Jądrowy model atomu. 2. Budowa atomu. Model jądra atomowego Helu

Transkrypt

1 0--6. Budowa atomu.. Jądrowy model atomu.. Sfera elektronowa w atomach.. Liczby kwantowe i orbitale.. Konfiguracje elektronowe neutron proton Model jądra atomowego Helu nukleony... Jądrowy model atomu Atomy składają się z dodatnio naładowanego jądra oraz otaczających je elektronów. Ładunek jądra pochodzi od dodatnio naładowanych protonów W atomieliczba ładunków dodatnichjądra (protonów) jest równa liczbie ujemnie naładowanych elektronów. Ładunki elektronów i protonów są takie same co do wielkości Doświadczenie Rutherforda (9) wykazało, że jądro jest bardzo małe w stosunku do wielkości atomu Średnica atomu jest razy większa niż jądra Jądro 0-5 a atom 0-0 m. Jądro jest jak piłka futbolowa a elektron jak pszczoła, krążąca w odległości km Jądrowy model atomu W jądrach wszystkich atomów, znajdują się protony i neutrony (A co z H) Te ostatnie neutralizują elektrostatyczne odpychanie między jednoimiennymi protonami w jądrach Dlatego im więcej protonów w jądrze, tym więcej potrzeba neutronów. A. Bielański Podstawy chemii nieorganicznej.

2 Jądrowy model atomu A. Korczyński Repetytorium z chemii ogólnej i nieorganicznej Im więcej protonów w jądrze, tym więcej potrzebnych jest neutronów Izotopy odmiany pierwiastka różniące się masą atomową 5 9 U 0 5 B 8 9U 5 B 6 8 O H 7 8 O H(D) 8 8 O H(T)..6 unit (j.m.a.) =, g Siły jądrowe a defekt masy masa elektronu - 0, j.m.a. masa protonu -, j.m.a. masa neutronu -, j.m.a. Np. x,00776=, x, = 5,05 Be x 0,000586= 0,009 9,0765 Tablicowa wartość masy atomowej 9,080 0,065 g Masa trwałego jądra jest mniejsza od sumy mas tworzących je nukleonów Różnica nazywa się defektem mas i jest równoważna energii sił spajających jądro, zwanej energią wiązania jądra (Równoważność masy i energii zastosuj wzór Einsteina E=Δm c ) Liczba atomowa W molu (9,08 g) atomów berylu zmagazynowana jest energia odpowiadająca 0,06 5 g masy wynosząca 5,6x0 J/mol Trzeba spalić 60 ton wysokokalorycznego węgla Symbol Masa atomowa Liczby masowe izotopów (w nawiasach podano zawartość %) Skład izotopowy niektórych pierwiastków H C N O Ne S Cl Ca Sn Be F Na Al P Co As I Au,00797,005,0067 5,999 0,8,06 5,5 0,08 8,69 9,0 8,998,9898 6,985 0,978 58,9 7,96 6,90 96,967 (99,9855%) (0,05%) (98,89%) (,08%) (99.65%) 5 (0,65%) 6 (99,76%) 8 (0,0%) 7 (0,0%) 0 (90,9%) (8,8%) (0,6 %) (95,06%) (,8%) (0,7%) 6 (0,0%) 5 (75,%) 7 (,6%) 0 (96,9%) (,%) (0,6%) 8(0,8%) 0 (%) 8(%) 6(%) 9(8%) 9 (00%) 9 (00%) (00%) 7 (00%) (00%) 59 (00%) 75 (00%) 7 (00%) 97 (00%).5

3 0--6 Trwałość nuklidów A. Korczyński Repetytorium z chemii ogólnej i nieorganicznej Rozpad jąder atomowych Gdy dla danego izotopu stosunek N/P znacząco odbiega od optymalnej wartości, następuje jego samorzutny rozpad na lżejsze izotopy, np. 5 U 6Kr 56Ba lub 5Xe 8 Sr 9 lub podlega przemianom stabilizującym jądro: a) Emisja cząstek (alfa) b) Emisja cząstek (beta) c) Emisja neutronu d) Emisja pozytonu (elektronu dodatniego) e) Wychwyt K Większości powyższych przemian towarzyszy emisja promieniowania gamma.7.8 Z Liczba protonów A - Z Liczba neutronów Liczba trwałych nuklidów parzysta parzysta 6 parzysta nieparzysta 56 nieparzysta parzysta 50 nieparzysta nieparzysta 5 Liczby magiczne:, 8, 0, 50, 8 i 6 Liczby elektronów na poszczególnych powłokach, 8, 8, 6, 5 i 86 Powłokowa teoria budowy jądra Przykłady typowych przemian jądrowych (naturalnych) Emisja cząstki (Rozpad typu alfa) ( He) 8 9 U 90 Th He( ) Emisja cząstki C N Emisja neutronu (n) 87 ( 0 e, 86 6 Kr 6Kr ) e 0 n energia ( N / P,587 (elektron) + antyneutrino ( N / P, ( N / P,,600),00 ),9 ).9

