Još prije 2500 godina grčki filozofi materijalisti pitali su se do koje se mjere tvari mogu usitnjavati na sve manje i manje čestice?

Demokrit (470. do 380. godine prije Demokrit (470. do 380. godine prije Demokrit (470. do 380. godine prije Demokrit (470. do 380. godine prije Krista) je prihvatio LeukipovoKrista) je prihvatio LeukipovoKrista) je prihvatio LeukipovoKrista) je prihvatio Leukipovo uuuučenje enje enje enje o atomimao atomimao atomimao atomima,,,, razvio ga i zakljurazvio ga i zakljurazvio ga i zakljurazvio ga i zaključio da io da io da io da sve tvari moraju biti izgrađene od sve tvari moraju biti izgrađene od sve tvari moraju biti izgrađene od sve tvari moraju biti izgrađene od najmanjih, dalje nedjeljivihnajmanjih, dalje nedjeljivihnajmanjih, dalje nedjeljivihnajmanjih, dalje nedjeljivih česticaesticaesticaestica, , , , atoma(gratoma(gratoma(gratoma(grčki ki ki ki atomosatomosatomosatomos znaznaznaznačiiii nedjeljivnedjeljivnedjeljivnedjeljiv).).).).

COULOMB, 1785. g

F = k x Q1 x Q2 /r2

QQQQ1111 i Qi Qi Qi Q2222 –––– kolikolikolikoličina naboja (+, ina naboja (+, ina naboja (+, ina naboja (+, ----), r ), r ), r ), r –––– udaljenost udaljenost udaljenost udaljenost između nabojaizmeđu nabojaizmeđu nabojaizmeđu naboja

Među fiziMeđu fiziMeđu fiziMeđu fizičarima koji su prouarima koji su prouarima koji su prouarima koji su proučavali građu atoma istiavali građu atoma istiavali građu atoma istiavali građu atoma ističu se:u se:u se:u se:

P. LenardC.T.R.WilsonSir E. Rutherford (1911.)

Privlačna sila između dva suprotna električna naboja upravo je razmjerna količini elektrike pozitivnog naboja q1 i negativnog naboja q2, a obrnuto razmjerna kvadratu udaljenosti naboja r

K.C.RÖNTGEN (1895.) –otkrio X-zrake

- slične zrakama svjetlosti ali mnogo kraćih valnih duljina (0,01 do 1 nm)

H.BECQUEREL (1896) – otkrio pojavu zračenja u uranovim spojevima (radioaktivnost).

MARIJA SKLODOWSKA – CURIE

i PIERRE CURIE

- potaknuti istraživanjima radioaktivnosti izolirali su POLONIJ i RADIJ.

E.RUTHERFORD i F.VILLARD

- našli su da se radioaktivno zračenje prirodnih izvora sastoji od:

α – čestica

β – čestica

γ - zraka

- u magnetskom se polju različito otklanjaju

IZVOR ZRAČE

NJA

(+) N

(-) S

β- čestice

γ - zrake

α - čestice

- α – čestice, + nabijene� jezgre atoma helija

- β – čestice, - nabijene� elektroni (a potječu iz jezgre)

- γ – zrake, � ne otklanjaju se ni u magnetskom, ni u električnom polju

� to su elektromagnetski valovi duljine vala 0,001 do 0,1nm.

Radioaktivnim zračenjem mijenja se jezgra atoma elementa:

- to je radioaktivna pretvorba ili radioaktivni raspad.α i β čestice potječu iz jezgre atoma, a javljaju se kao posljedica nestabilnosti jezgre zbog velikog broja protona.

Reakcija je ireverzibilna, nastaje novi element.

- brzina reakcije je neovisna o vanjskim utjecajima, a oslobođena je energija oko 106 puta veća od energije koja se oslobađa kemijskom reakcijom.

1. RUTHERFORD – ov model atoma (1911.)

2. BOHROV – ov model (1913.)

3. SCHRÖDINGER – ov model: valno - mehanički model (1926.)

- eksperimentalno je dokazao da je masa atoma sadržana u jezgri i da je jezgra pozitivno nabijena.

