Rozdział 1 Struktura atomowa:

1.Jak jest zbudowany i z jakich elementów składa się atom?

Składa się z jądra o średnicy ok.10-14 m, w którym są skupione protony o ładunku dodatnim i neutrony nie posiadające ładunku. Masa protonów »masa neutronów. Liczba protonów decyduje o rodzaju pierwiastka(liczbie atomowej) i jest równa liczbie elektronów, krążących po zewnętrznych orbitach atomu. Pierwszym przybliżeniem budowy orbit jest model Bohra. Liczba neutronów » liczba protonów, ale różna dla poszczególnych izotopów danego pierwiastka. Suma neutronów i protonów decyduje o masie atomowej izotopu. Elektron ma masę 1860 razy  < od masy protonu i ładunek ujemny, co do bezwzględnej wartości równy ładunkowi protonu, dzięki czemu atom jest elektrycznie obojętny. Średnica atomu >od jądra o 4¸5 rzędów wielkości i w zależności od liczby atomowej mieści się w granicach 10-9 , 10-10 m.   

2.Jakie są główne założenia teorii Bohra? 

1.Emisja kwantu promieniowania o energii hv jest możliwa tylko w przypadku przeskoku elektronu z orbity o wyższej energii na orbitę o niższej energii, natomiast nie jest emitowane promieniowanie podczas krążenia elektronu po orbicie stacjonarnej.2.Elektrony mogą w stanie stacjonarnym zajmować tylko takie orbity ,aby ich moment pędu był całkowitą wielokrotnością stałej h/2PI (h-stała Plancka).Postulat ten wynika bezpośrednio z mechaniki falowej, jeżeli przyjmie się, że elektron krążący po orbicie o promieniu r tworzy falę stojącą o długości l czyli że tylko takie orbity mogą być zajmowane przez elektrony aby, 2p=nl(n- całkowita).           

3.Jakie jest zastosowanie modelu atomu Bohra?

Zastosowaniem była interpretacja linii widmowych atomu wodoru. Linie były usystematyzowane wcześniej przez Balmera i był wzór empiryczny pozwalający na wyliczenie wielu linii. Na podstawie teorii Bohra można wyprowadzić analogiczny wzór, a także wzory na linie widmowe innych serii. Zgodnie z modelem Bohra promieniowanie, które powstaje w wyniku przeskoku elektronu z wyższych orbit elektronowych na orbitę pierwsza(n=1)nazywamy promieniowaniem serii K (literami K,L,M,N...oznaczono kolejne orbity). Przeskok elektronów z wyższych orbit na orbitę 2 nazywamy promieniowaniem serii L itd. W ramach danej serii rozróżnia się jeszcze linie a,b,g...w zależności od różnicy numerów orbit, miedzy którymi nastąpił przeskok Ka jest emitowane, gdy elektron przeskakuje z orbity 2 na 1;La z 3 na 2 itd. Fiaskiem teorii Bohra była niemożność interpretacji rożnych subtelnych linii (np. linia Ka stanowi dublet dwóch linii oznaczonych Ka1 i Ka2 niewiele różniących się długością fali), co wykazało jej niedoskonałość; mogły zostać zinterpretowane na podstawie mechaniki falowej, zgodnie z którą stan energetyczny elektronu jest opisany za pomocą nie jednej, ale czterech liczb kwantowych.     

4.Jak jest zbudowany układ okresowy pierwiastków?

Składa się z 7 poziomych szeregów zwanych okresami i 9 pionowych zwanych grupami; większość grup dzieli się na podgrupy A i B. W grupie 7 jest 9 pierwiastków (m.in. Fe, Co, Ni), a w grupie 9 (oznaczonej 0)gazy szlachetne. Pierwiastki są uszeregowane w okresach wg wzrastających liczb atomowych (l. protonów, neutronów). Duże podobieństwo własności występuje w 14 pierwiastkach ziem rzadkich (lantanowcach o liczbie atomowej 58-71)i 14 pierwiastkach o liczbie atomowej 90-103 zwanych aktynowcami; grupy pierwiastków są zblokowane w układzie okresowym na pozycjach 57 i 89(odpowiednio lantanu i aktynu). Ze wzrostem liczby atomowej zachodzą istotne skokowe zmiany własności różniące pierwiastki miedzy sobą, przy czym w jednej grupie, pomimo rożnych liczb atomowych, własności pierwiastków są zbliżone.

5.Jaki jest związek pozycji pierwiastka w układzie okresowym ze strukturą elektronową atomu i własnościami?

