Politechnika Łódzka, M. Główka
Transkrypt
Politechnika Łódzka, M. Główka
2014-11-16 2.1. Jądrowy model atomu 2. Budowa atomu Atomy składają się z dodatnio naładowanego jądra oraz otaczających je elektronów. Ładunek jądra pochodzi od dodatnio naładowanych protonów 2.1. Jądrowy model atomu a k W atomieliczba ładunków dodatnichjądra (protonów) jest równa liczbie ujemnie naładowanych elektronów. Ładunki elektronów i protonów są takie same co do wielkości w ó ł .G 2.2. Sfera elektronowa w atomach Doświadczenie Rutherforda (1911) wykazało, że jądro jest bardzo małe w stosunku do wielkości atomu 2.3. Liczby kwantowe i orbitale 2.4. Konfiguracje elektronowe Średnica atomu jest 10.000 razy większa niż jądra M , a k z d Jądro 10 -15 a atom 10 -10 m. Jądro jest jak piłka futbolowa a elektron jak pszczoła, krążąca w odległości2 km 2.1 o P e t li a k i n h c neutron nukleony Łó 2.2 http://wazniak.mimuw.edu.pl/index.php?title=PF_Modu%C5%82_18 2.1. Jądrowy model atomu A. Bielański „Podstawy chemii nieorganicznej” W jądrach wszystkich atomów, znajdują się protony i neutrony (A co z H) Te ostatnie „neutralizują” elektrostatyczne odpychanie między jednoimiennymi protonami w jądrach proton Dlatego im więcej protonów w jądrze, tym więcej potrzeba neutronów Model jądra atomowego Helu 2.3 1 2014-11-16 Siły jądrowe a defekt masy 2.1. Jądrowy model atomu A. Korczyński „Repetytorium z chemii ogólnej i nieorganicznej” masa elektronu - 0,0005486 j.m.a. masa protonu - 1,0072766 j.m.a. masa neutronu - 1,0086654 j.m.a. 1 unit (j.m.a.) = 1,6604 ∙ 10-24 g Np. 9 4 a k 4 x 1,0072764= 4,029106 5 x 1,0086650= 5,043325 4 x 0,0005486= 0,002194 9,074625 Tablicowa wartość masy atomowej 9,012180 0,062445 g w ó ł .G Be Masa trwałego jądra jest mniejsza od sumy mas tworzących je nukleonów Różnica nazywa siędefektem mas i jest równoważna energii sił spajających jądro, zwanej energią wiązania jądra M , a k z d (Równoważność masy i energii – zastosuj wzór Einsteina E=Δm • c 2) W 1 molu (9,01218 g) atomów berylu zmagazynowana jest energia odpowiadająca 0,06244 5 g masy wynosząca 5,6x1012 J/mol Trzeba spalić 160 ton wysokokalorycznego węgla Im więcej protonów w jądrze, tym więcej potrzebnych jest neutronów 2.4 a k i n Izotopy – odmiany pierwiastka różniące się masą atomową 235 238 92 U 92 U 10 11 5B 5B h c 16 17 18 8O 8O 8O 1 2 3 1H 1H ( D ) 1H ( T ) e t i l o P Łó 2.5 Skład izotopowy niektórych pierwiastków Liczba atomowa Symbol Masa atomowa 1 2 3 1 6 7 8 10 16 17 20 50 4 9 11 13 15 27 33 53 79 H C N O Ne S Cl Ca Sn Be F Na Al P Co As I Au 1,00797 12,00115 14,0067 15,9994 20,183 32,064 35,453 40,08 118,69 9,0122 18,9984 22,9898 26,9815 30,9738 58,9332 74,9216 126,9044 196,967 Liczby masowe izotopów (w nawiasach podano zawartość %) 4 1 (99,9855%) 2 (0,0145%) 12 (98,892%) 13 (1,108%) 14 (99.635%) 15 (0,365%) 16 (99,76%) 18 (0,20%) 17 (0,04%) 20 (90,92%) 22 (8,82%) 21 (0,26 %) 32 (95,06%) 34 (4,18%) 33 (0,74%) 36 (0,02%) 35 (75,4%) 37 (24,6%) 40 (96,92%) 44(2,13%) 42(0,64%) 48(0,18%) 120 (33%) 118(24%) 