Vývoj představ o struktuře atomu. Atomové jádro – izotop, nuklid, radioaktivita. Elektronový obal – stavba elektronového obalu, orbital, kvantová čísla, pravidla o zaplňování orbitalů, degenerované orbitaly, základní a excitovaný stav atomu, ionizační energie a elektronová afinita. Elektronová konfigurace atomů a iontů. Určení počtu atomů v určitém množství látky.

ATOM

  • základní stavební částice všech látek
  • kladné jádro (protony, neutrony) + záporný obal (elektrony)

 

Vývojové představy o struktuře atomu

  • velikost atomu: 10-10 m
  1. Atomisté
    • 4. stol. př. n. l.
    • Leukippos, Démokritos
    • pohyb > musí existovat prázdný prostor
    • mechanický (materialistický) atomismus
    • jednotlivé jsoucno vznikne a zanikne spojením a rozpojení atomů
    • Atomos: nedělitelný, základní jednotka
    • Arché: atom
    • atomy – k sobě podobné, háčky, duše také z atomů, jen z jemnějších
    • primární vlastnosti (rozdíly ve tvaru, velikosti a uspořádání atomů)
    • po smrti se atomy duše rozptýlí
  1. v 17. století se lidé začínají zabývat strukturou hmoty
    • John Dalton (1766 – 1844)
      • britský chemik a fyzik
      • navázal na představy atomistů
      • definoval chemický prvek
    • Joseph John Thompson (1856 – 1940)
      • anglický experimentální fyzik
      • objevil elektron
      • pudingový model (kladný puding, záporné elektrony rozinkami)
    • Ernest Rutherford (1871 – 1937)
      • novozélandský fyzik (zakladatel jaderné fyziky)
      • vyvrácení pudingového modelu
      • planetární model (malé hmotné kladné jádro, obíhají elektrony po kružnicích v obrovské vzdálenosti)
    • Niels Henrick Patrick Bohr (1885 – 1962)
      • dánský fyzik (atomová a jaderná fyzika)
      • Bohrův model atomu (vychází z Rutherforda)
      • vychází z atomu vodíku
      • elektrony po orbitě kolem jádra – po stacionárních drahách (kružnice určitého poloměru)
      • mohou přecházet mezi orbitami
      • každá orbita – vlastní energii
      • přechod na nižší – energie se vytváří
      • přechod na vyšší – dodáváme energii
      • energie v kvantech

 

  1. Kvantově-mechanický model
    • Louis de Broglie, Erwin Schrödinger, Werner Heisenberg
    • elektron vlnovou funkcí i částicí > pravděpodobný výskyt elektronu /Ψ/2
    • elektrony jsou v prostoru (orbitalu)

Atomové jádro – izotop, nuklid, radioaktivita

  • izotop: stejné protonové číslo, jiné nukleonové číslo (11H, 31H)
  • nuklid: stejné protonové i nukleonové číslo – elektroneutrální atomy (11H x 11H)
  • izobara: stejné nukleonové číslo, jiné protonové číslo (7834Se x 7836Kr)
  • izotop: H (lehký vodík protium 11H, deutrium 21H, tricium 31H), C (126C, 146C)- datování rozpadu, O (168O – nejčastější, 178O, 188O)

Atomové jádro

  • protony (p+) – protonové číslo Z (atomové číslo)
  • neutrony (n0) – neutronové číslo N (hmotnostní číslo)
  • nukleony = protony + neutrony – nukleonové číslo A = Z + N
  • AX, ZX

RADIOAKTIVITA

  • dochází k přeměně prvku za vyzáření částic
  • týká se pouze atomového jádra
  • Henri Becquerel – objevitel přirozené radioaktivity
  • jaderné reakce: přeměny jader po srážkách jader s jinou částicí – štěpné x termonukleární

přirozená:

  • schopnost prvku se samovolně měnit a přitom vysílat záření
  • poločas rozpadu: doba, za kterou se z výchozího počtu atomů přemění polovina
  • v přírodě přibližně 50 radionuklidů
  • a, b a g záření

umělá:

  • prvek ozářím (a/b zářičem) a donutím ho, aby se přeměnil na něco jiného > vznik umělých prvků
  • objevená dcerou Marie Curie Sklodowské s manželem
  • význam: elektrárny, zdravotnictví
  • více než 1000 radionuklidů

Přirozená radioaktivita

  • a (heliové jádro 42He, nejškodlivější, zabráním – listem papíru)
  • b (b+: pozitrony  01e+, b: elektron 0-1e, zabráním dřevěnou deskou)
  • g (fotony, nejméně škodlivé, zabráním olověnou deskou, elektromagnetické vlnění)

 

  • 11p+ – proton
  • 10n0 – neutron
  • 01e+ – pozitron
  • 0-1e – elektron

Jak se mění postavení prvků v periodickém systému

  • a – posun o dvě místa vlevo
  • b+ – posun o jedno místo vlevo
  • b – posun o jedno místo vlevo
  • g – neposune se

Elektronový obal – stavba elektronového obalu, orbital, kvantová čísla, pravidla o zaplňování orbitalů, degenerované orbitaly, základní a excitovaný stav atomu, ionizační energie a elektronová afinita.

