BUDOWA ATOMU Egipt, Asyria miedź, brąz, żelazo, szkło, ceramika, barwienie tkanin starożytna Grecja Tales z Miletu (VII wiek p.n.e.

Transkrypt

1 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 (9-3 p.n.e.) cztery elementy: ziemia, powietrze, woda, ogień Demokryt (6-37 p.n.e.) atomistyczna struktura materii Arystoteles ( p.n.e.) poglądy Empedoklesa + właściwości materii (ciepło, zimno, suchość, wilgotność) Egipt Aleksandria akademia i biblioteka - do 7 r. n.e. Arabowie w Egipcie (VII w.), w Hiszpanii (VIII w.) alchemia kamień filozoficzny Avicenna (98-37) Albertus Magnus (93-28) Paracelsus (93-5) Michał Sędziwój ( ) Robert Boyle (627-69) pierwiastek chemiczny M. Łomonosow (7-765) i A. Lavoisier (73-79) John Dalton (766-8) wskrzesił demokrytejski termin atomos A. Avogadro ( ), M. Faraday (79-867), D. Mendelejew (83-97), M. Curie-Skłodowska (867-93), E. Rutherford (87-937), ???

2 Pierwiastki chemiczne p.n.e. Sb Sn Zn Pb Hg S Ag C Au Fe Cu ()* do XVII w. As (25 r.) P (669 r.) (2) XVIII w. 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 (58) Ra Po Ac... XX w. At Eu Fr Hf Lu Re Tc (?... ) transuranowce XXI w.??? Berkeley (USA) Darmstadt (Niemcy) Dubna (Rosja) * w zależności od źródła literaturowego podane wartości mogą się różnić (IUPAC) rutherfordium Rf 9 meitnerium Mt 5 dubnium Db darmstadtium Ds 6 seaborgium Sg roentgenium Rg 7 bohrium Bh 2 copernicium Cn 8 hassium Hs Prawo zachowania masy M. Łomonosow (76 r.) A. Lavoisier (785 r.) Suma mas substratów reakcji chemicznej jest równa sumie mas produktów tej reakcji 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 (95 r.) zależnością między energią Ea masą m: E = m c 2 c = 3 8 m/s W układach izolowanych suma masy i energii jest wielkością stałą: Σ(m + E/c 2 ) = const Albert Einstein ( ) Nagroda Nobla w 92 r. Prawo stosunków stałych J.L. Proust (799 r.) W określonym związku chemicznym pierwiastki są połączone zawsze w tym samym stosunku wagowym (niezależnie od pochodzenia związku i metody jego otrzymania)

3 Prawo stosunków wielokrotnych J. Dalton (83 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: N 2 O 5, NO 2, N 2 O 3, NO, N 2 O W każdym z nich na 28 części wagowych azotu przypada odpowiednio: 8, 6, 8, 32 i 6 części wagowych tlenu. Stosunek ilości wagowych tlenu przypadających na stałą ilość wagową azotu (28 części wagowych) wynosi jak: 5 : : 3 : 2 : W analogiczny sposób udowodnić słuszność powyższego prawa na przykładzie tlenków manganu i germanu (zad. 39 i ze skryptu Obliczenia z chemii ogólnej PRAWO OKRESOWOŚCI (periodyczne powtarzanie się właściwości chemicznych i częściowo fizycznych) Johann Wolfgang Döberainer (78-89) triady (rok 87) [w szeregu trzech pierwiastków o podobnych właściwościach chemicznych masa atomowa pierwiastka środkowego jest w przybliżeniu średnią arytmetyczną mas atomowych dwóch pozostałych] Ca, Cl 35,5 Sr 88,7 Br 8,2 Ba 37,3 I 26,9 John Alexander Newlands ( ) prawo oktaw (rok 865) [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

4 Dmitrij Mendelejew (83-97) układ okresowy kryterium: masy atomowe, (rok 869) grupy, okresy, pozostawił w tablicy puste miejsca przewidując dalsze odkrycia pierwiastków, ekabor skand (879 r.) ekaglin gal (875 r.) ekakrzem german (886 r.) Tablica ułożona przez D. Mendelejewa (63 pierwiastki) (Tablica Mendelejewa jest wciąż uzupełniana) BADANIA NAD BUDOWĄ ATOMU ELEKTRON odkryty przez J.J. Thomsona w 897 r. anoda pole elektryczne lub magnetyczne ekran fluoryzujący katoda Joseph John Thomson (856-9) Nagroda Nobla w 96 r. Model atomu Thomsona Doświadczenie Thomsona /odchylenie promieni katodowych / ład. elektryczny - m e = 9, -3 kg e =,6-9 C

