1 Chemia jest nauką o substancjach, ich strukturze, właściwościach i reakcjach w których zachodzi przemiana jednych substancji w drugie. Badania przemian chemicznych obejmują także: mechanizmy reakcji, sposoby kontrolowania szybkości reakcji oraz wydajności tworzenia produktów. Podstawą ilościowych rozważań dotyczących reakcji chemicznych są wymienione poniżej elementarne pojęcia i prawa: Masa atomowa i cząsteczkowa Mol Masa molowa Prawo Avogadra Prawo zachowania masy Prawo stosunków stałych Prawo stosunków wielokrotnych Prawo stosunków objętościowych Wartościowość Rodzaje wzorów chemicznych Masa atomowa i cząsteczkowaMasa molowaPrawo AvogadraPrawo zachowania masyPrawo stosunków stałychPrawo stosunków wielokrotnychPrawo stosunków objętościowychWartościowośćRodzaje wzorów chemicznychMasa atomowa i cząsteczkowa

2 Materia ma budowę ziarnistą, nieciągłą, gdyż dowolnie mała przestrzeń pomyślana w jej wnętrzu nie jest nią całkowicie wypełniona. Atom jest najmniejszą jednostką budowy pierwiastka chemicznego, ale już - bez naruszenia zasadniczych właściwości pierwiastka - niepodzielną.

3

4 Elektron Cząstka która posiada ujemny ładunek elementarny o wartości -1.602 x 10 -19 (C). Dla wygody przyjęto, że elektron ma ładunek -1. 5.486 x 10 -4 u Proton Cząstka o ładunku dodatnim +1 (odpowiednio, +1.602 x 10 -19 C) 1.0087 u Neutron Cząstka elektrycznie obojętna. 1.0073 u

5 Jednostka masy atomowej u = 1.66054 x 10 -24 grama. Masy protonu i neutronu są prawie identyczne W jądrze (protony plus neutrony) skupiona jest prawie cała masa atomu Elektrony które równoważą dodatni ładunek protonów mają masę równą tylko 0.05% całej ich masy.

6

7 Przyspieszenie elektronu, skierowane do środka okręgu: a = v 2 /R /1/ Siła działająca między elektronem i jądrem: F = e 2 /R 2 /2/ e 2 /R 2 = mv 2 /R 2

8 mv 2 = e 2 /R /3/ Całkowita energia elektronu na orbicie (energia kinetyczna plus energia potencjalna) : E = T + V = mv 2 /2 - e 2 /R /4/ który po zastosowaniu równania mv 2 = e 2 /R przyjmuje postać: E = -e 2 / 2R /5/ Tylko pewne z możliwych orbit mogą być dozwolone, te orbity, dla których jest spełniony pewien kwantowy warunek związany z warunkiem Einsteina i Plancka.

9 Zarówno Planck jak i Einstein założyli, że światło o określonej częstotliwości nie jest emitowane ani absorbowane przez materię w dowolnie małych ilościach, lecz tylko w postaci kwantów energii E = h *. gdzie: h - stała Plancka, - częstotliwość.

10 Moment pędu elektronu skwantowany: L = m*v*R = n*h/2*P, gdzie: n = 1, 2, 3,...... /6/ Emisja promieniowania elektromagnetycznego: E' - E'' = hν /7/ Dozwolone promienie: R n = h 2 n 2 /4P 2 me 2 /8/ gdzie: m -masa elektronu, e - ładunek elektronu, n = 1, 2, 3,....

11 Promień Bohra: R 1 = a o = 5,3 * 10 -9 cm Energia orbit Bohra : E n = - 2P 2 me 4 / h 2 n 2, n = 1, 2, 3,...

12 Funkcja falowa Dla każdej cząstki, czy to dla fotonu, czy elektronu, istnieje stowarzyszone z nią pole fal materii, którego amplituda opisana jest funkcją Y(x, y, z, t), zwaną funkcją falową. Częstość(n) i długość fali(l) związanej z falą materii wyznacza się odpowiednio z zależności: n = E/h oraz l = h/p. Natężenie fali jest proporcjonalne do kwadratu amplitudy. Stąd natężenie pola materii związanego z cząstką jest proporcjonalne do kwadratu amplitudy tego pola Y(x, y, z, t). |Y(x, y, z, t)| 2 = P

