Kémiai alapismeretek 2. hét Horváth Attila Pécsi Tudományegyetem, Természettudományi Kar, Kémia Intézet, Szervetlen Kémiai Tanszék 2012. február 14. 1/15 2011/2012 II. félév, Horváth Attila c
XIX sz. vége, XX. sz. eleje az atomfizika korszaka. Dalton atomhipotézisének megdöntése. 1821 Katódsugárzás felfedezése. Jelenség: vákum pumpa alacsony nyomású gáz sötét színes fény + A katódsugárzás rejtély maradt Thomson kísérletéig. 2/15 2011/2012 II. félév, Horváth Attila c
(1897) vákuum pumpa + lumineszcenciás ernyő Katódsugár független a töltő gáztól, az elektródok minőségétől. A sugárban levő negatív töltésű részecskét Thomson elektronnak nevezte. Az e az atom része. A katódsugarakat a mágneses mező is eltéríti, így meghatározható az e tömeg/töltés aránya. (5,686 10 12 kg/c) + Thomson kísérlet 3/15 2011/2012 II. félév, Horváth Attila c
kísérlet (1909) Thomson kísérlet + ablak apró negatív töltésű olajcseppek keletkeznek szabadesés megakadályozása: feszültség kapcsolása csepp tömeg/töltés arányának kiszámítása ismerve a csepp tömegét, a töltés számítható. Sorozat mérésekből megállapítható két olajcsepp közti legkisebb töltéskülönbség. (1,602 10 19 C) m e =m e /e e=5,686 10 12 kg/c 1,602 10 19 C= 9,109 10 31 kg 4/15 2011/2012 II. félév, Horváth Attila c
(1906) Becquerel (1896) radioaktivitás felfedezése. α-, β-, γ sugarak (mágneses mezőben szeparálhatóak). Rutherford (1903) α-sugárzás: He 2+, β-sugárzás: nagy sebességű elektronok, γ-sugárzás: nagy energiájú elektromágneses sugárzás. Áthatoló képesség: γ > β > α Az atomok oszthatatlanságáról alkotott kép véglegesen megdőlt! 1906-1911 Rutherford-féle atommodell megszületése. (Geiger, Marsden) 5/15 2011/2012 II. félév, Horváth Attila c
α-sugár forrás mozgatható mikroszkóp Thomson kísérlet Pb tömb Pb lemez ZnS ernyő Au fólia Tapasztalat: Minden 8000-dik α részecske elhajlott a sugárzás irányától! Rutherford (1911): Az atom tömegének 99,95%-a az atommagban koncentrálódik (10 15 m). d atom =10 10 m. e -k a mag körül keringenek a Coulomb erő hatására. Az elmélet nem teljes, hiszen az elektronoknak sugárzást kellene kibocsátaniuk, így fokozatosan elvesztenék energiájukat és be kellene csapódniuk a magba! 6/15 2011/2012 II. félév, Horváth Attila c
Rutherford (1919) N+α ütközésekor H-mag keletkezik, amit protonnak nevezünk. 1930 Bothe és Becker Be+α ismeretlen sugárzás (töltés nélkül). 1932 Chadwick ez a sugárzás a neutron sugárzás. A neutron az atommag másik fő alkotórésze. Részecske tömeg (kg) töltés (C) elektron 9,110 10 31-1,602 10 19 proton 1,673 10 27 +1,602 10 19 neutron 1,675 10 27 0 7/15 2011/2012 II. félév, Horváth Attila c
Rendszám (A): Az atomban levő protonok száma. Tömegszám (Z): Az atomban levő protonok és neutronok számanak az összege. Jelölés: 23 11 Na Izotóp: Azonos rendszámú, de különböző tömegszámú elemek. Egy elemnek a természetben több stabil izotópja is lehet. Pl.: 1 1 H, 2 1 H, 3 1 H. Mennyiségi jellemzésre a relatív tömegeket érdemes használni. Anyagmennyiség: Az a mennyiség, amely annyi egységet tartalmaz, mint amennyi atom van 12g 12 C nuklidban. N A =6,022 10 23 Relatív atomtömeg (A r ): Természetes nuklidösszetételű elem 1 atomjának tömege a tiszta 12 C atomtömegének 1/12-éhez viszonyítva. Pl.: (A r (O)=15,999) Thomson kísérlet 8/15 2011/2012 II. félév, Horváth Attila c
Relatív molekulatömeg (M r ): Természetes nuklidösszetételű vegyület 1 molekulájának tömege a tiszta 12 C atomtömegének 1/12-éhez viszonyítva. Pl.: (A r (H 2 O)=18,016) Moláris tömeg (M, g/mol(!!): Az adott anyag egységnyi anyagmennyiségének a tömege. Relatív atomtömeg és a tömegszám közti különbség!!! (Izotóparány, viszonyszám) 9/15 2011/2012 II. félév, Horváth Attila c