Eksperiment je izveo tako da je α – zrake propuštao kroz listić zlata debljine 500 nm (sadrži oko 2000 slojeva atoma); oko listića zlata postavio je zaslon ZnS.

Zaklju čak: Budući da su zrake prolazile kroz listiće, a malo ih se otklonilo � masa atoma nalazi se u vrlo maloj jezgri koja je pozitivna, a atom je zapravo relativno prazna struktura.

Izračunao je i promjer jezgre: vrlo je sićušna; kad bi atom bio uvećan 100 milijardi puta (1011) imao bi promjer oko 10 m.

U središtu bi se nalazila jezgra s više od 99,9% mase, i promjera oko 1 mm.

Rutherfordov planetarni atomski modelAtom je sastavljen od pozitivno nabijene jezgre malih dimenzija koja je oko 100 000 puta manja od dimenzije atoma, koju okružuju elektroni koji se oko nje gibaju kao planete oko Sunca.

Jezgra je (+) naboja, a oko jezgre se kreću sićušne čestice (brzinom 106 m/s) negativnog naboja (–) koje je STONEYnazvao elektroni(me = 9,11 x 10-31 kg)

Jezgra se sastoji od dvije osnovne vrste čestica, tzv. nukleona:

- protoni (p) i neutroni (n)

Rutherford J.Chadwick

- proton: masa (p) = 1,67 x 10-27kg

- maseni broj 1, nabojni broj +1

naboj: 1,6 x 10-19C

- neutron: masa (n) = 1,67 x 10-27 kg

- maseni broj 1, nema naboja

- broj protona u jezgri jednak je ATOMSKOM BROJU (Z), može biti od 1 do 110.

- zbroj masa protona i neutrona daje masu atoma, a zbroj protona i neutrona daje

MASENI BROJ (A)

Broj neutrona može varirati u atomima istog elementa, a da se kemijska svojstvapri tome nemijenjaju (jer ona ovise o elektronskoj ovojnici).

Simbol atoma

Masenibroj

Atomski broj

Atom ugljika-12 Atom kisika-16

Atomi koji imaju isti atomski broj (Z), a različite masene brojeve (A) zovu se -IZOTOPI

IZ OTOPI – razlikuju se po broju neutrona u jezgri.

Od 92 prirodna elementasamo se 20 sastoji od jedne vrste izotopa –MONONUKLIDNI elementi.

POLINUKLIDNI elementi – sastoje se od različitih nuklida.

Poznato je 239 izotopa. Najviše ima Sn – 10 izotopa.

IZOBARI – atomi koji imaju siti maseni broj (A), a različ ite atomske brojeve (Z).

Omjer broja protona i neutronau jezgri:

p : n = 1 : 1 do 1 : 1,6 - unutarnja ravnoteža jezgre

Ako je taj omjer veći, jezgra postaje nestabilna,

neutron može prijeći u proton:

n p + e- ∆E = - 71,0 GJ/mol

- ovo se zbiva pri prirodnom radioaktivnom raspadanju elemenata i umjetnoj pretvorbi elemenata.

Ako je taj omjer manji, proton se može pretvoriti u neutron:

p n + e+ ∆E = 167,5 GJ/mol

pozitron

Elektron (e-) i pozitron (e+) - LEPTONI

IZOTOPI VODIKA

H

1

1

H

2

1

H

3

1

Deuterij

Tricij

Protij

Pozitron je antičestica elektrona. Pozitron ima jednaku masu i spin (1/2) kao i elektron, ali suprotni električni naboj od elektrona.. Paul Dirac je 1928.godine teorijski predvidio postojanje pozitrona. Prve eksperimentalne dokaze o postojanju te do tada nepoznate čestice 1932.godine objavio je Carl D. Anderson.

Izotopi vodika

vodik deuterij tricij

proton elektron neutron

IZOTOPI UGLJIKA

C C C12

6

13

6

14

6

no =12 - 6 13 – 6 14 – 6

no = 6 7 8

no = maseni broj - redni broj

IZOTOPI KISIKA

O O O 16

8

17

8

18

8

no = 8 9 10

Izotopi ugljika

ATOM je uvijek neutralan!

- broj protona u jezgri = broju elektrona u elektronskom omotaču.

