STRUKTURA ATOMA IN PERIODNI SISTEM ELEMENTOV

Transcript

1 4. STRUKTURA ATOMA IN PERIODNI SISTEM ELEMENTOV

2 STRUKTURA ATOMA IN PERIODNI SISTEM ELEMENTOV V začetku 19. st. (Dalton) so domnevali, da je atom najmanjši in nedeljivi delec snovi. Že Faraday (1834) je zaslutil povezavo med električnimi pojavi in snovjo (atomi). Tako so 1891 uvedli kot najmanjši delec elektrike elektron (grško = smola jantar, ki se naelektri ob drgnjenju). Tako so šele koncem 19. stoletja odkritja v fiziki pripomogla k spoznanju, da atom ni najmanjši delec snovi.

3 1. Študij pojavov v katodni cevi (Thomson) katoda anoda kondenzator katodni žarki Shema katodne cevi; odklon katodnih žarkov v električnem polju Katodni žarki se širijo premočrtno od katode k anodi. Če curek žarkov spustimo skozi luknjico v anodi na fluorescentni zaslon, se to svetlika. Ti žarki se odklanjajo v električnem in magnetnem polju. So negativno nabiti.

4 reža svetlikajoče ozadje katoda anoda viden katodni žarek

5 luknja v katodi kanalski žarki katoda katodni žarki anoda V katodni cevi s preluknjano katodo nastanejo + nabiti žarki, ki se gibljejo nasprotno kot katodni žarki.

6 2. Odkritje pojava v Geisslerjevi cevi katoda anoda črpalka Pri normalnem tlaku so plini izolatorji. Če v Geisslerjevi cevi znižamo tlak na 10 do 100 Pa, plini začno prevajati tok, pojavi se svetloba, značilna za določen plin. Iz te cevi so se danes razvile fluorescentne svetilke. Pojav prevodnosti in nastanka svetlobe razložimo z razpadom molekul plina pod vplivom električnega polja na + in delce. Ti povzročijo na račun trkov razpad drugih nevtralnih delcev. delci se gibljejo proti + polu cevi, + delci proti polu cevi. Svetloba nastane zaradi trkov + in delcev.

7

8 3. Odkritje rentgenskih žarkov (X-žarki) rentgenski žarki katoda anoda Kovinska anoda, na katero pada snop katodnih žarkov (elektronov), seva žarke z veliko energijo. Röntgen jih je imenoval X-žarki. Danes jih imenujemo rentgenski žarki. V električnem in magnetnem polju se ne odklanjajo in so zelo prodorni.

9

10 4. Odkritje radioaktivnosti Becquerel je slučajno odkril, da nek uranov mineral sam od sebe oddaja žarke z veliko energiji. Pojav je imenoval radioaktivnost. P. in M. Curie sta leta 1889 v tem mineralu odkrila dva do takrat neznana radioaktivna elementa: polonij in radij. Leta 1903 je Rutherford odkril, da gre za 3 vrste radioaktivnih žarkov. radioaktivni material fotografska plošča ohišje iz svinca so helijevi ioni He 2+ - torej + nabiti (kanalski žarki, če je v cevi He) β so elektroni - torej nabiti (katodni žarki) valovanje z manjšo (večjo energijo) od rentgenskih žarkov

11 alfa, beta, gama, papir aluminij svinec

12 5. Spektroskopski eksperimenti a) Trdna telesa kontinuirni spektri žarnica (bela svetloba) zrcalo zaslon z režo zaslon optična prizma zaslon

13 b) Plinaste snovi črtasti spektri (atomski spektri) zaslon z režo zaslon optična prizma Geisslerjeva cev z vodikom zaslon

14

15 Valovna dolžina (meter) atom virus bakterija prah bucika noht človek žarki Xžarki ultravijolično infrardeče IR mikrovalovi radijski valovi Frekvenca (hertz) vidna svetloba

16 Spekter elektromegnetnega valovanja in vidni spekter visoka energija nizka energija frekvenca narašča s padajočo valovno dolžino valovna dolžina narašča s padajočo frekvenco kozmični žarki gama žarki X žarki UV VIS IR mikrovalovi radar TV, FM AM radijski valovi dolgi radijski valovi majhna valovna dolžina (visoka frekvenca) velika valovna dolžina (nizka frekvenca) vidni spekter

