2009-11-24

1

Chemia

Budowa atomu

Postulaty teorii Daltona

John Dalton,

angielski uczony, opracował w 1804r. tezę

atomistyczno -

cząsteczkową budowy materii. We współczesnej

formie jest ona aktualna do dzisiaj.

• Pierwiastek chemiczny złożony jest z bardzo małych cząstek, które

nazwano atomami.

•
• Wszystkie atomy danego pierwiastka wykazują identyczne

właściwości chemiczne.

•
• Atomy należące do różnych pierwiastków cechują się odrębnymi

własnościami fizycznymi oraz chemicznymi. W przyrodzie jest tyle

atomów ile pierwiastków.

•
• Atom określonego pierwiastka nie ulega przekształceniu w innego

rodzaju atom (który charakteryzuje inny pierwiastek) w wyniku
standardowej reakcji chemicznej.

•

2009-11-24

2

Postulaty teorii Daltona c.d.

• Tworzenie związków chemicznych przez pierwiastki jest związane z

łączeniem różnych atomów (należących do różnych pierwiastków) w

wyniku czego powstają cząsteczki.

•
• Związek chemiczny składa się cząsteczek. Cząsteczki, wchodzące

w skład związku chemicznego,

•

są identyczne pod względem budowy i właściwości.

•
• Rozkład związku chemicznego następuje w wyniku rozpadu

cząsteczek na atomy pierwiastków.

•
• Atomy należące do tego samego pierwiastka również mogą tworzyć

cząsteczki.

• Odkrycie elektronu
• Joseph Thomson w 1896r podczas

doświadczeń z życiem rozrzedzonych
gazów odkrył elektron. Jest to cząstka
elementarna, składowa atomu, oznaczana
symbolem e-

. Charakterystykę elektronu

zestawiono poniższej

• Masa 0,00055u - 9,11 x 10

-31

kg

• Ładunek 1,6 x 10

-19

C

2009-11-24

3

POSTULATY BUDOWY ATOMU BOHRA

Bohr (1913) teorię swą oparł na twierdzeniach, zwanych dziś postulatami

Bohra.

1.

Elektron w atomie może przebywać tylko w określonych stanach, o

określonej energii, zwanych stacjonarnymi

2. Elektron w stanie stacjonarnym nie promieniuje (nie traci energii).
•



= E1 + E2 =



h

– wartość emitowanej energii podczas przejścia do stanu

o wyższej energii.

3. Dozwolone stany dla ruchu elektronu odpowiadają tylko pewnym

dozwolonym wartościom (kwantom) orbitalnego momentowi pędu

będącego wielokrotnością liczby h/2



: mvr =n(h/2



)

4. W każdym z tych stanów elektron porusza się wokół jądra po orbicie kołowej.

Tylko takie orbity są dozwolone, dla których iloczyn długości orbity i pędu

elektronu jest równy całkowitej wielokrotności stałej Plancka.
2 rmv=nh ; n=1,2,3.......

Orbitalny model atomu helu i model

budowy atomu Bohra

2009-11-24

4

• Dwa pierwsze postulaty są poprawne i

zachowane w teorii kwantowej.

• Trzeci jest słuszny częściowo – moment pędu

elektronu jest wielkością stałą. Bohr nie
wyjaśnił dlaczego moment pędu jest
kwantowany

– założenie to dawało zgodność

między przewidywaniami a obserwacją.

• Czwarty jest całkowicie niesłuszny – elektron

porusza się po orbicie kulistej.

• Mimo pozornej poprawności modelu

zrezygnowano z niego.

• Zgodnie z elektrodynamiką klasyczną,

poruszający się po okręgu (lub elipsie), a
więc przyspieszany, elektron powinien, w
sposób ciągły, wypromieniowywać energię
i w efekcie "spadłby" na jądro już po
czasie rzędu 10

-6

sekundy.

• Fakt, że tak się nie dzieje, nie dawał się

wytłumaczyć na gruncie fizyki klasycznej.

2009-11-24

5

Model Bohra został ostatecznie odrzucony

również ze względu na to, że:

-

nie dawało go się zaadaptować do

atomów posiadających więcej niż dwa
elektrony

-

nie można było za jego pomocą stworzyć

przekonującej, zgodnej ze znanymi
faktami eksperymentalnymi teorii
powstawania wiązań chemicznych

• Dopiero w 1924 de Broglie podał

wyjaśnienie – każda poruszająca się
cząstka ma falową naturę (jak światło)

•



= h/mv

– długość fali jest b. mała w

porównaniu z wymiarami cząstki

2009-11-24

6

Dualizm

• Dualizm korposkularny – każdą cząstkę

charakteryzuje masę i długość fali

• Zasada nieoznaczoności Heisenberga –

niemożliwość jednoczesnego, dokładnego
pomiaru położenia i pędu cząstki.

