1

CZYNNIKI WPŁYWAJ

Ą

CE NA

CZYNNIKI WPŁYWAJ

Ą

CE NA

WŁASNO

Ś

CI MATERIAŁÓW

WŁASNO

Ś

CI MATERIAŁÓW

-

-

STRUKTURA ATOMU

STRUKTURA ATOMU

-

-

WYST

Ę

PUJ

Ą

CY RODZAJ WI

Ą

ZANIA

WYST

Ę

PUJ

Ą

CY RODZAJ WI

Ą

ZANIA

CZ

Ą

STECZKOWEGO

CZ

Ą

STECZKOWEGO

-

-

STAN SKUPIENIA

STAN SKUPIENIA

-

-

RODZAJE STRUKTUR ATOMOWYCH

RODZAJE STRUKTUR ATOMOWYCH

STRUKTURA ATOMU

STRUKTURA ATOMU

Atom, to najmniejsza cz

ą

stka materii zdolna do

samoistnego wyst

ę

powania w przyrodzie

i zachowuj

ą

ca indywidualne cechy pierwiastka.

BUDOWA ATOMÓW

2

MODELE ATOMU

MODELE ATOMU

Model J.J. Thomsona

+

-

-

-

-

-

-

+

+

+

+

+

+

W 1903 r. J.J. Thomson
zaproponował nast

ę

puj

ą

cy

model atomu. Atom ma posta

ć

kuli równomiernie wypełnionej
elektrycznym ładunkiem
dodatnim, wewn

ą

trz której

znajduj

ą

si

ę

elektrony.

Sumaryczny ładunek dodatni
kuli równy jest ładunkowi
elektronu, tak wi

ę

c atom jako

cało

ść

jest oboj

ę

tny

elektrycznie.

Model Ernesta

Model Ernesta

Rutherforda

Rutherforda

Model Ernesta Rutherforda - model "planetarny"
(elektrony obiegaj

ą

j

ą

dro podobnie jak planety

obiegaj

ą

Sło

ń

ce). Zgodnie z klasyczn

ą

mechanik

ą

poruszaj

ą

cy si

ę

dookoła j

ą

dra

elektron powinien emitowa

ć

fal

ę

elektromagnetyczn

ą

. Emisja taka jest zwi

ą

zana

z ucieczk

ą

pewnej energii z układu elektron-

j

ą

dro. Elektron zmniejszaj

ą

c swoj

ą

energi

ę

zmniejsza jednocze

ś

nie odległo

ść

od j

ą

dra.

Powinien on wi

ę

c porusza

ć

si

ę

nie po okr

ę

gu

lecz po spirali i ostatecznie zderzy

ć

si

ę

z

j

ą

drem. Takiego zjawiska jednak nie

obserwowano.

3

Model

Model

Bohra

Bohra

Postulaty

Postulaty

Bohra

Bohra

:

:

1. Elektron mo

ż

e porusza

ć

si

ę

tylko po pewnych dozwolonych

orbitach.

2. Pomimo,

ż

e elektron doznaje przyspieszenia (poruszaj

ą

c si

ę

po

takiej orbicie), to jednak nie wypromieniowuje energii. A zatem jego
całkowita energia pozostaje stała.

3. Promieniowanie elektromagnetyczne zostaje wysłane tylko gdy
elektron poruszaj

ą

cy si

ę

po orbicie o całkowitej energii E

j

, zmienia

swój ruch skokowo, tak

ż

e porusza si

ę

nast

ę

pnie po orbicie o energii

E

k

. Cz

ę

stotliwo

ść

emitowanego promieniowania jest równa:

typowe wymiary

atom 10

-10

m

gluon

proton lub neutron 10

-15

m

kwark 10

-16

m lub mniej

j

ą

dro atomowe 10

-14

m

nukleony:
protony
m

p

=1,6

·

10

-24

g

q

p

=+1,602

·

10

-19

C

neutrony
m

n

=1,6

·

10

-24

g

q

p

=0

elektron
m

e

=9,1

·

10

-28

g

q

e

=-1,602

·

10

-19

C

4

Atomy pierwiastków chemicznych ró

ż

ni

ą

si

ę

mi

ę

dzy sob

ą

liczb

ą

zawartych w ich j

ą

drze

protonów

protonów

, która nosi nazw

ę

liczby atomowej

liczby atomowej

.