116(14%) 119(8%) 9 (100%) 19 (100%) 23 (100%) 27 (100%) 31 (100%) 59 (100%) 75 (100%) 127 (100%) 197 (100%) 2.6 2 2014-11-16 Trwałość nuklidów A. Korczyński „Repetytorium z chemii ogólnej i nieorganicznej” Z Liczba protonów A-Z Liczba neutronów Liczba trwałych nuklidów parzysta parzysta 163 parzysta nieparzysta w ó ł .G nieparzysta parzysta nieparzysta a k 56 nieparzysta 50 5 M , a k z d Liczby magiczne: 2, 8, 20, 50, 82 i 126 Liczby elektronów na poszczególnych powłokach 2, 8, 18, 36, 54 i 86 Powłokowa teoria budowy jądra 2.7 a k i n Rozpad jąder atomowych Gdy dla danego izotopu stosunek N/P znacząco odbiega od optymalnej wartości, następuje jego samorzutny rozpad na lżejsze izotopy, np. h c 235 U 36Kr 56Ba 92 e t i l o lub Łó Przykłady typowych przemian jądrowych (naturalnych) Emisja cząstki (Rozpad typu alfa) 238 92 U 54 Xe 38Sr Emisja cząstki Emisja cząstek (alfa) Emisja cząstek (beta) Emisja neutronu Emisja pozytonu (elektronu dodatniego) Wychwyt K P 234 4 90Th 2 He ( ) energia ( N / P 1,587 1,600) lub podlega przemianom stabilizującym jądro: a) b) c) d) e) ( 42 He) 14 6 C ( 01 e, ) 14 7 N 01e (elektron) + antyneutrino ( N / P 1,33 ( N / P 1, 42 1,00 ) Emisja neutronu (n) 87 36 Kr Większości powyższych przemian towarzyszy emisja promieniowania gamma 2.8 86 36 Kr 01n 1,39 ) 2.9 3 2014-11-16 Szeregi promieniotwórcze Naturalne są 3. Poniżej pokazany jest szereg uranowo -radowy, rozpoczynający Emisja pozytonu 19 10 Ne ( 01 e, ) się od 235 ( 238 92 U ) uranowo-aktynowy ( 92 U ) 19 9 F 10e neutrino ( N / P 0 ,9 w ó ł .G 1,1) Wychwyt (orbitalny) K 40 K 0 e 40 Ar neutrino 19 1 18 ( N / P 1,105 M , a k z d 1, 222 ) 2.10 a k i uranowo-torowy (232 92 U ) 2.13 A. Bielański „Podstawy chemii nieorganicznej” ó Ł a k i n Szybkość rozpadu, stała rozpadu, okres półtrwania i równowaga promieniotwórcza dN N dt ln N t const - stała rozpadu promieniotwórczego h c Jeśli występuje kolejno kilka reakcji rozpadu, następuje gromadzenie się półproduktów o największym okresie półtrwania, a taki układ osiąga stan równowagi promieniotwórczej , w której A. Bielański „Podstawy chemii nieorganicznej” ln N t No e t i l o N N o e t P 1 N1 2 N 2 3 N 3 ... N1 N N 22 33 ... 1 T1/ 2 T1/ 2 T1/ 2 Okres półtrwania 1 2 3 N1 : N 2 : N 3 : ... T1/ 2 : T1/ 2 : T1/ 2 : ... T1/2 dla N=1/2 No T1 / 2 ln 2 2.14 2.15 4 2014-11-16 Sztuczna promieniotwórczość Indukowane reakcje jądrowe Reakcje łańcuchowe O. Hahn i F. Strassmann (1939) Cząstki bombardujące elektron (-01 , e ) deuteron (12H , D ) proton (11H , P ) tryton (13H , T ) 1 0 12 6 neutron ( H , n) czastka 235 92 U n ( 24He, ) 2,55 min 27 30 13 Al( , n ) 15 P 14 N 4 He 7 2 14 N( , p)17 O 7 8 30 0 14 Si 1e 17 O 1H 8 1 np. M , a k z d 2.11 193 95 1 54 Xe38 Sr 2(0 n ) 235 1 90 143 1 92 U 0 n 36 Kr 56 Ba 3( 0 n) 135 97 1 53I 39 Y 4(0 n ) e t i l o 92Kr 141Ba 36 56 140 93 54Xe 38Sr W reakcjach jądrowych sumy liczb masowych (indeksy górne) i sumy liczb atomowych (indeksy dolne) muszą być równe po obu stronach ó Ł a k i n Bomba atomowa a k X, Y - 37 różnych