budowa atomu - Wydział Chemii

BUDOWA ATOMU
Egipt, Asyria
→ miedź, brąz, żelazo, szkło, ceramika, barwienie tkanin
starożytna Grecja
Tales z Miletu (VII wiek p.n.e.) → pramaterią jest woda
Heraklit (V wiek p.n.e.)
→ pramateria to ogień
Empedokles (490-430 p.n.e.)
→ cztery elementy: ziemia, powietrze, woda, ogień
Demokryt (460-371 p.n.e.)
→ atomistyczna struktura materii
Arystoteles (384-322 p.n.e.)
→ poglądy Empedoklesa + właściwości materii
(ciepło, zimno, suchość, wilgotność)
Egipt – Aleksandria
→ akademia i biblioteka - do 47 r. n.e.
Arabowie
→ w Egipcie (VII w.), w Hiszpanii (VIII w.)
alchemia → kamień filozoficzny
Avicenna (980-1037)
Paracelsus (1493-1541)
Albertus Magnus (1193-1280)
Michał Sędziwój (1556-1636)
Robert Boyle (1627-1691) → pierwiastek chemiczny
M. Łomonosow (1711-1765) i A. Lavoisier (1743-1794)
John Dalton (1766-1844) → wskrzesił demokrytejski termin atomos
A. Avogadro (1776-1856), M. Faraday (1791-1867), D. Mendelejew (1834-1907),
M. Curie-Skłodowska (1867-1934), E. Rutherford (1871-1937), ... ... ... ???
dr Henryk Myszka - Uniwersytet Gdański - Wydział Chemii
Pierwiastki chemiczne
p.n.e.
do XVII w.
XVIII w.
Sb Sn Zn Pb Hg S Ag C Au Fe Cu
As (1250 r.)
P (1669 r.)
N Cl Cr Co Y Mn Mo
Ni Pt Te O U H W
XIX w. (m.in.) Na Ca Al Si F Cs Ba B Bi I
Ra Po Ac ...
XX w.
At Eu Fr Hf Lu Re Tc
transuranowce
XXI w.
Berkeley
Darmstadt
Dubna
???
(11)*
(2)
(14)
(58)
( ? ... )
(USA)
(Niemcy)
(Rosja)
* w zależności od źródła literaturowego podane wartości mogą się różnić
(IUPAC) 104
105
106
107
108
rutherfordium
dubnium
seaborgium
bohrium
hassium
Rf
Db
Sg
Bh
Hs
109
110
111
112
meitnerium
darmstadtium
roentgenium
copernicium
Mt
Ds
Rg
Cn
…
dr Henryk Myszka - Uniwersytet Gdański - Wydział Chemii
→
M. Łomonosow (1760 r.)
→
A. Lavoisier (1785 r.)
Suma mas substratów reakcji chemicznej
jest równa sumie mas produktów tej reakcji
Prawo zachowania masy
Prawo zachowania materii (prawo zachowania masy i energii)
Każdej reakcji chemicznej towarzyszy efekt energetyczny,
Który powoduje pewne zmiany masy reagującego układu
zgodnie z podaną przez Einsteina (1905 r.) zależnością
między energią E a masą m:
E = m · c2
c = 3 · 108 m/s
W układach izolowanych suma masy i energii
jest wielkością stałą: Σ(m + E/c2) = const
Prawo stosunków stałych
→
Albert Einstein
(1879-1955)
Nagroda Nobla w 1921 r.
J.L. Proust (1799 r.)
W określonym związku chemicznym pierwiastki są połączone zawsze w tym samym
stosunku wagowym (niezależnie od pochodzenia związku i metody jego otrzymania)
dr Henryk Myszka - Uniwersytet Gdański - Wydział Chemii
Prawo stosunków wielokrotnych
→
J. Dalton (1803 r.)
Jeżeli dwa pierwiastki tworzą więcej niż jeden związek chemiczny,
to ilości wagowe jednego z pierwiastków w tych związkach przypadające na tę samą ilość wagową drugiego, mają się do siebie jak
proste liczby całkowite
Np. azot tworzy pięć tlenków: N2O5, NO2, N2O3, NO, N2O
W każdym z nich na 28 części wagowych azotu przypada
odpowiednio: 80, 64, 48, 32 i 16 części wagowych tlenu.
