"2. Složení a struktura atomu
Pojmy:
Proton Mikročástice s elementárním kladným nábojem
Neutron Mikročástice bez elektrického náboje
Elektron Mikročástice s elementárním záporným nábojem
Nukleon Proton a neutron dohromady (nukleus = jádro)
Atom Základní stavební jednotka/ základní jednotka struktury látky
Prvek Soubor atomů se stejným protonovým číslem (Z)
Nuklid Soubor atomů se stejným protonovým číslem (Z) a stejným nukleonovým
číslem (A)
Izotop Soubor atomů se stejným protonovým číslem (Z) ale jiným nukleonovým
číslem (A)
Dualismus Všechna hmotná tělesa mají schopnost vlnění/ Mikročástice mají dvojí
charakter – 1) je částice, 2) má vlnění
Fermiony Protony, neutrony, elektrony, kvarky
Orbital Oblast nejhustšího výskytu elektronů v elektronovém obalu
Elektronová hustota Hodnota pravděpodobnosti výskytu elektronů
Elektronová konfigurace Uspořádání elektronů daného atomu do jednotlivých orbitalů
Atomový poloměr ½ vzdálenosti středů dvou atomů v molekule
Stínící efekt
Elektronová afinita Změna vnitřní energie spojená se vznikem aniontu/ Změna vnitřní
energie spojená s přijetím elektronu izolovanou částicí při teplotě 0K
Elektronegativita Schopnost atomu přitahovat nebo vázat elektrony
Ionizační energie Energie potřebná k odtržení nejméně vázaného elektronu z atomu
v základním stavu
Kvantová číslo Čísla, kterými se v kvantové mechanice popisují vlastnosti určitých částic
v systému
Elektronová vrstva Soubor orbitalů se stejnou hodnotou hlavního kvantového čísla (n)
Protonové číslo Udává počet protonů v jádře atomu, současně tedy i počet elektronů v
obalu
Nukleonové číslo Udává počet nukleonů v jádře
Excitace Když má atom prvku ve valenční vrstvě prázdný orbital a současně volný
elektronový pár, tak dodáním energie přechází elektron elektronového
páru do nejbližšího vyššího prázdného orbitalu (endotermický děj)
Degenerovaný orbital Orbitaly se stejnou energií, tzn. se stejným hlavním a vedlejším
kvantovým číslem
por w w w w W
2. Složení a struktura atomu
ATOM- Každý atom je charakterizován protonovým číslem (Z) (to udává počet protonů v jádře a tím
i počet elektronů v obalu) a nukleonovým číslem (A) (to udává počet nukleonů – tedy součet
počtu protonů a neutronů)
- Atom se skládá z kladně nabitého jádra a záporně nabitého elektronového obalu
- Jádro obsahuje protony a neutron
- V jádře je koncentrována veškerá hmotnost celého atomu
- Jádro je v poměru k celému atomu velmi malé
JÁDRO ATOMU
- Skládá se z kladných částic protonů p+ a nábojově neutrálních částic neutronů n0 →
nukleony (počet udává nukleonové číslo A=N+Z)
- Je v něm koncentrována veškerá hmotnost atomu
- Počet protonů a neutronů v jádře udává nukleonové číslo A
- Počet protonů v jádře udává protonové číslo Z
ELEKTRONOVÝ OBAL ATOMU
- Je složen ze záporně nabitých elektronů e–, které kompenzují kladný náboj jádra
- Elektrony mají povahu jak částicovou, tak i vlnovou
- Počet elektronů odpovídá počtu protonů v jádře
- e+ – pozitron, náboj stejný s opačným znaménkem
Částice Náboj Hmotnost
PROTON +1,602*10-19 C 1,672*10-27 kg
ELEKTRON -1,602*10-19 C 9,109*10-31 kg
NEUTRON Bez náboje 1,674*10-27 kg
Z: Neutron je těžší než proton !!