pierwiastków o liczbach masowych od 72 do 161 (300 różnych izotopów) nitrogenion (147N 7 ) 30 1 15 P 0 H w ó ł .G karbion ( C ) Pierwsze reakcje sztucznej promieniotwórczości w historii I. Joliot-Curie i F. Joliot, 1934 27 4 13 Al 2 He X Y ( 2 3) n 6 A. Korczyński „Repetytorium z chemii ogólnej i nieorganicznej” 2.12 Elektrownia konwencjonalna (węglowa) – schemat działania h c A. Korczyński „Repetytorium z chemii ogólnej i nieorganicznej” Masa produktów = 78% masy substratów 235 ( U+n). Ubytek masy zostaje wydzielony w postaci energii. P 1 Gram izotopu 235U wytwarza 8·107 kJ/mol energii. Tyle samo energii otrzymamy ze spalenia 2 500 kg C. (Wydajność 2 500 000 mniejsza). Masa krytyczna ok. 20 kg 235U 2.16 2.17a A. Korczyński „Repetytorium z chemii ogólnej i nieorganicznej” 5 2014-11-16 Elektrownia atomowa – schemat działania Reakcje termojądrowe (przebiegają w gwiazdach) 2 1 a k D 12D 24He energia ( z 1 g deuteru 14,5 10 7 kJ ) 411 H42 He 201 e energia (z 1 g wodoru 16,1107 kJ) w ó ł .G Słońce emituje 3,71023 kJ/s, co wymaga przemiany 600 milionów ton (61014 g) wodoru na sekundę . Zapas wodoru na Słońcu wynosi 1033 g. Rocznie ubywa 210-9 % wodoru. M , a k z d 2 42 He48 Be 8 4 12 4 Be 2 He 6 C 2.17b A. Korczyński „Repetytorium z chemii ogólnej i nieorganicznej” a k i n 2.2. Sfera elektronowa w atomach a. Dualizm korpuskularno-falowy b. Model Bohra atomu wodoru e t i l o Łó h c 2.18 2.2.a. Dualizm korpuskularno -falowy Falowa natura światła Korpuskularna (kwantowa) natura światła Dyfrakcja światła Interferencja światła Polaryzacja światła Rozkład energii ciała doskonale czarnego Efekt fotoelektryczny Efekt Comptona c. Równanie Schrödingera i funkcje falowe (elektronów) Kwant energii d. Liczby kwantowe i orbitale atomowe P Energia może być przekazywana tylko w postaci porcji zwanych kwantami. Energia jest więc skwantowana Promieniowanie elektromagnetyczne składa się z dyskretnych pakietów energii zwanych fotonami Strumień kwantów tworzy fotony Energia fotonu E=h h - stała Plancka =6,6310-34 Js 2.19 2.20 6 2014-11-16 Zasada nieoznaczoności Heisenberga (1927) Gęstość prawdopodobieństwa Ze względu na zasadę nieoznaczoności nie podaje się położenie elektronu w atomie ale prawdopodobieństwo znajdowania się elektronu w danym miejscu astosunek tego prawdopodobieństwa do objętości nazywa się gęstością prawdopodobieństwa. Iloczyn niepewności w oznaczeniu położenia i pędu nie może być mniejszy od stałej Plancka (6,6310-34Js) ΔxΔph /2π (Makrocząstki i mikrocząstki) w ó ł .G W d ( x, y, z ) Zad. Jaka jest największa dokładność oznaczenia pozycji elektronu? x Np. radialna gęstość prawdopodobieństwa napotkania elektronu w atomie wodoru. h m v me 9,109 1022 m 1g M , a k z d g m2 h 6,63 1034 J s 6,63 1031 s v c v 1m / s 6,63 1031g m 2 2,43 1016 m x x 9,109 1022 3 108 a k dv 1 6,63 10 31 6,63 10 31 1 1 2.21 2.22 A. Bielański „Podstawy chemii nieorganicznej” a k i n Model atomu Bohra Dobrze tłumaczy nieciągłe widmo atomowe e t i l o Główne założenia modelu Łó h c P r2 2. Dla każdej dopuszczalnej orbity (kołowej) moment pędu elektronu może przybierać wartości będące wielokrotnością stałej Plancka (promienie orbit są skwantowane). 