ΥΛΙΚΑ ΠΑΡΟΝ ΚΑΙ ΜΕΛΛΟΝ

ΥΛΙΚΑ ΠΑΡΟΝ ΚΑΙ ΜΕΛΛΟΝ Ι Ατομική δομή ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΚΡΗΤΗΣ ΤΜΗΜΑ ΕΠΙΣΤΗΜΗΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΛΙΚΩΝ Άτομο Δομή - συστατικά Τα άτομα είναι οι βασικές δομικές μονάδες της ύλης Σ ένα ηλεκτρικά ουδέτερο άτομο το θετικό φορτίο του πυρήνα (που οφείλεται στα πρωτόνια) εξουδετερώνεται από το αρνητικό φορτίο των ηλεκτρονίων Άτομο Πρωτόνια Φορτίο: + Μάζα:.00 Νετρόνια Φορτίο: 0 Μάζα:.00 Ηλεκτρόνια Φορτίο: - Μάζα: 0.000 ~ 0. nm.6 fm Όλα τα στοιχεία εκτός του Υδρογόνου έχουν τουλάχιστον τόσα νετρόνια στον πυρήνα τους όσα και πρωτόνια. Πρωτόνια Νετρόνια Ηλεκτρόνια Φορτίο (C): +.60 0-9 0 -.60 0-9 Μάζα (Kg):.6 0-2 ~.6 0-2 9. 0 -

Ατομικός Μαζικός αριθμός Ιδιότητες υλικών Άτομο Μαζικός αριθμός Αριθμός πρωτονίων + νετρονίων 2 C 6 Ατομικό βάρος Σταθμισμένη μέση τιμή των ατομικών μαζών των φυσικών ισοτόπων του a.m.u. = /2 2 C Άτομο Πυρήνας Ατομική μάζα Πυκνότητα Σκεδασμός νετρονίων Ηλεκτρόνια Δεσμοί Χημικές Ιδιότητες Μηχανικές Ιδιότητες Ατομικός αριθμός Z Ηλεκτρικές Ιδιότητες Αριθμός πρωτονίων Θερμικές Ιδιότητες Αριθμός ηλεκτρονίων = Αριθμός πρωτονίων Δημόκριτος, Άβδηρα Θράκη 400 π.χ. Άτομο Ηλεκτρονικό νέφος Κατανομή στον χώρο Ενέργεια Ηυποδιαίρεση της ύλης δεν μπορεί να είναι ατελείωτη! Υπάρχειμόνοτοκενόκαιτα αιώνια, αναλείωτα άτομα σε αέναη κίνηση Το ηλεκτρονικό νέφος γύρω από τον πυρήνα, καθορίζει την ικανότητα του ατόμου να προσλαμβάνει ή να χάνει ηλεκτρόνια δηλαδή να ιονίζεται Άτομο = δεν τέμνεται σκληρή σφαίρα 2

Dalton, ~0 μ.χ. Thomson, 9. Μοντέλο σταφιδόψωμου H ύλη αποτελείται από μικρά αόρατα σωματίδια, τα άτομα Όλα τα άτομα του ίδιου στοιχείου είναι ίδια. Άτομα διαφορετικών στοιχείων είναι διαφορετικά Χημικές ενώσεις δημιουργούνται όταν διαφορετικά άτομα συνδυάζονται σε διάφορες αναλογίες Οι καθοδικές ακτίνες είναι φορτισμένα σωματίδια με αναλογία μάζας/φορτίου 000 φορές μικρότερη από αυτή του φορτισμένου ατόμου υδρογόνου Τα σωματίδια αυτά είναι υποδιαιρέσεις του ατόμου, είναι μοναδικά και ίδια για όλα τα άτομα! Τα άτομα δεν δημιουργούνται, αλλοιώνονται ή καταστρέφονται κατά τις χημικές αντιδράσεις το άτομο τέμνεται! The Nobel Prize in Physics 906 Rutherford (90) : Μοντέλο μικρού ηλιακού συστήματος In recognition of the great merits of his theoretical and experimental investigations on the conduction of electricity by gases" Sir Joseph John Thomson Great Britain Cambridge University Cambridge, Great Britain 6-940 Το μοντέλο του Thomson δεν είναι σωστό! Τα άτομα είναι κατά το μεγαλύτερο μέρος άδεια! Τα άτομα έχουν ένα συμπαγή, βαρύ, θετικά φορτισμένο πυρήνα και τα αρνητικά φορτισμένα ηλεκτρόνια περιφέρονται γύρω του! Πείραμα Geiger-Marsden

