1
Náboj a hmotnost elektronu
1911 změřil náboj elektronu
Pomocí mlžné komory
q = −1.602 177 10−19 C
Elektrický náboj je kvantován,
Každý náboj je celistvým násobkem
elementárního náboje (elektronu)
z hodnoty q a q/me vypočetl
hmotnost elektronu
me = 9.109 39 10−31 kg
Robert Millikan
(1868 - 1953)
NP za fyziku 1923
2
Mlžná komora
Zdroj
ionizujícího
záření
Měření rychlosti
pádu kapiček při
různém napětí na
deskách
Hmotnost olejových kapiček
3
Anodové (kanálové) paprsky
Proton
q/mp = 9.579 107 C g−1
mp = 1.672648 10−27 kg
qp = − elementární náboj = 1.602 177 10−19 C
1886
Jsou různé pro různé druhy
použitého plynu, odpuzovány
kladným potenciálem,
celistvé násobky −e,
nejmenší pro H2
Kationty plynu
4
Nukleární model atomu
Ernest Rutherford
(1871-1937)
NP za chemii 1908
1911 Rozptyl α částic na Au
Radium – zdroj alfa částic
Sulfid zinečnatý
5
Experiment - rozptyl α částic
6
Experiment - rozptyl α částic
Většina projde bez změny směru
= Prázdný prostor
Malý počet je odražen zpět
Srážka s masivní nabitou částicí = jádro
Model 1
Thomson
Model 2
Rutherford
7
Nukleární model atomu
Většinu objemu atomu tvoří
oblak negativního náboje s
malou hmotností
Jádro atomu sestává z
pozitivního náboje s vysokou
hustotou (1.6 1014 g cm−3)
Hmotnost jádra činí 99.9%
hmotnosti atomu
Jádro atomu
8
Objevy elementárních částic
9
Elementární částice
1.675 10−27
1.673 10−27
9.11 10−31
m, kg
½
½
½
Spin
1.0086650nNeutron
1.007276+1pProton
0.0005486−1eElektron
m , amuEl. nábojSymbolČástice
10
Rentgenovo záření
Wilhelm K. Roentgen (1845-1923)
NP za fyziku 1901
Paprsky X - záření pronikající hmotou
11
Rentgenovo záření
Vlnová délka λ = 0.1 – 100 Å podle druhu anody
U = 30 – 60 kV
Materiál anody Cu Kα E = 8.05 keV λ = 1.541 Å
12
Vznik Rentgenova záření
Brzdné záření
Charakteristické
záření
13
Spektrum rentgenova záření
Vlnová délka, Å
1 Ångström = 10−10 m
Kα nejintenzivnější linie
Charakteristické čáry
pro různé prvky
Brzdné zářeníMinimum
eV = hν
14
Moseleyho zákon
Henry Moseley
(1887-1915)
Zabit ostřelovačem
ΰ(Kα) = vlnočet linie Kα
Vlnočet linie Kα je různý pro různé prvky
( ) ( )1
~
−= ZCKαν
15
Atom
F19
9
A, Nukleonové číslo
Z, Protonové číslo
Nuklid = soubor atomů se stejným A a Z
Prvek = soubor atomů se stejným Z
A = Z + N
16
Moseleyho zákon
ΰ(Kα) = vlnočet linie Kα
R = Rydbergova konstanta
Z = celé číslo = protonové číslo
Protonové číslo
( )1
4
3~
−= Z
R
ν
17
1913
Správné pořadí prvků v periodickém systému
Z = 27 Co 58.933
Z = 28 Ni 58.71
Předpověděl prvky:
Z = 43 (Tc), 61 (Pm), 72 (Hf), 75 (Re)
Oprava periodického zákona (Mendělejev 1869):
Vlastnosti prvku závisí na protonovém čísle
ne na atomové hmotnosti
Moseleyho zákon
Atomové (protonové) číslo prvku
je rovno počtu protonů v jádře.
18
Izotopy
1H protium
2H = D deuterium
3H = T tricium
1H 2H = D 3H = T
Liší se fyzikální vlastnosti
Teploty varu (K) : H2 20.4, D2 23.5, T2 25.0
19
Přírodní zastoupení, %
1H 99.985
2H 0.015
12C 98.89
13C 1.11
14N 99.63
15N 0.37
16O 99.759
17O 0.037
18O 0.204
32S 95.00
33S 0.76
34S 4.22
36S 0.014
20
Kolísání přírodního zastoupení, %
10B 18.927 - 20.337 19.9 (7)
11B 81.073 - 79.663 80.1 (7)
16O 99.7384 - 99.7756 99.757 (16)
17O 0.0399 - 0.0367 0.038 (1)
18O 0.2217 - 0.1877 0.205 (14)
Sledování změny poměrného zastoupení izotopů je
využíváno v geochemii – původ a stáří hornin
21
Hmotnostní spektrometrie
Nakresli si hmotnostní spektrum Neonu!
