Výstavba elektronového obalu, periodická tabulka

 

ATOM

• základní stavební částice hmoty dále již chemickým způsobem nedělitelná
• skládá se z jádra a obalu

 

Jádro:

• skládá se ze dvou elementárních částic – protonů & neutronů- ty společně tvoří jaderné částice – nukleony
• velikost jádra: 10^–14 m, atom cca 10^{-10 m (1 Angström)}
• hmotnost: 99,9 % hmotnosti celého atomu

 

PROTONOVÉ ČÍSLO … Z

• udává počet protonů v jádře & elektronů v obalu u neutrálního atomu
• udává též pořadí prvků v PSP

 

Pozn.:   e … elementární náboj –    nejmenší samostatně existující náboj v přírodě (každý jiný je jeho násobkem) –    menší je parciální (částečný) náboj … d –    vzniká v důsledku posunu vazby jako d + a d – î tyto dva náboje bez sebe samostatně neexistují

Proton …

• kladně nabitá částice
• náboj protonu: Q_p = e = 1,6021.10^–19 C
• klidová hmotnost protonu: m_p = 1,6725.10^–27 kg

 

Elektron …

• není součástí jádra
• záporně nabitá částice
• náboj elektronu: Q_e = –e = –1,6021.10^–19 C
• klidová hmotnost elektronu: m_e = 9,11.10^-31 kg (v porovnání s jádrem zanedbatelná)

 

NEUTRONOVÉ ČÍSLO … N

• udává počet neutronů v jádře (obvykle se neuvádí)
• neutronů může být v jádře odlišný nebo stejný počet jako protonů

 

Neutron …

• částice bez náboje (neutrální)
• klidová hmotnost neutronu: m_n = 1,6748.10^–27 kg (o něco menší než u protonu)

 

NUKLEONOVÉ ČÍSLO … A

• udává součet protonů + neutronů v jádře
• platí: A = Z + N

 

• zápis:    (např.   , , , …)

 

na základě hodnoty N a Z lze rozlišit:

• PRVEK – látka složená z atomů, jejichž jádra mají stejný počet protonů (stejné Z)

– neutronů při tom u jednotlivých atomů této látky může, nebo nemusí bít stejný počet

 

• NUKLID skupina atomů, které mají stejné protonové číslo a neliší se ani neutronovým číslem

Zcela identické atomy: stejná hmotnost

 

• IZOTOPY atomy téhož prvku, které se od sebe liší pouze počtem neutronů v jádře

 

Hmotnost atomu:

• m_u (atom mass unit) = 1,660 538 782 . 10^{-27 kg …. skutečná hmotnost 1/12 nuklidu uhlíku}
• Ar (atomová relativní hmotnost)… průměrná relativní (vztažená na m_u) hmotnost součtu hmotností všech izotopů daného prvku podle zastoupení v přírodě

 

ELEKTRONOVÝ OBAL ATOMU

 

ELEKTRON … e^–

• záporně nabitá elementární částice; základní složka atomového obalu
• náboj elektronu: Q_e = e = -1,6021.10^-19 C
• klidová hmotnost elektronu: m₀ = 9,11.10^-31 kg (ve srovnání s protonem zanedbatelná)
• počet elektronů v atomovém obalu udává protonové číslo Z

 

Historie poznávání elektronu  Modely atomů

• Joseph John THOMSON (britský fyzik; 1897)  MODEL ATOMU = Pudinkový model atomu
• atom je složený z kladně nabité hmoty (puding) a v ní jsou rozmístěné záporně nabité elektrony (jako rozinky v pudinku)
• jako první prokázal existenci elektronu (při zkoumání katodového záření)

 