HISTORIE & MODELY
Rychlé shrnutí:
- Poprvé se s atomem scházíme v 5. století př.n.l. (atom jako dále nedělitelná částice)
- J. Dalton v 19. století vymyslel moderní atomovou teorii (atom dále nedělitelný, ale zbytek
z jeho teorie již odpovídá realitě) – z teorie vyplývá:
o Zákon zachování hmotnosti (Navrhl první atomové hmotnosti)
o Zákon stálých slučovacích poměrů (= poměr hmotnosti dvou prvků obsažených ve
vzorku jisté sloučeniny, je vždy stejný a nezávisí na původním vzorku)
- 1897 – Objev elektronu (J.J. Thomson)
- 1911 – Objev jádra (Rutherford), R. tvrdí, že veškerá hmotnost se soustřeďuje v jádru a že je
kladně nabité (objev protonu až později)
- 1919 – Objev protonu (Rutherford)
- 1932 – Objev neutronu (Chadvic) – bombardováním beryllia (atomová reakce)
- De Broglie – Kvantově mechanický model atomu – teorie dualismu
Y
nodnotaelementainehernabye
f
1. Thomsův model atomu (Pudinkový model)
- J.J. Thomson (1898)
- Atom je tvořen elektricky kladně nabitou látkou, v níž plavou záporně nabité elektrony
- Celkový náboj je pak nulový
2. Planetární model atomu
- E. Rutherford (1911)
- Elektrony v atomovém obalu obíhají atomové jádro po neurčených kružnicích (podle modelu
by se energie elektronů snižovala, elektrony by se přiblížily k jádru a atom by zanikl)= první
rozumný model
3. Bohrův model
- Neils Bohr (1913)
- Elektron se může bez vyzařování E pohybovat kolem jádra jen po určitých kvantových
drahách, tzv. Orbital
- Elektron přijímá nebo vyzařuje E pouze při přechodu z jednoho orbitalu na druhý
- Při přechodu na vzdálenější orbital E přijímá, při návratu na bližší orbital E vyzařuje
- Model obsahuje jádro a přesně definované sféry energií
E=h.υ →E= h.1/λ h
Planckova konstanta: h= 6,626.10-34 J.s
4. Kvantově mechanický model atomu
- Louis de Broglie + Schrödinger, Heisenberg, Born
- Vychází z kvantové mechaniky
- Částice v atomu mají dvojitou hmotnou (dualistickou) povahu
- Elektronům přiřazuje vlastnosti částic i vlnění (vlnová funkce ψ= pozměněná energie)
- Aplikaci dualismu na elektrony se věnovat Heisenberg a zjistil, že pro elektron, kterého
vlnové vlastnosti nelze zanedbat je přesnost stanovení jeho polohy a současně pohybu značně
omezená (téměř nelze) à NEURČITOST
1. Podle Heisenbergova principu neurčitosti nelze přesně určit polohu a hybnost
elektronů
ΔX * ΔPx ≥ h/2 π X…… Neurčitost stanovení polohy
Px …. Neurčitost stanovení hybnosti
h …… Plancova konstanta
2. Pouze podle vlnové funkce lze vypočítat pravděpodobnost, s jakou se elektrony
vyskytují v daném okamžiku v určité oblasti atomu
Na tento princip navazuje Schöringer, který navrhuje matematický výpočet pro orbitaly:
ORBITAL, KVANTOVÁ ČÍSLA - 4 Kvantová čísla
o 3 charakterizují orbital
o 1 charakterizuje chování elektronů
KVANTOVÁ ČÍSLA à Charakterizují stav elektronu vyznačující se určitou energií a určitým
rozložením elektronové hustoty kolem jádra atomu
Hlavní kvantové číslo n
- Určuje energii elektronu v atomu
- Určuje vzdálenost orbitalu od jádra a číslo elektronové vrstvy
- Nabývá hodnot od 1 do 7 (nekonečna)