13 Równanie Schrodingera Funkcję falową układu z jego energią całkowitą wiąże we wzajemnej zależności podstawowe równanie mechaniki falowej, zwane równaniem Schrodingera. Dla układów stacjonarnych, którymi są atomy z odpowiednio rozmieszczonymi wokół jądra elektronami, równanie Schrodingera zapisujemy w postaci. HY = EY gdzie: H - operator Hamiltona, Y - funkcja falowa, E - całkowita energia

14 Rozwinięta postać równania Schrodingera dla układu trójwymiarowego

15 Odnosząc funkcję falową do opisu elektronów w atomie można wykreślić rozkład prawdopodobieństwa znalezienia elektronu

16 (|Y(x, y, z, t)| 2 ) w funkcji odległości od jądra atomowego. Znaczenie fizyczne mają wyłącznie funkcje Y zależne od parametrów zwanych liczbami kwantowymi

17 Liczby kwantowe: Główna liczba kwantowa Główną liczbę kwantową oznacza się za pomocą litery n; może ona przyjmować wartości całkowitych liczb dodatnich 1, 2, 3,................... Określa więc powłokę elektronową do której należy elektron. Oprócz oznaczeń liczbowych często powłoki elektronowe oznacza się również za pomocą kolejnych dużych liter wziętych z badań widm emisyjnych lub absorbcyjnych promieniowania rentgenowskiego. Główna liczba kwantowa n określa energię powłoki elektronowej; Wartość n123456 Symbol literowyKLMNOP

18 Poboczna liczba kwantowa Poboczną liczbę kwantową oznacza się literą l i może przyjmować n wartości: 0, 1, 2,.......do / n-1 / Charakteryzuje ona podpowłokę elektronową, do której należy elektron. W przypadku atomów zawierających więcej niż jeden elektron, trzeba znać równocześnie liczby n oraz l by określić poziom energetyczny odpowiadający orbicie elektronowej. Z wartości l można określić małą oś elipsy i kształt orbity. Przykład obliczenia wartości liczby pobocznej l Dla pierwszej powłoki gdzie n = 1 liczba poboczna l przyjmie wartość l = n - 1 = 1 -1 = 0 Dla drugiej powłoki gdzie n = 2 liczba poboczna l będzie miała wartości l = 0 oraz l = n - 1 = 2 - 1 = 1 Dla trzeciej powłoki gdzie n = 3 wartości liczby pobocznej wyniosą l = 0, 1, 2

19 Poboczna liczba kwantowa l uściśla wartość energii elektronu oraz charakteryzuje kształt orbitali atomowych. Oprócz wartości liczbowych, liczby poboczne l oznacza się małymi literami : s, p, d, f, g, itd. Poboczna liczba kwantowa l 012345 Symbol podpowłoki spdfgh

20 Magnetyczna liczba kwantowa Magnetyczna liczba kwantowa m określa niewielkie różnice energetyczne pomiędzy elektronami o tej samej liczbie kwantowej n i l oraz wzajemne ustawienie się orbitali w przestrzeni pod wpływem zewnętrznego pola magnetycznego. Przy braku zewnętrznego pola magnetycznego orbitale nie mają określonego kierunku w przestrzeni i nie różnią się energią, są zatem zdegenerowane. Degeneracja oznacza istnienie dwóch lub wiecej różnych stanów o tej samej energii. Stany p są trzykrotne, stany d - pięciokrotne, a stany f - siedmiokrotnie zdegenerowane. Liczba m może przyjmować (2l + 1) wartości. m = - l, -(l - 1),......-1, 0, +1,.......,+(l -1) +l

21 Dla l = 2 liczba magnetyczna m przyjmie wartości -2, - (2 -1), 0, +(2 -1), +2 m = -2, -1, 0, +1, +2 Spinowa liczba kwantowa Liczba ta może przyjmować tylko dwie wartości: + 1/2 albo - 1/2. oznacza się ją literą s. Charakteryzuje ona najmniejsze różnice w stanach energetycznych elektronu związane z kierunkiem obrotu elektronu dookoła własnej osi /tzw. spin elektronu/.

22 Kształt orbitali Powierzchnia graniczna orbitali s

23 Powierzchnia graniczna orbitali p

24 Powierzchnia graniczna orbitali d