• Ernest RUTHERFORD (novozélandský fyzik; 1911)  MODEL ATOMU = Planetární model atomu
• kolem kladně nabitého jádra obíhají záporně nabité elektrony, a to po kružnicích
• poloměr těchto kružnic je dán podmínku rovnosti dostředivé síly (elektrické přitahování jádra a elektronu) a odstředivé síly (pohyb elektronu kolem jádra)
• nedostatky této teorie: podle zákonů klasické fyziky, by pohyb elektronu kolem jádra musel být doprovázen vyzařováním elektromagnetického vlnění  energie elektronu by klesala  zmenšoval by se poloměr dráhy  elektron by byl nakonec jádrem pohlcen  atom by zanikl; !atom je ale velmi stabilní částice!
• objevitel atomového jádra atomu a protonů

 

• Niels BOHR (dánský fyzik; 1913)  MODEL ATOMU = Kvantově mechanický model atomu

1. elektrony obíhají kolem jádra po předem určených stacionárních (stabilních) drahách (kružnice s daným poloměrem); elektrony v těchto drahách mají konstantní energii a nevyzařují elektromagnetické vlnění.
2. pokud se chce elektron dostat do dráhy energeticky vyšší, musí mu být dodána energie v podobě energetického kvanta (dávky); pokud se vrací z dráhy energeticky vyšší na nižší, musí tuto energii vyzářit  zavedeno kvantování

• tento model vystihuje základní vlastnost elektronu v atomu  schopnost existovat jen ve stavech s určitou energií a tuto energii měnit ve skocích (nikoli spojitě), a to po určitých dávkách (kvantech)
• představa elektronu – kulička = korpuskule
• nedostatky této teorie: platí pouze pro vodík a kationty s jedním elektronem (např. He⁺, Li²⁺); nevyhovuje při výkladu jiných chemických jevů (např. chemická vazba …)

 

• Erwin SCHRÖDINGER (rakouský fyzik; 1923)  MODEL ATOMU = Vlnově mechanický model atomu
• experimentálně potvrzena hypotéza, že elektron má dualistický charakter (vyznačuje se tzv. korpuskulárně-vlnovým dualismem)  chová se jako kulička (částice = korpuskule) a současně jako vlnění
• z dualistického charakteru elektronu byl odvozen vztah zvaný princip neurčitosti nelze současně přesně stanovit polohu a hybnost elektronu  nelze vypočítat/naměřit jeho přesnou dráhu ani rychlost
• z principu neurčitosti a dualistického charakteru elektronu vychází kvantová mechanika, která umožňuje popsat chování elektronu v atomu pomocí veličiny zvané vlnová funkce  (psí)
• Schrödingerův model atomu je model matematický (problematické si jej představit)  popisuje ho Schrödingerova rovnice  jejím řešením získáme:
• vlnovou funkci (= amplituda pravděpodobnosti)
• jejím prostřednictvím lze popsat stav a vlastnosti elektronu
• je to obecně funkce prostorových souřadnic x, y, za t (času)
• sama o sobě nemá bezprostřední fyzikální význam – nepatří mezi pozorovatelné veličiny
• má-li částice vlnovou funkci y, pak absolutní hodnota její druhé mocniny |y|² udává pravděpodobnost výskytu elektronu v určitém prostoru  poměr počtu elektronů v tomto prostoru k objemu tohoto prostoru = elektronová hustota  spojením míst se stejnou elektronovou hustotou vymezíme prostor s vysokou pravděpodobností výskytu elektronu = atomový ORBITAL (Znázorňování elektronové hustoty ® viz str. 72 – 75 v Přehledu středoškolské chemie) .
• hodnoty energie příslušející jednotlivým stacionárním stavům

 

• shrnutí:   Schrödingerova rovnice:  |y|²  =  pravá strana rovnice
• jejím výpočtem lze určit tvar ORBITALU

= část prostoru v okolí jádra, ve kterém se elektron vyskytuje s 95% pravděpodobností; soubor vlnových funkcí

• !!! odpovídá určitému stavu elektronu, který se vyznačuje určitou energií a určitým rozložením elektronové hustoty kolem jádra atomu
• k popisu orbitalu (stavu elektronu) se používají kvantová čísla, která vycházejí jako podmínky řešení Schrödingerovy rovnice (na rozdíl od Bohrova modelu, kde bylo kvantování zavedeno jaksi „násilně“)
• přesně řešitelná pro atom vodíku a ionty s jedním elektronem

 

KVANTOVÁ ČÍSLA

1. HLAVNÍ KVANTOVÉ ČÍSLO … n

• nabývá hodnot 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 … ¥  rozděluje obal na slupky K, L, M, N, O, P, Q

En … molární energie elektronu ve stavu s kvantovým číslem n B (konstanta) = 13,6 eV

• udává energii orbitalu (elektronu)

 

 

• pro energii elektronu v atomu vodíku (a ionty s jedním elektronem) platí vztah:
• závislost energie na hlavním kvantovém čísle  čím větší n, tím větší E_n
• elektron ve vodíku má nejmenší možnou energii (protože n = 1)  atom je v základním stavu; dodáním energetického kvanta jej lze dočasně převést (vybudit) do stavu s vyšší energií (stav s vyšším n) = excitovaný (vybuzený) stav

 

1. VEDLEJŠÍ KVANTOVÉ ČÍSLO … l

• nabývá hodnot 0, 1, 2, 3, … (n – 1)  je omezeno hodnotou hlavního kvantového čísla n  pro dané n nabývá n – 1 hodnot (např. pro n = 2 nabývá hodnot l = 0 & 1)
• kvantuje moment hybnosti elektronu související s jeho pohybem kolem jádra  udává prostorový tvar orbitalu, v němž se elektron vyskytuje
• rozděluje jednotlivé slupky na podslupky  hodnotám l se přiřazují písmena symbolizující tvar orbitalu

Hodnota l	0	1	2	3
Písmeno	s	p	d	f
Tvar	koule	prostorová osmička	Prostorové osmičky orientované v rovinách os	složitější útvary

 

• píše se za hlavní kvantové číslo (např. 1s, 2s, 2p …)

 

• MAGNETICKÉ KVANTOVÉ ČÍSLO … m (m_l)

• nabývá hodnot od –l do +l včetně 0 (např. pro l = 2  m = -2, -1, 0, 1, 2 … celkem 5 různých prostorových orientací  poloh orbitalu v prostoru)
• udává prostorovou orientaci orbitalu

 

1. SPINOVÉ MAGNETICKÉ KVANTOVÉ ČÍSLO (spin) … s (m_s)

• nabývá hodnot od –½ (doleva) a +½ (doprava)
• udává vnitřní moment hybnosti  vyjadřuje rotaci elektronu kolem vlastní osy, aby byl stabilní

 

Pravidla pro zaplňování orbitalů elektrony    Elektronové konfigurace atomů .

1. Pauliho princip

• v jednom orbitalu můžou být maximálně 2 elektrony
• žádné dva elektrony v atomu se nemůžou shodovat ve všech čtyřech kvantových číslech  liší se přinejmenším spinem  takové elektrony, které se liší pouze spinem tvoří elektronový pár a leží v jednom orbitalu

 

1. Výstavbový princip (princip minimální energie)

• orbitaly jsou zaplňovány tak, že se napřed zaplní orbitaly s energií nižší a poté orbitaly s energií vyšší  výsledkem je co nejnižší energie atomu  při takové energii je atom v základním stavu
• orbitaly se zaplňují v pořadí: 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p, 5s, 4d, 5p, 6s, 4f, 5d, 6p, 7s, 5f, 6d
• nepravidelnosti jsou způsobeny např. závislostí energie orbitalů na protonovém čísle, relativně vyšší stabilita určitých konfigurací, …
• pomůcky pro rychlé stanovení pořadí orbitalů při zaplňování:

1. Pravidlo n + l

• elektrony zaplňují nejdříve ten orbital, jehož součet n + l (hlavní + vedlejší kvantové číslo) je nižší
• mají-li orbitaly součet n + l stejný, je rozhodující nižší hodnota n

 

1. Tabulka – postupuje se po směru šipek (dolů)

 

