Δημόκριτος: θεωρητική ανάπτυξη της ατομικής θεωρίας. Γενική & Ανόργανη Χημεία

Transcript

1

2 Δημόκριτος: θεωρητική ανάπτυξη της ατομικής θεωρίας Γενική & Ανόργανη Χημεία

3 Κατά τον Εμπεδοκλή τον Ακραγαντίνο τέσσερα στοιχεία καλούνται ρίζες πχ: Νερό Γή Αέρας Φωτιά Σύμφωνα με τον Αριστοτέλη όλη η ύλη αποτελείται από τα τέσσερα αυτά βασικά στοιχεία σε διάφορες αναλογίες. Γενική & Ανόργανη Χημεία

4 Κατά Πλάτωνα Γενική & Ανόργανη Χημεία

5 Ατομικά πρότυπα 1807: Dalton : Μετρήσεις σχετικών μαζών στοιχείων τα οποία ενώνονταν για τον σχηματισμό ενώσεων. Ύπαρξη ατόμων με ορισμένες και χαρακτηριστικές μάζες Γενική & Ανόργανη Χημεία

6 Ο κ. Dalton: Πειραματική Απόδειξη περί υπάρξεως ατόμων Γενική & Ανόργανη Χημεία

7 Πειραματική απόδειξη για την ύπαρξη των ατόμων 4 γρ. Οξυγόνου ενώθηκαν (χημική αντίδραση) με 6 γρ. Μαγνησίου 8 γρ. Οξυγόνου ενώθηκαν με 12 γρ. Μαγνησίου Η Μάζα του οξυγόνου το οποίο αντιδρά είναι ανάλογη με την μάζα του μαγνησίου Γενική & Ανόργανη Χημεία

8 Γενική & Ανόργανη Χημεία

9 Dalton Γέννηση της ατομικής θεωρίας (1803) Οι παραδοχές του Dalton: 1. Κάθε στοιχείο αποτελείται από πολύ μικροσκοπικά σωματίδια, τα άτομα. 2.Τα άτομα ενός στοιχείου είναι μεταξύ τους όμοια. Τα άτομα διαφορετικών στοιχείων διαφέρουν ως προς την μάζα και εν γένει τις ιδιότητές τους. Γενική & Ανόργανη Χημεία

10 Η Ατομική θεωρία του Dalton 3. Τα άτομα ενός στοιχείου δεν είναι δυνατόν να μετατραπούν σε άτομα άλλων στοιχείων σε μια χημική αντίδραση (δηλαδή δεν είναι δυνατόν ο μόλυβδος να γίνει χρυσός..). Τα άτομα ούτε καταστρέφονται ούτε και δημιουργούνται στις χημικές αντιδράσεις. 4. Κατά τον συνδυασμό περισσοτέρων του ενός ατόμων σχηματίζονται ενώσεις. Σε μια ένωση το είδος και ο σχετικός αριθμός των ατόμων των στοιχείων που την αποτελούν είναι ο αυτός. Γενική & Ανόργανη Χημεία

11 Η θεωρία του Dalton εξήγησε αρκετούς νόμους όπως... Ο νόμος των σταθερών αναλογιών Ο νόμος της διατήρησης της ύλης Αλλά και προέβλεψε! Γενική & Ανόργανη Χημεία

12 Ο νόμος των πολλαπλών αναλογιών Τα στοιχεία συνδυάζονται με περισσότερες της μίας αναλογίες με τρόπο ώστε οι λόγοι αυτοί να είναι ακέραιοι αριθμοί ή πολλαπλάσιά τους. Παραδείγματα: H 2 O vs. H 2 O 2. NO NO 2 N 2 O Γενική & Ανόργανη Χημεία

13 GaAs Γενική & Ανόργανη Χημεία

14 Γενική & Ανόργανη Χημεία

15 Τα άτομα Τα άτομα είναι οι δομικοί λίθοι των στοιχείων που συγκροτούν τα στοιχεία Στοιχείο: Η ουσία η οποία αποτελείται από ένα και μοναδικό είδος ατόμων Μέχρι το στοιχεία. 2011:114 Από το στοιχείο 112 παρασκευάσθηκαν μόνον 2 άτομα και ο χρόνος ζωής τους ήταν μερικά εκατομμυριοστά του δευτερολέπτου Γενική & Ανόργανη Χημεία