Liczba zawartych w j

ą

drze atomu

neutronów

neutronów

mo

ż

e by

ć

ró

ż

na dla danego pierwiastka – ma to miejsce w przypadku

izotopów

izotopów

.

.

Izotopy maj

ą

takie same własno

ś

ci chemiczne ale ró

ż

ne

własno

ś

ci fizyczne.

Liczba masowa

Liczba masowa

pierwiastka to liczba zawartych w j

ą

drze

nukleonów (protonów i neutronów).

nukleonów (protonów i neutronów).

STANY KWANTOWE

STANY KWANTOWE

Wokół j

ą

dra kr

ążą

elektrony, które s

ą

rozmieszczone na odpowiednich powłokach
elektronowych. Poło

ż

enie elektronów na

powłokach jest

ś

ci

ś

le okre

ś

lone za pomoc

ą

tzw.

„liczb kwantowych”.

„liczb kwantowych”.

W odosobnionym atomie pierwiastka istnieje
zasada zwana

zakazem

zakazem

Pauliego

Pauliego, według której

ż

aden atom nie mo

ż

e mie

ć

elektronów opisanych

przez cztery identyczne liczby kwantowe.

5

LICZBY KWANTOWE

LICZBY KWANTOWE :

GŁÓWNA LICZBA KWANTOWA n

GŁÓWNA LICZBA KWANTOWA n – przybiera warto

ś

ci

kolejnych liczb naturalnych

1,2,3,4,…n

1,2,3,4,…n.

Okre

ś

la ona numer porz

ą

dkowy powłoki elektronowej atomu.

Powłoki s

ą

oznaczane kolejno literami:

K,L,M,N,O,P,Q

K,L,M,N,O,P,Q.

Poszczególnym

powłokom odpowiadaj

ą

powłokom odpowiadaj

ą

okre

ś

lone,

coraz to wy

ż

sze

poziomy energetyczne

poziomy energetyczne.

Przej

ś

ciu elektronu z orbity na orbit

ę

towarzyszy

wchłoni

ę

cie

wchłoni

ę

cie,

lub

wypromieniowanie

wypromieniowanie

ś

ci

ś

le okre

ś

lonej porcji energii

zwanej kwantem energii.
Wchłoni

ę

cie energii powoduje przej

ś

cie elektronu na orbit

ę

bardziej oddalon

ą

od j

ą

dra.

Powrót elektronu na orbit

ę

bli

ż

sz

ą

j

ą

dra wi

ąż

e si

ę

z wypromieniowaniem kwantu energii.

Kwant energii E mo

ż

na okre

ś

li

ć

za pomoc

ą

nast

ę

puj

ą

cego wzoru:

E=h·

νννν

=h

·

c/

λλλλ

gdzie: h-stała Plancka, c-pr

ę

dko

ść ś

wiatła w pró

ż

ni.

Powłoki elektronowe
atomu oraz poziomy
energetyczne atomu
wodoru

Graficzna prezentacja tego modelu jest pokazana stronie

applet:http://www.colorado.edu/physics/2000/

6

-

-

POBOCZNA (ORBITALNA) LICZBA KWANTOWA l

POBOCZNA (ORBITALNA) LICZBA KWANTOWA l - okre

ś

la

istnienie w powłokach warstw orbit (podpowłok). Mo

ż

e

przybiera

ć

n warto

ś

ci całkowitych od

0 do n

0 do n

-

-

1

1. Warstwy orbit

odpowiadaj

ą

ce kolejnym warto

ś

ciom

l

l oznaczane s

ą

literami:

s, p, d, f, g, h, i.

s, p, d, f, g, h, i. Orbity maj

ą

kształt kołowy dla l=0 (orbita s)

oraz eliptyczny dla l=1,2..