Hullámtermészet: Adott közegben áthaladó periodikus változás. Alapvető tul.: reflexió, refrakció, diffrakció, interferencia Hullámhossz (λ, m): Két azonos állapotú hely legkisebb távolsága. Frekvencia (ν, 1/s v. Hz): Egy adott helyen egységnyi idő alatt áthaladt hullámok száma. Hullámszám (v, 1/m): Adott távolságon belül hány hullám található. v= 1 λ. fény: ν= c λ, ahol c a fénysebesség. Newton a XVIII. sz.-ban feltételezte, hogy a fény részecskékből áll. Young (1801) a fény diffraktálható. Thomson kísérlet 10/15 2011/2012 II. félév, Horváth Attila c
Planck (1900) forró testek hőmérsékleti sugárzásának magyarázatához: az energia kvantálódik. Rezgő atomoknak csak bizonyos energiáik lehetnek E=nhν, ahol n: egész szám, h Planck állandó, ν frekvencia. Einstein: hν energia fotonok formájában távozik E=hν, ahol ν a kisugárzott fény frekvenciája. Fotoelektromos effektus magyarázata, Einstein (1905) (Nobel díj 1921) Fény duális természetű!! 11/15 2011/2012 II. félév, Horváth Attila c
Miért stabilak az atomok? (Rutherford modell hibája) H-atom spektruma: Vonalas szerkezetű (λ=410, 434, 486, 656 nm (ibolya, kék, zöld, vörös)). Balmer (1885): 1 λ =1,097 107 1 ) m n. 2 Bohr posztulátumok (1913) (Nobel díj 1922): 1 Az e -k csak meghatározott sugarú körpályákon keringhetnek a mag körül. 2 Két energiaszint közti különbség (foton formájában elnyelődik, vagy kibocsátódik): hν=e 1 -E 2. Főkvantumszám megszületése. ( 1 1 2 2 Sommerfeld: Bohr-modell továbbfejlesztése, ellipszis pályák bevezetése. (mellékkvantumszám megszületése) Újabb továbbfejlesztés: mágneses kvantumszám, spinkvantumszám. Thomson kísérlet 12/15 2011/2012 II. félév, Horváth Attila c
De Broglie (1923): a részecskék is lehetnek hullámtermészetűek: λ= h mv. (1929 Nobel díj) Thomson (1927): e interferencia kristályokon (Nobel díj 1937) (elektronmikroszkóp). Heisenberg-féle bizonytalansági elv: p x=m v x h 4π Schrödinger (1926): hullámmechanikai atommodell (1933 Nobel díj) ( h2 2 ) Ψ 8Π 2 m x 2 + 2 Ψ y 2 + 2 Ψ z 2 + E pot Ψ = EΨ Egzakt megoldás csak H-szerű atomokra, egyébként csak közelítőleg, numerikus eljárásokkal. 13/15 2011/2012 II. félév, Horváth Attila c
Ψ hullámfüggvény megoldásainak jellemzői: 1 Az atomban kötött elektronra diszkrét energiaértékek és minden energiához egy Ψ(x,y,z) hullámfgv. tartozik, mely meghatározza az atomi pályát. (degenerált állapot: egy energiához több Ψ tartozik) 2 A diszkrét megoldások 3 db egész számmal jellemezhetőek (klasszikus leírás): n, l, m. 3 Relativisztikus leíráshoz kell a spinkvantumszám is (2 kül. érték). 4 Ψ 2 : az elektron térbeli eloszlásának tartózkodási valószínűsége. Főkvantumszám: Megadja az e atommagtól való távolságát és energiáját. Jele: n=1,2,... Héj: Azonos főkvantumszámú e -k összesége. 14/15 2011/2012 II. félév, Horváth Attila c
Mellékkvantumszám: Megadja az atompályák, azaz a térbeli elektroneloszlás alakját. Jele: l= 0, 1,...,(n-1). Egyéb jelölés: s, p, d, f,... Alhéj: Egy adott főkvantumszámhoz tartozó azonos mellékkvantumszámú pályák összesége. Mágneseskvantumszám: Egy kiválasztott irányhoz viszonyítva adja meg a pályának helyzetét. Külső mágneses tér hatására az azonos energiájú pályák között energiakülönbség jöhet létre. Jele: m=-l,..., +l. Spinkvantumszám: Az elektron sajátimpulzusmomentuma. Jele: m s =± 1 2. Atompályák alakja: s-pályák gömbszimmetrikusak, p-pályák "piskóta"-alakúak (p x, p y, p z ), d-pályák "duplapiskóta"- és "cumi"-alakúak (d xy, d xz, d yz, d x 2 y 2, d z 2). Az e tartózkodási valószínűsége > 99%. (Rajzok!!) Thomson kísérlet 15/15 2011/2012 II. félév, Horváth Attila c