2 r m e n h r (n 1,2,3,...) n2 h2 C n2 K e 2 4 2 m e 2 2 r1 : r2 n1 : n 2 1. Elektron krąży wokół jądra pokołowej orbicie o stałym promieniu (równowaga sił Coulomba i siły odśrodkowej) K ee Model atomu Bohra ( 2) Ee me 2 22 e 4 m e R 2 2 2 r n h n R – stała Rydberga (poprzednio wyznaczona empirycznie) Wypromieniowana energia związana z przejściem elektronu na inny poziom jest ściśle określona (ΔE=E2-E1) i ΔE=hv me 2 r 2.23 2.24 7 2014-11-16 Główna niedoskonałość modelu Bohra Widmo atomu H Dlaczego elektron poruszając się po orbicie kołowej nie traci energii i w rezultacie nie spada na jądro? Niezgodne z klasyczną fizyka (mechaniką) założenie, że elektron poruszając się po orbicie nie traci energii. a) de Broglie zaproponował, aby krążący elektron traktować jak falę o długości h w ó ł .G 1 1 v (3,29 1015 Hz ) ( 2 ) 4 n ( n 3,4,... me v b) Długość drogi, jaką przebywa fala elektronowa na orbicie musi być wielokrotnością długości tej fali. Powstaje wtedy fala stojąca, która nie traci energii M , a k z d 1 1 2) 2 n1 n2 n1 1,2,3,... n2 n1 1, n1 2,... v RH ( A. Korczyński „Repetytorium z chemii ogólnej i nieorganicznej” n 2 r n h 2 m e v 2.25 a k i n Prawo Moseleya (1913) P e t i l o Łó 2.26 a k Poziomy elektronowe atomu wodoru Prawo Moseleya (1913) h c Widma promieniowania X różnych pierwiastków Częstotliwość v analogicznych linii w tej samej seriiwidma rentgenowskiego zależy od jego liczby atomowej Z v C( Z a ) lub 1 A ( Z a )2 2.28 2.29 8 2014-11-16 Widmo rentgenowskie miedzi 2.3. Liczby kwantowe i orbitale Równanie Schrödingera Funkcje falowe – orbitale atomowe w ó ł .G Liczby kwantowe i ich sens fizyczny a k Liczby kwantowe i orbitale w atomach wieloelektronowych Kształty i oznaczenia orbitali atomowych M , a k z d Spinoorbital http://chemia_ogolna.webpark.pl 2.30 a k i n Równanie Schr ödingera (1926) 2 2 2 x 2 y 8 2m e 2 ( E v) 0 2 z 2 h Łó h c (psi) – ampiltuda fali (zmienna w przestrzeni) x, y, z – współrzędne (przestrzeni) elektronu E – energia całkowita elektronu e t li v – energia potencjalna elektronu 2.31 Funkcje falowe – orbitale atomowe Z równania Schrödingera wynika, że dozwolone są tylko niektóre fale (i odpowiadające im energie) Kształt tych fal opisują funkcje falowe ( ), będące rozwiązaniami równania Schrödingera Kwadrat amplitudy funkcji falowej w dowolnym punkcie przestrzeni jest proporcjonalny do prawdopodobieństwa znalezienia w tym punkcie elektronu Funkcja falowa orbital atomowy Rozwiązaniem równania S są funkcje falowe o P Orbital atomowy – przestrzeń (chmura) otaczająca jądro, w której jest największe prawdopodobieństwo znalezienia elektronu W ściśle określonych warunkach funkcje są rzeczywiste, wtedy kwadrat amplitudy fali elektronowej jest równy gęstości prawdopodobieństwa znalezienia elektronu w objętości dV 2 w ( x , y, z )dv [( x , y, z )] 2.32 L. Jones, P. Atkins „Chemia