20Ne 90.48%
21Ne 0.27%
22Ne 9.25%
J. J. Thomson
objevil dva
izotopy Ne
Ne → Ne+ + e−
+ −
22
Hmotnostní spektrometrie
1. Ionizace 2. Rozdělení podle m/z
3. Detekce
23
Hmotnostní spektrometrie TOF
(Time-of-flight)
24
Hmotnostní spektrum Hg
6.850204
29.80202
13.22201
23.13200
16.84199
10.02198
0.146196
%80
AHg
25
Hmotnostní spektrum Cl2
35Cl+ a 37Cl+ (35Cl-35Cl)+ (35Cl-37Cl)+ (37Cl-37Cl)+
m/z
17Cl 35 75.8 %
37 24.2 %
26
Izotopomery
CH3 CD3 CD2H CD3
D
D
DD
D
H2O D2O HDO H2
17O H2
18O
H3C C N D3C C N
H3C C 15
NH3C 13
C N
D2HC C N
H3
13
C C N
27
Izotopická substituce
Značené sloučeniny 13C/15N peptidy
IR spektrum, vibrace AlH3/AlD3
Redukovaná hmotnost: m = m1m2/(m1 + m2)
H/D kinetický izotopový efekt: kH/kD = 4 – 15
m
k
π2
1
v =
28
Hmotnost – mol – Avogadrova konstanta
Prvky se slučují ve stálých hmotnostních poměrech:
NaCl: 23.0 g sodíku s 35.5 g chloru
Škála relativních atomových hmotností:
H = 1.0, C = 12.0, O = 16.0
Definice molu: 12.0 g C = 1 mol
Pak 23.0 g Na = 1 mol
1 mol = 22.4 litru
Změřit kolik částic je v 1 molu = Loschmidt, Perrin,...
NA = 6.022 1023 mol−1
29
Atomová hmotnostní jednotka
Avogadrova hypotéza: Při stejné teplotě a tlaku obsahují
stejné objemy různých plynů stejný počet částic
Nejsnadnější bylo určit relativní atomové hmotnosti plynů
Kyslík váží 16krát více než vodík
Kyslík tvoří sloučeniny s většinou prvků, standard O = 16
•Chemická analýza dává průměrnou hmotnost
O = 16 (směs isotopů)
•Hmotnostní spektrometrie dává izotopovou hmotnost
16O = 16
30
Atomová hmotnostní jednotka
1961 Atomová hmotnostní jednotka
kompromis mezi stupnicemi založenými na
O/16O = 16, zvolili nuklid 12C
1 amu = 1 u = 1 mu = 1 d = 1 (Dalton) = 1/12 hmotnosti atomu
nuklidu 12C
1 amu = 1.6606 10−27 kg
Hmotnost 1 atomu 12C je 12 amu (definice)
Hmotnost 1 molu 12C je 12 g přesně (Počet platných číslic?)