	1s
	2s	2p
	3s	3p	3d
	4s	4p	4d	4f
	5s	5p	5d	5f
	6s	6p	6d
	7s

 

• : chemické vlastnosti prvků ovlivňují především ty elektrony, které mají nejvyšší energii  leží v posledním zaplňovaném orbitalu  valenční elektrony (u nepřechodných prvků = I. – VIII. A skupina, je jejich počet roven číslu skupiny v níž je prvek umístěn)

 

• Hundovo pravidlo

• týká se degenerovaných orbitalů = orbitaly stejného tvaru a energie  shodují se v hlavním a vedlejší kvantovém čísle, leží ve stejné slupce
• v degenerovaných orbitalech vznikají elektronové páry teprve po zaplnění každého orbitalu jedním elektronem; všechny nespárované elektrony v těchto orbitalech mají stejný spin

 

ZNÁZORNĚNÍ ORBITALŮ (a ELEKTRONŮ v nich)

 

1. prostorovými tvary
   • orbital s … koule
   • orbital p … prostorová osmička

• zaujímá polohy: 2p_x, 2p_y, 2p_z … indexy říkají, do kterého směru osy je osmička orientovaná
  • orbital d … prostorové osmičky orientované v rovinách os
• zaujímají polohy: 3d_xy, 3d_xz, 3d_yz, 3d x² – y², 3d z²

 

1. pomocí rámečků

• rámeček představuje orbital
• jednotlivé rámečky jsou rozděleny na tolik políček, kolik prostorových orientací (poloh) může daný orbital zaujmout (dáno magnetickým kvantovým číslem)

orbital typu s může zaujmout jednu polohu

orbital typu p může zaujmout tři polohy

orbital typu d může zaujmout pět poloh

orbital typu f může zaujmout  sedm poloh

 

• orbital charakterizovaný kvantovým číslem n = 1  l = 0(s) zapíšeme 1s

znázorňuje se

 

• orbitaly charakterizované kvantovým číslem n = 2  l = 1(p) zapíšeme 2p

znázorňuje se

• orbitaly charakterizované kvantovým číslem n = 3  l = 2(d) zapíšeme 3d

znázorňuje se

• orbitaly charakterizované kvantovým číslem n = 4  l = 3(f) zapíšeme 4f

znázorňuje se

 

• počet elektronů v orbitalu zapisujeme jako index k symbolu orbitalu (s, p, d, f) a do políček znázorňujeme šipkami (↑↓)
• např.
• 1 elektron v orbitalu 2s zapíšeme 2s¹

znázorňuje se

 

• 5 elektronů v orbitalech 2p zapíšeme 2p⁵

základní stav atomu = stav atomu o nejnižší energii; uvažuje se zde pouze energie elektronu v obaluznázorňuje se

 

Základní & excitovaný stav atomu

• ostatní energetické stavy (vyšší) jsou stavy excitované (vzbuzené)
• dojde k nim tehdy, pokud atomům dodáme energii (např. zahřátím, ozařováním …)  elektrony z orbitalu s nižší energií excitují („přeskočí“; jsou vybuzeny) do orbitalu s energií vyšší
• excitované stavy, které mají vliv na vaznost atomu vznikají „roztržením elektronového páru“ a excitací („přeskočením“) jednoho elektronu do nejbližšího prázdného orbitalu
• může nastat první, druhý, třetí … excitovaný stav (záleží na množství elektronových páru)

 

• při dodání dostatečné energie atomu, může dojít k odtržení elektronu od atomu  vzniká kationt

 

IONIZAČNÍ ENERGIE … I

• energie potřebná k odtržení jednoho elektronu z elektroneutrálního atomu v plynném stavu
• charakterizuje schopnost atomu uvolnit elektron
• vypovídá o stabilitě elektronové konfigurace neutrálního atomu  čím vyšší, tím stabilnější
• hodnoty uváděné v tabulkách bývají přepočtené na jednotkové látkové množství  jednotka: mol^-1
• rozlišujeme první (při odtržení prvního elektronu), druhou (při odtržení druhého elektronu) … ionizační energii; každá další ionizační energie je vždy vyšší než předchozí velikost jejich rozdílu závisí na hloubce hladiny (s, p, d, f), odkud byly vytrženy; má vždy kladnou hodnotu
• nejnižší u alkalických kovů; nejvyšší u vzácných plynů