Bohr (9) The Nobel Prize in Chemistry 90 "for his investigations into the disintegration of the elements, and the chemistry of radioactive substances" Ernest Rutherford Great Britain Victoria University Manchester, Great Britain - 9 Τα ηλεκτρόνια βρίσκονται σε συγκεκριμένα τροχιακά με ορισμένη ενέργεια! Εκπομπή ακτινοβολίας μόνο με κβαντικό άλμα από την μια στάθμη στην άλλη! Εσωτερικά τροχιακά: χαμηλή ενέργεια Εξωτερικά τροχιακά: υψηλή ενέργεια n m R E ~ -.6 ev The Nobel Prize in Physics 922 "for his services in the investigation of the structure of atoms and of the radiation emanating from them" Niels Henrik David Bohr Denmark Copenhagen University Copenhagen, Denmark - 962 Heisenberg (92): Αρχή της αβεβαιότητας Όσο ακριβέστερα καθορίζεται ηθέση, τόσο πιο αβέβαια γίνεται η ορμή την ίδια στιγμή, και αντιστρόφως! Δx Δp 4

The Nobel Prize in Physics 92 "for the creation of quantum mechanics, the application of which has, inter alia, led to the discovery of the allotropic forms of hydrogen" Werner Karl Heisenberg Germany Leipzig University Leipzig, Germany 90-96 Σωματίδια Έχουν ορμή Σκεδάζονται Κύματα ή σωματίδια; Ηλεκτρόνια Κύματα Δεν είναι εντοπισμένα Περιθλώνται από εμπόδια Κβαντομηχανική (Quantum mechanics) Κυματοσυνάρτηση (wave function) Εξίσωση Schrödinger Δυναμικό (potential) Πυκνότητα πιθανότητας να βρούμε το σωματίδιο στην θέση r Κβαντομηχανική (Quantum mechanics) Tα ηλεκτρόνια που περιβάλουν τον πυρήνα μπορούν να περιγραφούν σαν ενεργειακά κύματα με συγκεκριμένο πλάτος και μήκος κύματος. Τα χαρακτηριστικά των ηλεκτρονικών κυμάτων δίνονται από τη λύση της εξίσωσης Schrödinger. Για τα ηλεκτρόνια του ατόμου μόνο συγκεκριμένα μήκη κύματος, ενέργειες και πλάτη ικανοποιούν την εξίσωση Schrödinger Oι έγκυρεςλύσειςτηςεξίσωσης Schrödinger ταξινομούνται με βάση ακέραιους αριθμούς και έναν ακόμη αριθμό που μπορεί να είναι ή /2 ή +/2 Οιαριθμοίαυτοίείναιοικβαντικοί αριθμοί του ηλεκτρονίου, που λέγονται n, l, m, και spin.

Κβαντομηχανική (Quantum mechanics) Κύριος κβαντικός αριθμός n:, 2, Ενέργεια του ηλεκτρονίου Απόσταση από τον πυρήνα Μοντέλο Bohr: n = 2 n = 2 4 Ονομάζεται και ηλεκτρονική στοιβάδα K L M N O Κβαντομηχανική (Quantum mechanics) Κβαντικός αριθμός στροφορμής : 0,, 2, (n-) 0 Στροφορμή του ηλεκτρονίου 2 Σχήμα του ηλεκτρονικού νέφους 4 s p d s p d f g h Κβαντομηχανική (Quantum mechanics) Μαγνητικός κβαντικός αριθμός m: -,, 0,, + Ενεργειακές στάθμες της υποστοιβάδας Τροχιακό s p d f g Σχέση μεταξύ κβαντικών αριθμών Τιμές l=0, m=0 l=, m=-, 0, + l=2, m=-2, -, 0, +, +2 l=, m = -, -2, -, 0, +, +2, + l=4, m = -4, -, -2, -, 0, +, +2, +, +4 Αριθμός τιμών για το m Απουσία μαγνητικού πεδίου οι στάθμες δεν διαχωρίζονται 9 Κβαντομηχανική (Quantum mechanics) Spin (Ιδιοστροφορμή) s: 6

