Stavba atomu – maturitní otázka (4)

 

Otázka: Stavba atomu

Předmět: Chemie

Přidal(a): emixka

 

 

Historické modely atomu

  • Staré Řecko – Demokritos a Leukipos – atomisté, 5. stol. př. n. l.
  • Tvrdí, že látky se skládají z částic = atomů, které jsou dále nedělitelné
  • Konec 19. stol. – objev elektronu (1897, Thompson), objev radioaktivity (1896, Becquerel) – vyvrácena nedělitelnost atomu

 

Thomson (1904) – statický model (pudinkový)

  • atom je složen z elektronů (nazývá je pouze částicemi) a „polévkou“ kladného náboje, hmota je rozložena v atomu rovnoměrně (pudink s rozinkami)

 

Rutherford (1911) – planetární model

  • umístil kladně nabitou hmotu do středu atomu (velmi malé hmotné jádro), kolem obíhají elektrony (podobně jako planety) po drahách
  • nedostatek – kroužící elektron by byl dostředivě urychlován, ztrácel energii, dopadl na jádro a zanikl by

 

Niels Bohr (1913) – Bohrův model atomu (H)

  • popisuje stabilní atom, Bohr za něj dostal NC
  • vysvětlil nedostatek Rutherfordova atomu pomocí kvantové teorie z r1900 (Max Planck)
  • je postaven na třech postulátech
    • 1) elektrony se pohybují po kružnicových trajektoriích (orbitách, energetických hladinách)
    • 2) při přechodu z jedné hladiny na druhou elektron vyzáří/pohltí právě 1 foton
    • 3) jindy elmag záření nevyzařují ani nepohlcují
  • dobře popisuje atomy s jedním elektronem v obalu (např. H, He+, Li2+)
  • kvantově mechanický model

 

Sommerfeld (1915) – Sommerfeldův model

  • zpřesňuje Bohrův model
  • elektrony se pohybují po elipsách (které se otáčí), každý elektron je charakterizován 4 kvantovými čísly
  • poskytuje představu o stavbě atomu, ale neumí vysvětlit všechny vlastnosti

 

Kvantově mechanický model atomu (1926)

Vychází ze 2 principů:

1) dualismus hmoty – hmota má vlnový i částicový charakter

  • Einstein – vysvětlil fotoelektrický jev – ohyb světla lze vysvětlit pouze vlnovou povahou světla -> světlo je vlnění i proud částic (=fotonů)
  • De Broglie – má elektron vlnu? S pohybem částice je spojen pohyb vlnový (proud elektronů prochází krystalem stejně jako Roentgenovo záření)
  • Elektrony jsou proud částic, kde se každá pohybuje po své vlně

2) princip neurčitosti

  • Heisenberg – pro elektron nelze stanovit bod dráhy, kde se v daném čase nachází, pouze pravděpodobnost výskytu, když můžeme určit jednu z vlastností, nemůžeme určit tu druhou (čas a místo)
  • Schrödinger – stav elektronu v atomu popisuje vlnovou funkcí = orbital atomový, stejně tak u molekuly = orbital molekulový

 

Popis atomu – jádra

  • atom se skládá z jádra a elektronového obalu
  • chemicky je nedělitelný
  • elektrony se nachází v atomovém obalu, v jádře jsou protony a neutrony

 

Atomové jádro

  • protony p+ – kladný náboj, jejich počet udává protonové číslo Z, mr = 10-27 kg, nábojr = 1,602×10-19 C
  • neutrony n0 – bez náboje, jejich počet udává neutronové číslo N, mr = 10-27 kg, nábojr = bez náboje
  • protonové číslo Z, nukleonové (hmotnostní) číslo A, neutronové číslo N
  • nukleony – neutrony a protony, jejich počet udává nukleonové číslo A, A = Z + N, A je horní index, Z je spodní index
  • nuklidy = látky složené z atomů, jejichž jádra mají stejné Z a A
  • izotopy = atomy se stejným Z, ale jiným N
  • většina prvků se vyskytuje jako více izotopů, ale v přírodě převládá jeden z nich, izotopy se liší zejména fyzikálními vlastnostmi a mohou mít odlišný vliv na živé organismy
  • jádra různých prvků – izobary = stejné A, izotony = stejné N

