Strona główna

Kurs podstawowy cz. II zamkor Chemia ogólna I nieorganiczna – zakres podstawowy


Pobieranie 214.69 Kb.
Strona1/3
Data17.06.2016
Rozmiar214.69 Kb.
  1   2   3
Notatka opracowana na podstawie : Fizyka dla szkół ponadgimnazjalnych – kurs podstawowy cz.II -- Zamkor

Chemia ogólna i nieorganiczna – zakres podstawowy – Nowa Era

Cz.I.
W XVII wieku nastąpiło odrodzenie teorii atomistyczne angielski fizyk i chemik Robert Boyle stwierdził, że czą­steczki ciał składają się z atomów będących najmniejszymi porcjami pierwiastków chemicznych.

Izaak Newton, stworzył zwartą koncep­cję budowy ciał z tak zwanych korpuskuł - najmniejszych, niepodziel­nych porcji substancji.

Doświadczenia z gazami, (XVIII w) ,odkrycie prawa stosunków stałych pozwoliły na sfor­mułowanie, teorii atomistycznej. Jej twórcą był John Dalton - angielski fizyk i chemik, w 1808 roku rozprawie przyjął cztery podstawowe założenia doty­czące istnienia i właściwości atomów :



  1. Każda substancja zbudowana jest z trwałych i niepodzielnych cząstek,- atomów (nawiązanie do starożytnej hipotezy Demokryta). Atomy miały być pozbawione przestrzeni wewnętrznej i całkowi­cie nieściśliwe.

  2. Atomy, tak jak i pierwiastki, które one reprezentują, są niezniszczalne i zachowują swoją identyczność we wszystkich przemianach chemicz­nych. Założenie to przeczyło możliwości transmutacji, czyli przemian jednych pierwiastków w inne na drodze reakcji chemicznych, co było podstawą i siłą napędową alchemii. Założenie to jest do słuszne do dzi­siaj w odniesieniu do przemian chemicznych.

  3. Istnieje tyle różnych atomów, ile jest pierwiastków chemicznych, ro­zumianych w znaczeniu Lavoisiera jako substancje proste, niedające się podzielić na drodze reakcji chemicznych. To założenie również jest obecnie uznawane.

  4. Pierwiastki łączą się w związki chemiczne zawsze, w najprostszy możli­wy sposób, tworząc połączenie AB (Dalton wykluczył istnienie połą­czeń typu AxBx – postulat nieprawdziwy : H202, C2H2, C6H6 i inne)

Wraz z rozwojem i ugruntowaniem teorii atomistycznej poczynione zostały odkrycia przeczące pierwotnym przekonaniom o niepodzielności atomów :

1896 - francuski fizyk Antoine Henri Becquerel - zjawisko promieniowania związków uranu

1897 – angielski fizyk Joseph Thomson – odkrycie ujemnie naładowanego elektronu

Hipoteza : atom to przestrzennie ciągły ładunek dodatni, w którym punktowo tkwią elektrony



1911 - angielski fizyk Ernest Rutherford - uczeń Thomsona – doświadczenie z bombardowaniem

cienkiej folii złota cząstkami - każdy atom posiada bardzo małe, dodatnio naładowane jądro, zawierające większość masy danego atomu



1913 – duński fizyk Niels Henrik Bohr – w świecie atomu panują inne prawa niż w fizyce klasycznej

- kwantowa teoria budowy powłok elektronowych



1913 angielski chemik Frederick Soddy – odkrycie istnienia izotopów (prawo przesunięć promieniotwórczych – reguła Sodd’ego – Fajansa)

1914 – angielski fizyk Henry Moseley – liczba atomowa jako ilość protonów w jądrze atomu

1924 – francuski fizyk - Luis de Broglie (odkrycie falowej natury elektronu) – teoria korpuskularno-falowa budowy materii

1931 – szwajcarski fizyk - Wolfgang Pauli –postuluje istnienie neutrino (potwierdzenie 1953 )

1932 – angielski fizyk James Chadwick – odkrycie neutronu

1933 – pozyton ; 1936 – mezony  (miony) ; 1947 - mezon  ;……….

Cz. II


Pojęcie cząstki elementarne wprowadzono w latach 1930-1935 i oznaczało ono elektron, proton, neutron, kwant (foton). W tamtych czasach uznawano, że cała materia zbudowana jest z tych cząstek. W latach późniejszych odkryto miony, mezony, hiperony i wiele innych cząstek oraz ich antycząstki, początkowo wszystkie były uznane za elementarne.

Obecnie znanych jest ponad 200 takich cząstek, większość z nich współcześnie nie jest już uważana za elementarne.


Atom najlżejszego pierwiastka - wodoru - składa się z jednego protonu i jednego elektronu.

Z porównania mas i ładunków jąder innych pier­wiastków wynikało, że jądra nie mogą być zbudowane tylko z protonów. Stwierdzono, że jądro drugiego kolejnego pierwiastka z układu okresowe­go - helu - ma ładunek dwukrotnie większy od ładunku protonu, ale masę niemal czterokrotnie większą, a dla cięższych pierwiastków stosunek masy do ładunku jest jeszcze większy. Oznaczało to, że w skład jąder atomów cięższych od jądra wodoru wchodzą jeszcze jakieś cząstki neu­tralne elektrycznie. Cząstkę taką, nazwaną później neutronem, odkryto w 1932 roku. Neutron ma masę w przy­bliżeniu równą masie protonu (ok. 1839 razy większą od masy elektronu).

Jądro atomu helu składa się z 2 protonów i 2 neutronów i to właśnie jest cząstka .
Liczba protonów w jądrze atomu jest inna dla każdego pier­wiastka i równa liczbie elektronów krążących wokół jądra; nazywamy ją liczbą p o r z ą d k o w ą lub

a t o m o w ą Z,

bo jest ona równa numerowi danego pierwiastka w układzie okresowym, a także ładunkowi jądra (lub cząstki) wyrażonemu w jednostkach ładunku elementarnego.


Liczba neutronów w jądrach lekkich pierwiastków jest zwykle równa liczbie protonów.

W jądrach cięższych pierwiastków neutronów jest więcej niż protonów. Pro­tony i neutrony mają wspólną nazwę - nukleony.

Liczbę nukleonów w jądrze nazywamy liczbą masową i oznaczamy A.



-

Wartości Z i A umiesz­czamy przy symbolu pierwiastka X, np. dla helu Z = 2, A= 4

co zapisujemy lub . Analogiczny zapis przyjęto dla cząstek, więc np. proton oznaczamy lub , neutron , elektron ………


W jądrach atomów pierwiastków cięższych od wodoru w znikomo małej objętości znajduje się od kilku do kilkudziesięciu protonów, które odpy­chają się wzajemnie siłami elektrostatycznymi. Oczywiste jest więc, że między nukleonami muszą działać jakieś inne siły, siły przyciągania utrzy­mujące je w jądrze. Siły te nazywamy siłami jądrowymi. Są to siły krótko-zasięgowe, gdyż ich wartości maleją bardzo szybko, gdy wzrasta odległość między nukleonami i już dla odległości rzędu rozmiarów atomu można je pominąć w porównaniu z wartościami sił elektrostatycznych. Dla od­ległości rzędu rozmiarów jądra siły jądrowe dominują nad elektrosta­tycznymi. Sprawdzono doświadczalnie, że siły jądrowe „nie rozróżniają" nukleonów: dwa protony lub dwa neutrony oddziałują wzajemnie takimi sa­mymi siłami jądrowymi.


Opis oddziaływań nukleonów ciasno upakowanych w jądrze wymaga stosowania praw mechaniki kwantowej i jest bardzo skomplikowany. Upraszczając :

** Energia takiego układu jest najmniejsza, gdy liczba protonów jest równa liczbie

neutronów lub nieco od niej mniejsza.

** Jądro atomu (podobnie jak atom) może znajdować się w stanie pod­stawowym lub w

jednym ze stanów wzbudzonych. Przechodząc ze stanu wzbudzonego do stanu podstawowego, jądro oddaje nadmiar energii w postaci promieniowania elektromagnetycznego - promie­niowania y.

** Krótki zasięg sił jądrowych powoduje, że dla układu zbyt wielu nukleonów jądrowe siły

przyciągania nie mogą zrównoważyć sił wza­jemnego odpychania elektrostatycznego protonów.

Jądra atomów, których liczba atomowa przekracza 83 nie są więc stabilne i ulega­ją rozpadom. Nie oznacza to, że atomy takich pierwiastków nie występują w przyrodzie. Mogą one powstawać w różnych procesach, o których będzie jeszcze mowa, a przed rozpadem promieniotwór­czym mogą żyć bardzo długo (nawet miliony lat).
Izotopy i prawo rozpadu
Precyzyjne doświadczenia wykazały, że dla większości pierwiastków jądro atomu może występować w odmianach, różniących się liczbą neu­tronów. Odmiany te nazywamy izotopami.

Jądra wszystkich izotopów danego pierwiastka mają tę samą liczbę atomową Z, ale różnią się wartościami liczby masowej A.