• Wyprowadził on wzór łączący masę cząstki

(m), prędkość (v) oraz energie kinetyczną (E):

E = mv

2

/ 2

Zasada nieoznaczoności

Heisenberga

• Zasada nieoznaczoności Heisenberga –

niemożliwość jednoczesnego, dokładnego

pomiaru położenia i pędu cząstki.

• Opis energii elektronu w atomie => to określenie

położenia i pędu elektronu

• Położenie

Pęd

2009-11-24

7

• Wyprowadził on wzór łączący masę

cząstki (m), prędkość (v) oraz energie
kinetyczną (E):

E = mv

2

/ 2

Model falowy

Teoria ta korzysta z praw mechaniki kwantowej.
Nie ma tu elektronu, jako korpuskuły, bo nie można

go dostrzec w określonym punkcie, a jedynie
mówić o prawdopodobieństwie jego
występowania w określonej przestrzeni.

Złożone wyrażenia matematyczne ustalają rozkład

gęstości elektronowej.

Stany energetyczne w atomie są określone,

podobnie jak w modelu Bohra, przez liczby
kwantowe.

2009-11-24

8

Teoria falowa w precyzyjniejszy niż

wcześniej sposób, opisuje zachowanie
się atomów wieloelektronowych.

Pomimo wielu niedokładności w modelu

Bohra, czasem okazuje się on być
przydatny przy wyjaśnianiu prostych
założeń chemicznych.

• W centralnej części atomu znajduje się dodatnio

naładowane jądro, w którym znajdują się
protony i neutrony.

• Za zwartą strukturę jądra atomowego

odpowiadają siły jądrowe.

• Natura tych sił nie została do dzisiaj poznana.

• Wokół jądra, w bardzo znacznej od niego

odleglości (biorąc pod uwagę rozmiar samego

jądra), bezustannie i z ogromną prędkością

krążą po eliptycznych torach elektrony.

2009-11-24

9

• Między jądrem a elektronami istnieje wolna

przestrzeń.

• Tę pozornie pustą przestrzeń wypełnia chmura

elektronowa i ich pole elektromagnetyczne.

• Elektrony krążą z ogromną prędkością (wykonują

około 6 mld okrążeń na mikrosekundę).

• Bardzo trudno jest jednoznacznie powiedzieć w

którym konkretnie miejscu, znajduje się elektron w
danej chwili.

• Elektron znajduje się wszędzie dokoła jadra i

tworzy coś w rodzaju chmury. Elektrony krążące w

tej samej odległości od jądra tworzą tzw. powłokę

elektronową

Kwarki

• Fizycy odkryli, że protony i neutrony są zbudowane z jeszcze

mniejszych cząstek, zwanych kwarkami.

• Według naszej dotychczasowej wiedzy kwarki są jak punkty w

geometrii.

• W chwili obecnej, po wielu doświadczeniach sprawdzających tę

teorię, naukowcy podejrzewają, że kwarki i elektron są
elementarne.

• Istnieje sześć rodzajów kwarków. Trzy z nich mają ładunek

+2/3e, a pozostałe ładunek -1/3e. Nazwy kwarków pochodzą
od pierwszej litery angielskich nazw.

• Proton składa się z 3 kwarków: 2 kwarków u i jednego d, a

neutron także z 3 kwarków, tyle że 2 kwarków d i jednego u.

Dzięki ułamkowym wartościom ładunku kwarków, cząstki

elementarne z nich zbudowane mają ładunek całkowity.

2009-11-24

10

Kwarki

kwarki i elektrony są mniejsze niż 10 do potęgi -18 metra, jest wiec możliwe ze
nie maja one w ogóle żadnego rozmiaru. Jest tez możliwe, ze kwarki i
elektrony nie są cząstkami elementarnymi, ale zbudowane są z jeszcze
mniejszych cząsteczek.

atomy są zbudowane z protonów, neutronów i elektronów. Protony i
neutrony są zbudowane z kwarków, które być może są zbudowane z
jeszcze bardziej podstawowych cząstek...

Trwałość jądra

• Trwałość jądra jest utrzymywana dzięki

siłom jądrowym - działające pomiędzy
nukleonami. Mają one bardzo niewielki
zasięg działania z powodu bardzo małego
promienia jądra atomowego, którego
średnica jest równa ok. 10

-15

– 10

-14

m

oraz brakiem związku z ładunkiem.

2009-11-24

11

• Energię wylicza się z równania Einsteina:

E = mc

2

• Jej wartość wskazuje na to jaka energia

musi być dostarczona, by rozbić jądro albo
jaka ilość jest wydzielona podczas jego
tworzenia. Wzrost energii wiązania oraz
defektu masy czyni jądro bardziej trwałe
(stabilne).

Jądra trwałe to takie, które:
• Posiadają równe ilości protonów i neutronów
• Posiadają parzyste ilości protonów oraz

neutronów

• Stosunek protonów do neutronów wynosi 2 : 3
W pozostałych przypadkach następuje

samorzutny rozpad.

Suma protonów oraz neutronów w zasadzie jest

równa masie jądra w jednostkach mas
atomowych u.