5 ZJAWISKO PROMIENIOTWÓRCZOŚCI Henri Antoine Becquerel (852-98) odkrył w 896 r. zjawisko promieniotwórczości rudy uranowej. Nagroda Nobla w 93 r. Maria Skłodowska-Curie (867-93) Nagroda Nobla w 93 r. i 9 r. Pierre Curie (859-96) Nagroda Nobla w 93 r. izolują z rudy uranowej w 898 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. 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 niosąładunek 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 α β γ Masa m e Ładunek elektryczny +2 -

6 JĄDRO ATOMOWE 2 8 Po Pb + He cząstka α folia metalowa Ernst Rutherford (87-937) Nagroda Nobla w 98 r. źródło cząstek α ekran Schemat doświadczenia Rutherforda (9 r.) Jądro atomowe - dodatnio naładowana centralna część atomu, w której skupiona jest główna część masy atomu. w 93 r. van der Broek ustala, iż liczba dodatnich ładunków elektrycznych skupionych w jądrze atomowych równa jest liczbie atomowej pierwiastka; w 99 r. E. Rutherford przeprowadza pierwszą sztuczną przemianę promieniotwórczą; 7 2 α N + He Henry Moseley (887-95) 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) 7 8 proton O + p

7 W 93 r. niemieccy uczeni odkryli przenikliwe promieniowanie wysyłane przez beryl pod działaniem cząstek α. W 932 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. James Chadwick (89-97) Nagroda Nobla w 935 r. 9 2 α Be + He 2 6 neutron C + n proton ład. elektryczny + m p =,67-27 kg neutron ład. elektryczny m n =,67-27 kg Nukleony - wspólne określenie protonu i neutronu, a więc cząstek będących składnikami jądra atomowego. ATOM, JĄDRO ATOMOWE, ICH ROZMIARY siły jądrowe, energia wiązania jądra, za względnie trwałe uważa się jądra, w których: A Z ;,6) Z energii wiązania odpowiada pewna masa (tzw. defekt masy), która jest wypromieniowana przy tworzeniu się jądra z cząstek elementarnych; Defekt masy - różnica między sumą mas cząstek elementarnych, a nieco mniejszą masą powstającego z nich jądra. np. dla atomu berylu: M = 9,22; atom = e + p + 5n to Δm =, g =, -5 kg więc E = m c 2 = 3,7 2 J promień atomu (r at. ): promień jądra atomowego (r j ): A ZE ~ - m ~ - -5 m A - liczba masowa Z - liczba atomowa np. dla więc r j 2 C 6 = r e 3 A gdzie r at. =,77 - m r j = 3,23-5 m r e =, -5 m (promień elektronu) r r at. j 2

8 IZOTOPY H.N. McCoy & W.H. Ross (97 r.) A ZE H 99,98% (prot) 6 O 99,76% 2 H,5% (deuter) 7 O,% 3 H elem. (tryt) 8 O,2% izotopy trwałe, np. 2 C, 3 C, N, 6 O,... A - liczba masowa Z - liczba atomowa 27 Al, 9 F, 3 P, 59 Co izotopy trwałe, po % 23 Na, 97 Au, 27 I,... w przyrodzie (2 pierwiastków) naturalne izotopy promieniotwórcze, np. 3 H t /2 = 2,6 lat C t /2 = 5725 lat 235 U t /2 = 8,62 8 lat czas połowicznej przemiany (t /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. γ α β + - ROZPAD PROMIENIOTWÓRCZY rozpad (przemiana) α - polega na wyrzuceniu z jądra cząstki α A E A- Z-2 E α Z Ra 86 Rn + A Z E + Z A E 2 + e 2 α rozpad (przemiana) β - w tym procesie wyrzucany jest elektron, który powstał wskutek przemiany neutronu w proton 2 82 Pb 2 Bi 83 + e n promieniowanie γ -jądro przechodzi ze stanu wzbudzonego w stan o niższej energii i nie zmienia się przy tym liczba masowa, ani liczba porządkowa p + e + ν

9 Mapa świata pierwiastków Synchrotron w Grenoble Akcelerator liniowy w Darmstadt

10 W 999 r. w laboratorium w Berkeley otrzymano prawdopodobnie trzy atomy pierwiastka 8, 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 Pb + 36Kr 8Uuo + n 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 922 r. Nagroda Nobla w 988 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.

