Γενική & Ανόργανη Χημεία

Γενική & Ανόργανη Χημεία 2017-18 1

Η πορεία των υλικών στο χρόνο... Γενική & Ανόργανη Χημεία 2017-18 2

Δείγματα συνήθων στοιχείων: Από αριστερά πάνω: Βρώμιο, υδράργυρος, ιώδιο, κάδμιο, ερυθρός φωσφόρος, χαλκός Γενική & Ανόργανη Χημεία 2017-18 3

Δομή των ατόμων Γιατί χρειάζεται η γνώση αυτού του αντικειμένου; Τα άτομα, είναι κομβικής σημασίας στην εξήγηση των χημικών φαινομένων και κατά συνέπεια είναι ιδιαίτερη η σημασία της γνώσης του τρόπου άντλησης γνώσης για τη δομή τους και για το τί αποκαλύπτει αυτή η γνώση. Γενική & Ανόργανη Χημεία 2017-18 4

Προαπαιτούμενς γνώσεις Πρέπει να είστε εξοικειωµένοι µε την προκαταρκτική συζήτηση για το πυρηνικό πρότυπο των ατόµων Γενική & Ανόργανη Χημεία 2017-18 5

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 Γενική & Ανόργανη Χημεία 2017-18 6

Ο J.J.Tomson Γενική & Ανόργανη Χημεία 2017-18 7

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. Γενική & Ανόργανη Χημεία 2017-18 8

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 (+) Γενική & Ανόργανη Χημεία 2017-18 9

Γενική & Ανόργανη Χημεία 2017-18 10

Μή χειρότερα!!! Απο που μωρέ ξεφύτρωσαν αρνητικά φορτία από ένα αφόρτιστο (ηλεκτρικά ουδέτερο) αέριο:::: Γενική & Ανόργανη Χημεία 2017-18 11

Ο Thomson συμπέρανε ότι τα αρνητικά φορτία προέρχονταν μέσα από τα άτομα του αερίου. Θα έπρεπε λοιπόν 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. Γενική & Ανόργανη Χημεία 2017-18 12

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= 1.76 10 8 coulombs/g (Coulomb = μονάδα ηλεκτρικού φορτίου) Γενική & Ανόργανη Χημεία 2017-18 13

Το πείραμα του Thomson είναι ο πρόδρομος του φασματογράφου μάζας. Οι φασματογράφοι μάζας, είναι όργανα με τα οποία μετρείται ο λόγους μάζας προς φορτίο σωματιδίων. Γνωρίζοντας την τιμή του λόγου μάζα/φορτίο αρκεί να μετρηθεί το ένα μέγεθος για να υπολογισθεί το άλλο. Γενική & Ανόργανη Χημεία 2017-18 14

Ο φασματογράφος μάζας χρησιμοποιείται για τη μέτρηση μαζών ατόμων. Τα ηλεκτρόνια, προερχόμενα από πηγή παραγωγής ηλεκτρονίων, επιταχύνονται με τη βοήθεια διαφοράς δυναμικού και διέρχονται από μαγνητικό πεδίο. Με τη βοήθεια αντλίας δημιουργείται υψηλό κενό στο εσωτερικό του σωλήνα. Καθώς μεταβάλλεται το μαγνητικό πεδίο, η διαδρομή των επιταχυνόμενων ιόντων μετατοπίζεται από το A στο C. Όταν η διαδρομή είναι στο B, ο ανιχνευτής ιόντων στέλνει στο καταγραφικό, σήμα. Η μάζα των ιόντων είναι ανάλογη προς την ισχύ του μαγνητικού πεδίου, η οποία απαιτείται για τη μετακίνηση της δέσμης σε θέση ώστε να «χτυπήσει» τον ανιχνευτή. Γενική & Ανόργανη Χημεία 2017-18 15

