Stavba atomů a molekul

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  l  l  l  l  l 

struktura mikrosvěta elementární částice atomy molekuly mezimolekulové interakce struktura biomakromolekul

Hmota l  l 

? Látka –  – 

l 

z částic s nenulovou klidovou hmotností atomy, molekuly, ionty

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) –  – 

l 

oheň, vzduch, voda, země základy Alchymie

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  l  l  l  l 

diskrétní hladiny některých dynamických veličin dualismus vln a částic nekomutativnost aktu měření relace neurčitosti nedeterminismus kvantové teorie

Než začneme l 

frekvence (Hz) rychlost

vlnění

λν = u

λ

vlnová délka

l 

elektromagnetické vlnění

1 ~ ν =

λ

vlnočet

λν = c 8

c = 2.9979.10 m.s

−1

c

E = hν = h

λ

h = 6,6256.10-34 J.s český název

frekvence

vlnová délka

gama záření

10

19

- 10

24

Hz 10

rentgenovo záření

10

16

- 10

19

Hz

ultrafialové záření

10

14

- 10

16

Hz 400 - 10 nm

Hz

400 -900 nm

viditelné záření infračervené záření mikrovlny mikrovlny ultra krátké vlny (UKV) velmi krátké vlny (VKV) krátké vlny (KV) střední vlny (SV) dlouhé vlny (DV)

14

10 10

-10

- 10

-14

m

10 - 0,1 nm

anglické označení Gamma Rays X-Rays Ultra Violet (UV) Visible (VIS)

14

10 - 10 Hz 1 mm - 1 mm Infra Red (IR) 30 - 300 GHz 10 - 1 mm Extremely High Frequency (EHF) 3 - 30 GHz 100 - 10 mm Super High Frequency (SHF) 0,3 - 3 GHz 1 - 0,1 m Ultra High Frequency (UHF) 30 - 300 MHz 10 - 1 m Very High Frequency (VHF) 3 - 30 MHz 100 - 10 m High Frequency (HF) 0,3 - 3 MHz 1 - 0,1 km Medium Frequency (MF) 30 - 300 kHz 10 - 1 km Low Frequency (LF) 2

velmi dlouhé vlny

3 - 30 kHz

10 - 10 km

extrémně dlouhé vlny

0,3 - 3 kHz

10 - 10 km Extremely Low Frequency (ELF)

3

2

Very Low Frequency (VLF)

Než začneme l 

energie – J, eV, kcal/mol, Rydberg – 

l 

1 eV = 1.6·10-19 J, 1 cal = 4.184 J, 1 Ry = 13.605 eV

délka – Angström – 1 Å = 10-10 m (zakázaná SI) předpony SI 10–3 mili – m 10–6 mikro – µ 10–9 nano – n 10–12 piko – p 10–15 10–18

femto – f atto – a

103 106 109 1012

kilo – k mega – M giga - G tera - T

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 

l  l 

H. Yukawa – pion

l 

P. Dirac – predikce antičástice, pozitron Anderson - 1932

l 

M. Gell-Mann – kvarky

l 

W. Pauli – neutrino E. Fermi - 1934

„Chemické“ elementární částice

Elektron - e– l 

l 

e

náboj –1.602177.10 –19 C – 

l 

0 −1

považuje se za elementární náboj, značí se e

hmotnost me = 9.10939.10 –31 kg ... lepton spinové kvantové číslo „spin“ ½ ... fermion – 

spin, vnitřní moment hybnosti

Proton - p+ l  l 

l 

p

náboj +1.602177.10 –19 C hmotnost mp = 1.67262.10 –27 kg ... baryon, hadron – 

l 

1 1

mp = 1836 me

spinové kvantové číslo „spin“ ½ ... fermion tvoří jej tři kvarky – up, up, down

Neutron - n l  l 

l  l 

n

náboj = 0 C hmotnost mn = 1.67493.10 –27 kg ... baryon, hadron – 

l 

1 0

mn = 1839 me

spinové kvantové číslo „spin“ ½ ... fermion tvoří jej tři kvarky – up, down, down volný neutron se rozpadá (poločas 15.2 min) na proton, elektron a elektronové neutrino

„Three quarks for muster Mark“ J. Joyce Finnegan’s Wake (1963)

Co ty kvarky?