 

ELEKTRONOVÁ AFINITA … A

• energie uvolněná při připojení elektronu k elektroneutrálnímu atomu v plynném stavu  při vzniku aniontu
• charakterizuje schopnost atomu přijmout elektron
• rozlišujeme první, druhou … elektronovou afinitu ^{(analogie s ionizační energií)}
• hodnoty uváděné v tabulkách bývají přepočtené na jednotkové látkové množství  jednotka: mol^-1
• nejvyšší u halogenů  snadno tvoří anionty

 

• průměrná hodnota ionizační energie a elektronové afinity X musí charakterizovat vlastnost schopnost atomu přitahovat elektrony vazebného partnera = atomová elektronegativita

 

Vznik iontu

Proces vzniku iontu se nazývá ionizací. Obrácený proces, tzn. vytvoření neutrálního atomu z iontu, se označuje jako rekombinace.

Energie potřebná k odstranění jednoho z elektronů ve vnější podslupce atomu se označuje jako ionizační energie (popř. ionizační potenciál). Ionizační energie nám říká, jak pevně jsou vnější elektrony k atomu vázány.

Přidáním elektronu k atomu určitého prvku dojde k uvolnění jisté energie, která se označuje jako elektronová afinita.

Ionty vznikají

• při rozpouštění (např. solí ve vodě), kdy se část molekul rozpouštěné látky rozštěpí na dva (nebo více iontů). Takové roztoky jsou elektricky vodivé.
• při ionizaci plynu, kdy rychle letící částice nárazem rozštěpí molekulu na ionty. Ionizovaný plyn se pak stává vodivým.
• při tření (kladný náboj – sklo, záporný náboj – plast)

 

Vztah mezi hodnotami kvantových čísel, počtem orbitalů a počtem elektronů

(pro první čtyři kvantová čísla)

 

Kvantová čísla			Označení orbitalu	Počet orbitalů		Počet elektronů
Hlavní kvantové číslo … n	Vedlejší kvantové číslo … l	Magnetické kvantové číslo … m		V podslupce (políčka; degenerace)	Ve slupce (rámeček)	V podslupce		Ve slupce
n = 1	l = 0 (s)	m = 0	1s	1 (s)	1 (K)	2		2
n = 2	l = 0 (s)	m = 0	2s	1 (s)	4 (L)	2		8
	l = 1(p)	m = –1 m = 0 m = 1	2p	3 (p)		2 2       2	6
n = 3	l = 0 (s)	m = 0	3s	1 (s)	9 (M)	2		18
	l = 1 (p)	m = –1 m = 0 m = 1	3p	3 (p)		2 2       2	6
	l = 2 (d)	m = –2 m = –1 m = 0 m = 1 m = 2	3d	5 (d)		2 2 2 2 2	10
n = 4	l = 0 (s)	m = 0	4s	1 (s)	16 (N)	2		32
	l = 1 (p)	m = –1 m = 0 m = 1	4p	3 (p)		2 2       2	6
	l = 2 (d)	m = –2 m = –1 m = 0 m = 1 m = 2	4d	5 (d)		2 2 2 2 2	10
	l = 3 (f)	m = –3 m = –2 m = –1 m = 0 m = 1 m = 2 m = 3	4f	7 (f)		2 2 2 2 2 2 2	14

 

Radioaktivita

Přirozená, umělá radioaktivita, jaderná energetika

 

1. RADIOAKTIVITA

• Radioaktivita neboli radioaktivní rozpad je samovolná přeměna jader nestabilních nuklidů na jiná jádra, při níž vzniká radioaktivní záření. Nuklid je nestabilním jestliže vybočuje z tzv. řeky stability. Pro nuklidy s Z (protonové číslo) ≤ 20 je stabilní poměr protonů ku neutronům 1:1. Se zvyšujícím se protonovým číslem se poměr Z : N blíží poměru 2:3. Pokud se daný nuklid významně odchyluje od poměru, daným řekou stability, je nestabilní.

