Atomové jádro, elektronový obal 1 / 10 Atomové jádro Atomové jádro je tvořeno protony a neutrony Prvek je látka skládající se z atomů se stejným počtem protonů Nuklid je systém tvořený prvky se stejným počtem neutronů Izotopy jsou atomy prvku s různým počtem neutronů 12 6 C, 13 6 C, 14 7 N, 15 7 N A Z X A - nukleonové číslo - počet nukleonů (protonů a neutronů) v jádře Z - protonové číslo - počet protonů v jádře Relativní atomová hmotnost je dána hmotnostním poměrem atomových hmotností jednotlivých izotopů prvku. Chlor: 35 Cl (75,529 %), 37 Cl (24,471 %) Ar(Cl) = w(35 Cl) · A(35 Cl) + w(37 Cl) · A(37 Cl) = 0, 75529 · 34, 97 + 0, 24471 · 36, 97 = 35, 45 2 / 10 Stabilita atomových jader Na stabilitu má vliv velikost vazebné energie jádra a poměr mezi počtem protonů a neutronů. U lehkých jader je poměr zhruba 1:1, se vzrůstajícím protonovým číslem dochází ke zvyšování přebytku neutronů Vazebná energie je energie, která se uvolní při vzniku jádra z volných nukleonů Nejvíce stabilních jader má protonové i neutronové číslo sudé, např. 12 6C, 16 8O, ... Naopak kombinace lichého protonového a neutronového čísla je u stabilních jader vzácná, známe pouze čtyři: 1 1H, 6 3Li, 10 5B a 14 7N 3 / 10 Radioaktivní rozpady Pokud je v jádru nadbytek neutronů nebo protonů, jádro se přemění na stabilnější. α rozpad - rozpad charakteristický pro těžší jádra, dojde k uvolnění α-částice (jádro 4 2He2+ ), vzniklé jádro má protonové číslo menší o 2 a nukleonové o 4 226 88Ra −−→ 222 86Rn + 4 2He V případě nadbytku neutronů může dojít k rozpadu neutronu na proton a elektron, během přeměny se uvolňuje částice β− (0 −1e− ) 32 15P −−→ 32 16S + 0 –1e V případě nadbytku protonů může dojít k rozpadu protonu na neutron a pozitron, během přeměny se uvolňuje částice β+ (0 +1e+ ) 11 6C −−→ 11 5B + 0 +1e Nadbytek protonů v jádře může být kompenzován i pomocí elektronového záchytu, kdy proton pohltí elektron a vznikne neutron 7 4Be + 0 –1e −−→ 7 3Li 4 / 10 Jaderné reakce Poločas rozpadu - doba, za kterou dojde k rozpadu poloviny jader v systému Pravděpodobnostní veličina Charakteristika nestabilních jader, pohybuje se od zlomků sekund až po milióny let dN dt = −λN N(t) = N0e−λt t1 2 = ln 2 λ = τ ln 2 N - počet částic N0 - počet částic na počátku λ - rozpadová konstanta τ - doba života jádra - τ = 1 λ 5 / 10 Elektronový obal Elektrony vázané k atomovému jádru Elektronový obal tvoří asi 0,01 % hmotnosti atomu, ale tvoří většinu jeho objemu Poloměr elektronového obalu je řádově 10−10 m Elektrony vykazují dualitu chování, v důsledku Heisenbergova principu neurčitosti nelze přesně určit polohu elektrou v atomu, proto popisujeme pouze pravděpodobnost výskytu elektronu Počet elektronů v obalu atomu (elektroneutrální částice) je shodný s počtem protonů v jádře Elektrony se v obalu pohybují v prostoru vymezeném řešením Schrödingerovy rovnice, tento prostor