A kémia alaptörvényei

Az anyagmegmaradás törvénye M. Lomonoszov (1756) tőle függetlenül A. Lavoisier (1774) oxidációs reakciók vizsgálata (mérés!) kémiai reakciók során a reakcióba lépő anyagok tömegének összege egyenlő a reakciótermékek tömegének összegével zárt rendszerben a testek tömegének összege, bármilyen átalakulás során állandó marad

Állandó súlyviszonyok törvénye (állandó összetétel) J. Proust (1799) vegyületek gondos analízise… vegyületekben az alkotórészek súlyaránya szigorúan állandó bármely módszerrel állítunk elő egy anyagot annak összetétele mindig ugyanaz

Többszörös súlyviszonyok törvénye J. Dalton (1808) súlyarányok vizsgálata (számítások…) azonos elemeket tartalmazó, de különböző összetételű vegyületekben egyik elem ugyanazon mennyiségére vonatkoztatott másik elem mennyiségei úgy aránylanak egymáshoz, mint a kis egész számok pl. víz/hidrogén-peroxid: 1g H – 8, illetve 16g O 8:16 = 1:2

Dalton atomelmélete súlyviszony-törvények magyarázatára (1808) az anyagok tömegükben oszthatatlan részecskékből, atomokból állnak, amelyeknek meghatározott tömegük és kiterjedésük van az elemeket azonos atomok, a vegyületeket különböző atomokból álló molekulák alkotják vegyületképzéskor csak egész számú atomok egyesülhetnek

Vegyülő gázok térfogati törvénye J. L. Gay-Lussac (1808) vegyülő gázok térfogatai úgy aránylanak egymáshoz, mint a kis egész számok 1 térfogat hidrogén + 1 térfogat klór = 2 térfogat sósavgáz 2 térfogat hidrogén + 1 térfogat oxigén = 2 térfogat vízgőz magyarázat: elemi gázok kétatomos molekulák: H2, N2, O2, Cl2,…

Avogadro törvénye Lorenzo Romano Amedeo Carlo Avogadro (1811) azonos hőmérsékletű és nyomású (ideális) gázok egyenlő térfogataiban azonos számú részecske található

Relatív atomtömeg, molekulatömeg egyetlen atom vagy molekula tömege nagyon kicsi… dimenziómentes viszonyszám, amely megmutatja, hogy egy atom vagy molekula tömege hányszorosa az atomtömeg-egységének (a.t.e.) a.t.e. fejlődése: a hidrogénatom tömege, később az oxigénatom tömegének 1/16-od része 1961-től (IUPAC: Union of Pure and Applied Chemistry) a 12-es szén-izotóp tömegének 1/12-ed része

A mól annak a rendszernek a kémiai anyagmennyisége, amely annyi elemi egységet tartalmaz, ahány atom van 0,012 kg tiszta 12C-nuklidban bármely anyag egy mólja azonos számú molekulát, atomot vagy iont tartalmaz Avogadro-szám: jelenlegi pontos értéke 6,02214176(30) 1023   a CODATA (Committee on Data for Science and Technology - Adatok a Tudománynak és a Technológiának Bizottság) 2006-os ajánlása

Az atomelmélet fejlődése

Filozófiai atomelmélet Ógörögök: Démokritosz (i.e. 470/460 – i.e. 360) Ókori India is…

Dalton atomelmélete (1808)

Az atom „oszthatatlanságának” megváltozása Az elektron felfedezése (1897, J. Thomson)

George Stoney (1874) az elektron töltésének és tömegének aránya: e/m = 1,7588·1011 C/kg az elektron töltése az eddig észlelt legkisebb elektromos töltés R. Millikan (1909) „olajcsepp kísérlet” - meghatározta az elektron tömegét. finoman porlasztott olajcseppek, elektromos töltés… e = 1,6 ∙ 10-19 C Az e/m arány alapján: me = 9,1 ∙ 10-31 g.