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  l  l 

12 částic tvořících hmotu 12 antičástic vzájemné působení polními částicemi

12 částic hmoty

Co to všechno drží pohromadě?

silové interakce

Stavba atomů

Stavba atomů - SŠ l 

atomové jádro – protony, neutrony –  –  –  –  – 

l 

průměr ~10 –15 m Z, protonové číslo = počet protonů N, neutronové číslo = počet neutronů A, nukleonové číslo = Z+N jaderný spin

elektronový obal – 

průměr ~10 –10 m

4 2

He

Hmotnost v mikrosvětě l  l  l  l 

g nejsou praktické atomová hmotnostní jednotka mu 1 m(12C) = 1.661.10 – 24 g mu = ⎯ 6 12 relativní hmotnost Mr = m/mu

l 

látkové množství n = 1 mol 12 1 mol počet atomů v 12g ( 6C) = 6.022.1023 mol-1

l 

Avogadrovo číslo NA, n = N/NA

l 

molární hmotnost M = Mr*mu*NA = Mr (g)

l 

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  l  l  l  l 

izotop – stejné protonové číslo, různý počet neutronů – H, D, T nebo 35Cl, 37Cl ... nuklid – prvek mající čisté izotopové složení Cl (75,4% 35Cl, 24,6% 37Cl) jádro – stabilní nebo přirozená radioaktivita 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

excitovaný stav vzbuzený stav

S1

Excitace

Energie

Atom se při absorbci fotonu excituje

E(S1 ) − E(S0 ) = ΔE = E(γ ) = hν H více přechodů – více stavů

S0

světlo (energie) základní stav

Emisní a absorpční spektrum

Spektrum atomu vodíku hrana série ⎛ 1 1 ⎞ ~ ν = = R⎜⎜ 2 − 2 ⎟⎟ λ ⎝ n j ni ⎠ 1

3

Energy

Rydbergova konstanta

R(0.75)

6 5 4

2 R(0.14) Ultra Violet Lyman

Visible Balmer

R(0.97)

R(0.22) Infrared Paschen

1

n

R = 109 677.581 cm-1

Ionizační energie energie potřebná na odstranění elektronu ze základního stavu atomu (přenesení do nekonečné vzdálenosti)

⎛ 1 1 ⎞ ~ E = hcν = hcR⎜ 2 − 2 ⎟ = hcR ⎜ 1 ∞ ⎟ ⎝ ⎠

∞

Energy

l 

3 2 1

n

Ionizační energie – určení ze spektra l 

linie H: 82 259; 97 492; 102 824; 105 292; EI R 106 632; 107 440 cm-1 ~ ν = − 2 hc

110000

ν~(cm −1 )

EI = hcν~ EI = 2.179 ⋅10 −18 J = 13.6 eV

n

y = -109679x + 109679

105000 100000 95000 90000 85000 80000 0

0.05

0.1

1 n2

0.15

0.2

0.25

Bohrův model - 1913 l  l 

„zlepšil“ planetární model jen některé hladiny okolo jádra jsou povolené – 

l  l 

elektron na nich nezáří

elektron může přeskočit na jinou hladinu za současného vyzáření (absorpce) kvanta energie kvantování tak vstupuje jako dodatečná podmínka

Bohrův model l  l 

revoluce v nazírání na hmotu měl řadu much –  – 

l 

kvantováním řešil kolaps z pohledu klasické fyziky platil dobře jen pro vodíku podobné atomy

otevřel cestu pro vybudování plně kvantově mechanického modelu atomu