Do  jednego okresu należą pierwiastki rozbudowujące stopniowo tę samą zewnętrzną orbitę atomu(elektrony mają tę samą główną liczbę kwantowa n). Do jednej grupy należą atomy mające tę samą liczbę elektronów na zewnętrznej orbicie: np. s1-I grupa, s2 grupa II, p1-III grupa, p2-IV grupa itd.; grupa 0 (gazy szlachetne)- ma 2 elektrony s i 6 elektronów p w sumie 8 elektronów. Grupa IA :pierwiastki alkaliczne jednowartościowe mające podobne własności chemiczne i krystalizujące w sieci A2, IIA: pierwiastki ziem alkalicznych-dwuwartościowe o sieci A2 lub A3; IB :pierwiastki jednowartościowe mające siec A1 (miedziowce) bardzo plastyczne, z dużą przewodnością cieplną i elektryczną; IVA: pierwiastki czterowartościowe cechujące się własnościami półprzewodnikowymi, np. grafit oraz krzem i german, mające sieć typu diamentu (A4).

6.Czy jest związek między położeniem pierwiastka w układzie okresowym a jego własnościami metalicznymi?

Metale zajmują w układzie okresowym lewą cześć, a niemetale prawą. Między nimi o własnościach pośrednich między metalicznymi i niemetalicznymi. Są to: Ge, Si, As, Se, Sb, Te, Bi. Pierwiastki z lewej strony są elektrododatnie- w reakcjach chemicznych łatwo oddają swoje zewnętrzne elektrony (zwane elektronami wartościowości),a pierwiastki z prawej są elektroujemne- łatwo przyjmują elektrony pierwiastków elektrododatnich na zewnętrzne orbity, tworząc z nimi związki.   

7.Co to są metale przejściowe?

Zaliczamy pierwiastki podgrup IIIB,IVB, VB, VB, VB i VIII cechujące rozbudową poziomu (n-1)d do 10 elektronów bez zmiany liczby elektronów na ostatniej orbicie.  Czasem zachowują się tak, jakby miały wartościowość 0.

8.Jakie są podstawy mechaniki kwantowej (falowej)?

-równanie de Broglie’a l=h/p (l-długość fali, p-pęd=mv),

-zasada nieoznaczoności Heisenberga,

-równanie falowe Schrodingera,

-zakaz Pauliego,

-zasada Borna(rozpatrywanie ruchu elektronów w kategoriach prawdopodobieństwa),

-statystyka kwantowa Fermiego-Diraca.

9. Jaki jest współczesny obraz atomu?

Opiera się on na mechanice kwantowej, zgodnie z którą stan energetyczny każdego elektronu jest określony czterema liczbami kwantowymi, pęd elektronu ma pewien zakres nieoznaczoności, ruch elektronów może być traktowany jako fala, a położenie elektronów traktuje się w kategoriach prawdopodobieństwa. Sukcesem mechaniki kwantowej była interpretacja subtelnych linii widmowych, których nie można było wyjaśnić w oparciu o model atomu Bohra.

10. Jakie są liczby kwantowe?

n-główna, l-poboczna (zwana także orbitalną lub azymutalną), ml-magnetyczna i ms-spinowa (ta ostatnia nie wynika bezpośrednio z równania Schrodingera).

n- może przyjmować wartości 1,2,3..., jest miarą całkowitej energii elektronów w danym stanie (liczbowo równa się numerowi orbity w modelu Bohra). Maks. liczba elektronów o liczbie kwantowej n wynika z wyrażenia 2n2.

l- (l=0,1,2,...(n-1)) jest miarą momentów pędu w danym stanie. Stany energetyczne elektronu przy wzrastających liczbach l określa się kolejno literami s,p,d,f. Największą liczbę elektronów o danej liczbie kwantowej wyraża wzór 2(2l+1).

ml- (ml<=1) określa kierunek wektora momentu pędu w przestrzeni. Przyjmuje wartości 0,+-1,+-2,...

ms- określa ruch wirowy elektronu wokół własnej osi. Przyjmuje wartości +1/2i-1/2.

4 liczby kwantowe jednoznacznie określają stan energetyczny elektronu.