ogólna” 2.33 9 2014-11-16 Liczby kwantowe Orbital s – o kulistej powierzchni granicznej i malejącej gęstości prawdopodobieństwa znalezienia elektronu ze wzrostem odległości od jądra Teoretycznie do nieskończoności,praktycznie do 100 pm = 10-10m = 1Å Każdy orbital jest jednoznacznie określony przeztrzy liczby kwantowe n, l i m, charakteryzujące funkcje falowe Pełna charakterystyka funkcji falowej (elektronu) wymaga podania czterech liczb kwantowych n – główna liczba kwantowa, określa energię elektronu Orbital przedstawia się za pomocą powierzchni granicznej odcinającej przestrzeń o największym prawdopodobieństwie znalezienia elektronu hR H Orbitale mogą być zdegenerowane– posiadać kilka rozdzielonych płaszczyzną węzłową o zerowej gęstości prawdopodobieństw, zwykle symetrycznych obszarów w ó ł .G E n 1,2,3,... n2 a k Im większe n, tym: - większa energia orbitalu - słabiej elektron związany z jądrem - większa średnia odległość elektronu od jądra l – poboczna (orbitalna) liczba kwantowa, określa kształt orbitalu (s, p, d czy f) m – magnetyczna liczba kwantowa, określa kształt i orientację (w przestrzeni) danego orbitalu S i ms– spinowa i magnetyczna spinowa liczba kwantowa określają kierunek „obrotu” elektronu. Spin wynosi +1/2 gdy elektron „obraca” się w prawo) i oznaczany jest (-1/2 i dla przeciwnego obrotu). W chemii używane są praktycznie tylko cztery liczby kwantowe M , a k z d 2.34 ó Ł a k i n +2 +1 0 -1 -2 l=2 (d) l=1 (p) l=0 (s) 3dxy,3dxz,3dyz 3dx2-y2, 3dz2-r2 2.35a Dozwolone kombinacje liczb kwantowych, definiujących orbitale 3px,py,pz n=3 +1 0 -1 h c 0 +1 0 -1 l=1 l=0 n=1 (p) e t i l o n=2 P l=0 (s) 3s 2p (2px, 2py, 2pz) n – główna liczba kwantowa może przejmować wartości1, 2, 3, ….. l – poboczna (orbitalna) liczba kwantowa, może przyjmować wartości 0,1,2,…. maksymalnie don-1 m – magnetyczna liczba kwantowa, 0 może przyjmować wartości od–l, … 0, … +l (l – poboczna liczba kwantowa) 2s Np. zapis [2, 1, -1] dotyczy jednego z orbitali 2p [n=2, l=1 (p), m=-1] 0 (s) 1s Kombinacja [3, 3, 1] nie definiuje orbitalu, gdyż maksymalna wartość bezwzględna pobocznej liczby kwantowej l nie może przekroczyć n-1, 2.36 2.35a 10 2014-11-16 Orbitale dla n=3 2.4. Konfiguracje elektronowe a. Reguły rządzące obsadzaniem orbitali w ó ł .G b. Kolejność obsadzania orbitali przez elektrony c. Sposoby zapisu konfiguracji elektronowej M , a k z d 2.40 a k i n Zakaz Pauliego Orbital może być obsadzony przez najwyżej dwa elektrony o przeciwnych spinach, zwana parą elektronową Elektrony obsadzające ten sam orbital muszą mieć przeciwne spiny Łó a k 2.41 Kolejność obsadzania orbitali Orbitale są zapełniane w miarę wzrostu ich energii h c W atomie nie mogą istnieć elektrony o takich samych czterech liczbach kwantowych e t i l o Reguła Hunda - dotyczy maksymalizacji liczby niesparowanych elektronów o tej samej energii Jeżeli w podpowłoce dostępnych jest kilka orbitali, elektrony obsadzają pojedynczo puste orbitale zanim utworzą parę w jednym z orbitali P Orbitale o tej samej energii są