11 WAŻNIEJSZE CZĄSTKI ELEMENTARNE Leptony Nazwa Foton Elektron Mion Neutrino elektronowe Symbol Ładunek π Piony π (π + ) - (+) H Mezony K + a Kaony + d K r Proton p + o Neutron n n y Bariony Σ + Hiperony + Σ sigma Σ - γ e μ ν e - - t /2 (s) 2,2 6 8, 7 2,6 8,2 8 5, ,99 7, 2,5 John Dalton (766-8) MASA ATOMOWA wzorce J. Dalton wodór J.J. Berzelius tlen od 96 r. skala oparta na węglu 2 C { 2 C 98,89%; 3 C,%} 2 6 C atom = 6n + 6p + 6e Jöns Jackob Berzelius (779-88) Jednostka masy atomowej jest to / 2 masy atomu węgla 2 C j.m.a. = dalton = u =,665-2 g Bezwzględna masa atomu 2 C (wyznaczona eksperymentalnie) wynosi, g Względną masę atomową pierwiastka obliczyć można dzieląc masę atomu wyrażoną w gramach (tzw. bezwzględną masę atomową) przez liczbę,665-2 g, tj. masę u Masa atomowa: Względna masa atomowa jest to liczba określająca ile razy masa atomu danego pierwiastka jest większa od / 2 masy atomu izotopu węgla 2 C

12 DWOISTA NATURA ŚWIATŁA I ELEKTRONÓW XVII/XVIII w. I. Newton - teoria korpuskularna światła ~ 87 r. J.C. Maxwell - przewidział powstawanie fal elektromagnetycznych rozchodzących się z prędkością światła (c = 3 8 m/s); H. Hertz - 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 ν = c λ ν -częstość promieniowania; c = 3 8 m/s; λ -długość fali prom. γ prom. X UV Zakres Promieniowanie γ Promieniowanie X Nadfiolet (UV) Światło widzialne (VIS) Podczerwień (IR) Mikrofale Fale radiowe ν VIS λ IR λ < pm pm nm nm 8 nm 8 nm mm mm 3 cm 3 cm 3 km mikrofale fale radiowe Max Planck (858-97) Nagroda Nobla w 98 r. W 9 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 h - stała Plancka; h = 6,626-3 J s ν -częstość drgań promieniowania padającego

13 EFEKT FOTOELEKTRYCZNY /w 888 r. odkrył go Hallwachs, a w 92 r. Lenard podał podstawowe prawa dotyczące tego zjawiska/ zjawisko to polega na emitowaniu elektronów przez powierzchnię metalu, na którą pada promieniowanie UV / liczba emitowanych elektronów jest proporcjonalna do natężenia padającego promieniowania; 2/ energia kinetyczna elektronów rośnie wraz z częstością ν padającego promieniowania; 3/ dla każdego metalu istnieje tzw. częstość charakterystyczna ν o taka, że promieniowanie o częstości niższej niż ν o nie wywołuje emisji elektronów. Philipp von Lenard (862-97) Nagroda Nobla w 95 r. Louis V. de Broglie ( ) Nagroda Nobla w 929 r. równanie fal de Broglie a cząstce o masie m i energii E = m c 2 poruszającej się z prędkością v przypisuje się falę, zwaną falą de Broglie a, której długość jest równa: h h λ = = m v p /92 r./ /równanie fal/ zasada nieoznaczoności /Heisenberg r./ Werner K. Heisenberg (9-976) Nagroda Nobla w 932 r. uczy nas, że w przypadku cząstek elementarnych, np. elektronów, neutronów, protonów, fotonów itp. niemożliwe jest równoczesne oznaczenie położenia cząstki i jej pędu h Δp Δx π