16 Τα ονόματα των στοιχείων Χαλκός (Copper): Κύπρος Χλώριο: Χλωρός=κιτρινοπράσινος Βανάδιο (όμορφες έγχρωμες ενώσεις) από την Vanadis Σκανδιναυϊκή θεότητα της ομορφιάς Σίδηρος, Λατ. Ferrum : Fe Γενική & Ανόργανη Χημεία

17 Tα ονόματα των στοιχείων Γενική & Ανόργανη Χημεία

18 Περισσότερα σύμβολα των Αλχημιστών..για τα στοιχεία (προαιρετική η εκμάθησή τους ) Γενική & Ανόργανη Χημεία

19 Γενική & Ανόργανη Χημεία

20 Δείγματα συνήθων στοιχείων: Από αριστερά πάνω: Βρώμιο, υδράργυρος, ιώδιο, κάδμιο, ερυθρός φωσφόρος, χαλκός Γενική & Ανόργανη Χημεία

21 Το πυρηνικό άτομο Τα άτομα σύμφωνα με την θεώρηση του Dalton ήσαν ομοιόμορφες σφαίρες Με την βοήθεια της σύγχρονης οργανολογίας δόθηκε απάντηση στο πόσο άτομα ήσαν τα άτομα. Συγκεκριμένα, η απάντηση ήταν ότι τα άτομα απαρτίζονται από υποατομικά σωματίδια: Πρωτόνια, νετρόνια, ηλεκτρόνια Τα πρωτόνια με τα νετρόνια απαρτίζουν τον πυρήνα Τα ηλεκτρόνια περιφέρονται δίκην νέφους περί τον πυρήνα

22 Ο J.J.Tomson

23 Το φαινόμενο των καθοδικών ακτίνων Ο Thomson μελέτησε την δίοδο ηλεκτρικού ρεύματος μέσω αερίων Κατά την δίοδο του ρεύματος δια του αερίου εμφανίστηκαν αρνητικά φορτισμένα σωματίδια.

24 Ο καθοδικός σωλήνας Κάθοδος Καθοδικός σωλήνας Ακροδέκτης καλωδίου Ανοδος στήριγμα Γυάλινο στέλεχος Καθοδικές ακτίνες: Ακτινοβολία η οποία παράγεται σε σωλήνες κενού Και ταξιδεύει από την κάθοδο ( -) προς την άνοδο (+)

25 Μή χειρότερα!!! Απο που μωρέ ξεφύτρωσαν αρνητικά φορτία από ένα αφόρτιστο (ηλεκτρικά ουδέτερο) αέριο::::

26 Ο Thomson συμπέρανε ότι τα αρνητικά φορτία προέρχονταν μέσα από τα άτομα του αερίου. Θα έπρεπε λοιπον να υπάρχουν σωματίδια μικρότερα από τα άτομα Το άτομο ήταν... τμητό! Ο Thomson τα αρνητικά φορτία τα θεώρησε ως σωματίδια, γνωστά σήμερα ως ηλεκτρόνια. Εφ όσον το αέριο ήταν ηλεκτρικά ουδέτερο, προκειμένου να εξηγηθεί η ουδετερότητά του, συμπέρανε ότι θα πρέπει να υπάρχουν θετικά φορτισμένα σωματίδια στα άτομα. Ωστόσο δεν μπόρεσε να τα ανακαλύψει.

27 Η ανακάλυψη τουthomson 1. Οι καθοδικές ακτίνες είναι ανεξάρτητες από το υλικό της καθόδου. 2. Η παρουσία ενός μαγνήτη μπορεί να αλλάξει την πορεία των καθοδικών ακτίνων 3. Λόγος φορτίου:μάζα του ηλεκτρονίου= coulombs/g (Coulomb = μονάδα ηλεκτρικού φορτίου)

28 Το πείραμα του Thomson είναι ο πρόδρομος του φασματογράφου μάζας. Οι φασματογράφοι μάζας μετρούν λόγους μάζας προς φορτίο των σωματιδίων. Γνωρίζοντας την τιμή του λόγου μάζα/φορτίο αρκεί να μετρηθεί το ένα μέγεθος για να υπολογισθεί το άλλο.