zapełniane w taki sposób, aby liczba niesparowanych elektronów była jak największa www2.chemie.uni-erlangen.de Reguła minimum energii Najpierw zapełniane są orbitale o najniższej energii 2.42 2.43 http://chimge.unil.ch/ 11 2014-11-16 1s22s22p3 1s II 2s II II 2p I II II I I C N O 2 F I a k Konfiguracja elektronowa nie definiuje jednoznacznie atomu w ó ł .G s p II n=1 n=2 M , a k z d n=2 n=1 A. Korczyński „Repetytorium z chemii ogólnej i nieorganicznej” 2.44 ó Ł a k i n Zapis konfiguracji elektronowej np. np. s; p; d; f, ... 1s; 3p; 5d; … np. 1s22s22p6 P I I I II I I I I I I II ?? 2.45 - typ orbitalu (l=0,1,2,3,…) h c 37Rb (37Rb) 1s22s22p63s23p64s23d104p65s1 - poziom elektronowy, konkretnapodpowłoka e t i l o np. 1s1; 3p3; … II - liczba elektronów napodpowłoce (obsadzenie podpowłoki) 1s 2s2p 3s3p 4s 3d 4p 5s 4d 5p 6s 4f 5d 6p 5f 6d Obsadzanie orbitali: orbitali d i f następuje dopiero po obsadzeniu orbitali s następnej powłoki, czyli obsadzenie - konfiguracja elektronowa atomu lub jonu o nieznanym jądrze i10 elektronach (Ne, Na+, Mg2+, Al3+, N3-, O2-, F-) orbitali nd (n3) następuje po obsadzeniu orbitalu (n+1) s a orbitalu nf (n 4) po obsadzeniu orbitalu (n+2) s 2.46 2.47 12 2014-11-16 Przykładowe pytania i tematy egzaminacyjne Gł. l. kwantowa (n) Powłoka elektronowa Maks. l. el. (2n2) Obsada 1 K 2 1s2 2 L 8 2s2p6 3 M 18 3s2p64s23d10 4 N 32 4s23d104p65s24d105p66s24f14 1. Jakie są relacje (zależności) pomiędzy liczbą atomową , liczbą masową a liczbami cząstek elementarnych danego atomu. 2. Jak się kształtuje stosunek liczby neutronów do liczby protonów w trwałych izotopach pierwiastków? 3. Jak obliczamy energię wiązania jądra atomowego i skąd się ona bierze?) 4. Jak się zmienia trwałość jąder atomowych pierwiastków mierzona energią przypadającą na jeden nukleon? 5. Na czym polegają główne naturalne przemiany (reakcje jądrowe) stabilizujące jądra nietrwałe, takie jak rozpad na kilka lżejszych izotopów, przemiany α, β, emisja neutronu, pozytonu, wychwyt K. 6. Skąd się bierze energia jądrowa? 7. Na czym polega datowanie metodą węgla 14C? Jakie są ograniczenia tej metody? w ó ł .G M , a k z d 2.48 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15. 16. 17. a k ó Ł a k i n Jaki jest związek między funkcja falową a orbitalem atomowym? Jaki kształt mają orbitale s, p i d? Ile jest orbitali poszczególnych typów? Jakie zależności występują pomiędzy liczbami kwantowymi? Ile liczb kwantowych i które z nich określają jednoznacznie powłokę elektronową, orbital i elektron? Czy następujące zestawy 3 liczb kwantowych (n,l,m) opisują orbital? [0, 0, 1], [-1, 0, 1], [2, 1, 2], 3,2,-1], [2, 1, 1], [5, 1, 0] Jakie reguły obowiązują przy przewidywaniu kolejności obsadzania orbitali przez elektrony? Jaka jest kolejność poziomów energetycznych orbitali na 3, 4 i 5 powłoce, decydująca o konfiguracji elektronowej? Jaki jest związek pomiędzy konfiguracją elektronową a miejscem pierwiastka w układzie okresowym? Jakie są konfiguracje elektronowe bloków s, p, d? e t i l o h c P 13