 

Způsoby vyjadřování m atomu

  • do jádra je soustředěna m atomu
  • teoreticky mjádro = mp + mn, experimentálně – teoretická m je větší než skutečná
  • hmotnostní schodek Δm = mteor – mskut
  • Δm způsoben uvolněním energie při vzniku jádra, čím více E se uvolní, tím je jádro stabilnější -> Δm je mírou stability jádra
  • atomová hmotnostní jednotka – mu = 1,66 x 10-27 kg (1/12 atomu 126C)
  • Ar (relativní atomová hmotnost) = m/mu
  • Mr (relativní molekulová hmotnost) = ∑Ar
  • molární m – hmotnost jednoho molu – M = Ar nebo Mr (číselně je to to samý) g/mol
  • Jakákoliv změna energie je spojena se změnou hmotnosti

 

Stabilita jádra

  • nejstabilnější prvky jsou ty s největší Ej (prvky střední části tabulky)
  • málo stabilní jsou prvky lehké (krom He, C, O), které se slučují na těžší (termonukleární reakce) a těžké – rozpadají se na lehčí (radioaktivita)
  • existuje hranice, za kterou neutrony nejsou schopny zajistit existenci stabilního jádra
  • Čím více je v jádře nukleonů, tím je jádro stabilnější (protože má větší vazebnou energii která drží to jádro pohromadě)
  • jádro je stabilnější než nukleony o samotě, také je lehčí

 

Vazebná energie jádra

  • Ej je vazebná energie připadající na 1 nukleon
  • každá částice je někam vázána, pokud ji chceme ze systému oddělit, musíme jí dodat větší sílu, než kterou je vázána
  • E, která se uvolní při vzniku jádra (nebo E, kterou je nutno dodat k jeho rozštěpení na jednotlivé nukleony)
  • je závislá na počtu nukleonů v jádře (A) tj čím větší A, tím větší Ej a tím větší je stabilita jádra
  • jádro o klidové hmotnosti: Ej = (Zmp + Nmn – mj) x c2 (mj = klidová m, mp = klidová m protonu, mn = klidová m neutronu, c = rychlost světla ve vakuu)
  • Fe má nejstabilnější jádro, protože má nejvyšší vazebnou energii

 

Radioaktivita

  • samovolný rozpad jader jednoho prvku na jádra jiného prvku za současného vyzařování neviditelného radioaktivního záření (energie)
  • poločas rozpadu – doba, za kterou se z výchozího počtu atomů přemění právě ½
  • malý – Po = 3 x 10-7s, Rn = 4 dny
  • velký – Ra = 1590 let, U = 14,5 x 109 let, C = 5730 let
  • přirozená radioaktivita – samovolný rozpad v přírodě se vyskytujících radionuklidů (je jich cca 50)

 

3 typy záření:

Záření α

  • proud rychle letících atomů He – 42He
  • silné ionizační účinky
  • velmi hmotné částice, pomalé a málo pronikavé
  • v el. poli se odchylují k – pólu
  • nově vzniklý prvek má N o 4 menší a Z o 2 menší (to je ten atom He)

Záření β

  • proud elektronů e(0-1β) nebo pozitronů e+ (01β+)
  • menší ionizační účinky než α
  • lehké, rychlé, pronikavé částice
  • v el. poli se odchylují k + (případně -) pólu
  • nově vzniklý prvek má Z o 1 větší

Záření γ

  • elmag vlnění podobné světlu, malá vlnová délka (00γ)
  • nejpronikavější jaderné záření, obvykle doprovází α nebo β
  • vzniká v jádře
  • fotony – žádný náboj žádná hmotnost

 

4 druhy radioaktivních přeměn

1) Přeměna α

  • nastává u velmi těžkých jader
  • vyzářením částice α se m prvku sníží a nový prvek se pohne o 2 místa v PSP vlevo
  • 22688Ra -> 42α (42He, 42He2+) + 22286Rn

