Nieorganiczna w zarysie: chemia kwantowa

W tym poście powtórzymy:

• model budowy atomu
• konfiguracje elektronowe 
• promieniotwórczość 

Budowa atomu

Prawo zachowania masy -  w reakcji chemicznej masa substratów (substancji wyjściowych) jest równa masie produktów, inaczej, że masa substancji biorących udział w reakcji chemicznej nie ulega zmianie.

Atom - najmniejsza, niepodzielna część pierwiastka chemicznego. Atom składa się z dodatnio naładowanego jądra i ujemnie naładowanej sfery elektronowej. W jądrze skupia się niemalże cała masa atomu.  Liczba protonów określa ładunek jądra, jest cechą charakterystyczną dla atomów danego pierwiastka i jest równa liczbie elektronów w atomie. Atomy o jednakowej liczbie protonów (elektronów) to atomy tego samego pierwiastka. Składniki elementarne są trwałe, ale najmniejszą trwałość wykazują neutrony. Elementarne składniki, to

• skupione w jądrze nukleony, czyli protony ładunek +1 masa 1u 

                                                                            oraz neutrony ładunek 0 masa 1u

• elektrony - w przestrzeni poza jądrem ładunek -1 masa 1/1840 u
• fotony - cząstki niemające ładunku ani masy; są to kwanty promieniowania elektromagnetycznego
• neutrina - cząstki bez ładunku, o masie mniejszej od elektronu, towarzyszą przemianie neutronu w proton i elektron n----> p+ + e- + v (neutrino) 

Atomowa jednostka masy u - 1u ma wartość 1,66 * 10 -24 g

Liczba atomowa (Z) - liczba protonów (liczba elektronów), określa ładunek jądra, liczba porządkowa peirwstka charakterystyczna dla atomu danego pierwiastka. 

Liczba masowa (A) - to suma protonów i neutronów w jądrze. Atomy danego pierwiastka mogą różnić się liczbą neutronów w jądrze. Liczbę neutronów obliczamy ze wzoru l.n= A-Z
A
  E  - pierwiastek E, zapis liczby atomowej i masowej
z

 np. Beryl:  Z= 4 , A= 9, ładunek jądra= +4, liczba protonów = liczba elektronów = 4, liczba neutronów = 5

Masa atomowa - masa atomu wyrażona w unitach [u]

Masa cząsteczkowa - masa cząsteczek związku chemicznego wyrażona w unitach [u] , obliczamy ją sumując masy atomowe pierwiastków wchodzących w skład cząsteczki.

Izotopy - to jądra o jednakowej liczbie atomowej, ale różnej masowej, czyli jądra te mają taką samą liczbę protonów, ale różnią się liczbą elektronów. Mają również różną masę atomową (bo różna liczba neutronów) dlatego nieznacznie różnią się temperaturą wrzenia i topnienia.

Powyższy wzór pozwala nam obliczyć masę atomową pierwiastka posiadającego izotopy
Ar - masa atomowa pierwiastka
% - skład procentowy poszczególnych iztopów
A1, A2.. - liczba masowa izotopu



Izotony - to przeciwieństwo izotopów, czyli mają tę samą liczbę neutronów, ale różną protonów

Izobary - to atomy różnych pierwiastków mające te same liczby nukleonów ( czyli takiej samej liczbie A a różnej Z)

* mała wskazówka jak zapamiętać te nazwy - izotoPy - ta sama liczba protonów
                                                                              izotoNy - ta sama liczba neutonów
                                                                              izobary - bary - masa - taka sama masa p+ i n

Defekt masy - to różnica masy atomowej pierwiastka, a masy w rzeczywistości. Brakująca masa wynika z tego, iż łączenie się nukleonów w jądro wymaga dostarczenia energii, jest ona zużywana i stąd w rzeczywistości masa jest niższa.

Nuklid - zbiór atomów o określonym składzie jądra ( o takiej samej liczbie atomowej i masowej)


Zapamiętaj, że tlen, azot, chlor, brom, fluor, wodór zawsze występują w postaci dwuatomowych cząsteczek.