4 0--6 Naturalne są. Szeregi promieniotwórcze Poniżej pokazany jest szereg uranowo-radowy, rozpoczynający Emisja pozytonu Ne 9F e Wychwyt (orbitalny) K 0 9 N ln N 0 K e ( 0 e, ) 0 8 neutrino ( N / P 0,9 Ar neutrino ( N / P,05,), ) Szybkość rozpadu, stała rozpadu, okres półtrwania i równowaga promieniotwórcza dn N dt ln N t const o t N N e o Okres półtrwania T / dla N=/ N o T / ln t - stała rozpadu promieniotwórczego A. Bielański Podstawy chemii nieorganicznej.0. się od ( 8 9U) uranowo-aktynowy ( 5 9U) i uranowo-torowy ( 9U) A. Bielański Podstawy chemii nieorganicznej Jeśli występuje kolejno kilka reakcji rozpadu, następuje gromadzenie się półproduktów o największym okresie półtrwania, a taki układ osiąga stan równowagi promieniotwórczej, w której N T N / N : N N T / : N N T / :... T N... / N : T... / : T / :.....5

5 0--6 Cząstki bombardujące Sztuczna promieniotwórczość Indukowane reakcje jądrowe elektron proton neutron czastka 0 (, e) ( H, P) ( H, n) 0 - ( He, ) deuteron tryton karbion nitrogenion ( H, D) ( H, T ) ( C 6 6 ) ( N Pierwsze reakcje sztucznej promieniotwórczości w historii I. Joliot-Curie i F. Joliot, 9 7 Al He 7 0 Al(, n) 5P N He 7 N(,p) 7 7 O P 0H,55 min 0 0 Si e 7O H Xe8Sr ( 0n) U0n 6Kr 56Ba ( 0n) I9Y ( 0n) Bomba atomowa 7 7 W reakcjach jądrowych sumy liczb masowych (indeksy górne) i sumy liczb atomowych (indeksy dolne) muszą być równe po obu stronach Masa produktów = 78% masy substratów 5 ( U+n). Ubytek masy zostaje wydzielony w postaci energii. Gram izotopu 5 U wytwarza kj/mol energii. Tyle samo energii otrzymamy ze spalenia 500 kg C. (Wydajność mniejsza). Masa krytyczna ok. 0 kg 5 U A. Korczyński Repetytorium z chemii ogólnej i nieorganicznej )..6 O. Hahn i F. Strassmann (99) Reakcje łańcuchowe 5 9 U n X Y () n X, Y - 7 różnych pierwiastków o liczbach masowych od 7 do 6 (00 różnych izotopów) np. 9Kr Ba Xe 9Sr 5 8 A. Korczyński Repetytorium z chemii ogólnej i nieorganicznej. Elektrownia konwencjonalna (węglowa) schemat działania A. Korczyński Repetytorium z chemii ogólnej i nieorganicznej.7a 5

6 0--6 Elektrownia atomowa schemat działania Reakcje termojądrowe (przebiegają w gwiazdach) A. Korczyński Repetytorium z chemii ogólnej i nieorganicznej.7b.. Sfera elektronowa w atomach a. Dualizm korpuskularno-falowy b. Model Bohra atomu wodoru c. Równanie Schrödingera i funkcje falowe (elektronów) d. Liczby kwantowe i orbitale atomowe.9 7 DDHe energia ( z g deuteru, 50 kj ) 0 7 H He e energia (z g wodoru 6, 0 kj) Słońce emituje,70 kj/s, co wymaga przemiany 600 milionów ton (60 g) wodoru na sekundę. Zapas wodoru na Słońcu wynosi 0 g. Rocznie ubywa 0-9 % wodoru. 8 He Be 8 Be He 6 C..a. Dualizm korpuskularno -falowy Falowa natura światła Dyfrakcja światła Interferencja światła Polaryzacja światła Kwant energii Energia fotonu E=h h - stała Plancka =6,60 - Js Korpuskularna (kwantowa) natura światła Rozkład energii ciała doskonale czarnego Efekt fotoelektryczny Efekt Comptona 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.8.0 6