Stosunek ilości wagowych tlenu przypadających na stałą ilość
wagową azotu (28 części wagowych) wynosi jak:
5 : 4 : 3 : 2 :1
W analogiczny sposób udowodnić słuszność powyższego prawa
na przykładzie tlenków manganu i germanu
(zad. 39 i 40 ze skryptu „Obliczenia z chemii ogólnej”
dr Henryk Myszka - Uniwersytet Gdański - Wydział Chemii
PRAWO OKRESOWOŚCI
(periodyczne powtarzanie się właściwości chemicznych i częściowo fizycznych)
Johann Wolfgang Döberainer (1780-1849) Ö triady (rok 1817)
[w szeregu trzech pierwiastków o podobnych właściwościach chemicznych
masa atomowa pierwiastka środkowego jest w przybliżeniu
średnią arytmetyczną mas atomowych dwóch pozostałych]
Ca
Sr
Ba
40,1
88,7
137,3
Cl
Br
I
35,5
81,2
126,9
John Alexander Newlands (1838-1898) Ö prawo oktaw (rok 1865)
[po uszeregowaniu pierwiastków według rosnących mas atomowych,
co ósmy z nich jest analogiem pierwszego]
np. właściwości Li, Na, K, ...
Uwaga ! Nie znano wówczas gazów szlachetnych,
które odkrył W. Ramsay w latach 1894-98.
dr Henryk Myszka - Uniwersytet Gdański - Wydział Chemii
Dmitrij Mendelejew (1834-1907) Ö układ okresowy
→ kryterium: masy atomowe,
(rok 1869)
→ grupy, okresy,
→ pozostawił w tablicy puste miejsca przewidując
dalsze odkrycia pierwiastków,
ekabor
Ø
skand (1879 r.)
ekaglin
Ø
gal (1875 r.)
ekakrzem
Ø
german (1886 r.)
Tablica ułożona przez D. Mendelejewa (63 pierwiastki)
(Tablica Mendelejewa jest wciąż uzupełniana)
dr Henryk Myszka - Uniwersytet Gdański - Wydział Chemii
BADANIA NAD BUDOWĄ ATOMU
ELEKTRON
odkryty przez J.J. Thomsona w 1897 r.
anoda
pole elektryczne
lub magnetyczne
katoda
Joseph John Thomson
(1856-1940)
Nagroda Nobla w 1906 r.
Doświadczenie Thomsona
/odchylenie promieni katodowych /
Model atomu Thomsona
ład. elektryczny -1
me = 9,11· 10-31 kg
e = 1,6 · 10-19 C
dr Henryk Myszka - Uniwersytet Gdański - Wydział Chemii
ekran
fluoryzujący
ZJAWISKO PROMIENIOTWÓRCZOŚCI
Henri Antoine Becquerel (1852-1908) odkrył w 1896 r.
zjawisko promieniotwórczości rudy uranowej.
Nagroda Nobla w 1903 r.
Maria Skłodowska-Curie (1867-1934)
Nagroda Nobla w 1903 r. i 1911 r.
Pierre Curie (1859-1906)
Nagroda Nobla w 1903 r.
izolują z rudy uranowej w 1898 r.
RAD i POLON
Oba te pierwiastki wysyłają promieniowanie, które w polu magnetycznym
lub elektrycznym ulega rozszczepieniu na trzy różne promieniowania
składowe oznaczone α, β i γ.
dr Henryk Myszka - Uniwersytet Gdański - Wydział Chemii
promieniowanie α składa się z cząstek materialnych oznaczonych
symbolem α, a więc jąder helu; zasięg jego działania jest niewielki;
w polu elektrycznym oraz magnetycznym ulega odchyleniu w kierunku bieguna ujemnego.
promieniowanie β składa się z elektronów wyrzucanych z jądra
z dużymi (choć niejednakowymi) prędkościami; jego zasięg jest
większy niż promieniowania α; cząstki te niosą ładunek ujemny,
zatem w polu elektrycznym oraz magnetycznym odchylają się
przeciwnie aniżeli cząstki α,
promieniowanie γ jest to promieniowanie elektromagnetyczne
o bardzo małej długości fali; towarzyszy promieniowaniu α i β;
nie ulega odchyleniu w polu elektrycznym ani magnetycznym.
Promieniowanie
Masa
Ładunek elektryczny
α
4
+2
β
me
-1
γ
0
0
dr Henryk Myszka - Uniwersytet Gdański - Wydział Chemii
JĄDRO ATOMOWE
210
84 Po
→
206
82 Pb
+ 42 He
cząstka α
folia metalowa
ekran
Ernst Rutherford
(1871-1937)
Nagroda Nobla w 1908 r.