Nawet wodór występuje w trzech odmianach. Pierwsza to wodór ; w odmianie zwanej deuterem jądro jest układem proton-neutron, a w trycie w jądrze są oprócz protonu dwa neu­trony. Jądro trytu nie jest sta­bilne: podlega ono spontanicznie roz­padowi , czyli rozpadowi, w którym jeden z neutronów „zmienia się" w pro­ton, emitując przy tym elektron i neu­tralną cząstkę, która niezwykle słabo od­działuje z materią - neutrino v

+ +
Ani elektronu, ani neutrina nie ma w jądrze przed rozpadem. Pow­stają one dopiero podczas rozpadu.

Większość pierwiastków posiada jeden lub dwa izotopy stabilne, a po­nadto izotopy nietrwałe, podlegające rozpadom promieniotwórczym.

Wszystkie jądra, w których jest za dużo neutronów, podlegają rozpadom (czyli wysyłają promieniowanie . Jądra o bardzo dużej liczbie protonów i neutronów (jak np. jądro uranu) nie mają żadnego izotopu stabilnego. Te, które „żyją" najdłużej, rozpadają się, emitując cząstki a (promieniowanie a).
Po rozpadzie jądro zmienia się w jądro innego pierwiastka, ponieważ rozpad neutronu na proton (i „uciekające z jądra" elektron oraz neutrino) zwiększa o 1 wartość liczby atomowej Z. Ogólnie można zapisać dla roz­padu : +

przy czym w bilansie pominięto neutrino, dla którego A = Z = O, bo neu­trino nie jest nukleonem i nie ma ładunku, natomiast jego masę można zaniedbać.



Emisja cząstki zmniejsza Z o 2, a A o 4, czyli też powoduje „przesunięcie" pierwiastka w układzie okresowym w inne miejsce +
Powyższe reguły to tzw. reguły przesunięć Soddy'ego i Fajansa (od nazwisk dwóch uczonych, którzy je sformułowali).

W próbce zawierającej N atomów niestabilnego izotopu jakiegoś pier­wiastka w każdej sekundzie wiele jąder ulega rozpadom promienio­twórczym. Liczba rozpadów jest równa zmianie liczby atomów (jąder) tego izotopu, zmianę tę oznaczamy N (N < 0, bo liczba jąder maleje). Stwierdzono doświadczalnie, że dla danego izotopu liczba rozpadów na­stępujących w jednostce czasu zależy tylko od całkowitej liczby N atomów w próbce i jest do niej proporcjonalna.

Możemy więc napisać (dla t → 0)



Współczynnik proporcjonalności oznaczony nazywamy stałą rozpadu. Jest to wielkość charakterystyczna dla danego izotopu i nie zależy od żadnych wielkości fizycznych opisujących jego stan.

Do scharakteryzowania właściwości promieniotwórczych substancji wprowadzono wielkość zwaną aktywnością A. A =



Gdzie |N| jest ubytkiem liczby N jąder promienio­twórczych w czasie t -» O. Wielkość ta informuje, ile rozpadów promieniotwórczych zachodzi w jed­nostce czasu.

Jednostką aktywności jest 1 bekerel.

Aktywność jest równa jednemu bekerelowi, jeśli w czasie jednej sekundy następuje jeden rozpad pro­mieniotwórczy
Poniżej podano przykłady aktywności różnych substancji promienio­twórczych:

Promieniotwórczy cez 137Cs w mleku: 0,2 - 10 Bq • kg-1,

nawóz superfosfat: 500 Bq • kg-1 ; popiół ze spalania węgla: 2000 Bq • kg ,

Całkowita aktywność substancji uwolnionych podczas katastrofy w Czarnobylu:

około 12 • 10 Bq,

Dopuszczalna aktywność radonu w pomieszczeniu mieszkalnym : 200 Bq • m-3

Z równania A = można wyprowadzić tzw. prawo rozpadu, tj. obliczyć liczbę atomów (jąder) N(t) tego samego pierwiastka pozostałych w próbce z pierwotnej liczby N0 po upływie czasu t. Prawo to wyrażamy w języku ma­tematyki wzorem :




gdzie e « 2,718 jest podstawą logarytmów naturalnych. Wykres funkcji N(t) (funkcji wykładniczej) przedsta­wiono na rysunku







Czas, po którego upływie w próbce pozostała połowa początkowej licz­by atomów (jąder), nazywamy cza­sem połowicznego rozpadu i ozna­czamy T (lub T1/2). Czas ten dla jąder różnych izotopów i różnych rozpa­dów może być zarówno rzędu bilio­nowych części sekundy, jak i miliardów lat. Jest on związany ze stałą roz­padu :