7 0--6 Zasada nieoznaczoności Heisenberga (97) Iloczyn niepewności w oznaczeniu położenia i pędu nie może być mniejszy od stałej Plancka ΔxΔph /π (Makrocząstki i mikrocząstki) (6,60 - Js) Zad. Jaka jest największa dokładność oznaczenia pozycji elektronu? h x m v me 9, 090 m g g m h, J s, s v c v m / s 6, 60g m x, 06 m 6,60 9, x 6,60 Model atomu Bohra Dobrze tłumaczy nieciągłe widmo atomowe Główne założenia modelu. Elektron krąży wokół jądra po kołowej orbicie o stałym promieniu (równowaga sił Coulomba i siły odśrodkowej) K e e me r r.. Gęstość prawdopodobieństwa Ze względu na zasadę nieoznaczoności nie podaje się położenie elektronu w atomie ale prawdopodobieństwo znajdowania się elektronu w danym miejscu a stosunek tego prawdopodobieństwa do objętości nazywa się gęstością prawdopodobieństwa. W (x, y,z) dv d Np. radialna gęstość prawdopodobieństwa napotkania elektronu w atomie wodoru. A. Bielański Podstawy chemii nieorganicznej. Model atomu Bohra ( ). Dla każdej dopuszczalnej orbity (kołowej) moment pędu elektronu może przybierać wartości będące wielokrotnością stałej Plancka (promienie orbit są skwantowane). n h r K e rme nh (n,,,...) m e Cn me Ee r e m n h R stała Rydberga (poprzednio wyznaczona empirycznie) Wypromieniowana energia związana z przejściem elektronu na inny poziom jest ściśle określona (ΔE=E-E) i ΔE=hv e R n : r n : n r. 7

8 0--6 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 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 n r n h mev Widma promieniowania X różnych pierwiastków Prawo Moseleya (9) A. Korczyński Repetytorium z chemii ogólneji nieorganicznej.5 Częstotliwość v analogicznych linii w tej samej serii widma rentgenowskiego zależy od jego liczby atomowej Z v C(Z a) lub A(Z a).8 5 v (,90 Hz) ( ) n ( n,,... v R.6 H ( ) n n n,,,... n n, n,... Poziomy elektronowe atomu wodoru Prawo Moseleya (9).9 8

9 0--6 Widmo rentgenowskie miedzi.. Liczby kwantowe i orbitale Równanie Schr ödingera (96) 8 m e (E v) 0 x y z h (psi) ampiltuda fali (zmienna w przestrzeni) x, y, z współrzędne (przestrzeni) elektronu E energia całkowita elektronu v energia potencjalna elektronu Rozwiązaniem równania S są funkcje falowe W ściśle określonych warunkach funkcje są rzeczywiste, wtedy kwadrat amplitudy fali elektronowej jest równy gęstości prawdopodobieństwa znalezienia elektronu w objętości dv w (x, y, z)dv [ (x, y,z)].0. Równanie Schrödingera Funkcje falowe orbitale atomowe Liczby kwantowe i ich sens fizyczny Liczby kwantowe i orbitale w atomach wieloelektronowych Kształty i oznaczenia orbitali atomowych Spinoorbital 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 Orbital atomowy przestrzeń (chmura) otaczająca jądro, w której jest największe prawdopodobieństwo znalezienia elektronu L. Jones, P. Atkins Chemia ogólna.. 9