źródło cząstek α
Schemat doświadczenia Rutherforda (1911 r.)
Jądro atomowe - dodatnio naładowana centralna część atomu,
w której skupiona jest główna
część masy atomu.
dr Henryk Myszka - Uniwersytet Gdański - Wydział Chemii
• w 1913 r. van der Broek ustala, iż liczba dodatnich ładunków
elektrycznych skupionych w jądrze atomowych równa jest liczbie
atomowej pierwiastka;
• w 1919 r. E. Rutherford przeprowadza pierwszą sztuczną przemianę
promieniotwórczą;
14
7N
+ 42 He →
α
17
8O
+ 11p
proton
• Henry Moseley (1887-1915) prowadził równolegle prace dotyczące
charakterystyki jądra atomowego,
ustala też znaczenie liczby atomowej pierwiastka, wielkości bardziej
dla niego istotnej niż masa atomowa i tym samym potwierdza
słuszność kolejności: K, Ar; Co, Ni i Te, I;
liczba atomowa, czyli liczba protonów w jądrze, która dla obojętnego
atomu jest równa liczbie elektronów)
dr Henryk Myszka - Uniwersytet Gdański - Wydział Chemii
W 1930 r. niemieccy uczeni odkryli przenikliwe promieniowanie wysyłane
przez beryl pod działaniem cząstek α.
W 1932 r. angielski uczony, J. Chadwick, zinterpretował
w sposób właściwy to doniesienie stwierdzając, że nowe
cząstki o wielkiej zdolności do przenikania przez materię
to pozbawione ładunku elektrycznego promieniowanie
neutronowe.
9
4 Be
James Chadwick
(1891-1974)
Nagroda Nobla w 1935 r.
+ 42 He →
α
proton
ład. elektryczny +1
mp = 1,67 · 10-27 kg
12
6C
+ 01n
neutron
neutron
ład. elektryczny 0
mn = 1,67 · 10-27 kg
Nukleony - wspólne określenie protonu i neutronu, a więc
cząstek będących składnikami jądra atomowego.
dr Henryk Myszka - Uniwersytet Gdański - Wydział Chemii
ATOM, JĄDRO ATOMOWE, ICH ROZMIARY
→ siły jądrowe,
→ energia wiązania jądra,
A
Z
E
A - liczba masowa
Z - liczba atomowa
A − Z ∈ ⟨1; 1,6)
Z
energii wiązania odpowiada pewna masa (tzw. defekt masy), która jest
wypromieniowana przy tworzeniu się jądra z cząstek elementarnych;
za względnie trwałe uważa się jądra, w których:
Defekt masy - różnica między sumą mas cząstek elementarnych,
a nieco mniejszą masą powstającego z nich jądra.
np. dla atomu berylu:
M = 9,0122;
to Δm = 0,041 g = 4,1 · 10-5 kg
promień atomu (rat.):
promień jądra atomowego (rj):
r j = re ⋅ 3 A
np. dla
więc
12 C
6
gdzie
rat.= 0,77 · 10-10 m
rj = 3,23 · 10-15 m
atom = 4e + 4p + 5n
więc
E = m · c2 = 3,7 · 1012 J
~ 10-10 m
~ 10-14 ÷10-15 m
re = 1,41 · 10-15 m (promień elektronu)
rat.
≈ 24 000
rj
dr Henryk Myszka - Uniwersytet Gdański - Wydział Chemii
IZOTOPY
H.N. McCoy & W.H. Ross (1907 r.)
1H
2H
3H
99,98% (prot)
0,015% (deuter)
elem. (tryt)
A
Z
16O
17O
18O
A - liczba masowa
Z - liczba atomowa
99,76%
0,04%
0,2%
E
• izotopy trwałe, np. 12C, 13C, 14N, 16O, ...
27Al, 19F, 31P, 59Co
23Na, 197Au, 127I,
izotopy trwałe, po 100%
w przyrodzie (21 pierwiastków)
...
• naturalne izotopy promieniotwórcze, np.
3H
t1/2 = 12,46 lat
14C
t1/2 = 5725 lat
235U
t1/2 = 8,62 · 108 lat
czas połowicznej przemiany (t1/2), tj. okres połowicznego rozpadu, okres półtrwania, to
okres czasu, w którym połowa liczby atomów ulega przemianie (aktywność preparatu
promieniotwórczego zawierającego izotop promieniotwórczy zmniejsza się do połowy).