11. Co to jest struktura elektronowa pierwiastka?

Nazywamy  tak rozkład stanów energetycznych wszystkich elektronów pierwiastka wraz z liczbą ich obsadzeń podanych w postaci symbolicznej operując liczbami kwantowymi n i l, z podaniem gdzie liczby elektronów znajdujących się w określonych stanach w wykładnikach. Tak np. zapis:

1s22s2p63s2p6d104s2p6d10f14 oznacza, że w stanie 1s (n=1 i l=0) są dwa elektrony, w stanie 2s (n=2 l=0) –dwa elektrony, w stanie 2p (n=2 l=1) – sześć elektronów. Jakkolwiek ml i ms nie są uwzględnione w zapisie struktury elektronowej, to jednak wiadomo, że dwa elektrony w stanie s mają ml=0 i różne spiny ms+1/2i-1/2, sześć elektronów w stanie p po dwa mają ml=0,+1,-1, różniąc się spinami w każdym stanie.

12. Co to jest dualizm korpuskularno falowy?

Wynika z równania de Broglie’a l=h/p. Zgodnie z jego założeniem poruszającą się cząstkę elementarną można uznać za falę o długości zależnej od wielkości jej pędu i na odwrót, kwantowi promieniowania magnetycznego (np. światła X, g) można przypisać pęd zależny od długości fali. Teoria de Broglie’a znalazła potwierdzenie w eksperymentach Davissona i Germera 1927, którzy wykazali, że wiązka elektronów ulega dyfraktacji na krysztale, analogicznie jak wiązka promieni rentgenowskich. Z drugiej strony korpuskularny charakter światła przejawia się w związku fotoelektrycznym lub Comptona, w których kwant światła przekazuje pęd cząsteczce tracąc energię i zwiększając długość fali.

13. Co mówi zasada nieoznaczoności Heisenberga i jakie jest jej znaczenie?

Nie można jednocześnie dokładnie określić położenia (x) poruszającej się cząstki i jej pędu (p) lub energii (E) w ściśle określonym czasie (t), co zapisuje się umownie:

Dx Dp>=h,  DE Dt>=h

w których D jest nieoznaczalnością (błędem oznaczenia) danej wielkości, a h stałą Plancka. Ponieważ h ma bardzo małą wartość zasada Heisenberga nabiera znaczenia dopiero przy analizie ruchu bardzo małych cząstek. Wnioski: np., jeśli przyjmuje się, że elektron krążący po orbicie ma ściśle określony pęd, to nie może być określone jego położenie. Stąd wprowadza się pojęcie chmury elektronowej. Z drugiej postaci wynika, że jeśli elektron przechodzi przez szereg stanów energetycznych i czas pozostawania w tych stanach jest bardzo mały, to powstająca wskutek tego linia widmowa jest rozmyta (rozmycie Heisenberga).

14. Co to jest równanie Schrodingera?

Związane jest z zasadą prawdopodobieństwa Borna i dualizmem korpuskularno falowym. Dzięki niemu teorię falową elektronów można wyrazić w formie równań matematycznych pozwalających obliczyć prawdopodobieństwo znajdowania się elektronów w różnych miejscach przestrzeni dla określonego stanu energetycznego. Jeżeli Y jest funkcją opisującą położenie elektronu, to |Y|2 wyraża gęstość prawdopodobieństwa znajdowania się elektronu w przestrzeni i czasie. Y nazywamy funkcją falową. Równaniem wyrażającym prawdopodobieństwo jest równanie Schrodinegera; jest to prawo fizyki, a wnioski z niego pokrywają się z dawnymi doświadczeniami. Rozwiązania równania Schrodingera są skwantowane, tzn. ma ono rozwiązania dla pewnych liczb całkowitych, zwanych kwantowymi. Można na jego podstawie obliczyć gęstość prawdopodobieństwa elektronów, których stan energetyczny jest określony różnymi liczbami kwantowymi lub inaczej kształt chmury elektronowej atomu (orbitali).

15. Czego dotyczy zakaz Pauliego?

W stanie energetycznym opisanym przez takie same liczby kwantowe n,l,m mogą się znajdować maksymalnie dwa elektrony różniące się wartością spinu. Konsekwencją jest wzrost liczb kwantowych w miarę wzrostu liczby elektronów w atomie, co jest jednoznaczne ze wzrostem ich energii. Widać to przy analizie struktury elektronowej kolejnych pierwiastków.

16. Co mówi zasada Borna ?

Ruch elektronów lub fotonów należy rozpatrywać wyłącznie w kategoriach prawdopodobieństwa. To znaczy, że można obliczyć prawdopodobieństwo znajdowania się elektronu w określonym miejscu, natomiast nie można wyznaczyć jego dokładnie położenia. Zasada Borna wiąże się z zasadą nieoznaczoności Heisenberga i równaniem Schrodingera, które pozwala to prawdopodobieństwo obliczyć. Prawdopodobieństwo znajdowania się elektronu jest iloczynem trzech funkcji, z których każda jest zależna od jednej współrzędnej (biegunowej). Funkcje te dają sensowne rozwiązania fizyczny tylko wtedy, gdy wprowadzi się liczby całkowite (kwantowe).

