 12g ( C) = 6.022.1023 mol-1
l Avogadrovo číslo NA, n = N/NA
l molární hmotnost M = Mr*mu*NA = Mr (g)
12 6
Schéma atomu - SŠ
jádro – centrum hmotnosti
elektronový obal
rozdíl 5 řádů
Schémata a představy atomů Jádro vs. obal
l Rutheford, Geiger, Marsden 1909
atomy obsahují kladné jádro < 10 fm
6
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 35Cl, 37Cl ...
l nuklid – prvek mající čisté izotopové složení l Cl (75,4% 35Cl, 24,6% 37Cl) 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 4He – β- emise elektronů – γ- emise fotonu
graf známých nuklidů, zelené – stabilní, béžové radioaktivní
Bi
Utváření představ o elektr. obalu
l excitované atomy emitují světlo jen o určitých vlnových délkách
H
Hg
Ne
Proč atom absorbuje
S0
Energie
základní stav
světlo (energie)
Excitace
S 1
excitovaný stav vzbuzený stav
Emisní a absorpční spektrum
7
Spektrum atomu vodíku En
ergy
Ultra Violet Lyman
Infrared Paschen
Visible Balmer
6 5
3 2
1
4
n
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛−== 22111~ij nn
Rλ
ν
Rydbergova konstanta R(0.14
)
R(0.22)
R(0.75) R(0.97)
hrana série
R = 109 677.581 cm-1
Ionizační energie
l energie potřebná na odstranění elektronu ze základního stavu atomu (přenesení do nekonečné vzdálenosti)
Ener
gy
∞
3 2
1
n
hcRhcRhcE =⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛
∞−== 221
11~ν
Ionizační energie – určení ze spektra
l linie H: 82 259; 97 492; 102 824; 105 292; 106 632; 107 440 cm-1
y = -109679x + 109679
80000 85000 90000 95000
100000 105000 110000
0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25
2~
nR
hcEI −=ν
)(~ 1−cmν
21n
ν~hcEI =eV 13.6 J 10179.2 18 =⋅= −
IE
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