Warstwy orbit w powłoce
M (n=3)

orbita s

l=0

orbita p

l=1

orbita d

l=2

-

-

MAGNETYCZNA LICZBA KWANTOWA m

MAGNETYCZNA LICZBA KWANTOWA m – okre

ś

la

orientacj

ę

przestrzenn

ą

orbity. Płaszczyzny orbit w poszcze-

gólnych warstwach mog

ą

ustawia

ć

si

ę

wzgl

ę

dem pewnego

wyró

ż

nionego kierunku pod

ś

ci

ś

le okre

ś

lonymi k

ą

tami,

okre

ś

lonymi przez magnetyczn

ą

liczb

ę

kwantow

ą

. Liczba

m

m mo

ż

e przybiera

ć

(2l+1) warto

ś

ci

(2l+1) warto

ś

ci, zawieraj

ą

cych

si

ę

mi

ę

dzy

–

–

l i +l (m=0,

l i +l (m=0,

±

±

1,

1,

±

±

2..

2..

±

±

l).

l). W ten sposób wyznacza

si

ę

maksymaln

ą

liczb

ę

orbit, które mog

ą

wyst

ę

powa

ć

w danej warstwie.

Usytuowanie przestrzenne
orbit w warstwie 3p

7

Wektor orbitalnego momentu p

ę

du nie mo

ż

e ustawi

ć

si

ę

pod

Wektor orbitalnego momentu p

ę

du nie mo

ż

e ustawi

ć

si

ę

pod

dowolnym k

ą

tem do linii sił przyło

ż

onego pola magnetycznego

dowolnym k

ą

tem do linii sił przyło

ż

onego pola magnetycznego

a tylko w dozwolonych wybranych kierunkach co pokazano na

a tylko w dozwolonych wybranych kierunkach co pokazano na

rys. i dla l = 2.

rys. i dla l = 2.

Rys.

Rys.

Wektor orbitalnego momentu L jest

Wektor orbitalnego momentu L jest

skwantowany

skwantowany

w przestrzeni.

w przestrzeni.

Wzgl

ę

dem danego kierunku z dozwolone s

ą

jedynie pewne ustawienia

Wzgl

ę

dem danego kierunku z dozwolone s

ą

jedynie pewne ustawienia

wektora L. Gdy l = 2, kwantyzacja przestrzenna wektora orbitalne

wektora L. Gdy l = 2, kwantyzacja przestrzenna wektora orbitalne

go

go

momentu

momentu

pedu

pedu

daje składowe

daje składowe

Lz

Lz

= 0h, +/

= 0h, +/

-

-

1h, +/

1h, +/

-

-

2h.

2h.

z z z z z z

2h

2h

1h

1h

0h

L

L

L

L

L

a b c d

e

m=2

m=1

m=0

m=-1

m=-2

W znaczeniu fizycznym magnetyczna liczba kwantowa m

W znaczeniu fizycznym magnetyczna liczba kwantowa m

okre

ś

la niewielkie ró

ż

nice energetyczne pomi

ę

dzy

okre

ś

la niewielkie ró

ż

nice energetyczne pomi

ę

dzy

elektronami o tej samej liczbie kwantowej n i l oraz

elektronami o tej samej liczbie kwantowej n i l oraz

wzajemne ustawienie si

ę

wzajemne ustawienie si

ę

orbitali

orbitali

w przestrzeni pod

w przestrzeni pod

wpływem zewn

ę

trznego pola magnetycznego.

wpływem zewn

ę

trznego pola magnetycznego.

Przy braku zewn

ę

trznego pola magnetycznego

Przy braku zewn

ę

trznego pola magnetycznego

orbitale

orbitale

nie

nie

maj

ą

okre

ś

lonego kierunku w przestrzeni i nie ró

ż

ni

ą

si

ę

maj

ą

okre

ś

lonego kierunku w przestrzeni i nie ró

ż

ni

ą

si

ę

energi

ą

, s

ą

zatem zdegenerowane. Degeneracja oznacza

energi

ą

, s

ą

zatem zdegenerowane. Degeneracja oznacza

istnienie dwóch lub wi

ę

cej ró

ż

nych stanów o tej samej

istnienie dwóch lub wi

ę

cej ró

ż

nych stanów o tej samej

energii. Stany p s

ą

trzykrotne, stany d

energii. Stany p s

ą

trzykrotne, stany d

-

-

pi

ę

ciokrotne, a

pi

ę

ciokrotne, a

stany f

stany f

-

-

siedmiokrotnie zdegenerowane.

siedmiokrotnie zdegenerowane.