- Elektrony se stejným n patří do stejné elektronové vrstvy (K, L, M, N,O)
Vedlejší kvantové číslo l
- Určuje prostorový tvar a energii orbitalu
- Nabývá hodnot od 0 až po n-1 (dosud známe l = 0, 1, 2, 3)
- Hodnoty l se označují písmeny 0- s, 1- p, 2- d, 3- f…
Wwf w w w w w
Magnetické kvantové číslo m
- Určuje prostorovou orientaci orbitalu v magnetickém poli
- Nabývá hodnot od -l do +l
Spinové magnetické číslo s
- Charakterizuje rotaci elektronu kolem vlastní osy
- Nabývá hodnot +1/2 a –1/2
Orbitaly se stejnou energií, tzn. se stejným hlavním a vedlejším kvantovým číslem = degenerované
orbital (p, d, f)
Př.: 1s2 n = 1, l = 0, m = 0, s = -1/2
ELEKTRONOVÁ KONFIGURACE ATOMU PRVKU
= Uspořádání elektronů daného atomu do jednotlivých orbitalů
PRAVIDLA:
(1) Výstavbový princip
- Orbitaly s nižší energií se zaplňují dříve než s energií vyšší
- Pořadí: 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p, 5s, 4d, 5p, 6s, 4f, 5d, 6p,…
(2) Hundovo pravidlo maximální multiplicity
- Orbitaly se stejnou energií, tedy degenerované se obsazují nejprve po jednom elektronu se
stejným spinovým číslem, pak až druhým elektronem s opačným spinovým číslem
- Maximální počet nepárových elektronů
(3) Pauliho princip výlučnosti
- V elektronovém obalu se nemohou vyskytovat 2 elektrony, které by měly všechna kvantová
čísla stejná, musí se lišit alespoň spinovým číslem
- à nikdy nemají všechna 4 kvantová čísla stejná
Pozn.: Uvedená pravidla platí pro elektronovou konfiguraci atomu v základním stavu (s nejnižší energií), dodáním energie se
dostane do excitovaného stavu (jeden nebo více valenčních elektronů přejde do vyšší energetické hladiny=excitace)
Zajímá nás hlavně konfigurace valenční vrstvy !!!
à orbital je nejvíce ovlivněn valenční vrstvou
- Musím znát číslo skupiny a periody
A – podskupiny (= nepřechodné prvky) PROČ? Do valenční vrstvy zařazuji pouze orbitaly s nejvyšším n
B – podskupiny (=přechodné prvky) PROČ? Do valenční vrstvy zařazuji i orbital d z předchozí vrstvy
PRVEK, NUKLID, IZOTOP
- Všechny atomy lze charakterizovat protonovým číslem Z a nukleonovým číslem A
izotopy Z1 = Z2 A1 ≠ A2 N1 ≠ N2 126C – 136C
nuklidy Z1 = Z2 A1 = A2 N1 = N2 126C – 126C
izobary Z1 ≠ Z2 A1 = A2 N1 ≠ N2 146C – 147N
izotony Z1 ≠ Z2 A1 ≠ A2 N1 = N2 136C – 147N
IZOTOP
- Stejné chemické vlastnosti, ale jiné fyzikální (hl. hmotnost a stabilita atomového jádra)
- Atomová jádra některých izotopů jsou nestálá a samovolně se rozpadají
IZOBAR
- Soubory atomů různých prvků se stejným nukleonovým číslem
IZOTON
- Soubory atomů různých prvků s jiným nukleonovým číslem ale stejným počtem
neutronů
g
Medvlongovo pravidlo
n + l ... energie elektronu (Přednost má hlavní kvantové číslo, pokud je součet stejný)
Pravidlo n - 1 pro orbital d
Pravidlo n - 2 pro orbital f
CHARAKTERISTIKA ATOMU
1) Atomový poloměr
= ½ vzdálenosti středů dvou atomů v molekule
- V praxi určujeme efektivní atomový poloměr v molekule daného prvku nebo jeho sloučenině
(za přesně určeních podmínek)
- Značíme r (určujeme v m - metrech)
Jak určujeme?