Elektronový obal

  • elektrony (e)
  • počet elektronů = počet protonů
  • elektrony v orbitalech (= oblast výskytu e– )
  • kvantová čísla (charakterizují stav orbitalu, spinové – elektronu)
  • elektronová hustota: hodnota pravděpodobnosti výskytu elektronu v daném místě
  • orbitaly: oblasti s nejhustším výskytem elektronů
  • degenerované orbitaly: stejné hlavní a vedlejší kvantové číslo
  • ionizace: dodání energie > odtržení elektronu > kation (ionizační energie), sloučení elektronů s jiným neutrálním atomem > anion > uvolnění energie (elektronová afinita)

Kvantová čísla

 

název značka funkce hodnoty
Hlavní n energie teor : 1 – ∞, prak: 1-7
 Vedlejší l energie, tvar 0….n-1*
Magnetické m prost. orien. orbitalu -l…0…+l
Spinové s vnitřní hybnost e +1/2 ; -1/2

 

 

 

 

 

 

(0, 1, 2, 3) – (s, p, d, f)

Orbitaly (s, p, d, f)

  • s: kulově symetrický, 1 orientace – orbitaly,
  • p: osmička, 3 orientace
  • d: čtyřlístek, 5 orientací
  • f: 7 orientací

Elektronová konfigurace

  • popisuje obsazení elektronu v obalu
  • znázornění elektronů   ↑↓
  • znázornění orbitalů  □
  • valenční elektrony: v energeticky nejvýše postavené – valenční vrstvě, určují vlastnosti atomu prvku

Pravidla:

  1. Výstavbový princip: elektrony obsazují orbitaly dle stoupající energie (2s = 2+0 < 3p = 3+1)
  2. Hundovo pravidlo: orbitaly se stejnou energií (degenerované) se nejdříve zaplní 1 e– pak 2
  3. Pauliho vylučovací princip: v každém orbitalu můžou být pouze 2 elektrony s opačným spinem ↑↓

Zkrácená konfigurace

  • popisuje valenční vrstvu
  • počet valenčních e = skupina

Cl (Ar) 3s [↓↑]  3p [↑↓│↑↓│↑]

  • Ar: vzácný plyn s periodou o jednu nižší
  • 3: perioda – souvisí s hlavním kvantovým číslem (
  • s: skupina – souvisí s vedlejším kvantovým číslem
  • počet obsazených elektronů – souvisí s magnetickým kvantovým číslem

 

  • od 4. periody píšu d-prvky vždy o 1 nižší periodu, než má prvek
  • od 6. periody píšu f-prvky vždy o 2 nižší periodu, než má prvek

Excitace

  • vypuzení elektronu
  • v excitovaném stavu se s prvky pracuje
  • dodám energii > přechod elektronů do vyšší energetické hladiny
  • excitovaný stav označím *

1s

2s-2p

3s-3p-3d

4s-4p-4d-4f

Si(Ne)      3s [↑↓]  3p [↑ │↑ │    ]     základní stav

Si*(Ne)    3s [↑  ]  3p [↑ │↑ │↓  ]     excitovaný stav

 

S(Ne)       3s [↑↓]  3p [↑↓│↑ │↑  ]                                           základní stav

S*(Ne)     3s [↑  ]  3p [↑  │↑ │↑  ]   3d  [↑ │↑ │   │   │   ]      excitovaný stav

 

O(Ne)       2s [↑↓]  2p [↑↓ │↑ │↑]         nejde excitovat – neexistuje 2d  ani 2f

 

Elektronová konfigurace atomů a iontů.

  • uspořádání atomů prvku v elektronovém obalu
  • naznačuje reaktivitu prvků:
    • veškeré nepřechodné prvky se snaží dostat na stabilní konfiguraci nejbližšího vzácného plynu (odevzdáním nebo přijetím elektronu) – proto reagují v určitých oxidačních číslech
  • znázornění elektronu: šipkou, která značí spin
  • znázornění orbitalu: čtverec, vždy za příslušným tvarem (4p apod.)
  • znázornění excitace: jedna nebo více hvězdiček u názvu prvku
  • celková elektronová konfigurace:
    • postupně se vypisují elektronové konfigurace všech energetických vrstev (po periodách)
  • možné zkrátit zápis napsáním předchozího vzácného plynu, pak je nutné napsat jen valenční vrstvu (poslední elektronovou vrstvu)
  • přechodné prvky:
    • většinou se první zaplní s orbital, následuje d orbital a potom p orbital
    • u prvků skupiny I. B a VI. B je v s orbitalu pouze jeden orbital – způsobeno tím, že d orbital má v konfiguraci 5 nebo 10 větší stabilitu a je tedy upřednostněn

Určení počtu atomů v určitém množství látky

  • n = látkové množství
  • N = počet částic v látce (atomů)
  • NA = Avogadrova konstanta
  • Avogadrova konstanta odpovídá počtu atomů 6.1023, což je celkový počet atomů v 0.012 kg stabilního izotopu uhlíku 
  • počet atomů si lze dopočítat, pokud známe látkové množství – to je možné zjistit i ze vztahu pro látkovou koncentraci (C = n/V) nebo ze vztahu pro molární hmotnost (M = m/n)