10 0--6 Orbital s o kulistej powierzchni granicznej i malejącej gęstości prawdopodobieństwa znalezienia elektronu ze wzrostem odległości od jądra Teoretycznie do nieskończoności,praktycznie do 00 pm = 0-0 m = Å Orbital przedstawia się za pomocą powierzchni granicznej odcinającej przestrzeń o największym prawdopodobieństwie znalezienia elektronu Orbitale mogą być zdegenerowane posiadać kilka rozdzielonych płaszczyzną węzłową o zerowej gęstości prawdopodobieństw, zwykle symetrycznych obszarów n= n= l= (d) l= (p) l=0 (s) l= (p) l=0 (s) n= l=0 (s) 0 s 0 dxy,dxz,dyz dx -y, dz -r p x,p y,p z s p (p x, p y, p z ) s..6 Liczby kwantowe Każdy orbital jest jednoznacznie określony przez trzy 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 hr H E n,,,... n 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 m s spinowa i magnetyczna spinowa liczba kwantowa określają kierunek obrotu elektronu. Spin wynosi +/ gdy elektron obraca się w prawo) i oznaczany jest (-/ i dla przeciwnego obrotu). W chemii używane są praktycznie tylko cztery liczby kwantowe.5a Dozwolone kombinacje liczb kwantowych, definiujących orbitale n główna liczba kwantowa może przejmować wartości,,,.. l poboczna (orbitalna) liczba kwantowa, może przyjmować wartości 0,,,. maksymalnie do n- m magnetyczna liczba kwantowa, może przyjmować wartości od l, 0, +l (l poboczna liczba kwantowa) Np. zapis [,, -] dotyczy jednego z orbitali p [n=, l= (p), m=-] Kombinacja [,, ] nie definiuje orbitalu, gdyż maksymalna wartość bezwzględna pobocznej liczby kwantowej l nie może przekroczyć n-,.5a 0

11 0--6 Orbitale dla 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 W atomie nie mogą istnieć elektrony o takich samych czterech liczbach kwantowych 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 Orbitale o tej samej energii są zapełniane w taki sposób, aby liczba niesparowanych elektronów była jak największa Reguła minimum energii Najpierw zapełnianesą orbitale o najniższej energii.0... Konfiguracje elektronowe a. Reguły rządzące obsadzaniem orbitali b. Kolejność obsadzania orbitali przez elektrony c. Sposoby zapisu konfiguracji elektronowej Kolejność obsadzania orbitali Orbitale są zapełniane w miarę wzrostu ich energii

12 0--6 A. Korczyński Repetytoriumz chemii ogólnej i nieorganicznej. Zapis konfiguracji elektronowej np. s; p; d; f,... - typ orbitalu (l=0,,,, ) np. s; p; 5d; - poziom elektronowy, konkretna podpowłoka np. s ; p ; np. s s p 6 - liczba elektronów na podpowłoce (obsadzenie podpowłoki) - konfiguracja elektronowa atomu lub jonu o nieznanym jądrze i 0 elektronach (Ne, Na +, Mg +, Al +, N -, O -, F - ).6 s s p s s p I I I I I I I C N O F n= n= n= n= s I I I I I I I Konfiguracja elektronowa nie definiuje jednoznacznie atomu I I I I I I I I I I I I I I p I I I 7 Rb ( 7 Rb) s s p 6 s p 6 s d 0 p 6 5s s sp sp s d p 5s d 5p 6s f 5d 6p 5f 6d Obsadzanie orbitali: orbitali d i f następuje dopiero po obsadzeniu orbitali s następnej powłoki, czyli obsadzenie orbitali nd (n) następuje po obsadzeniu orbitalu (n+) s a orbitalu nf (n ) po obsadzeniu orbitalu (n+) s??.5.7

13 0--6 Przykładowe pytania i tematy egzaminacyjne Gł. l. kwantowa (n) Powłoka elektronowa Maks. l. el. (n ) Obsada K s L 8 s p 6 M 8 s p 6 s d 0 N s d 0 p 6 5s d 0 5p 6 6s f 8. Jaki jest związek między funkcja falową a orbitalem atomowym? 9. Jaki kształt mają orbitale s, p i d? 0. 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 liczb kwantowych (n,l,m) opisują orbital? [0, 0, ], [-, 0, ], [,, ],,,-], [,, ], [5,, 0]. Jakie reguły obowiązują przy przewidywaniu kolejności obsadzania orbitali przez elektrony? 5. Jaka jest kolejność poziomów energetycznych orbitali na, i 5 powłoce, decydująca o konfiguracji elektronowej? 6. Jaki jest związek pomiędzy konfiguracją elektronową a miejscem pierwiastka w układzie okresowym? 7. Jakie są konfiguracje elektronowe bloków s, p, d?.8. Jakie są relacje (zależności) pomiędzy liczbą atomową, liczbą masową a liczbami cząstek elementarnych danego atomu.. Jak się kształtuje stosunek liczby neutronów do liczby protonów w trwałych izotopach pierwiastków?. Jak obliczamy energię wiązania jądra atomowego i skąd się ona bierze?). 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 C? Jakie są ograniczenia tej metody?