Izotopy - atomy tego samego pierwiastka różniące się liczbą neutronów w jądrze atomowym.
Izobary - atomy różnych pierwiastków o tej samej liczbie masowej.
Nuklid - jądro atomowe o określonej wartości liczby atomowej i liczby masowej.
Nuklidy - atomy poszczególnych izotopów.
Pierwiastek chemiczny - zbiór atomów posiadających jednakową liczbę protonów w jądrze.
dr Henryk Myszka - Uniwersytet Gdański - Wydział Chemii
γ
β
+
ROZPAD PROMIENIOTWÓRCZY
α
-
rozpad (przemiana) α - polega na wyrzuceniu z jądra
cząstki α
AE
Z 1
→
A-4 E
Z-2 2
+ 42 α
226 Ra
88
→
222 Rn
86
+ 42 α
rozpad (przemiana) β - w tym procesie wyrzucany
jest elektron, który powstał wskutek
przemiany neutronu w proton
AE
Z 1
→
AE
Z+1 2
+ e
214 Pb
82
→
214 Bi
83
+ e
1n → 1p + e + ν
0
1
promieniowanie γ - jądro przechodzi ze stanu wzbudzonego w stan
o niższej energii i nie zmienia się przy tym
liczba masowa, ani liczba porządkowa
dr Henryk Myszka - Uniwersytet Gdański - Wydział Chemii
Mapa świata pierwiastków
dr Henryk Myszka - Uniwersytet Gdański - Wydział Chemii
Synchrotron w Grenoble
Akcelerator liniowy w Darmstadt
dr Henryk Myszka - Uniwersytet Gdański - Wydział Chemii
W 1999 r. w laboratorium w Berkeley otrzymano prawdopodobnie trzy
atomy pierwiastka 118, w wyniku fuzji izotopów ołowiu i kryptonu.
Jednak nigdy nie udało się powtórzyć tego eksperymentu.
Od strony teoretycznej ten eksperyment zaplanował
Robert Smolańczuk
z Instytutu Problemów Jądrowych im. Andrzeja Sołtana w Świerku.
208
82
Pb +
86
36
Kr →
293
118
Uuo + 01n
dr Henryk Myszka - Uniwersytet Gdański - Wydział Chemii
L. Lederman, D. Teresi – „Boska cząstka”
„Za pomocą dwunastu cząstek materii możemy zbudować
wszystko, cokolwiek istniało lub istnieje we Wszechświecie.”
Dwie rodziny: 6 kwarków i 6 leptonów.
Leon M. Lederman
ur. w 1922 r.
Nagroda Nobla
w 1988 r.
Proton składa się z trzech kwarków: uud a neutron także z trzech: udd
„Żaden kwark w cząstce wielokwarkowej nie znajduje się w stanie
bezruchu wobec pozostałych. Krążą one wokół wspólnego środka mas.”
dr Henryk Myszka - Uniwersytet Gdański - Wydział Chemii
WAŻNIEJSZE CZĄSTKI ELEMENTARNE
Nazwa
Ładunek
t1/2 (s)
γ
e–
μ–
0
-1
-1
∞
∞
2,2 · 10–6
νe
0
∞
Piony
π0
π– (π+)
0
-1 (+1)
8,4 · 10–17
2,6 · 10–8
Kaony
K+
K0
+1
0
1,2 · 10–8
5,2 · 10–8
Proton
Neutron
p
n
+1
0
∞
889
Hiperony
sigma
Σ+
Σ0
Σ¯
+1
0
-1
7,99 · 10–11
7,4 · 10–20
1,5 · 10–10
Foton
Elektron
Mion
Neutrino
elektronowe
Leptony
H
a
d
r
o
n
y
Symbol
Mezony
Bariony
dr Henryk Myszka - Uniwersytet Gdański - Wydział Chemii
MASA ATOMOWA
wzorce
J. Dalton → wodór
J.J. Berzelius → tlen
Jöns Jackob Berzelius
(1779-1848)
John Dalton (1766-1844)
od 1961 r. skala oparta na węglu 12C {12C 98,89%; 13C 1,11%}
12
6
C
atom = 6n + 6p + 6e
Jednostka masy atomowej jest to 1/12 masy atomu węgla 12C
j.m.a. = 1 dalton = 1 u = 1,6605 · 10-24 g
Bezwzględna masa atomu 12C (wyznaczona eksperymentalnie) wynosi 1,9924 · 10-23 g
Względną masę atomową pierwiastka obliczyć można dzieląc masę atomu
wyrażoną w gramach (tzw. bezwzględną masę atomową) przez liczbę
