1 Vývoj znalostí o složení atomu 1807 Sloučeniny jsou drženy pohromadě elektrickými silami. Elektrolýza taveniny K2CO3 K Elektrolýza taveniny NaCl Na Humphry Davy (1778 - 1829) 2 Faradayův zákon 1833 Množství vyloučené látky při elektrolýze je přímo úměrné prošlému náboji Michael Faraday (1791 - 1867) Faradayova konstanta = F náboj 1 molu e = 96500 C 1 mol Mz+ 96500 C × z n molů Mz+ Q = I t zF MIt m = 3 Složení atomu 1874 Elektřina je tvořena diskrétními negativně nabitými částicemi 1894 název elektron George J. Stoney (1826 - 1911) 4 Složení atomu Katodové paprsky, 1898-1903 Vycházejí z negativní elektrody, pohybují se po přímce, zahřívají kov, otáčejí vrtulku Jsou stejné pro různé druhy katodového materiálu a použitého plynu Jsou odpuzovány záporným potenciálem Experimentální potvrzení existence elektronu Specifický náboj q/m = -1.76 108 C g -1 J. J. Thomson (1856 - 1940) 5 Elektrické pole Magnetické pole 6 Thomsonův model atomu Elektrony Kladný náboj rozptýlený 7 Náboj a hmotnost elektronu 1911 změřil náboj elektronu Pomocí mlžné komory q = -1.602 177 10-19 C Elektrický náboj je kvantován z q a q/me vypočetl hmotnost elektronu me = 9.109 39 10-31 kg Robert Millikan (1868 - 1953) NP za fyziku 1923 8 Mlžná komora 9 Anodové (kanálové) paprsky Proton q/mp = 9.579 107 C g-1 mp = 1.672648 10-27 kg qp = - elememtární náboj = 1.602 177 10-19 C 1886 Jsou různé pro různé druhy použitého plynu, odpuzovány kladným potenciálem, celistvé násobky -e, nejmenší pro H2 10 Nukleární model atomu Ernest Rutherford (1871-1937) NP za chemii 1908 1911 Rozptyl částic 11 Nukleární model atomu 12 Rozptyl částic Au 13 Experiment - rozptyl částic Většina projde bezezměny směru Prázdný prostor Malý počet je odražen zpět Srážka s masivní nabitou částicí = jádro Model 1 Model 2 14 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 15 Nukleární model atomu Průměr atomu ~ 1 Průměr jádra ~ 10 -4 Hustota jádra = 1.6 1014 g cm-3 Hmotnost jádra = 99.9% hmotnosti atomu 16 Objevy elementárních částic 17 Elementární částice 1.675 10-27 1.673 10-27 9.11 10-31 m, kg Spin 1.0086650nNeutron 1.007276+1pProton 0.0005486-1eElektron m , amuElektrický náboj SymbolČástice 18 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 19 Rentgenovo záření Wilhelm K. Roentgen (1845-1923) NP za fyziku 1901 X záření pronikající hmotou 20 Rentgenovo záření = 0.1 ­ 100 podle druhu anody U = 30 ­ 60 kV Materiál anody Cu K E = 8.05 keV = 1.541 21 Spektrum rentgenova záření Vlnová délka, 22 Moseleyho zákon Henry Moseley (1887-1915) Zabit ostřelovačem K Atomové číslo prvku je rovno počtu protonů v jádře. 23 Moseleyho zákon (K) = R (Z - 1) (K) = vlnočet linie K R = Rydbergova konstanta Z = protonové číslo 24 1913 Správné pořadí prvků v periodickém systému Co 58.933 Ni 58.71 Předpověděl prvky: Z = 43, 61, 75 Vlastnosti prvku závisí na protonovém čísle a ne na atomové hmotnosti Moseleyho zákon 25 Moseleyho zákon 26 27 Izotopy 1H protium 2H = D deuterium 3H = T tricium 1H 2H = D 3H = T Teploty varu (K) : H2 20.4, D2 23.5, T2 25.0 28 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 29 Přírodní 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 30 Hmotnostní spektrometrie Nakresli si hmotnostní spektrum Neonu! 