wyk02.doc

Budowa atomu

Jądro

Orbity elektronu

Atom = jądro + chmura elektronowa (e) - model atomu Bohra

Elektron

1.   Masa = 9.1*10-31 kg, ~1800 lżejszy od p, 0.511 MeV

2.   Ładunek = -1.602*10-19 C – równy ładunkowi p ale przeciwnego znaku  ®  ładunek elektronu  =  -1

3.   Spin = 1/2

4.   Moment magnetyczny ¹ 0

Uwaga:

Pozyton  -  e+    elektron o dodatnim ładunku

Oddziaływania w skali atomowej

1)   Elektromagnetyczne

2)   Grawitacyjne

Atom wodoru

Siła grawitacyjna = ~3.6*10-47 N,

Siła elektrostatyczna = ~8.2*10-8 N

Opis atomu  ®  mechanika kwantowa  -  wszystkie wielkości fizyczne opisujące ruch elektrnów w atomie to wielkości kwantowe

Promień orbity r = ~n2; n = 1,2,3,...  ®  główna liczba kwantowa

Powłoki elektronowe  ®  K (n=1), L (n=2), M (n=3), N (n=4), ....

Uwaga:

Skala nie jest zachowana na rysunku

Liczba elektronów na danej powłoce  =  2n2 - K(2), L(8), M(18), ...

Uwaga:

Rozmieszczenie elektronów na powłokach atomowych  ® układ okresowy pierwiastków

Energia wiązania elektronów na danej orbicie  EB  ~  1/n2
(w przybliżeniu)

Charakterystyka atomów

1)   Masa = jądro + elektrony » jądro

2)   Ładunek = 0

3) Moment pędu elektronu w atomie

a)   orbitalny moment pędu – pochodzący od ruchu po orbicie (długość wektora)

l – poboczna liczba kwantowa

Uwaga:

Dla oznaczenia wartości l stosujemy symbole literowe:

l = 0 (s), l = 1 (p), l = 2 (d), l = 3 (f)

b)  spinowy moment pędu – wirowanie elektronu (S = ½)

Całkowity moment pędu (J) = suma orbitalnego i spinowego

4) Moment magnetyczny

              melektronu = constant*J

mB - magneton Bohra = e*h/(4p*me*c)  ®  analogia magneton jądrowy

Uwaga:

1)   Elektronowy rezonans paramagnetyczny (EPR)

2)   Rozkład elektronów w atomie determinuje własności chemiczne pierwiastka

3)   Do pełnego opisu stanów elektronów w atomie (energii wiązania elektronów) musimy wykorzystać 4 liczby kwantowe (n, l, j, s)

Uwaga:

Charakterystyka stanu elektronu w atomie zapisana w symbolu  -  na przykład 2p3/2  ®  n = 2, l = 1, J = 3/2

Energia wiązania (wartości bezwzględne)

W (Z = 74) - powłoka K (69.508 keV), powłoka L (LI – 12.090 keV, LII – 11.535 keV, LIII – 10.198 keV)

Mo (Z = 42) – powłoka K (20.002 keV), powłoka L (LI – 2.884 keV, LII – 2.627 keV, LIII – 2.523 keV)

Powłoki zewnętrzne (powłoki walencyjne) - (5 ¸ 20) eV

Uwaga:

Energia wiązania zależy od ładunku jądra atomowego (Z)

Stany metastabilne atomu

Stany wzbudzone atomu (dziury, wakancje) na powłokach elektronowych - czasy życia ~10-10 s 

Uwaga:

Czas życia stanów wzbudzonych atomu jest bardzo krótki  - różnica w porównaniu z jądrami atomowymi

Zapełnianie dziur – przeskoki elektronów z wyższych powłok atomowych – emisja promieniowania elektromagnetycznego - charakterystyczne promieniowanie X, charakterystyczne promieniowanie rentgenowskie  ®  wakancje na wewnętrznych powłokach

              E  =  Ei+k - Ei    (k = 1, 2, ...)

i = 1 – seria K charakterystycznego promieniowania X

i = 2 – seria L charakterystycznego promieniowania X

Systematyka charakterystycznego promieniowania X

Różna energia i intensywność linii – odległość powłok

Linia Pb Ka1 

E = ELIII - EK  = (-13.044 - (-88.001)) keV = 74.957 keV

Zakres energii promieniowania charakterystycznego

(~0.5 ¸ ~80) keV

Energia charakterystycznego promieniowania X jest funkcją ładunku jądra (Z) – jest charakterystyczna dla danego pierwiastka - analiza fluorescencyjna – instrumentalna metoda określania składu pierwiastkowego

Uwaga:

1)   Atomy w bardzo krótkim czasie powracają do stanu równowagi trwałej (podstawowego)  ®  porównanie lampa rentgenowska i izotop promieniotwórczy

2)   Przejścia między zewnętrznymi powłokami  ®  emisja promieniowania o niskiej energii (eV)

3)   Atom  ®  wybicie elektronu = jonizacja atomu - dostarczona elektronowi energia częściowo na pokonanie energii wiązania a częściowo na nadanie elektronowi energii kinetycznej

4)  

Atom  ®  wzbudzenie atomu – przeniesienie elektronu do stanu związanego o wyższej energii – deekscytacja

5)   Układy biologiczne – atomy w cząsteczkach (wyjątek gazy szlachetne) – modyfikacja zewnętrznych powłok – stany energetyczne charakterystyczne dla cząsteczki a nie dla atomu – nie ulegają zmianie wewnętrzne powłoki - charakterystyczne promieniowanie X – izolowany atom i wbudowany w cząsteczkę – identyczne wyniki

Średni skład pierwiastkowy człowieka

Pierwiastek śladowy: maksymalnie 1 g w ciele 70 kg człowieka - Koncentracja = 0.00143% = 14.3 ppm

1% = 0.01

1 ppm = 0.000001 =10-6

1 ppb = 0.000000001 = 10-9

Związki chemiczne (cząsteczki)

Atomy ® Cząsteczki (O2, H2O, NaCl, ...,cząsteczki

organiczne)

                            Palmitynowy                                           Olejowy

Problem:

Który kwas jest kwasem nasyconym?

Problem:

Co powoduje, że obojętny elektrycznie atom może połączyć się z innym atomem tworząc stabilny układ ?

Atomy tworzą cząsteczki ponieważ są to układy energetycznie bardziej stabilne (energia wiązania) niż rozdzielone atomy

Systematyka tworzenia połączeń atomowych ® wiązania chemiczne

Pierwotne wiązania chemiczne

1.   Wiązania kowalencyjne

Zmiana konfiguracji powłok walencyjnych atomów i tworzenie wspólnej powłoki zapełnianej przez elektrony z poszczególnych atomów – powstają nowe poziomy energetyczne (Eelek)

2 atomy H

2 atomy C

1 elektron wspólny  ®  C-C

2 elektrony wspólne  ®  C=C

3 elektrony wspólne  ®  CºC

Energia wiązania