Atomska masa

- je srednja masa izotopnog sastava pojedinog elementa.Npr.

BA

5

A = 10,81

IZOTOPI BORA

B B

10

5

11

5

- u izotopnoj smjesi: 19,7% 80,3%

ATOMSKA MASA

(10,013 x 19,7) + (11,009 x 80,3)

100

Niels Bohr (danski fizičar)

- 1922. – Nobelova nagrada

Još su u drugoj polovici 19. stoljeća fizičari i kemičari (kao KIRCHHOFF i BUNSEN) proučavali građu atoma

- otkrili su emisijske i apsorpcijske spektre svjetlosti koji su karakteristični za svaku tvar (jer im je izvor u atomima),

- atomi mogu emitirati i apsorbirati elektromagnetske valove .

M.PLANCK (1900.)

- postavio je jeteoriju diskontinuiranosti energije:

- užareno tijelo može emitirati ili apsorbirati samo višekratnike određenog najmanjeg kvanta energije zračenja, koji je za svaku frekvenciju (ν) različit i njemu proporcionalan.

To je KVANT ENERGIJE.

Emitirana ili apsorbirana energija ima vrijednost:

E = n . h . ν

E = energija

h = Planckova konstanta (6,6 x 10-34 Js)

ν = frekvencija emitiranog ili apsorbiranog zračenja

n = cijeli broj (1,2,3, ...) tj. broj atoma, molekula, tj. tzv. OSCILATORAFOTOELEKTRI ČNI EFEKT – pojava emisije elektrona s površine metala uslijed djelovanja UV – zračenja (ili rendgenskih zraka).

- oslobođeni elektroni zovu se – FOTOELEKTRONI

Shematski prikaz fotoelektričnog efekta

A. EINSTEIN 1905. – objašnjava fotoelektrični efekt

- postavlja fotoelektričnu teoriju, pretpostavlja da se svjetlost sastoji od kvanta energije svjetlosti h . ν.

Ti se kvanti po G.W.LEWISUod 1926. zovu se FOTONI .

Einsteinova fotoelektrična jednadžba

h . ν = Ei + m . v2/2h . ν = energija fotona

Ei = energija ionizacije (tj. energija potrebna za izbacivanje jednog elektrona s površine metala)

kinetička energija fotoelektrona

Niels Bohr (1913.)

- na temelju Plackove kvantne i Einsteinove fotoelektrične teorije, te proučavajući linijske spektre vodika postavio je teoriju o građi atoma.

1. Bohrov postulat:Elektroni se oko jezgre kreću samo po strogo određenim putanjama.- u takvom STACIONARNOM STANJU – atom ne emitira energijuNajmanja putanja elektrona u kojoj je atom najstabilniji je njegovo OSNOVNO ili NORMALNO STANJE.

Dodavanjem energije atom prelazi u stanje s više energije, tj. POBUĐENI elektron prelazi u viši energetski novo.

- pobuđeno stanje elektrona traje svega 10-8 sekundi.

- povratkom na normalno stanje atom apsorbiranu energiju emitira, jer se elektron vraća s višegenergetskog nivoa na niži.

Energija zračenja

- jednaka je razlici energije E2 i E1 tj. zračenje koje se oslobađa pri povratku elektrona iz pobuđenog u normalno stanje

∆E = E2 – E1

∆E = h . ν2 - h . ν1 = h . (ν2 - ν1 )

Vodik Helij Litij Berilij

II Bohrov postulat

- apsorpcija i emisija energije zbiva se samo prilikom prijelaza

elektrona iz jedne dopuštene putanje u drugu

III Bohrov postulat

- mogući su skokovi elektrona s viših energetskih nivoa ne samo u

normalno stanje, nego i na ostale niže nivoe

Kvantnomehanički model atoma bitno se razlikuje od Bohrovog:

- odbacuje određene putanje elektrona

- uvodi pojam prostor vjerojatnosti nalaženja elektrona oko atomske jezgre.- taj se prostor može predočiti kao elektronski oblak različite gustoće oko atomske jezgre.

Schrödinger (1926.)