označujeme jako atomový orbital Valenční elektrony - elektrony v poslední zaplněné slupce obalu, účastní se chemických dějů 6 / 10 Elektronový obal Elektron v atomu můžeme popsat čtyřmi kvantovými čísly Hlavní kvantové číslo (n) - popisuje příslušnost orbitalu do elektronové slupky – velikost orbitalu. Nabývá hodnot větších než 0. Vedlejší kvantové číslo (l) - popisuje tvar orbitalu. Často se používá označení pomocí písmen: s, p, d, f, g, h, ... Nabývá hodnot v intervalu < 0, n − 1 >. Magnetické kvantové číslo (m) - popisuje prostorovou orientaci orbitalu. Nabývá hodnot v intervalu < −l; l >. Spinové kvantové číslo (s) - nepopisuje orbital, ale spin elektronu v orbitalu. Nabývá hodnot ±1 2 . Pauliho princip výlučnosti - v atomu nemohou existovat dva elektrony, které by měly shodná všechna čtyři kvantová čísla, musí se lišit alespoň spinem, tzn. že do jednoho atomového orbitalu se vejdou maximálně dva elektrony. Výstavbový (Aufbau) princip - elektrony zaplňují orbitaly od energeticky nejnižších. První jsou zaplňovány volné orbitaly s nejnižším součtem n+l. 7 / 10 Elektronová konfigurace Popisuje zaplnění atomových orbitalů elektrony Orbitaly jsou zaplňovány v pořadí: 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p, 5s, 4d, 5p, 6s, 4f, 5d, 6p, 7s, 5f, 6d, 7p d-orbitaly se zaplňují až po zaplnění s-orbitalu s hlavním kvantovým číslem (n+1), např. 3d orbital se začne plnit až po 4s Zápis elektronové konfigurace: C: 1s2 2s2 2p2 ; P: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p3 Zkrácený zápis elektronové konfigurace: C: [He] 2s2 2p2 ; P: [Ne] 3s2 3p3 U nepřechodných prvků (s a p blok PSP) je zaplňování orbitalů dáno jejich energetickým pořadím. Sb: [Kr] 4d10 5s2 5p3 U přechodných (d blok) a vnitřně přechodných (f blok) prvků nacházíme výjimky a nepravidelnosti v pořadí zaplňování orbitalů 8 / 10 Elektronová konfigurace Změna pořadí energetických hladin K [Ar] 4s1 (3d0 4p0 ) Ca [Ar] 4s2 (3d0 4p0 ) Sc [Ar] 3d1 4s2 (4p0 ) Ti [Ar] 3d2 4s2 (4p0 ) Vyšší stabilita zpola zaplněných d-orbitalů U prvků 6. a 11. skupiny dochází k přeskoku jednoho elektronu z orbitalu s do orbitalu d, tím vzniká konfigurace se zpola nebo zcela zaplněným d-orbitalem. Cr: [Ar] 3d5 4s1 Cu: [Ar] 3d10 4s1 U f-prvků (lanthanoidy a aktinoidy) je elektronová konfigurace (n–2)f1−14 (n–1)d0−1 ns2 Gd: [Xe] 4f7 5d1 6s2 U: [Rn] 5f3 6d1 7s2 9 / 10 Elektronová konfigurace iontů Při vzniku kationtů se uvolňují elektrony z HOMO orbitalu (Highest Occupied Molecular Orbital - nejvyšší obsazený molekulový orbital). Při vzniku aniontů elektrony vstupují do LUMO orbitalu (Lowest Unoccupied Molecular Orbital - nejnižší neobsazený molekulový orbital). Na [Ne] 3s1 Na+ [Ne] (3s0 ) Ba [Xe] 3s2 Ba2+ [Xe] Fe [Ar] 3d6 4s2 Fe3+ [Ar] 3d5 Cu [Ar] 3d10 4s1 Cu2+ [Ar] 3d9 S [Ne] 3s2 3p4 S2− [Ne] 3s2 3p6 ≡ [Ar] Cl [Ne] 3s2 3p5 Cl− [Ne] 3s2 3p6 ≡ [Ar] 10 / 10