Stavba atomů a molekul

V prezentaci jsou použity obrázky z řady zdrojů, které nejsou důsledně citovány, tímto se všem dotčeným omlouvám.

Michal Otyepka

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  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

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

rentgenovo záření 1016 - 1019 Hz 10 - 0,1 nm X-Raysultrafialové záření 1014 - 1016 Hz 400 - 10 nm Ultra Violet (UV)

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

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

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

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

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

Atom se při absorbci fotonu excituje

základní stav

světlo (energie)

Excitace

excitovaný stav vzbuzený stav S1

Ener

gie

S0

E(S1 )−E(S0 ) = ΔE = E(γ ) = hν

H více přechodů – více stavů

Emisní a absorpční spektrum

Spektrum atomu vodíku

Ener

gy

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