Liczba m mo

ż

e przyjmowa

ć

(2l + 1) warto

ś

ci.

Liczba m mo

ż

e przyjmowa

ć

(2l + 1) warto

ś

ci.

m =

m =

-

-

l,

l,

-

-

(l

(l

-

-

1), ......

1), ......

-

-

1, 0, +1, .......,+(l

1, 0, +1, .......,+(l

-

-

1) +l

1) +l

8

SPINOWA LICZBA KWANTOWA

SPINOWA LICZBA KWANTOWA s –okre

ś

la kierunek wirowania

elektronu wokół własnej osi. Mo

ż

e przyjmowa

ć

tylko dwie

warto

ś

ci

±

±

1/2

1/2.

Rys.

Rys.

Spinowy moment p

ę

du elektronu przestrzennie

Spinowy moment p

ę

du elektronu przestrzennie

skwantowany

skwantowany

,

,

-

-

wzgl

ę

dem pola magnetycznego B ma tylko dwa

wzgl

ę

dem pola magnetycznego B ma tylko dwa

dozwolone ustawienia.

dozwolone ustawienia.

ϕ

z

B

+1/2 h

Spin skierowany w gór

ę

ϕ

z

B

-1/2 h

Spin skierowany w dół

Stany kwantowe w atomie

Stany kwantowe w atomie

wieloelektronowym

wieloelektronowym

9

STRUKTURA ELEKTRONOWA ATOMÓW

Ka

ż

dy z pierwiastków ma charakteryzuj

ą

c

ą

go liczb

ę

elektronów. Elektrony

wypełniaj

ą

struktur

ę

atomu według rosn

ą

cego poziomu

energetycznego poszczególnych warstw i powłok elektronowych.
Najpierw zapełniaj

ą

si

ę

warstwy o najni

ż

szych poziomach energetycznych.

Poziomy
energetyczne
elektronów
nale

żą

cych do

kolejnych powłok i
warstw
elektronowych
atomów.

O własno

ś

ciach chemicznych pierwiastków decyduj

ą

przede

wszystkim

elektrony walencyjne (warto

ś

ciowo

ś

ci

elektrony walencyjne (warto

ś

ciowo

ś

ci

)

) znajduj

ą

ce si

ę

w warstwach

s i p

s i p

.

.

Elektrony te bior

ą

udział w tworzeniu cz

ą

steczek.

Pierwiastki mo

ż

na podzieli

ć

na

-

-

elektrododatnie

elektrododatnie -ich atomy maj

ą

mniej ni

ż

cztery elektrony

walencyjne,w pewnych warunkach mog

ą

traci

ć

elektrony staj

ą

c

si

ę

jonami dodatnimi. Nale

żą

do nich głównie metale.

-

-

elektroujemne

elektroujemne - ich atomy maj

ą

wi

ę

cej ni

ż

cztery elektrony

walencyjne, w pewnych warunkach mog

ą

przył

ą

cza

ć

elektrony

staj

ą

c si

ę

jonami ujemnymi. Nale

żą

do nich głównie dielektryki.

Bardzo trwałymi układami, nie oddaj

ą

cymi i nie przył

ą

czaj

ą

cymi

elektronów s

ą

atomy pierwiastków, w których warstwy s i p

Zewn

ę

trznych powłok s

ą

całkowicie zapełnione. Elektrony w tych

warstwach tworz

ą

tzw.

oktet elektronowy (2+6=8 elektronów).

oktet elektronowy (2+6=8 elektronów).

Tak

ą

struktur

ą

charakteryzuj

ą

si

ę

gazy szlachetne,

które s

ą

nieaktywne chemicznie.