Ο Thomson, µπόρεσε να µετρήσει την τιµή του e/m e, δηλαδή του λόγου του φορτίου του ηλεκτρονίου, e, προς τη µάζα του, me. Ωστόσο, οι τιµές των e και m e καθ εαυτές ήταν άγνωστες µέχρις ότου, µεταγενέστεροι ερευνητές, και κατ' εξοχήν ο Αµερικανός φυσικός Robert Millikan, ο οποίος πραγµατοποίησε πειράµατα, τα οποία έδωσαν τη δυαντότητα µέτρησης του e µόνο. Γενική & Ανόργανη Χημεία 2017-18 16

Το πείραμα του Millikan Ο Millikan σχεδίασε µια έξυπνη συσκευή, µε την οποία ήταν σε θέση να παρακολουθεί µικροσκοπικά, ηλεκτρικά φορτισµένα σταγονίδια ελαίου. Από την ισχύ του ηλεκτρικού πεδίου το οποίο χρειαζόταν για να υπερνικήσει την βαρυτική έλξη των σταγονιδίων, υπολόγισε την τιµή του ηλεκτρικού φορτίου των σταγονιδίων. Επειδή, κάθε σταγονίδιο ελαίου περιείχε περισσότερα του ενός ηλεκτρόνια, θεώρησε, ότι η ελάχιστη δυνατή διαφορά ηλεκτρικού φορτίου, µεταξύ των σταγονιδίων, ήταν ίση µε το φορτίο των ηλεκτρονίων. Γενική & Ανόργανη Χημεία 2017-18 17

Πείραμα του Millikan, 1909 1923 Nobel Φυσικής Γενική & Ανόργανη Χημεία 2017-18 18

Γενική & Ανόργανη Χημεία 2017-18 19

Mάζα και φορτίο των ηλεκτρονίων Φορτίο στις σταγόνες λαδιού = n (1.60 10-19 C ); n=1, 2, 3, κ.λπ. 1.60 10-19 C = φορτίο του ηλεκτρονίου. Και η μάζα των ηλεκτρονίων; Η µάζα του ηλεκτρονίου υπολογίσθηκε από το συνδυασµό της τιµής αυτής του φορτίου µε την τιµή του λόγου e/m e ο οποίος µετρήθηκε από τον Thomson. Η τιµή του σήµερα είναι γνωστή ως ίση µε 9.109 x 10-31 kg. ~2000 ηλεκτρόνια= μάζα ατόμου του υδρογόνου Γενική & Ανόργανη Χημεία 2017-18 20

Σκέψεις μετά τις ανακαλύψεις Μολονότι τα ηλεκτρόνια έχουν αρνητικό φορτίο, ένα άτοµο έχει µηδενικό φορτίο: είναι ηλεκτρικά ουδέτερο. Συνεπώς, ένα άτοµο θα πρέπει να περιέχει επαρκές θετικό φορτίο ώστε να αντισταθµίζεται το αρνητικό φορτίο. Πού όµως βρίσκεται το θετικό φορτίο; Ο Thomson πρότεινε το πρότυπο του σταφιδόψωµου για τα άτοµα, δηλαδή µια µάζα θετικά φορτισµένου υλικού δίκην ζελέ στο οποίο αιωρούνται τα ηλεκτρόνια, κατά τρόπο παρόµοιο µε τη διασπορά σταφίδων σε ένα πήκτωµα. Γενική & Ανόργανη Χημεία 2017-18 21

Το ατομικό πρότυπο του Tomson Θετικά φορτία σε θάλασσα αρνητικού φορτίου (ηλεκτρονίων) Μοντέλο σταφιδόψωμου Θάλασσα ηλεκτρονίων κατιόν Γενική & Ανόργανη Χημεία 2017-18 22

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. Γενική & Ανόργανη Χημεία 2017-18 23

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 ( αρχικά φύλλα Pt) με ακτίνες Γενική & Ανόργανη Χημεία 2017-18 24