Κβαντομηχανική (Quantum mechanics) Τροχιακά Πώς γίνεται η πλήρωση των ηλεκτρονικών στοιβάδων ; Απαγορευτική αρχή του Pauli Στοίδιοάτομοδενμπορούνναυπάρξουν2 ηλεκτρόνια με κοινούς και τους 4 κβαντικούς αριθμούς. spin m n Διαθέσιμες στάθμες 2 2 (2 +) 2 n 2 He Ενέργειες τροχιακών Οι στιβάδες και τροχιακά χαμηλότερης ενέργειας συμπληρώνονται πρώτα s 2s 2p s p d 4s 4p 4d 4f s p d f

Θεμελιώδης κατάσταση των 0 πρώτων ατόμων Ηλεκτρόνια σθένους H He Li Be B C N O F Ne s 2s 2p x 2p y 2p z s p x p y p z Τα ηλεκτρόνια της εξωτερικής στιβάδας κάθε ατόμου λέγονται ηλεκτρόνια σθένους Με αυτά τα ηλεκτρόνια αλληλεπιδρά το άτομο με το περιβάλλον του. Ιονισμός προσθήκη ή αφαίρεση ηλεκτρονίων σθένους. Οι δεσμοί μεταξύ ατόμων γίνονται με αλληλεπιδράσεις των ηλεκτρονίων σθένους Η ηλεκτρική και θερμική αγωγιμότητα των μετάλλων οφείλεται στα ηλεκτρόνια σθένους Διαμορφώσεις Διαμορφώσεις Ευγενών αερίων Τα s, p τροχιακά της εξωτερικής στοιβάδας είναι συμπληρωμένα, ενώ τα τροχιακά όλων των μικρότερων στοιβάδων είναι συμπληρωμένα Συμπληρωμένα d τροχιακά Συμπληρωμένα τα d τροχιακά ενώ τα s, p τροχιακά της αμέσως επόμενης στοιβάδας είναι κενά [Sn] +4 : [Kr] 4d 0 πιο σταθερό από [Sn] +2 : [Kr] 4d 0 s 2 Ημισυμπληρωμένα d ή p τροχιακά ηλεκτρόνια σε d τροχιακά ή ηλεκτρόνια σε p τροχιακά [Fe] + : [Ar] d πιο σταθερό από [Fe] +2 : [Ar] d 6 Συμπληρωμένα s τροχιακά Συμπληρωμένο το τροχιακό s

Περιοδικός πίνακας των στοιχείων οι ρωμαϊκοί αριθμοί δίνουν το σθένος Περιοδικός πίνακας των στοιχείων Στοιχεία της ίδιας στήλης (ομάδας ή οικογένειας) έχουν τον ίδιο αριθμό ηλεκτρονίων σθένους Τα ηλεκτρόνια σθένους είναι τα ηλεκτρόνια που αλληλεπιδρούν με τον «έξω κόσμο» Τα στοιχεία της ίδιας ομάδας έχουν παρόμοιες ιδιότητες! Εξωτερικάτροχιακάστονπεριοδικόπίνακα Ηλεκτρονική δομή αλογόνων (ομάδα VII) Περιοδικός πίνακας των στοιχείων Αμέταλλα Μέταλλα Εξωτερικά τροχιακά κυρίως p κυρίως s, d, ή f (λανθανίδες-ακτινίδες) Περιοδικός πίνακας των στοιχείων 2 2 2 2 2 2 Έχουν ηλεκτρόνια σθένους Δέκτες ηλεκτρονίων Αμέταλλα 4 2 6 n 9

Ηλεκτρονική δομή αλκαλικών μετάλλων (ομάδα Ι) Ηλεκτρονική δομή ευγενών αερίων (ομάδα VIII) Περιοδικός πίνακας των στοιχείων 2 2 2 2 2 2 2 Έχουν ηλεκτρόνιο σθένους Δότες ηλεκτρονίων Μέταλλα 4 2 6 n Περιοδικός πίνακας των στοιχείων 2 4 2 2 2 2 2 2 2 Αδρανή στοιχεία Συμπληρωμένη εξωτερική στοιβάδα 6 n 0