29 Πείραμα του Millikan, Nobel Φυσικής

30 Mάζα και φορτίο των ηλεκτρονίων Φορτίο στις σταγόνες λαδιού = n ( C ); n=1, 2, 3, etc C = φορτίο του ηλεκτρονίου. Και η μάζα των ηλεκτρονίων; ~2000 ηλεκτρόνια= μάζα ατόμου του υδρογόνου

31 Το ατομικό πρότυπο του Tomson Θετικά φορτία σε θάλασσα αρνητικού φορτίου (ηλεκτρονίων) Μοντέλο σταφιδόψωμου Θάλασσα ηλεκτρονίων κατιόν

32 Το 1908, Ο Φυσικός Ernest Rutherford δούλευε εντατικά σε ένα πείραμα που εκ πρώτης όψεως δεν έδειχνε να σχετίζεται με την προσπάθεια της ανακάλυψης του μυστηρίου της ατομικής δομής.

33 Τα Πειράματα του Rutherford Χρησιμοποίησε την εργασία της Madame Curie στα ραδιενεργά σωματίδια -- ηλεκτρόνια υψηλής ταχύτητας -- ακτινοβολία (φως), χωρίς φορτίο --ακτίνες α, +2 ηλ. φορτίο φορτισμένοι πυρήνες ατόμων He Ο Rutherford ακτινοβόλησε φύλλα χρυσού με ακτίνες

34 Πειραματική διάταξη των Geiger and Marsden. Τα σωματίδια α προέρχονται από πηγή ραδονίου. Οι αποκλίσεις τους εμετρούντο σαν σπινθηρισμοί κατά την πρόσκρουσή τους σε οθόνη ZnS. Περίπου 1 στα σωματίδια υφίστατο ανάκλαση σε μεγάλες γωνίες(>90 ). Φύλλο χρυσού

35

36

37 Απίστευτο! Σαν να πυροβολείς με κανόνι ένα χαρτομάντηλο με βλήμα 15 ιντσών, και το βλήμα ανακλάται πάνω στο χαρτομάντιλο και σου γυρίζει πίσω Rutherford

38 Υπολογισμός διατομής πυρήνων I Περίπου 1 στα 10 4 σωματίδια με ενέργεια ~ 10 7 ev σκεδάζονταν προς τα πίσω από ένα φύλλο χρυσού πάχους 1 μ Αν η απόσταση μεταξύ των ατόμων ήταν ~ 1 A, αυτό σημαίνει ότι θα έπρεπε να υπάρχουν 10 4 ατομικές στοιβάδες και η πιθανότητα σκέδασης ενός σωματιδίου θα ήταν 10-8 Αυτό σημαίνει ότι η πυρηνική διατομή είναι ένα μέρος στα 10 8 της διατομής του ατόμου Επειδή η επιφάνεια είναι ανάλογη του τετραγώνου της ακτίνας η ακτίνα του πυρήνα θα είναι μικρότερη από την ακτίνα του ατόμου κατά ένα παράγοντα 10-4 Αν λοιπόν η διάμετρος του ατόμου είναι ~ 1 A, η διάμετρος του πυρήνα θα πρέπει να είναι ~ 10-4 A

39 Υπολογισμός διατομής πυρήνων II Το μοντέλο ενός μικρού, θετικά φορτισμένου πυρήνα επιβεβαιώθηκε από την σύγκριση με την γωνιακή κατανομή των σκεπαζόμενων -σωματιδίων Τα προσπίπτοντα σωματίδια- υποτίθεται ότι είναι ομοιόμορφα κατανεμημένα στο χώρο. Οι αρχικές τροχιές που κατευθύνονται προς τους πυρήνες των ατόμων του φύλλου έχουν τυχαίους διαχωρισμούς από τον πλησιέστερο πυρήνα Η πλήρης τροχιά που υπολογίζεται για κάθε απόσταση της γραμμής τροχιάς από το κέντρο του πλησιέστερου πυρήνα δίνει την γωνία σκέδασης Από την κατανομή των αποστάσεων των σωματιδίων από τον θετικά φορτισμένο πυρήνα μπορεί να υπολογισθεί η κατανομή των γωνιών σκέδασης Βρέθηκε συμφωνία με την κατανομή των γωνιών σκέδασης που μετρήθηκαν

40 Ανάπτυξη ατομικού προτύπου από τον Rutherford Σωματίδια α Άτομα χρυσού Πυρήνας Ατόμου χρυσού

41 Το μοντέλο του Rutherford Σύμφωνα με τον Rutherford υπήρχε κάτι (?) το οποίο και ονόμασε πυρήνα, το οποίο περιείχε υψηλή πυκνότητα θετικών φορτίων. Το υπέθεσε αυτό επειδή η ανάκλαση των σωματιδίωνα α θα έπρεπε να οφείλεται στο γεγονός ότι προσέκρουαν σε κάτι συμπαγές και μάλιστα κάτι το οποίο είχε θετικό φορτίο. Έτσι, ο Rutherford πρότεινε ένα διαφορετικό μοντέλο για το άτομο.