1,6605 · 10-24 g, tj. masę 1 u
Masa atomowa:
Względna masa atomowa jest to liczba określająca ile razy masa atomu
danego pierwiastka jest większa od 1/12 masy atomu izotopu węgla 12C
dr Henryk Myszka - Uniwersytet Gdański - Wydział Chemii
DWOISTA NATURA ŚWIATŁA I ELEKTRONÓW
XVII/XVIII w. I. Newton
~ 1870 r. J.C. Maxwell
1873-88 H. Hertz
- teoria korpuskularna światła
- przewidział powstawanie fal elektromagnetycznych
rozchodzących się z prędkością światła (c = 3 · 108 m/s);
- potwierdził eksperymentalnie wszystkie przewidywania
płynące z teorii Maxwella;
światło widzialne stanowi jeden z rodzajów
promieniowania elektromagnetycznego
Promieniowanie elektromagnetyczne - fala elektromagnetyczna składająca się z
wzajemnie prostopadłych składowych: elektrycznej E i magnetycznej H; oscylują
one w kierunkach prostopadłych do kierunku rozchodzenia się fali.
„Składowa E”
„Składowa H”
„Fala elektromagnetyczna”
dr Henryk Myszka - Uniwersytet Gdański - Wydział Chemii
ν=
prom. γ
c
λ
ν - częstość promieniowania; c = 3 · 108 m/s; λ - długość fali
prom. X
UV
VIS
← ← ← ← ← ←
Zakres
Promieniowanie γ
Promieniowanie X
Nadfiolet (UV)
Światło widzialne (VIS)
Podczerwień (IR)
Mikrofale
Fale radiowe
ν
λ
IR
mikrofale
fale radiowe
→ → → → → →
λ
< 10 pm
10 pm ÷ 10 nm
10 ÷ 400 nm
400 ÷ 800 nm
800 nm ÷ 1 mm
1 mm ÷ 30 cm
30 cm ÷ 30 km
W 1900 r. Max Planck stwierdził, że światło jest emitowane
i pochłaniane przez ciało doskonale czarne nie w sposób ciągły,
lecz porcjami, które nazwał kwantami energii.
E=h·ν
Max Planck (1858-1947)
Nagroda Nobla w 1918 r.
h - stała Plancka; h = 6,6261 · 10-34 J·s
ν - częstość drgań promieniowania padającego
dr Henryk Myszka - Uniwersytet Gdański - Wydział Chemii
EFEKT FOTOELEKTRYCZNY
/w 1888 r. odkrył go Hallwachs, a w 1902 r. Lenard
podał podstawowe prawa dotyczące tego zjawiska/
zjawisko to polega na emitowaniu elektronów przez
powierzchnię metalu, na którą pada promieniowanie UV
Philipp von Lenard
1/ liczba emitowanych elektronów jest proporcjonalna
do natężenia padającego promieniowania;
(1862-1947)
Nagroda Nobla w 1905 r.
2/ energia kinetyczna elektronów rośnie wraz
z częstością ν padającego promieniowania;
3/ dla każdego metalu istnieje
tzw. częstość charakterystyczna νo
taka, że promieniowanie o częstości
niższej niż νo nie wywołuje
emisji elektronów.
dr Henryk Myszka - Uniwersytet Gdański - Wydział Chemii
równanie fal de Broglie’a
/1924 r./
cząstce o masie m i energii E = m · c2 poruszającej się
z prędkością v przypisuje się falę, zwaną falą de Broglie’a,
której długość jest równa:
Louis V. de Broglie
(1892-1987)
Nagroda Nobla w 1929 r.
λ=
h
h
=
m⋅v p
/równanie fal/
zasada nieoznaczoności
/Heisenberg - 1927 r./
Werner K. Heisenberg
(1901-1976)
Nagroda Nobla w 1932 r.
uczy nas, że w przypadku cząstek elementarnych,
np. elektronów, neutronów, protonów, fotonów itp.
niemożliwe jest równoczesne oznaczenie
położenia cząstki i jej pędu
Δp ⋅ Δx ≥
h
4π
dr Henryk Myszka - Uniwersytet Gdański - Wydział Chemii