A kémia alaptörvényei.

Az előadások a következő témára: "A kémia alaptörvényei."— Előadás másolata:

1 A kémia alaptörvényei

2 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

3 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

4 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

5 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

6 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,…

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

8 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

9 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, (30) 1023   a CODATA (Committee on Data for Science and Technology - Adatok a Tudománynak és a Technológiának Bizottság) 2006-os ajánlása

10 Az atomelmélet fejlődése

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

12 Dalton atomelmélete (1808)

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

14 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 ∙ C Az e/m arány alapján: me = 9,1 ∙ g.

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

16 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

17 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)

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

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

20 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

21 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

22 Coulomb-erő biztosítja a centripetális gyorsulást:
Kiszámítható a sugár értéke n függvényében: a0 = 5, 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

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

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

25 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)

26 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…

27 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

28 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

29 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)

30