Konfiguracje elektronowe

Zasada nieoznaczoności Heisenberga - nie jest możliwe dokładne wyznaczenie położenia elektronu w danym momencie, możemy jedynie określić prawdopodobieństwo wystąpienia elektronu w określonym czasie w chmurze elektronowej ( przestrzeni wokół jądra). Takie prawdopodobieństwo nazywamy stanem kwantowym elektronu i opisujemy go za pomocą czterech liczb kwantowych.

• n  (główna liczba kwantowa) określa energię elektronu w atomie, decyduje o wielkości orbitalu.

 n : 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 takie wartości może przyjąć

Stany kwantowe o takiej samej wartości n tworzą POWŁOKĘ.
Powłokom możemy przypisać literę i tak powłoka n= 1, to powłoka K itd.

powłoka                                    K     L     M     N     O      P     Q
wartość n                                  1      2      3       4      5      6      7
max liczba elektronów               2     8       18     32    50    72    98
na powłoce      

• l (poboczna liczba kwantowa) rozróżnia stany energetyczne elektronu w tej samej powłoce i decyduje i symetrii (kształcie) podpowłok 

l= 0, 1, 2, 3
   s   p  d   f   nazwa podpowłoki

• m (magnetyczna liczba kwantowa) określa liczbę orbitali danego typu (s, p, d, f itd), określa rzut momentu pędu elektronu

przyjmuje wartości od -l do l.

• ms (magnetyczna spinowa liczba kwantowa) związana z momentem pędu, określa spin elektronu

jej wartość, to 1/2 lub - 1/2

Kształty orbitali atomowych:

                  


Stan podstawowy atomu - to stan o najniższej możliwej wartości energii elektronów w atomie, im bliżej jądra tym energia niższa.

Stan wzbudzony - to stan o wyższej energii, niż energia podstawowa. patrz post poprzedni dokładnie wyjaśniam, to zjawisko.

Zakaz Pauliego - w atomie nie mogą istnieć dwa elektrony o identycznym stanie kwantowym czterech liczb, muszą różnić się przynajmniej jedną z nich.

Reguła Hunda - atom w stanie podstawowym ma możliwie największa niesparowaną liczbę elektronów.

wzór określający maksymalną liczbę elektronów dla danej powłoki, gdzie n to główna liczba kwantowa

Każdy orbital (kratka) może pomieścić maksymalnie dwa elektrony o przeciwnych spinach.




Kolejność zapełniania powłok elektronowych

Elektron jako pierwszy obsadza ten orbital dla którego suma liczb kwantowych n+l ma jak najmniejszą wartość. W przypadku gdy dla dwóch orbitali suma jest taka sama jako pierwszy zostaje obsadzony orbital o mniejszej liczbie głównej. Od 4 powłoki oprócz orbitali s, p, d istnieją jeszcze podpowłoki f.
np. orbital 3p           3+1=4

                4s            4+0=4       pierwszy zostanie obsadzony orbital 3p

Elektrony walencyjne

To elektrony z ostatniej powłoki ( n o najwyższej wartości, o najwyższym poziomie energetycznym). Są najsłabiej związane z jądrem atomowym i w procesie tworzenia wiązań chemicznych mogą być łatwo wymieniane z innymi atomami. Elektrony walencyjne decydują o właściwościach pierwiastków.
Ich liczba odpowiada numerowi grupy (od XIII odejmujemy 10).


Promieniotwórczość 

 *Promieniotwórczość naturalna
Jądra atomowe, których liczba atomowa Z wynosi powyżej 82 są nietrwałe i ulegają samorzutnemu rozpadowi. Na skutek tego powstają jądra lżejszych pierwiastków, a procesowi towarzyszy emisja alfa, beta cząstek lub promieniowanie gamma. Promieniowanie gamma ma charakter falowy, ładunek i masa wynosi 0.

