Struktura atomu Proč je to důležité? „Konečný výklad všech chemických jevů Musí být založen na struktuře atomů.“ Cotton A., Wilkinson G.
Atomisté – Demokritos 460 před n.l. Atomy – nedělitelné částečky hmoty, obsahující háčky a důlky spojující se do větších konglomerátů čímž vytváří pro nás pozorovatelnou hmotu. Atomy jsou různě velké, těžké a pohyblivé
Elementární částice do roku 1932 byly známy jen: • elektron (Thomson – 1897), katodová částice, pozn. světélkování(fluorescence), „mlýnek“
• proton (Rutheford - 1918), protos = první pozn. mlžná komora dvě stopy, těžká a lehká částice
• neutron (Chadwick - 1932)
147N 178O 11p
4 2
49Be 126C 01n
4 2
Planetární model atomu E. Rutherford
atom Li
e- - pohyb po kružnicích - ztráta energie e- = zánik atomu dopadem e- na jádro
protonové číslo – Z neutronové číslo – N nukleonové (hmotnostní) číslo A A= Z+N Zápis
A Z X
prvek – látka složená z atomů o stejném Z nuklid – látka složená z atomů o stejném Z i N izotopy – nuklidy se stejným Z, ale různým N – 16O, 17O a18O
10-15 m 10-10 m hmotnost jádra - tvoří více než 99% hmotnosti atomu
Radioaktivita • objevena 1986 Becquerel, dále jí studovali 1898 Curie & Sklodowská • přirozená – u nestabilních v přírodě se nalézajících nuklidů • umělá – u uměle připravených nuklidů
Radioaktivní rozpady rozpad α
A Z
X
n 11p
rozpad β-
1 0
rozpad β+
1 1
rozpad γ
Z 24
A 4 Z 2
0 1
e
p 01n 10e
U
238 92
Th
234 90
Th 24He
234 90
Pa 10e
234 91
C 115B
11 6
0 1
e
Rozpadové řady • • • •
Uranová Aktinuranová Thoriová Neptuniová - (umělá)
206Pb 235U 207Pb 232Th 208Pb 241Pu 209Bi 238U
Využití radionuklidů a radioaktivity • radiouhlíková metoda určování stáří • neutronová aktivační analýza • ozařování - léčba nádorů, - konzervace potravin • diagnostika – PET, CT • energetika
Kvantově mechanický model atomu N. Bohr
-
kvantově mechanický model nespojitá změna energie po kvantech e- nevyzařují energii W. Heisenberg
- princip neurčitosti nelze spočítat (se stejnou přesností) dráhu a rychlost elektronů - čili polohu a energii
L. Broglie - dualistický charakter e(tj. částice a vlnění)
E. Schrödinger - matematický model pro atom vodíku Schrödingerova rovnice = soubor vlnových funkcí (orbitalů) => tvar, energie orbitalů
orbital = místo v okolí jádra s alespoň 95% pravděpodobností výskytu e-
Kvantová čísla jednoznačně popisují stav e- v atomu hodnoty plynou ze Schrödingerovy rovnice existují celkem 4: n, l, m, s
Hlavní kvantové číslo n - udává energii a vzdálenost e- (orbitalu) od jádra - hodnoty 1, 2, 3 …..(přirozená čísla) - pro dosud známé prvky n = 1-7 n 1
vrstva
K
2
3
4
5
6
7
L
M
N
O
P
Q
Vedlejší kvantové číslo
l udává energii e a typ orbitalu hodnoty 0,….., n-1 pro dosud známé prvky l = 0 - 3
l
typ orbitalu
0
s
1
p
2
d
3
f
s
px
py
pz
tvary orbitalů d
d x2 y2
d xy
d z2
d xz
d yz
tvary orbitalů f
Magnetické kvantové číslo • • • •
•
m udává orientaci orbitalů v prostoru hodnoty –l,…,+l počet hodnot pro dané l …2l+1 udává počet orbitalů daného typu (l) v dané vrstvě (n): s…1 p…3 d…5 f…7 degenerované orbitaly – stejná energie (tj. hodnota n, l) a různá hodnota m
Spinové kvantové číslo • • • •
s udává spin e hodnoty +1/2, -1/2 e se stejnou hodnotou n, l, m se liší spinem
Výstavba elektronového obalu Výstavbový princip • orbitaly jsou zaplňovány v pořadí rostoucí energie Pauliho princip výlučnosti • v atomu neexistují dva elektrony, jejichž všechna kvantová čísla jsou shodná Hundovo pravidlo • maximální multiplicita
E
+ 1s21 2O: N: Be: LiLi: B: He: C: H: 0 : 2 2s2120 2p32164 Ne:
energie orbitalů 1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p 5s 4d 5p 6s 4f 5d 6p 7s 5f 6d 7p
Periodický zákon D. I. Mendělejev: Vlastnosti prvků jsou periodickou funkcí jejich atomové hmotnosti. Neplatí pro: Ar,K; Co, Ni; Te, I
Chemické vlastnosti prvků jsou periodickou funkcí jejich protonového čísla. Periodická soustava prvků periody 1-7 skupiny hlavní I.A – VIII.A – nepřechodné prvky vedlejší I.B – VIII.B – přechodné prvky alkalické kovy, kovy alkalických zemin, chalkogeny, halogeny, vzácné plyny
Periodicky měnící se vlastnosti: Oxidační čísla, atomový poloměr, inizační energie, elektronová afinita, elektronegativita, polarizovatelnost, kovové nekovové vlastnosti
ionizační energie elektronová afinita
elektronegativita
závislost velikosti atomů na Z elektronová konfigurace v podskupinách a periodách
velikost atomu
tvorba elektronového oktetu
Druhy vazby
• Iontová • Kovalentní
– polární – nepolární
• Kovová vazby
Mřížka kationtů kovu
• Mezimolekulární interakce
delokalizované elektrony
struktura ledu
pentamer H2O
Iontová vazba • vysoký rozdíl elektronegativit kationtu a aniontu (>1,7) • elektrostatické přitahování mezi ionty • nesměrová vazba • pevné krystalické látky – vysoké teploty tání (tt NaCl = 801 oC), křehké
• rozpustné v polárních rozpouštědlech (voda) - solvatace • disociace příklady: NaCl, CaF2, NaNO3, CuSO4.5H2O
Kovalentní vazba • sdílení elektronového páru • jednoduchá vazba σ • násobná vazba π
délka, pm
energie, kJ.mol-1
C-C
154
348
C=C
137
607
C≡C
120
833
vazba s a vazba p
p vazba v ethenu CH2=CH2
s vazba v ethenu CH2=CH2
http://www.mhhe.com/physsci/chemistry/a nimations/chang_7e_esp/bom5s2_6.swf
trojná vazba v molekule ethynu CH CH
1x s + 2x p
Nepolární • malý rozdíl elektronegativit <0,4 • izolované molekuly: H2, O2, CO, CH4 • směrová vazba • molekuly nedisociují • nerozpustné v polárních rozpouštědlech • tvary molekul
Polární vazba • rozdíl elektronegativit 0,4-1,7 • molekula tvoří dipól • příklady HCl, HF, H2O, NH3 • rozpustné v polárních rozpouštědlech • mezimolekulární interakce
Mezimolekulární interakce • Van der Waalsovy síly • vodíková vazba (můstky) vazebná E ~ 20kJ/mol
Kovová vazba
• velká elektrická a tepelná vodivost • tažnost • kujnost