17

18

19 SNOV ATOM JEDRO PROTON LEPTONI + KVARKI lahko se prosto gibljejo so v večjih delcih FERMIONI elektron nevtrino elektron down (proton ima 1 nevtron 2) up (proton ima 2 nevtron 1) muon nevtrino strange charm muon tau nevtrino tau beauty top naboj 1 naboj 0 naboj +2/3 ali -1/3 BOSONI foton elektromag. sila gluon močna sila med kvarki Z in W + in - šibka sila graviton ga še niso odkrili gravitac. sila fermioni so leptoni in kvarki; večina teh delcev je ob Big Bang-u že obstajala bosoni - delci, ki omogočajo prenos interakcij

20

21 pred s je bilo vesolje milijardo milijardkrat manjše od protona gostota in temperatura sta bili nepojmljivo veliki, več ne vemo po s se loči gravitacijska sila, ki v začetku privlači delce, nato pa je sila med nebesnimi telesi bosona kot gravitacijske sile še niso odkrili po s se pojavi močna sila, ki deluje med kvarki in na zelo male razdalje; kasneje bo družila delce v jedru njeni povezovalni delci so bosoni; istočasno nastanejo elementarni delci (kvarki in leptoni) po s se je vesolje dovolj ohladilo, da se pojavita elektromagnetna sila in šibka (radioaktivna) - tedaj je vesolje še milijardo milijonkrat gosteje od atomskega jedra tedaj se konča zgodovina sil in začne zgodovina snovi po 10-6 s se kvarki povežejo v protone in nevtrone po 3 min se protoni in nevtroni že lahko združijo v jedro helija let kasneje jedra pritegnejo elektrone in nastanejo prvi atomi (H, He, D) tedaj se fotoni lahko osvobodijo (prej so bili vključeni v jedrske reakcije) in odpotujejo po vesolju (to je fosilno žarčenje), ki je lahko prodrlo skozi to gosto materijo nato se rodijo galaksije, zvezde, planeti, atomi, itd.

22 atom je sposoben sprejeti le valovanje s točno določeno energijo in to tudi oddajati. rezultat teh raziskovanj je poznavanje zgradbe atoma. Glavni sestavni delci atoma: atom nevtralen masa atoma H=1,66x10-27 kg radij = 5,3 x10-11 m volumen = 6,2 x10-31 m 3 + nabito jedro elektroni - nabiti protoni nevtroni + nabiti nevtralni relativna masa = 1,66x10-27 kg relativna masa = 1,008 naboj + 1 el. enot (1,6 x10-19 As) brez naboja število protonov je VRSTNO ŠTEVILO NUKLEONI število nukleonov je MASNO ŠTEVILO (predstavlja relativno maso atoma) V atomu je št. elektronov = št. protonov, zato je atom nevtralen.

23 prostor, ki ga zavzemajo negativno nabiti elektroni približno m proton (pozitivno nabit) nevtron (brez naboja) približno m

24 V atomu je št. elektronov = št. protonov, zato je atom nevtralen. Število protonov je lahko različno od števila nevtronov. IZOTOPI - atomi istega elementa z različno relativno atomsko maso. Torej: št. protonov je enako, število nevtronov je različno. 1 1H 2 1H 3 1H vodik devterij tricij 16 8O 17 8O 18 8O IZOBARI - atomi različnih elementov, ki imajo isto masno število (vendar različno vrstno število oz. število protonov) Zn 42Mo 44Ru

25 Jedrske reakcije Med atomskimi jedri prihaja do jedrskih reakcij. Tako je leta 1919 Rutherford dušik obstreljeval z -žarki in dobil kisik N + 2He 8O H od vseh jedrskih reakcij je najpomembnejša RADIOAKTIVNOST radioaktivnost to je spontan razpad nestabilnih jeder na bolj stabilne produkte če oddaja element -žarke, nastane novi element z vrstnim številom, ki je za 2 manjše (torej element, ki je v periodnem sistemu za dve mesti v levo) Ra 86Rn He -žarki

26 Razpolovna doba je čas, v katerem razpade polovica atomov. nevtron

27 para parna turbina izhod elektrike kontrolne palice kondenzator (para iz turbine se kondenzira) gorilni elementi 38 C reaktor reka voda 27 C črpalka parni generator črpalka