42 Σε αντίθεση με το μέχρι τότε αποδεκτό πρότυπο Thomson, σύμφωνα με το οποίο, το θετικό φορτίο και η αντίστοιχη μάζα του ήσαν διάχυτα στο άτομο,διατύπωσε την θεωρία ότι η μάζα ήταν συγκεντρωμένη στο κέντρο του ατόμου. Ο Rutherford, αυτή ακριβώς την περιοχή υψηλής συγκέντρωσης του θετικού φορτίου την ονόμασε πυρήνα του ατόμου. Τα αρνητικά φορτία ήσαν διασκορπισμένα στο εξωτερικό μέρος του ατόμου Ατομικό πρότυπο Rutherford

43 Νομπέλ 1908 Χημείας Ernest Rutherford ( ). Knighted in 1914, Order of Merit in 1924, Baron in Ακτινοβολίες α, β, γ

44 Το μοντέλο Rutherford Πλανητικό μοντέλο Θετικό φορτίο στο κέντρο του ατόμου με όλη την μάζα του ατόμου να είναι συγκεντρωμένη στο θετικό αυτό φορτίο-πυρήνας Ηλεκτρόνια αρνητικό φορτίοcέλκονται προς τον πυρήνα γύρω από τον οποίο περιστρέφονται (δίκην πλανητών περί τον ήλιο λόγω της δυνάμεως 1/r 2 ) Μεγέθη Πυρήνες ~ m (υπολογισμένο από το κλασμα των σωματιδίων τα οποία σκεδάζονται σε γωνίες μεγαλύτερες 90 0 σε φύλλο ορισμένου πάχους) άτομο ~ m (από την πυκνότητα και από τον αριθμό των ατόμων σε ένα mole Αριθμός Avogadro)

45 Προβλήματα με το μοντέλο του Rutherford επειδή τα ηλεκτρόνια κινούνται σε κυκλική τροχιά, συνεχώς επιταχύνονται (παρόλο που η ταχύτητά τους είναι σταθερή) Συνεπώς, τα ηλεκτρόνια εκπέμπουν ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία δια της οποίας απάγεται ενέργεια. Το αποτέλεσμα είναι μείωση της ενέργειας. Η δυναμική ενέργεια του ατόμου μειώνεται με αποτέλεσμα το άτομο να προσεγγίζει συνεχώς τον πυρήνα ( Ze) e E total 8 r 0

46 Σύμφωνα με την κλασσική αντίληψη, το άτομο σύμφωνα με το μοντέλο του Rutherford, δεν είναι σταθερό

47 Προβλήματα του μοντέλου του Rutherford Ένα άλλο πρόβλημα είναι ότι το φάσμα της εκπεμπόμενης ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας θα έπρεπε να είναι συνεχής. Η κλασσική προσέγγιση δίνει την ακόλουθη έκφραση: e 2 c 2 1/ 2 3 3/ 2 3/ m r r Όσο μειώνεται η r, το μήκος κύματος της εκπεμπόμενης ακτινοβολίας μεταβάλλεται συνεχώς, πράγμα που σημαίνει πως το φάσμα εκπομπής των ατόμων των στοιχείων είναι ευρύ και συνεχές (διάχυτο). Αλλά...οι πειραματικά παρατηρούμενες φασματικές γραμμές είναι οξύτατες και δεν αποτελούν ένα συνεχές

48 Ναι μεν...είναι συμβατά τα αποτελέσματα με την παλαιότερη γνώση-δεδομένα; Μπορούν να ερμηνεύσουν και ακόμη να προβλέψουν φαινόμενα; Σε ένα φασματόμετρο το φως το οποίο εκπέμπεται από ένα διηγερμένο άτομο στοιχείου, περνάει μέσα από μια σχισμή, έτσι ώστε να δημιουργηθεί μια στενή δέσμη, και στην συνέχεια από ένα πρίσμα. Το πρίσμα διαιρεί την ακτίνα σε διάφορα χρώματα, τα οποία και καταγράφονται σε φωτογραφική πλάκα. Οι φασματικές γραμμές είναι διάφορες φωτογραφίες της σχισμής.

49