 

• v přírodě převažují stabilní prvky (neradioaktivní), ale existuje asi 50 radioaktivních nuklidů – radionuklidů
• přirozená radioaktivita:
• tyká se radioaktivních nuklidů, které se nachází volně v přírodě
• objevitel: Becquerel (1896) – objevil ji v jáchymovském smolinci

1. Curie-Sklodowská – zkoumala radioaktivitu a objevila další prvky (Po, Ra)

• záření a a b⁺
• umělá radioaktivita:
• týká se radioaktivních nuklidů uměle připravenýchnevyskytujících se v přírodě
• záření b^–

 

Druhy radioaktivního záření

ZÁŘENÍ 

• proud rychle letících (až 10% rychlosti světla) heliových jader ( částic) … , (kladně nabitá jádra helia složená ze dvou protonů a dvou neutronů)
• malá pronikavost, malý dosah (zastaví list papíru)
• silné ionizační účinky (nebezpečné v trávicím ústrojí)
• nuklid X vyzáří  záření a vzniklý nuklid Y ztratí dva neutrony a dva protony, proto leží v PSP o dvě místa vlevo oproti původní poloze
• přeměna typická pro jádra těžkých kovů

 

ZÁŘENÍ 

• asi stokrát pronikavější než záření , ale s menšími ionizačními účinky

 

1. ^… proud (záporně nabitých) elektronů

• elektrony se uvolňují z jádra přeměnou neutronu (jenž je sám o sobě nestabilní), ze kterého se stane proton, který zůstane v jádře, zatímco elektron jádro opouští jako ^ částice až 99% rychlostí světla. Vzniká ještě anti-neutrino ^–

 

• vzniklý nuklid má nezměněné nukleonové číslo A, ale o jeden proton navícprotje posunut o jedno místo vpravo oproti původní poloze
• typické pro jádra s nadbytečným počtem neutronů

 

1. ^ … proud kladně nabitých elektronů = pozitronů (částic o stejné hmotnosti jako elektron nesoucí ale kladný náboj)

• elektrony se uvolňují z jádra přeměnou protonu, ze kterého se stane neutron, který zůstane v jádře, zatímco kladný elektron = pozitron jádro opouští jako ^ částice

 

• vzniklý nuklid má nezměněné nukleonové číslo, ale o jeden proton míň, tedyje posunut o jedno místo vlevo oproti původnímu
• typické pro jádra s nedostatkem neutronů
• obvykle vyvoláno uměle, protože je nutno dodat počáteční energii (rozdíl hmotností n a p)

 

ZÁŘENÍ 

• elektromagnetické vlnění o velmi krátké vlnové délce (vysoké frekvenci), proud fotonů
• nejpronikavější, silně ionizující a nejnebezpečnější (prochází i lidským tělem aničí buňky, způsobuje rakovinu – narušuje genetický kód)
• podobá se svými účinky záření rentg.
• 50 % ho pohltí 1,3 cm tlustá vrstva olova (díky své velké hustotě)

 

Využití radionuklidů

• defektoskopie = skryté vady materiálu
• „metoda značkovaných atomů“ (pacient sní např. radioaktivní fosfor a pomocí přístrojů pak lze pozorovat, kudy v těle prochází
• zdravotnictví funkční vyšetřování orgánů, ozařování cíleného místa (ničení chorob, nádorů ), záření je však zdraví škodlivé
• radiokarbonový test  určování stáří archeologických nálezů (podíl radioaktivního izotopu uhlíku v kostech se snižuje až po smrti, dokud oragnismus jí, poměr je stabilní; poločas rozpadu – 5730 let)