• przemiana alfa - to rozpad jądra na inne lżejsze, z emisją cząstki lub cząstek alfa, które są jądrami helu. Cząstka ta ma ładunek elektryczny +2. Każdej przemianie alfa towarzyszy zmniejszenie liczby masowej (A) o cztery jednostki i zmniejszenie liczby atomowej (Z) o dwie jednostki

• przemiana beta-  - towarzyszy mu wypromieniowanie elektronu lub elektronów o ładunku -1. W takiej przemianie liczba masowa pozostaje bez zmian, a liczba atomowa podwyższa się o jeden. Skąd ten elektron? Otóż neutron traci w tej przemianie ładunek ujemny i staje się protonem, zostaje wyemitowana cząsteczka elektronu.

•  przemiana beta + - wyemitowany zostaje pozyton (''elektron o ładunku dodatnim''), liczba atomowa zostaje zmniejszona o jeden, a masowa bez zmian. W tej przemianie proton traci ładunek dodatni i staje się neutronem, towarzyszy temu emisja pozytonu.

 *Przenikliwość promieniowania

Okres połowicznego rozpadu - okres półtrwania, to czas po którym połowa liczby atomów (jąder) izotopu promieniotwórczego ulegnie przemianie (rozpadowi).

Zamiast m - masy możemy podstawić inne wartości np. I - intensywność rozpadu promieniotwórczego lub N - liczbę jąder.

Promieniotwórczość sztuczna

We wszystkich sztucznych przemianach suma liczb atomowych Z i suma liczb masowych A substratów jest równa tym liczbom produktów.

• synteza - powstają jądra pierwiastków cięższych od uranu, najczęściej wskutek bombardowania cząstkami alfa, a cząstką emitowaną może być neutron lub proton.

• rozszczepienie jądra - duże jądro atomowe pod wpływem promieniowania neutronowego rozpada się na mniejsze jądra i powstają nowe neutrony, które bombardują następne jądra. Jest, to tzw. reakcja łańcuchowa, która przebiega w sposób kontrolowany w reaktorach i niekontrolowany w bombach atomowych. proces ten jest wysokoenergetyczny.

Masa krytyczna - to masa materiału rozszczepialnego, po przekroczeniu której reakcja rozszczepienia jąder przebiega wybuchowo.
Fuzja - to zderzenie jąder atomowych.

Szybkość przemian promieniotwórczych

Zależy od zgromadzonej ilości materiału, im więcej materiału jest zgromadzone w jednym miejscu, tym szybciej się on rozpada.

                                                 v= k*N                   k-stała szybkości rozpadu prom.
                                                                                                                    N-liczba jąder (lub masa lub stężenie)


Pierwiastki radioaktywne, które warto pamiętać na maturę:

-stront
-aktyn
-bizmut
-frans
-polon
-rad


**********************************************************************************

Rozpatrzmy, to na zadaniu przykładowym.

Matura maj 2013

Zad. 4

Jednym z promieniotwórczych izotopów strontu jest ⁹⁰Sr. Jego okres półtrwania wynosi około 28 lat. Izotop ten jest bardzo niebezpieczny dla człowieka, ponieważ ze względu na swoje właściwości chemiczne łatwo wbudowuje się w tkankę kostną w miejsce nieradioaktywnego izotopu innego pierwiastka.
a) Oblicz, po jakim czasie z próbki ⁹⁰Sr o masie 51,2 mg pozostanie 0,4 mg tego izotopu.

Sposób I

Stosujemy wzory podane powyżej.
Dane:                                      n         m0                     n
m= 0,4mg                            2      =   ----                  2    = 128   (aby, to obliczyć stosujemy
m0= 51,2mg                                       m                                       rozkład na czynniki pierwsze)
T1/2=28lat
                                                                                   n=7 (tyle okresów połowicznego rozpadu było)

                                        t= t1/2 * n                         t=196 lat

Odp. Po 196 latach pozostanie 0,4mg tego izotopu.

Sposób II

Układamy tabelę.

t	0	1	2	3	4	5	6	7
Czas, lata	0	28	56	84	112	140	168	196
masa	51,2	25,6	12,8	6,4	3,2	1,6	0,8	0,4