Molekula – představím si 2 nestlačitelné koule – najdu středy koulí (atomů) – r je polovina vzdálenosti
jejich středů – udělám průměr všech známých molekul daného prvku
- Určujeme Röngenouvou analýzou a následují výpočty
- V některé literatuře se r určuje v A – Andštern 1A = 10-10m (průměrný atomový poloměr = 10-10m)
Obecně: čím kladnější jádro – tím více jsou přitahované elektrony – tím menší atomový poloměr
S rostoucím Z v periodě – r se zmenšuje
S rostoucím Z ve skupině – r se zvětšuje
Výjimka – vzácné plyny – veliká repulze mezi valenčními elektrony à velký atomový poloměr
- Kationty jsou vždy menší než příslušné atomy
- Anionty jsou vždy vetší než příslušné atomy
Obecně:
Malé jádro = kladné jádro = snadno přitahuje jiné prvky = VYSOKÁ ELEKTRONEGATIVITA
à Malý atomový poloměr = vysoká elektronegativita
2) Elektronegativita
= Schopnost atomu přitahovat nebo vázat elektrony
Dva druhy elektronegativity:
- Mullikenova Xm = (I1 – Ay)/2
- Paulingova Xp
Nejelektronegativnější prvky = nekovy (= hodně reaktivní)
Nejméně elektronegativní prvky = typické kovy
3) Ionizační energie
- Atomy prvků mohou uzavírat elektronovou konfiguraci odevzdáváním dvou elektronů a tvorbou
kationtů
A → A+ + e-
à vznik jednomocného kationtu
!!! Vznik kationtů je vždy spojený s dodáním energie !!!
à Ionizační en. = energie potřebná k odtržení nejméně vázaného elektronu z atomu v základním stavu
- Značíme I (udáváme v kJ/mol nebo eV)
- I > 0 (protože ji dodáváme)
První ionizační energie je nejmenší, s odtrhováním více elektronů se zvětšuje
I1 < I2 < I3 ...
Hodnoty ionizačních energií s rostoucím protonovým číslem:
a) ve skupinách klesají
b) v periodách rostou
!!! Výjimka: prohození mezi II.A a III.A skupinou a mezi V.A a VI.A skupinou !!!
PROČ II. a III.? U prvku z II.A dochází k odtržení elektronů ze stabilního el. páru (dublet), ale ve III.A jde o odtržení samostatného elektronu
PROČ V. a VI.? Čtvrtý elektron má v trojici jiný spin, proto je třemi elektrony s jiným spinem mírně odpuzován a proto se elektron lépe odtrhuje
Ionizační energie je tedy míra schopnosti atomu tvořit kationty
- Nejlépe v PSP tvoří kationty prvky s nejnižší I – typické kovy
w w w w w a w
4) Elektronová afinita
A + e
- → A-
à vznik jednomocného aniontu
à přijímání elektronů
!!! Vznik aniontů je vždy spojený s přijímáním i odevzdáním energie !!!
àElektronová afinita = změna vnitřní energie spojená s přijetím elektronu izolovanou částicí při
teplotě 0K
- Značíme A (udáváme v kJ/moc nebo eV)
- - A / +A (energie je občas třeba dodat, protože je třeba překonat energii elektronů, které atom má)
- Hodnota A závisí jednoznačně na elektronové konfiguraci atomu prvku
o Nejnegativnější hodnoty: VII.A (i VI.A)
o Nejpozitivnější hodnoty: II.A a VIII.A
Elektronová afinita je tedy míra schopnosti atomu tvořit anionty
5) Hmotnost atomu
- Skutečně hmotnosti atomu jsou velice malé – jsou určovány počtem mikročástic
- 10-21 – 10-24 g
- jádro: n + p = 99,97% váhy atomu
- obal: e = 0,03% váhy atomu
- Malé hmotnosti atomu jsou možné zjistit pouze z laboratoře –
používáme srovnání s hmotností jiného atomu – STANDARDEM
- STANDARD = 1/12 skutečné hmotnosti jednoho atomu nuklidu uhlíku 12C – tedy: 1/12 m (12C)
Pracujeme pouze s relativní atomovou hmotností
Relativní atomová hmotnost
- Ar(x)= m(x)/mu
- Mr – Relativní molekulová hmotnost – udává, kolikrát je molekula těžší než standard (součet
jednotlivých Ar)
- mu – atomová hmotnostní konstanta
- m(x) – střední hmotnost daného prvku
- mu= 1/12 m (12C)
- Atomová hmotností konstanta: mu= 1,6605 *10-24 g
Atomové charakteristiky v PSP
n ..... 1,675 * 10-24g
p ..... 1,6726 * 10-24g
e ..... 9, 109 * 10-28g
Kovový charakter
Atomový poloměr (kromě
vzácných plynů)
Nekovový charakter
Elektronegativita
Ionizační energie"