31
Relativní atomová hmotnost
Nuklidová hmotnost = hmotnost čistého izotopu
Atomová (střední) hmotnost prvku = průměr hmotností izotopů
vážený přirozeným zastoupením
Relativní atomová hmotnost = m(A) / amu [bezrozměrná]
1 amu = 1.6606 10−27 kg
Hmotnost 1 atomu 12C je 12 amu (definice) = 12 × 1.6606 10−27 kg
Relativní atomová hmotnost 12C = 12
Hmotnost 1 molu 12C je 12 g přesně
amu
atomum
Ar
)(
=
32
Střední atomová hmotnost
Přírodní C:
98.892 % 12C 1.108 % 13C
Nuklidová hmotnost 12C = 12 amu
Nuklidová hmotnost 13C = 13.00335 amu
Střední atomová hmotnost C (vážený průměr):
Astř = (0.98892)(12) + (0.01108)(13.00335) = 12.011 amu
1 amu = 1.6606 10−27 kg
33
Střední atomová hmotnost
Hm. číslo
Nukl. Hmotnost,
amu
Zastoupení, %
92 91.906808 14.84
94 93.905085 9.25
95 94.905840 15.92
96 95.904678 16.68
97 96.906020 9.55
98 97.905406 24.13
100 99.907477 9.63
Mo, molybden Astř = 95.94
34
Střední atomová hmotnost
10.8119.78
80.22
10.01294
11.00931
10
11
5
6
5
5
10B
11B
B
4.00260.00013
99.99987
3.01603
4.00260
3
4
1
2
2
2
3He
4He
He
1.0079
99.985
0.015
1.007825
2.01410
1
2
3
0
1
2
1
1
1
H
D
T
H
18.998410018.998401910919FF
Atomová
hmotnost, amu
PZ, %Nuklidová
hm., amu
ANZNuklidyPrvek
Platné číslice
35
Střední relativní atomová hmotnost
24.305
12Mg
1 atom (průměrný) Mg má hmotnost 24.305 amu
1 mol Mg má hmotnost 24.305 g
36
Relativní molekulová hmotnost
Výpočet Mr ze vzorce
Mr(CO2) = Ar(C) + 2 × Ar(O) = 44.01
Mr(CuSO4.5H2O) =
= Ar(Cu) + Ar(S) + (4 + 5) × Ar(O) + 10 × Ar(H)
= 249.68
Molární hmotnost CuSO4.5H2O = 249.68 g mol−1
37
Výpočet % složení ze vzorce
C3H12O4PN
Mr(C3H12O4PN) =
= 3 × Ar(C) + 12 × Ar(H) + 4 × Ar(O)
+ 1 × Ar(P) + 1 × Ar(N) = 157.11
Mr(C3H12O4PN) = 157.11 ………….100%
3 × Ar(C)…………………………….22.92%
12 × Ar(H)……………………………7.70%
4 × Ar(O) …………………………….40.74%
1 × Ar(P)……………………………..19.72%
1 × Ar(N)…………………………… 8.92%
38
Výpočet empirického vzorce
Vypočítejte stechiometrický vzorec sloučeniny, která se
skládá z 26.58% K, 35.35% Cr a 38.07% O.
Hledáme stechiometrické koeficienty x, y, z
KxCryOz
4998.3............3795.2
999.15
07.38
0001.1...........6799.0
990.51
35.35
1...........6798.0
098.39
58.26
==
==
==
z
y
x
K1Cr1.0001O3.4998 K2Cr2O7
rA
m
n =
39
Rentgenovo záření v medicíně a chemii
40
Difrakce
Spektroskopie – energetické hladiny, interpretace poskytne
informace o vazebných parametrech
Difrakce – čistě geometrický jev, závisí na rozložení
difraktujících bodů (atomů) a vlnové délce záření, poskytne
přímé informace o rozložení atomů
41
Difrakce záření
Pohyb vlny
Difraktující body
Vznikají kulové vlny
interferují = sčítají se
nebo odčítají
42
Difrakce
1912 Difrakční experiment
Přirozená mřížka = krystal, např. LiF, pravidelné uspořádání
atomů. Vzdálenosti rovin (řádově jednotky Å) jsou
srovnatelné s vlnovou délkou rentgenova záření.
Max von Laue
(1879-1960)
NP za fyziku 1914
43
Difrakce na atomech
44
Krystal
Základní buňka
45
Difrakce na krystalových rovinách
46
Braggův zákon
2 d sinθ = nλ W. Henry a W. Lawrence Bragg
NP za fyziku 1915
47
Rentgenová prášková difrakce - Po
48
Rentgenová strukturní analýza
49
Rentgenová strukturní analýza
Mapa elektronové hustoty
Polohy atomů v elementární buňce
Vazebné délky a úhly
Vibrace
50
NMR
Jaderný spin, I
I = 0 : 12C, 16O – sudo-sudá (Z/N)
I = ½ : n, p, 13C, 1H, 31P, 19F, 29Si
I > ½ : D, 27Al, 14N
51
Proton (I = ½) v magnetickém poli
Intenzita magnetického pole B0
Rozdíl v energiích hladin
52
53
NMR
Rozliší
Geometricky (tedy i chemicky) odlišné atomy v molekule
Intenzita signálu odpovídá počtu jader
Z interakcí lze zjistit propojení fragmentů v molekule
13C NMR
54
NMR
C60 je vysoce symetrická molekula, všechny atomy jsou
geometricky (tedy i chemicky) stejné.
Jediný signál v 13C NMR spektru
55
NMR
Dynamika pohybu molekul v závislosti na teplotě
56
MRI-Magnetic Resonance Imaging
Paul C. Lauterbur
(1929)
Sir Peter Mansfield
(1933)
NP za fyziologii a medicínu 2003