- riješio problem kako obuhvatiti zajedno KORPUSKULARNU (čestičnu) i VALNU PRIRODU elektrona u atomu

- karakteristična veličina svake valne pojave je VALNA FUNKCIIJA tj. amplituda vala kao funkcija prostornih koordinata x, y i z.

- Schrödinger je dao osnovnu jednadžbu elektrona

δ2Ψ/δx2 + δ2Ψ/δy2 + δ2Ψ/δz2 + 8π2m/h2 (E – V) Ψ = 0

m – masa elektrona

E – ukupna energija elektrona

V – potencijalna energija elektrona koja je funkcija prostornih koordinata (V = - kZe2/r)

Rješenja ove diferencijalne jednadžbe u ovisnosti o x, y i z daju valne funkcije Ψ za razna kvantna stanja atoma i njima odgovarajuće energije elektrona.

Valne funkcije Ψ moraju sadržavati konstante određenih vrijednosti da bi zadovoljavale Schrödinger – ovu jednadžbu.

Postoje tri takve konstante i njihove vrijednosti –KVANTI BROJEVI

- svaka određena kombinacija takvih triju kvantnih brojeva odgovara dopuštenom energetskom stanju elektrona

Valna funkcija koja odgovara kombinaciji triju kvantnih brojeva naziva se -ORBITALA

GRAĐA ELEKTRONSKE OVOJNICE

- stanje elektrona u atomu potpuno je definirano s 4 KVANTNA BROJA

n – glavni kvantni broj : predstavlja glavni energetski nivo

- elektronske ljuske: vrijednosti su 1 – 7

- označavaju se slovima:K, L, M, N, O, P, Q

p+n0

jezgra

K

n 1

L

2

2e-

s2

8e-

s2p6

M

3

18e-

s2p6

d10

N

4

32e-

s2p6d10

f14

O

5

P

6

Q

7

l – orbitalni kvantni broj (sporedni )

- ima vrijednosti 0, 1, 2, 3 ......... (n – 1)

- određuje oblik orbitale

l = 0 s – orbitale (kuglaste)

l = 1 p – orbitale (usmjerene prema osima koordinatnog sustava)

pz px py

l = 2 d – orbitale

l = 3 f - orbitale

ml – magnetski kvantni broj

- ima vrijednosti +l do –l

- predstavlja prostornu usmjerenost orbitale pod utjecajem vanjskog magnetskog polja

ms – kvantni broj spina

- ima vrijednosti + ½ i – ½ za svaku vrijednost ml

U svakoj orbitali mogu se nalaziti 2 elektrona sa suprotnim spinom.

Spin – vrtnja elektrona oko vlastite osi – zapravo je svojstvo elektrona kao što su to masa i naboj.

S obzirom na raspodjelu elektrona po orbitalama, švicarski znanstvenik W. Pauli definirao je princip zabrane:

Paulijev princip zabrane:

“Dva elektrona ni u slobodnom ni u vezanom stanju ne mogu imati jednaka sva četiri kvantna broja”

Elektronska konfiguracija K -ljuske

n = 1

l = 0

ml = 0

ms = + ½ i – ½ ( )

Dakle, u prvoj ljusci mogu biti samo 2 elektrona koji se razlikuju po spinu

l = 0, znači da je orbitalas – kuglasta

K – ljuska ima konfiguraciju 1s2 (jedan es dva)

Elektronska konfiguracija L – ljuske

n = 2

l = 0 (s) 1 (p)

ml = 0 -1 0 +1

ms = +-1/2 +-1/2 +-1/2 +-1/2

Oznake elektona

L – ljuska može sadržavati najviše osam elektrona; dva u s – orbitali,

a šest u 3p – orbitalama od kojih svaka može imati dva elektrona.

Konfiguracija L – ljuske: 2s2 2p6 (“dva es dva, dva pe šest”)

Elektronska konfiguracija M- ljuske

n = 3

l = 0 1 2

ml = 0 -1,0,+1 -2,-1,0,+1,+2

ms = +-1/2 (9x)

s p d 3s2 3p6 3d10

Maksimalni broj elektrona u ljusci je 2n2 ( n = glavni kvantni broj), ali u

vanjskoj ljusci maksimalno može biti smješteno 8 elektrona.