Pozitív sugarak (1886, Eugen Goldstein) módosított katódsugárcső töltés/tömeg arány kisebb az elektron esetében talált érték ezredrészénél, és függ a gáz anyagi minőségétől

A radioaktivitás felfedezése (1896, Antoine Henri Becquerel 1903 – fizikai Nobel-díj) foszforeszkáló anyagok vizsgálata (fényképlemez mellé csomagolás) uránsók – uránszurokérc (U3O8) Pierre és Marie Curie – más radioaktív anyagokat kerestek: tórium polónium és rádium kivonása - rádiumtűk

Természetes radioaktív sugárzás típusai + neutron-sugárzás Természetes radioaktív sugárzás típusai + neutron-sugárzás!!! 1928, Walter Bothe, Be + α részecske 1932, James Chadwick, visszapattanó részecskék… NEUTRON (1935 – Nobel-díj)

Röntgensugárzás (Wilhelm Conrad Röntgen, 1895) „X”-sugarak (1901 – fizikai Nobel-díj)

Klasszikus atommodellek Thomson-féle atommodell (1904, Joseph John Thomson) „mazsolás puding” (≈10-10 m sugár)

Geiger-Marsden kísérlet – – Rutherford modell Hans Geiger, Ernest Marsden (1909), Ernest Rutherford munkatársai Atom: ≈10-10 m Atommag: ≈10-14 m Probléma: Az elektronok bele kéne zuhanjanak az atommagba ≈10-8 másodperc alatt… (gyorsuló töltés = elektromágneses sugárzás

Bohr-féle atommodell (1913, Niels Bohr) félig kvantumos modell Posztulátumok: stacionárius körpályák átmenetek foton elnyelés/kibocsátás esetén az impulzusmomentum kvantált (csak diszkrét értékeket vehet fel) n - kvantumszám

Coulomb-erő biztosítja a centripetális gyorsulást: Kiszámítható a sugár értéke n függvényében: a0 = 5,291.10-11 m Az elektron energiája: n=1 (K) E1 = -13,35 eV/atom; n = 2 (L) E2 = -3,39 eV/atom; n = 3 (M) E3 = -1,5 eV/atom alapállapot gerjesztett állapotok

A hidrogén-atom színképe Vonalas színkép frekvencia (ν, Hz), hullámhossz (λ = c/ν, nm), hullámszám (σ = 1/λ, cm-1)

Színkép-vonalak kiszámítása: Rydberg-képlet (1888) (n2=2 – Balmer-képlet) R=10973731,568539 m-1 (CODATA érték) – Rydberg-állandó Bohr-modell alapján: Rydberg állandó számolt értéke 109,7373105 m-1

Bohr-modell hiányosságai többelektronos atomok spektrum-vonalak felhasadása külső térben külső mágneses tér hatása – Zeeman-effektus elektromos tér hatása – Stark-effektus spektrumok finomszerkezete (spontán) (pl. Na D-vonala: D1, D2)

Bohr-Sommerfeld atommodell Arnold Sommerfeld (1915) (Nobel-díjjas tanítványai: Werner Heisenberg, Wolfgang Pauli, Peter Debye, Hans Bethe, Linus Pauling, Isidor Isaac Rabi és Max von Laue – őt többször jelölték, sosem kapta meg…) ellipszis-pályák – két kvantumszám a formára, egy a térbeli helyzetre + az elektron spinje…

l – mellékkvantumszám [0, 1, … (n-1)] nφ + nr = n n – főkvantumszám [1,2, … ∞] nφ – azimutális kvantumszám [1,2, … n] nr – radiális kvantumszám [0, 1, … (n-1) ] Az energia (és a nagyátló) „alapesetben” csak a főkvantumszámtól függ, a relativisztikus hatás figyelembevételével vagy többelektronos rendszerben a szintek energiája felhasad (finomszerkezet). l – mellékkvantumszám [0, 1, … (n-1)] l=0 s, l=1 p, l=2 d, l=3 f … pályák

Elektronpálya mágneses momentuma Mágneses kvantumszám külső erőtér és a pálya mágnesesség kölcsönhatása – különböző energiaszintek alakulnak ki az impulzusmomentumnak az erővonalakra való vetülete kvantált – zérus, vagy h/2π egész számú többszöröse ml = -l, -(l-1), -(l-2), … -1, 0, 1, … l-1, +l összesen 2l+1 érték

Az elektron saját impulzusmomentuma - spinkvantumszám saját tengely körüli forgás – ebből impulzus- és mágneses momentum adódik magnetomechanikai anomália… spinmomentum és pályamomentum két lehetséges irányítása – a vetület kvantált: s = ±½ (két érték)