28

29

30 Zgodovina atoma stara Grčija Democritus I. Newton J. Dalton M. Faraday J. Plucker D. Mendelejev J.C. Maxwell G.J. Stoney W. Crookes E. Goldstein W. Roentgen H. Becquerel J.J. Thomson E. Rutherford M. Curie Snov je sestavljena iz drobnih delcev, ki si jih ni mogoče zamisliti in jih ni mogoče dalje deliti. Imenoval jih je nedeljivi - atomi. Predlaga prazen prostor, v katerem se gibljejo majhni trdni delci, ki imajo neko maso. Predlaga "atomsko teorijo" s sferičnimi trdnimi delci (atomi), ki jim lahko izmerimo maso. Raziskuje vpliv električnega toka v raztopinah, predlaga pojem "elektroliza" - izločanje (delitev) molekul s pomočjo električnega toka, razvije zakone elektrolize. Izdela prvo cev za razelektrenje plinov ("cathode ray tube" - CRT). Razvrsti elemente v 7 skupin s podobnimi lastnostmi. Odkrije, da so lastnosti elementov "periodične funkcije njihovih atomskih mas". Električno in magnetno polje se nahajata v praznem prostoru. Elektrika nastaja zaradi nepovezanih negativno nabitih delcev, ki jih je poimenoval "elektroni". Odkriti katodni žarki imajo naslednje lastnosti: potujejo v ravni črti od katode; povzročajo svetlikanje stekla; v električnem in magnetnem polju se odklanjajo in imajo negativen naboj. Uporablja CRT za raziskovanje "kanalskih žarkov", ki imajo električne in magnetne lastnosti nasprotne od elektrona. Pri uporabi CRT opaža, da nekatere kemikalije v bližini "žarijo". Eksperiment pokaže, da se del žarkov ne odklanja v magnetnem polju - poimenuje jih "X-žarki". Med raziskovanjem vpliva X-žarkov na film opazi, da nekatere kemikalije spontano razpadejo in pri tem oddajajo zelo prodorne žarke. Uporabi CRT za eksperiment, s katerim določi razmerje naboja in mase elektrona (e/m) = 1, coulomb/gram. Odkrije povezavo med kanalskimi žarki in protonom H +. Raziskuje žarke, ki jih oddajata uran in torij ter jih poimenuje alfa- in beta-žarki. Raziskuje uran in torij ter poimenuje spontani proces razpada "radioaktivnost". Z možem Pierrom odkrijeta radioaktivna elementa polonij in radij.

31 M. Planck M. Nagaoka D. Abegg R.A. Millikan E. Rutherford H.G.J. Moseley N. Bohr M. Heisenberg E. Schroedinger J. Chadwick O. Hahn, L. Meitner, H. Strassman G. Seaborg E. Fermi Uporabi zamisel o kvantu (nepovezana enota energije) pri razlagi vroče žareče snovi. Postavljen "Saturnov model" atoma s ploščatimi obroči elektronov, ki se vrtijo okrog pozitivno nabitega delca. Odkrije, da imajo žlahtni plini stabilno elektronsko konfiguracijo, kar povzroča njihovo kemijsko neaktivnost. S poskusom "s padajočo kapljico olja" je določil naboj (e= coulomb) in maso (m = gram) elektrona. Na kovinske lističe je usmeril alfa-delce, ki so nastajali pri radioaktivnem razpadu. Pri prehodu alfa-delca skozi listič, ostane pozitiven naboj pri miru, alfa-delec pa se odkloni tem bolj, čim večja je sila pozitivnega naboja nanj. S poskusi s katodno cevjo ugotovi naboj jedra atoma: "atomsko število elementa je enako številu protonov v jedru". Po tem so elemente v periodnem sistemu razvrstili po naraščajočem atomskem številu. Elektron se v vodikovem atomu ne more gibati okoli jedra po katerem koli tiru, ampak samo po tiru z enim od določenih radijev. Atom pri prehodu z večjega tira na manjši tir izseva natanko en foton. Izsevani foton prevzame razliko energije med obema tiroma. Opiše atome z množico enačb, vezanih s frekvenco spektralnih črt; vpelje pojem "načela nedoločenosti". Vidi elektrone kot povezane v oblake; vpelje pojem "valovne mehanike" kot matematični model atoma. S pomočjo poskusov z alfa-delci odkrije nevtralne delce v atomu - nevtrone. S poskusi dokažejo, da težki elementi pri obstreljevanju razpadejo v nestabilne produkte; cepitev jedra; verižna reakcija. Sintetizira 6 transuranskih elementov; predlaga spreminjanje periodnega sistema. Izvede prvo kontrolirano verižno reakcijo v reaktorju v Chicagu.

32 Modeli zgradbe atoma J.J. Thomson: V njegovem modelu elektroni več ne mirujejo, ampak vsi elektroni na enem krogu enakomerno krožijo. elektroni kot rozine v potici v pozitivnem naboju enakomerno porazdeljen pozitiven naboj Model atoma, kjer so elektroni enakomerno razporejeni v pozitivnem naboju, imenujemo Thomsonov model atoma.