17. Co to jest statystyka Fermiego–Diraca ?

Jest to statystyka kwantowa różniąca się od statystyki klasycznej Maxwell-Boltzmanna, która opisuje np. rozkład energii drobin gazu w zbiorniku przy T, P = const. Opiera się na założeniu nierozróżnialności cząstek, a prócz tego na zakazie Pauliego, który nie pozwala, aby dwa elektrony posiadały takie same liczby kwantowe. Wynika z niej m.in., że przy temperaturze T=0 K prawdopodobieństwo obsadzenia wszystkich stanów energetycznych o energiach zawartych w przedziale od 0 do pewnej energii maksymalnej (Fermiego) EF jest równe 1 (wszystkie stany są obsadzone), natomiast prawdopodobieństwo obsadzenia stanów o energiach E > EF jest równe 0(stany puste). Przy wyższych temperaturach część cząstek (np. elektronów) może zająć stany energetyczne powyżej energii EF pozostawiając równoważną ilość pustych stanów poniżej energii EF. Prawdopodobieństwo obsadzenia stanów energetycznych  o energii leżącej w pobliżu EF wynosi 0,5. Stany obsadzone i nieobsadzone wokół energii EF są rozmieszczone symetrycznie. Statystyka F – D różni się od statystyki Maxwella – Boltzmanna tym, że ta ostatnia przewiduje wzrost średniej energii kinetycznej wszystkich cząstek ze wzrostem temperatury, natomiast ze statystyki F- D wynika, że ze wzrostem temperatury tylko część cząstek o energiach bliskich EF zwiększa swoją energię.

18.Co rozumie się przez wielkość atomu ?

Nie jest to pojęcie jednoznaczne, chociaż bardzo użyteczne. Inna bowiem będzie średnica atomu swobodnego rozumiana jako zasięg jego chmury elektronowej, inna atomu w jego sieci krystalicznej, a jeszcze inna w związku. Dla pierwiastków metalicznych określa się średnice atomów stykających się we własnej sieci krystalicznej. Obliczone stąd promienie są nazywane krystalicznymi, zależą od liczby koordynacyjnej sieci zmniejszając się z jej obniżeniem (poprawki Goldschmidta). Wskutek tego promienie krystaliczne są różne dla różnych odmian alotropowych tego samego pierwiastka. Inny sposób polega na obliczeniu promieni atomowych na podstawie objętości sieci przypadającej na atom, przyjmując, że objętość ta ma kształt kuli. Są to promienie Seitza. W przypadku pierwiastków metalicznych są one względnie niezależne od liczby koordynacyjnej i typu sieci nie tylko dla czystych pierwiastków, ale i dla stopów. Promienie atomowe podlegają prawom okresowości.

19. Jak kształtuje się wielkość atomów w stopach ?

Wiadomo, że odległości międzyatomowe w roztworach stałych zmieniają się w przybliżeniu proporcjonalnie do różnicy wielkości atomów i udziału procentowego składników (reguła Vegarda). Oznacza to, że wprowadzenie do sieci  pierwiastka A atomów pierwiastka B o większych promieniach spowoduje wzrost parametrów sieci roztworu stałego, tym większy, im większe będzie stężenie atomów B. Od reguły Vegarda istnieje jednak wiele wyjątków, gdyż odgrywa tu rolę ściśliwość atomu, której miarą jest stosunek średnicy atomu do średnicy jego jonu, a także różnica wartościowości. Wzrost wartościowości atomów domieszki ma tendencję zwiększania parametrów sieci roztworu stałego.

Rozdział 2 Elektronowa teoria metali:

1.Co to jest elektronowa teoria budowy metali

Jest to teoria przyjmująca za podstawę wyjaśnienia wielu własności metali ,takich jak przewodnictwo elektryczne stosunek przewodnictwa cieplnego do elektrycznego, półprzewodnictwo, wiązania międzyatomowe, ciepło właściwe, energię i ruch elektronów wartościowości w metalu.

2.Na czym polega pierwsza teoria elektronowa Drudego ?

Opierała się na założeniu że elektrony wartościowości odrywają się od atomów tworzących skondensowany stan skupienia i poruszają się między jonami podobnie do drobin gazu w zbiorniku. Stąd powstało pojęcie gazu elektronowego, który zgodnie z założenie...