Elektronska konfiguracija N- ljuske

n = 4

l = 0 1 2 3

ml = 0 -1,0,+1 -2,-1,0,+1,+2 -3,-2,-1,0,+1,+2,+3

ms = +-1/2 (16x)

N –ljuska može sadržavati maksimalno 32elektrona koji su razmješteni

u četiri vrste orbitala: s, p, d, f

s p d f

SHEMATSKI PRIKAZ POPUNJAVANJA ORBITALA U ATOMU

1H 1p+

1e-

1s1

broj elektrona

vrsta orbitale

glavni energetski nivo nesparen elektron

PARAMAGNETI ČAN

2He2p+

2e-1s2 spareni elektroni

- spinovi se poništavaju pa atom He nema ni impuls vrtnje ni magnetski moment, zato je DIAMAGNETI ČAN.

3Li

3p+ 2e-

K

1e-

L

1s2 2s1

+1 valentan

4Be1s2 2s2

+2 valentan

5B 5p+

K L

2e- 3e- +3 valentan

1s

2s

1s

2s

2s

1s

2p

4p+2e- 2e-

Hundovo pravilo

- elektroni se razmještaju unutar istovrsnih orbitala tako da broj ne sparenih elektrona bude što veći.Redoslijed popunjavanja orbitala

6C 1s2 2s2 2p2

+ 4 valentan

7N 1s2 2s2 2p3

+ 5 valentan (max.)

- 3 valentan (min.)

8O 1s2 2s2 2p4

- 2 valentan

- 1 valentan

9F 1s2 2s2 2p5

- 1 valentan

10Ne 1s2 2s2 2p6

neutralan

19K 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s1 4s se popunjava prije nego 3d

+1 valentan

20Ca 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d prazna

+ 2 valentan

21Sc 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d1 4s2

24Cr 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d4 4s2

moguće valencije: Cr 2+ CrCl2

Cr 3+ Cr2O3

Cr 6+ K2Cr2O7

25Mn 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d5 4s2

Moguće valencije: Mn7+ KMnO4

Mn 2+ MnCl2

Mn 6+ K2MnO4

Mn 4+ MnO2 (suri kamen)

26Fe 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d6 4s2

Fe2+ � FERO – ion (bez 4s2 elektrona!)

Fe 3+ � FERI – ion (bez 4s2 i 1d elektrona)

- spareni d – elektron se može osloboditi)

29Cu 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s1

Cu 1+ � CUPRO – ion (bez 4s1)

Cu 2+ � CUPRI – ion (bez 4s2)

30Zn 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s2

STABILAN – jer su popunjene sve orbitale do 3 energetskog nivoa.

Zn 2+ � bez 4s2 elektrona (ZnO, ZnSO4, ZnCl2)

36Kr – plemeniti plin; ima popunjene sve raspoložive orbitale, nereaktivan 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s2 4p6

15P 1s2 2s2 2p6 3s2 3p3

moguće valencije : max. �+ 5 min. � - 3 npr. P2O5, PH3

17Cl 1s2 2s2 2p6 3s2 3p5

moguće valencije: - 1 (HCl) do +7 (HClO4)

76Os 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s2 4p6 4d10 4f 14 5s2 5p6 5d6 6s2

28Ni 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d8 4s2

Pitanja za provjeru znanja1. Od čega se sastoji radioaktivno zračenje prirodnih izvora?

2. Objasnite RUTHERFORD – ov model atoma, BOHROV – ov model i SCHRÖDINGER – ov model atoma?

3. Shematski prikažite izgled atoma, te navedite što se nalazi u jezgri i u elektronskom omotaču?

4. Što je atomski broj (Z) nekog elementa?

5. Što je atomska masa (A) nekog elementa?

6. Što su izotopi i izobari?

7. Navedite izotope vodika, ugljika i kisika?

8. Definirajte četiri kvantna broja pomoću kojih je definirano stanje elektrona u atomu?

9. Što je Hundovo pravilo?

10. Definirajte Paulij-ev princip zabrane?

11. Prikažite elektronsku konfiguraciju 26Fe, Fe2+Fe3+?

12. Prikažite elektronsku konfiguraciju 20Ca ?