33 Thomsonov model atoma elektron enakomerno porazdeljen pozitiven naboj

34 Ernest Rutherford: Nekaj je bilo narobe s starim modelom atoma. Potrebno ga je bilo popraviti. V Rutherfordovem modelu je ves pozitiven naboj skoncentriran v jedru, ki je nekaj desettisočkrat manjše od atoma vodika. Elektroni krožijo okoli tega jedra. + - Pozitivno jedro. Negativen elektron. Če bi bilo jedro veliko 1mm, bi elektron krožil okoli jedra na razdalji 100 m.

35 Rutherfordov model atoma elektron (-) helijev atom proton (+) nevtron (0) jedro masa elektrona je 1/2000 mase protona elektronske orbitale masa protona je enaka masi nevtrona

36 Rutherfordov model atoma

37 Niels Bohr je bil med prvimi, ki je spoznal pomen atomskega jedra. Trdil je, da je atome potrebno opisati z novimi zakoni, ker stari ne ustrezajo. Elektron se v vodikovem atomu ne more gibati okoli jedra po katerem koli tiru, ampak samo po tiru z enim od določenih radijev. Če se giblje po takšnem tiru, elektron NE SEVA! Elektron seva samo, ko preide z večjega tira na manjši! foton Atom pri prehodu z večjega tira na manjši tir izseva natanko en foton. + Izsevani foton prevzame razliko energije, ki ustreza večjemu tiru, in tisto, ki ustreza manjšemu tiru.

38 Bohrov model atoma hitrost, v elektron: masa, m e naboj, -e polmer, r jedro: naboj, Z e

39 Novo teorijo za gibanje elektronov - kvantno mehaniko sta v med obema vojnama postavila fizike Werner Heisenberg in Erwin Schroedinger. Schrödinger je opisal gibanje elektrona v vodikovem atomu (v jedru 1 proton, okoli 1 elektron) z valovno enačbo rešitve te valovne enačbe so valovne funkcije orbitale: to so prostorska območja, kjer je 95% verjetnosti, da se bo nahajal elektron zasedena je lahko z največ dvema elektronoma, ki pa morata imeti nasprotno usmerjen spin orbitala ima lastno obliko, energijo in tudi določeno smer - določajo jo tri kvantna števila n = glavno kvantno število in določa velikost orbitale (1,2,3 n) l = stransko kvantno število in določa obliko orbitale (kroglasta, ročkasta ) (l = 0,1,2, n-1) m = magnetno kvantno število in določa orientacijo orbitale v prostoru (m = od l do +l) s = spinsko kvantno število (vrtenje okoli lastne osi) (s = +1/2 ali 1/2)

40 Werner Heisenberg in Erwin Schrödinger in tako Schrödingerjeva enačba dobi obliko: izven škatle, v škatli izven škatle, ali ali ali ali Tako enostavno U(x,y,z) lahko ločimo Če zapišemo enačbo za delce v 3D škatli: in valovno funkcijo ločimo v produkt treh funkcij: vodik

41

42

43 yz ravnina xz ravnina xy ravnina

44

45

46 1s 2s 3s 2p x 2p y 2p z

47 2p x 2p y 2p z 3d xz 3d yz 3d xy 3d x 2 -y 2 3d z 2

48 energija orbital s < p < d < f na isti obli lupina ali obla je skupina orbital z istim glavnim kvantnim številom 3d M (n = 3) 3p podlupina ali podobla je skupina orbital z enakim stranskim kvantnim številom 3s včasih oble označujemo s črkami energija L (n = 2) 2p 2s n ustrezna črka K L M N O P Q K (n = 1) lupina 1s podlupina orbitale

49 energija

50 energija (kj/mol)

51 energija

52 preskakovanje elektronov na notranje oble z emisijo energije elektron v atomu ne more imeti poljubne energije, ampak čisto določeno - zato govorimo o energijskih nivojih elektron pa lahko prehaja iz notranjih na zunanje oble ob absorpcije energije - takšno stanje je vzbujeno in je nestabilno Elektroni so razporejeni v orbitalah po treh pravilih:

53 1. Paulijev princip: v atomu ne moreta niti 2 elektrona imeti enakih vseh štirih kvantnih števil n l m s št. elektronov na podlupini št. elektronov na lupini ½, -½ ½, -½ ½, -½ 0 ½, -½ 1 ½, -½ ½, -½ ½, -½ 0 ½, -½ 1 ½, -½ ½, -½ -1 ½, -½ 0 ½, -½ 1 ½, -½ 2 ½, -½ 10 18

54

55 Polnjenje orbital

56 2. Elektron zasede vedno tisto orbitalo, da bo imel najnižjo možno energijo. 3. Hundovo pravilo: v osnovnem stanju zasedejo elektroni vedno maksimalno število praznih orbital. elektronska konfiguracija je razporeditev elektronov v elektronski ovojnici Zapis: a) H 1 s 1 število elektronov na orbitali s 1 obla (n=1) orbitala s b) prikaz spina H, He, Li 1s 1 1s 2 1s 2 2s 1