• T 0,693 lub N(t) = (t/T • No

np. t = 3T to N = 1/8 No



W historii, archeologii, biologii i geologii ważna rolę odgrywa nietrwały izotop węgla o czasie połowicznego rozpadu około 6000 lat. Izotop stanowi stały, niewielki procent węgla zawartego w materii każdego żywego organizmu. Po śmierci organizmu rozpad tego izotopu powoduje, że jego zawartość maleje w miarę upływu czasu. Pomiar stosunku zawartości do „zwykłego” pozwala na wyznaczenie „daty” śmierci organizmu. Np. jeśli dla odnalezionego drewnianego narzędzia stosunek jest czterokrotnie mniejszy niż w rosnącym drzewie, to można obliczyć , że narzędzie wykonano co najmniej 12000 lat temu [ po 6000 – zmalało do połowy, po następnych 6000 latach połowy z połowy – więc do 1/4. t/T=2 ; więc t = 12000 lat.



Deficyt masy w fizyce jądrowej
Do roz­dzielenia układów złożonych, związanych siłami przyciągania, konieczne jest zawsze dostarczenie energii równej energii wiązania układu Ew.

Energia układu związanego jest mniejsza od sumy energii jego składników po rozdzieleniu, a masa układu związanego jest mniejsza od sumy mas jego składników. Różnicę między tymi wielkościami nazywamy deficytem masy i oznaczamy m. Energia wiązania wyraża się przez deficyt masy wzorem :






gdzie m1 i m2 to masy składników,



Mu masa układu złożonego z tych skład­ników

Jądra atomów są układami związanymi, które bardzo różnią się od wszystkich innych układów związanych występujących w przyrodzie.

Energie wiązania elektronów w atomach są rzędu jed­nej stutysięcznej energii spoczynkowej elektronu, np. w atomie wodoru Ew = 3• 10-5 mec2 .

Energie wiązania jąder są znacznie większe od energii wiązania atomów i cząsteczek. Nawet dla wyjątkowo słabo związanego jądra deuteru energia wiązania protonu i neutronu stanowi ponad 0,1% energii spo­czynkowej jądra. Dla jąder składających się z większej liczby nukleonów podajemy zwykle energię wiązania przypadającą na jeden nukleon (takiej energii wymaga, w przybliżeniu, wyrwanie z jądra jednego nukleonu).

Dla jądra helu stosunek do energii spoczynkowej protonu lub neutronu wynosi ok. 0,5%, a dla jądra żelaza niemal 1%. Zatem deficyt masy jąder może być rzędu 1% masy - miliony razy więcej, niż dla innych układów związanych!







Dla lekkich jąder rośnie ze wzrostem liczby masowej A, osiąga maksimum dla wartoś­ci A około 50 (co odpowiada jądrom żelaza), a potem maleje.

Duże różnice stosunku dla rożnych jąder oznaczają możliwość wykorzystania ogromnej energii zmagazynowanej w jądrach.

Wykres kończy się przy wartościach A, dla których nie ma już stabilnych jąder. Masa jąder AZX cięższych od jądra bizmutu jest z reguły większa od sumy mas cząstki i jądra


pierwiastka Dla tych jąder możliwy jest więc samorzutny rozpad .

Reakcje jądrowe
Niektóre jądra atomowe są stabilne, a inne ulegają samorzutnym roz­padom. Wszystkie jądra mogą jednak brać udział w procesach zderzeń i w ich wyniku ulegać różnym przemianom. Procesy te obejmujemy ogólną nazwą reakcji jądrowych.

Pierwszą reakcję jądrową odkrył już Rutherford. Stwierdził on, że przy bombardowaniu azotu cząstkami pojawiają się swobodne protony. Ustalono, że zachodzi wówczas reakcja :






Dla jednolitości zapisu cząstkę i proton oznaczono symbolami odpowiednich pierwiastków: helu i wodoru : ; p







Inna reakcja jądrowa doprowadziła do odkrycia neutronu: cząstkami ostrzeliwano beryl

Reakcję tę badali Fryderyk i Irena Joliot-Curie , ale odkrywcą neutronu został Chadwick, który jako pierwszy ustalił, że neutralne cząstki unoszące część energii w tej reakcji nie są fo­tonami wielkiej energii (promieniowaniem y), lecz mają masę zbliżoną do masy protonu.


  1   2   3


©snauka.pl 2016
wyślij wiadomość