Στα αρχικά τους πειράματα χρησιμοποίησαν φύλλα λευκοχρύσου. Αργότερα, άλλαξαν το φύλλο αυτό με φύλλο χρυσού. Μέρος της πειραματικής διάταξης η οποία χρησιμοποιήθηκε από τους Geiger και Marsden. Τα σωματίδια α προέρχονταν από δείγμα του ραδιενεργού αερίου ραδόνιο. Τα σωματίδια αυτά κατευθύνονταν δια μέσου οπής σε κυλινδρικό θάλαμο με εσωτερική επικάλυψη θειούχου ψευδαργύρου. Τα σωματίδια α προσέκρουαν σε φύλλο λευκοχρύσου, το οποίο βρισκόταν στο εσωτερικό του θαλάμου και εμετρούντο οι εκτροπές από την πορεία τους από παρατήρηση των λάμψεων (σπινθηρισμοί) κατά την πρόσκρουση στην οθόνη. Περίπου 1 σωματίδιο στα 20 000 παρουσίασε απόκλιση από την πορεία του. Τα περισσότερα περνούσαν από το φύλλο χωρίς σχεδόν καθόλου εκτροπή. Γενική & Ανόργανη Χημεία 2017-18 25

Πειραματική διάταξη των Geiger and Marsden. Τα σωματίδια α προέρχονται από πηγή ραδονίου. Οι αποκλίσεις τους εμετρούντο ως σπινθηρισμοί κατά την πρόσκρουσή τους σε οθόνη ZnS. Περίπου 1 στα 20 000 σωματίδια υφίστατο ανάκλαση σε μεγάλες γωνίες(>90 ). Φύλλο χρυσού Γενική & Ανόργανη Χημεία 2017-18 26

Απίστευτο! Σαν να πυροβολείς με κανόνι ένα χαρτομάντηλο με βλήμα 15 ιντσών, και το βλήμα ανακλάται πάνω στο χαρτομάντιλο και σου γυρίζει πίσω Rutherford Γενική & Ανόργανη Χημεία 2017-18 27

Φύλλο λευκοχρύσου Τα αποτελέσματα του πειράματος των Geiger Marsden οδήγησαν στην ανάπτυξη του πυρηνικού προτύπου του ατόμου, σύμφωνα με το οποίο, υπάρχει ένα μικροσκοπικό, ωσάν κουκκίδα, βαρύ κέντρο του θετικού φορτίου, ο πυρήνας, ο οποίος περιβάλλεται από ένα μεγάλο όγκο κυρίως κενού στον οποίο βρίσκονται τα ηλεκτρόνια. Ο Rutherford, έδωσε την ερμηνεία, ότι όταν ένα θετικά φορτισμένο σωματίδιο a προσκρούει σε μια κουκκίδα, βαρύ πυρήνα ατόμου λευκοχρύσου, απωθείται ισχυρά από το θετικό φορτίο του πυρήνα, με αποτέλεσμα να εκτρέπεται από την πορεία του κατά μία μεγάλη γωνία, όπως μια μπάλα του τένις αναπηδά όταν προσκρούσει σε μπάλα κανονιού Γενική & Ανόργανη Χημεία 2017-18 28

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 Å, 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 Å, η διάμετρος του πυρήνα θα πρέπει να είναι ~ 10-4 Å Γενική & Ανόργανη Χημεία 2017-18 29

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, η οποία 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 Γενική & Ανόργανη Χημεία 2017-18 30

Ανάπτυξη ατομικού προτύπου από τον Rutherford Σωματίδια α Άτομα χρυσού Πυρήνας Ατόμου χρυσού Γενική & Ανόργανη Χημεία 2017-18 31

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 σωματιδίων 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. Γενική & Ανόργανη Χημεία 2017-18 32