57 Elektronska konfiguracija in periodičnost elementov kemijske lastnosti elementov so posledica zgradbe elektronske ovojnice ugotovili so, da se kemijske lastnosti elementov periodično spreminjajo (posledica Paulijevega in Hundovega pravila) v osnovnem stanju zasedejo elektroni v energijsko enakovrednih orbitalah (npr. v p orbitalah) maksimalno število praznih orbital najprej posamezno in z istim spinom (odboj elektronov!)

58 Npr.: atom C 1s 2 2s 2 2p x 1 2p y 1 2p z 0 ali 1s 2 2s 2 2p x 1 2p y 1 2p z 0 v periodnem sistemu so elementi z analogno elektronsko konfiguracijo zunanje lupine razvrščeni v isto skupino ali vertikalo v glavne skupine so razporejeni elementi, ki se jim polnijo s in p orbitale, v stranske skupine pa elementi, ki se jim polnijo d in f orbitale elementi z nepopolno zasedbo d orbital, so prehodni elementi.

59 Valenčni ni elektroni - Lewis (1916) žlahtni plini

60

61

62

63

64 Mendelejev ali Mayerjev periodni sistem elementov: Elementi razporejeni v 7 period: 3 male (2 elementa ), 8 el. v 2., 8 el. v 3. 3 velike (4. in 5. z 18 elementi, 6. z 32 elementi) sedma perioda je nedokončana Vertikalna razporeditev: v osem vertikal (glavne, stranske skupine in O skupina) zaradi preglednosti so posebej nanizani lantanidi ali redke zemlje in aktinidi (radioaktivni elementi) Lastnosti elementov so periodična funkcija vrstnega števila elementov. vrstno število določa lego elementa v sistemu elementi iste vertikale imajo sorodne lastnosti (I. vertikalo imenujemo alkalijske kovine, tvorijo z vodo baze): 1 Na + H2O NaOH + H 2 isto Li, K, itd... 2

65

66 masno število (p + + n 0 ) vrstno število (p + ) simbol ogljikov atom kisikov atom uranov atom

67 postopno večanje števila elektronov večanje elektronegativnosti enako št. elektronov na zunanji obli alkalijske kovine zemljoalkalijske kovine padanje elektronegativnosti halogeni elementi žlahtni plini Lantanidi Aktinidi

68

69

70 Periodičnost kemijskih lastnosti žlahtni plini praktično ne reagirajo z nobenim elementom - njihova zunanja obla ima 8 elektronov (popolna konfiguracija) v prvih treh vertikalah elementi oddajajo elektrone pri tvorbi spojin (s tem dosežejo konfiguracijo žlahtnega plina) v V., VI. in VII. pa sprejmejo elektrone pri tvorbi spojin (s tem dosežejo elektronsko konfiguracijo žlahtnega plina) valenca elementa je število, ki pove, s koliko atomi vodika ali atomi nekega drugega enovalentnega elementa se lahko veže atom nekega elementa ali zamenja v spojini element spojina valenca O H 2 O 2 Cu Cu 2 O 1 Cu CuO 2 valenca proti H narašča od I. do IV. vertikale LiH, CaH 2, BH 3, CH 4, NH 3, H 2 O, HF valenca proti kisiku narašča od I. do VII. vertikale Na 2 O, MgO, Al 2 O 3, SiO 2, P 2 O 5, SO 3, Cl 2 O 7

71

72 Periodičnost fizikalnih lastnosti atomski radij se v določeni periodi manjša od leve proti desni (od Li do F) - narašča v določeni vertikali (od Li do Ce) ionizacijska energija je energija, ki je potrebna, da atom odda enega ali več zunanjih elektronov in preide v ion proces je endotermen in se imenuje ionizacija; enota je J in ev ionizacijska energija raste z večanjem vrstnega št. elementa oz. z manjšanjem premera atomskega radija elektronska afiniteta je energija, ki se sprošča, ko atom sprejme elektron in se z naraščanjem vrstnega št. periodično spreminja

73

74

75

76

77

78 Tališča

79 Vrelišča

80 Gostote

81 Tališča Ime Diamant Volfram Renij Osmij Tantal Molibden Niobij Iridij Rutenij Hafnij Bor Tehnecij Simbol C W Re Os Ta Mo Nb Ir Ru Hf B Tc Tališče ( C) primerjava - voda: 0 C

82 klor brom jod

83 magnezij natrij