20Ne 90.48 21Ne 0.27 22Ne 9.25 J. J. Thomson objevil dva izotopy Ne 31 Hmotnostní spektrometrie 1. Ionizace 2. Rozdělení podle m/z 3. Detekce 32 Hmotnostní spektrometrie TOF 33 Hmotnostní spektrum Hg 6.850204 29.80202 13.22201 23.13200 16.84199 10.02198 0.146196 %Hg 34 Hmotnostní spektrum Cl2 35Cl+ 37Cl+ (35Cl-35Cl)+ (35Cl-37Cl)+ (37Cl-37Cl)+ 35 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 36 Izotopická substituce Značené sloučeniny 13C/15N peptidy AlH3/AlD3 IR vibrace = 1/2 (k /m) Redukovaná hmotnost: m = m1m2/(m1 + m2) H/D kinetický izotopový efekt: kH/kD = 4 ­ 15 37 H/D kinetický izotopový efekt 38 Rentgenovo záření v medicíně 39 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 40 Difrakce záření Pohyb vlny Difraktující body Vznikají kulové vlny interferují = sčítají se nebo odčítají 41 Difrakce 1912 Přirozená mřížka = krystal, např. LiF, pravidelné uspořádání atomů. Vzdálenosti rovin (řádově jednotky ) jsou srovnatelné s vlnovou délkou rentgenova záření. Max von Laue (1879-1960) NP za fyziku 1914 42 Difrakce na atomech 43 Krystal Základní buňka 44 Difrakce na krystalových rovinách 45 Braggův zákon 2 d sin = n W. Henry a W. Lawrence Bragg NP za fyziku 1915 46 Prášková difrakce - Po 47 Rentgenová strukturní analýza 48 Rentgenová strukturní analýza Mapa elektronové hustoty Polohy atomů v elementární buňce Vazebné délky a úhly Vibrace 49 50 Hmotnost ­ mol ­ Avogadrova konstanta Prvky se slučují ve stálých hmotnostních poměrech: NaCl 23.0 g Na 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 51 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 16 krát více než vodík Kyslík tvoří sloučeniny s většinou prvků, standard O = 16 Chemická analýza dává průměrnou hmotnost Hmotnostní spektrometrie dává izotopovou hmotnost 16O = 16 52 Relativní atomová hmotnost 1961 Atomová hmotnostní jednotka 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) Nuklidová hmotnost Atomová hmotnost prvku = průměr hmotností izotopů vážený přirozeným zastoupením Relativní atomová hmotnost = m(A) / amu [bezrozměrná] 53 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: Astř = (0.98892)(12) + (0.01108)(13.00335) = 12.011 amu 54 Střední atomová hmotnost Hm. číslo Nukl. Hmotnost, amu % 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 Molybden 55 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 56 Střední relativní atomová hmotnost 24.305 12Mg 1 atom (průměrný) Mg má hmotnost 24.305 amu 1 mol Mg má hmotnost 24.305 g 57 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 58 Výpočet % složení ze vzorce C3H12O4PN 59 Výpočet empirického vzorce Vypočítejte stechiometrický vzorec sloučeniny, která se skládá z 26.58% K, 35.35% Cr a 38.07% O. 60 NMR Jaderný spin, I I = 0 : 12C, 16O I = : n, p, 13C, 1H, 31P, 19F, 29Si I > : D, 27Al, 14N 61 Proton (I = ) v magnetickém poli Intenzita magnetického pole 62 63 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 64 NMR 65 NMR Dynamika pohybu molekul v závislosti na teplotě 66 MRI-Magnetic Resonance Imaging Paul C. Lauterbur (1929) Sir Peter Mansfield (1933) NP za fyziologii a medicínu 2003 67