Το πρότυπο του Rutherford για το άτομο εξηγεί το γιατί τα περισσότερα από τα σωματίδια a περνούν σχεδόν κατ'ευθεἰαν από το φύλλο του λευκοχρύσου, ενώ ελάχιστα αυτά τα οποία προσκρούουν κατ'ευθεἰαν στον πυρήνα υφίστανται πολύ μεγάλη εκτροπή από την πορεία τους. Το μεγαλύτερο μέρος του ατόμου, είναι σχεδόν κενός χώρος, πολύ αραιοκατοικημένος από τα ηλεκτρόνια του ατόμου (Δημόκριτος! Ασυνέχεια στην ύλη!). Οι πυρήνες, είναι πολύ μικρότεροι συγκριτικά με τα άτομα απ' ότι φαίνεται στο σχήμα. Γενική & Ανόργανη Χημεία 2017-18 33

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 Γενική & Ανόργανη Χημεία 2017-18 34

Μεταγενέστερη εργασία η οποία έγινε από πυρηνικούς φυσικούς έδειξε ότι πυρήνας ενός ατόμου, περιέχει σωματίδια τα οποία ονομάζονται πρωτόνια, κάθε ένα από τα οποία έχει φορτίο + e, στα οποία και οφείλεται το θετικό φορτίο, και νετρόνια, τα οποία είναι αφόρτιστα σωματίδια, τα οποία έχουν μάζα, όση σχεδόν και τα πρωτόνια. Επειδή τα πρωτόνια και τα νετρόνια, έχουν παρόμοια μάζα και η μάζα των ηλεκτρονίων είναι κατά πολύ μικρότερη, η μάζα ενός ατόμου, οφείλεται αποκλειστικά στον πυρήνα του. Γενική & Ανόργανη Χημεία 2017-18 35

η μάζα ενός ατόμου, οφείλεται αποκλειστικά στον πυρήνα του. Ο αριθμός των πρωτονίων στον πυρήνα είναι διαφορετικός για κάθε στοιχείο και ονομάζεται ατομικός αριθμός, Z, του στοιχείου. Το συνολικό φορτίο στον πυρήνα ενός ατόμου με ατομικό αριθμό Z είναι + Ze και προκειμένου να εξασφαλισθεί η ηλεκτρική ουδετερότητα του ατόμου, θα πρέπει να υπάρχουν Z ηλεκτρόνια γύρω του ώστε το φορτίο τους να είναι συνολικά - Ze Γενική & Ανόργανη Χημεία 2017-18 36

Νομπέλ 1908 Χημείας Ernest Rutherford (1871-1937). Knighted in 1914, Order of Merit in 1924, Baron in 1931. Γενική & Ανόργανη Χημεία 2017-18 37

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 ~ 10-14 m (υπολογισμένο από το κλασμα των σωματιδίων τα οποία σκεδάζονται σε γωνίες μεγαλύτερες 90 0 σε φύλλο ορισμένου πάχους) άτομο ~ 10-10 m (από την πυκνότητα και από τον αριθμό των ατόμων σε ένα mole Αριθμός Avogadro) Γενική & Ανόργανη Χημεία 2017-18 38

Φανταστείτε μια μύγα στο κέντρο του σταδίου της εικόνας: έχετε την εικόνα του σχετικού μεγέθους του πυρήνα ενός ατόμου αν θεωρήσετε ότι το άτομο, έχει το μέγεθος του σταδίου. Γενική & Ανόργανη Χημεία 2017-18 39

Ποια είναι και τι ιδιότητες έχουν τα στοιχειώδη σωμάτια ΑΤΟΜΟ ΝΕΤΡΟΝΙΑ ΚΑΤΩ ΚΟΥΑΡΚ ΠΑΝΩ ΚΟΥΑΡΚ ΠΡΩΤΟΝΙΑ ΠΥΡΗΝΑΣ Γενική & Ανόργανη Χημεία 2017-18 40

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 Γενική & Ανόργανη Χημεία 2017-18 41

Σύμφωνα με την κλασσική αντίληψη, το άτομο σύμφωνα με το μοντέλο του Rutherford, δεν είναι σταθερό Γενική & Ανόργανη Χημεία 2017-18 42

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/ 2 16 0m 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... 1 Γενική & Ανόργανη Χημεία 2017-18 43 1