2a) Přeměna β

  • u jader, kde je víc protonů než neutronů, rozpad neutronu
  • pouze u jader uměle vyrobených, ne v přírodě
  • neutron vyzáří elektron a antineutrino, změní se na proton
  • Z se o 1 zvýší, nový prvek bude o 1 místo vpravo
  • 3215P -> 0-1β (0-1e) + 3216S

2b) Přeměna β+

  • u jader, kde je víc protonů než neutronů
  • pouze u jader uměle vyrobených, ne v přírodě
  • proton se mění na neutron, vyzáří pozitron a neutrino
  • prvek se posouvá o jedno místo doleva
  • 3015P → 01β (01e) + 3014Si

3) Záchyt elektronů

  • u jader, kde je víc protonů než neutronů
  • vzniká jádro v PSP o jedno nalevo
  • na prázdné místo po elektronu přijde elektron z vyšší slupky (o vyšší energii) a přebytečná E se vyzáří jako Roentgenovo záření (to vzniká v el.obalu)
  • jádro si zachytí elektron ze svého elektronového obalu
  • 74Be + 0-1e → 73Li + Roentgenovo záření

4) Přeměna γ

  • když produkt rozpadu není ve svém základním stavu a má přebytek E, která vyjde jako záření γ
  • Využití: radiouhlíkové datování – podle obsahu radionuklidu C lze určit stáří organismů (po smrti dochází k jeho rozpadu), značení látek radioizotopy (lékařství, stavba látek), ozařování tkání s rakovinou

 

Jaderné reakce

  • Reakce atomů/atom. jader s jinými atomy/atom. jádry, dochází k jejich změně
  • jádro je odstřelováno urychlenou částicí (projektilem)
  • 2 výchozí látky

Umělá radioaktivita

  • z neradioaktivního nuklidu působením jiné částice vytvoříme nuklid radioaktivní
  • 1934, Iréne a F. Joliot-Curieovými, při bombardování Al částicemi α
  • 2713Al + 42He -> 3015P* + n
  • 3015P -> 3014Si + e+ (+ v)
  • použití: výroba nových radioizotopů, v lékařství (diagnostika, terapie a léčení rakoviny), markery/značky – informace o ukládání látek v lidském těle nebo v rostlinách

Transmutace prvků/jader

  • určitý nuklid se účinkem částice mění na jiný, neradioaktivní
  • provádí se bombardováním protony, neutrony, deuterony či fotony
  • vzniká neradioaktivní nuklid
  • 1919 provedl Rutherford, objevil proton
  • 42He + 147N -> 178O + 11H
  • 1932 provedl Chadwick, objevil neutron
  • 42He + 94Be -> 126C + 10n

Štěpení jader

  • u těžkých jader působením částice o velké energii, jádro se rozpadá na 2 lehčí jádra cca o stejné m
  • poprvé pozorováno u 235U, ty 3 n při dostatku U jsou příčinou řetězové reakce
  • 23592U + 10n -> 9336Kr + 14056Ba + 310n
  • neřízená řetězová reakce – reagují všechny 3 n, reakce končí výbuchem atomové bomby (Little Boy – Hirošima, Fat Man – Nagasaki)
  • řízená řetězová reakce – nechá se reagovat jen jeden neutron, využití v jaderných elektrárnách (problémy s radioaktivním odpadem)

Termojaderné reakce – jaderné fúze

  • syntéza lehkých jader za vzniku těžšího, současné uvolnění obrovské E
  • potřebují vysoké teploty nebo velké rychlosti reagujících částic
  • nevyčerpatelný zdroj E pro lidstvo – až překonáme technické problémy pro lidstvo
  • zneužití – vodíková bomba 21H + 21H -> 32He + 10n
  • Rozpadem atom. jádra nemusí vznikat stabilní prvek, ale zase radioaktivní, který se dále rozpadá -> rozpadová řada
    • Uranová, Aktinouranová, Thoriová (ty tři přírodní), Neptuniová (umělá)
    • poločas rozpadu
    • T = ln2/λ
    • čas za který se rozpadne polovina jader





Další podobné materiály na webu: