1
Náboj a hmotnost elektronu
1911 určení náboje elektronu q
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 A. 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  částic na Au
Radium – zdroj alfa částic
1898 - Marie a Pierre Curie
Sulfid zinečnatý
5
Experiment - rozptyl  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
6
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
7
Objevy elementárních částic
8
Elementární částice
Částice Symbol El. náboj Spin m, kg m , amu
Elektron e 1 ½ 9,11 1031 0,0005486
Proton p +1 ½ 1,673 1027 1,007276
Neutron n 0 ½ 1,675 1027 1,008665
1 amu = 1,6606 1027 kg
9
Rentgenovo záření
Wilhelm K. Roentgen (1845 - 1923)
NP za fyziku 1901
Paprsky X - záření pronikající hmotou
10
Vznik Rentgenova záření
Vlnová délka  = 0,1 – 100 Å podle druhu anody
U = 30 – 60 kV
Materiál anody Cu K E = 8,05 keV  = 1,541 Å
11
Spektrum Rentgenova záření
Vlnová délka, Å
1 Ångström = 1010 m
K nejintenzivnější linie
Charakteristické čáry
pro různé prvky
Brzdné záření
(spojité)
Minimum
eV = h
12
Dva druhy Rentgenova záření
Brzdné záření
(spojité)
Charakteristické
záření
(diskrétní čáry)
13
Moseleyho zákon
Henry Moseley
(1887 - 1915)
Dobrovolník
Zabit ostřelovačem
u Gallipoli, nedostal
proto NP 1915
ΰ(K) = vlnočet linie K
Vlnočet linie K je různý pro různé prvky
   1
~
 ZCK
14
Moseleyho zákon
ΰ(K) = vlnočet linie K
R = Rydbergova konstanta
Z = celé číslo = protonové číslo
Protonové číslo
 1
4
3~
 Z
R

15
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)
Ukázal, že je 15 lanthanoidů od La po Lu
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.
16
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
17
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
18
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
19
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
+ 
20
Hmotnostní spektrometrie
1. Ionizace vzorku 2. Rozdělení iontů podle m/z
3. Detekce počtu iontů
pro jednotlivé m/z
3 části hmotnostního spektrometru
21
Hmotnostní spektrometrie TOF
(Time-of-flight)
22
Hmotnostní spektrum Hg
80
AHg %
196 0.146
198 10.02
199 16.84
200 23.13
201 13.22
202 29.80
204 6.850
23
Hmotnostní spektrum Cl2
35Cl+ a 37Cl+ (35Cl-35Cl)+ (35Cl-37Cl)+ (37Cl-37Cl)+
m/z
17Cl 35 75.8 %
37 24.2 %
24
Izotopology a Izotopomery
CH3 CD3 CD2H CD3
D
D
DD
D
H2O D2O HDO H2
17O H2
18O
Izotopology =
různé izotopické
složení
Izotopomery =
stejné izotopické
složení, různá
místa v molekule
Která je nejdražší?
25
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
2
1
v 
26
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 (stejné objemy)
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
27
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?)
28
Látkové množství,
n , molmA M
m
n
N
N

AN
N
n 
mM
m
n Hmotnost, m , g
Molární hmotnost, Mm, g mol1
Počet částic, N
NA = 6,022 1023 mol1
Relativní
molekulová
hmotnost, Mr,
bezrozměrná
Atomová hmotnostní
jednotka,
u = 1,6606 1027 kg
u
m
M M
r 
Atomární úroveň
1 atom
Molární úroveň
1 mol
29
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
)(

30
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
31
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
32
Střední atomová hmotnost
Prvek Nuklidy Z N A Nuklidová
hm., amu
PZ, % Atomová
hmotnost, amu
H H
D
T
1
1
1
0
1
2
1
2
3
1.007825
2.01410
99.985
0.015 1.0079
He 3He
4He
2
2
1
2
3
4
3.01603
4.00260
0.00013
99.99987
4.0026
B 10B
11B
5
5
5
6
10
11
10.01294
11.00931
19.78
80.22
10.81
F 19F 9 10 19 18.99840 100 18.9984
Platné číslice
33
Střední relativní atomová hmotnost
24.305
12Mg
1 atom (průměrný) Mg má hmotnost 24.305 amu
1 mol Mg má hmotnost 24.305 g
34
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
35
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%
36
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 
37
Rentgenovo záření v medicíně a chemii
38
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
39
Difrakce záření
Pohyb vlny
Difraktující body
Vznikají kulové vlny
interferují = sčítají se
nebo odčítají
40
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
41
Krystal
Základní buňka
42
Difrakce na krystalových rovinách
43
Braggův zákon
2 d sinn W. Henry a W. Lawrence Bragg
NP za fyziku 1915
44
Rentgenová prášková difrakce - Po
45
Rentgenová strukturní analýza
46
Rentgenová strukturní analýza
Mapa elektronové hustoty
Polohy atomů v elementární buňce
Vazebné délky a úhly
Vibrace
47
NMR – nukleární magnetická resonance
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
Národní NMR centrum
Josefa Dadoka
Magnetické pole 22,3 T
48
Proton (I = ½) v magnetickém poli
Intenzita magnetického pole B0
Rozdíl v energiích hladin
49
50
NMR – nukleární magnetická resonance
Rozliší
Geometricky (tedy i chemicky) odlišné atomy v molekule
Intenzita signálu odpovídá počtu jader
Z interakcí lze zjistit propojení fragmentů v molekule
13C NMR
51
NMR – nukleární magnetická resonance
C60 je vysoce symetrická molekula, všechny atomy jsou
geometricky (tedy i chemicky) stejné.
Jediný signál v 13C NMR spektru
52
MRI - Magnetic Resonance Imaging
Paul C. Lauterbur
(1929)
Sir Peter Mansfield
(1933)
NP za fyziologii a medicínu 2003