KURZUS: Fizika I.

MODUL: Molekulák és spektrumok

26. lecke: Molekulák és spektrumok

A tananyag részletes feldolgozása:

  • tankönyv 153-től 158-ig
  • CD NODE 104-től 108-ig
A tananyag összefoglaló vázlata
  • a molekula fogalma, felépítése
    • elektronpályák (elektronorbitálok)
    • vegyérték elektronok
    • disszociációs energia - bontás
  • mozgás a molekulában
    • molekulát alkotó magokban
      • vibráció Ev
      • rotáció Er
    • elektronok mozgásából adódó: Ee
  • Ee : Ev : Er = 1 : m e M : m e M
  • nagyságrendek: Ee 101 eV ; Ev 10-2 eV ; Er 10-4 eV
  • kémiai kötések típusai
    • ionos kötés
    • kovalens kötés
    • Van der Vaals kötés
  • molekulaspektrumok
    • vibrációs energia
    • rotációs sáv
  • Raman-effektus - ha fény halad át az anyagon, akkor f = f0 ± fi vonalak figyelhetőek meg. Az fi az anyag rotációs vagy vibrációs átmeneteknek megfelelő frekvencia. Az "elnyelt" foton hatására a molekula fv vagy fr rezgési szintjei gerjesztődnek.
Követelmények

Legyen képes

  • szakszerűen leírni és meghatározni a molekulák témaköréhez kapcsolódó alábbi fogalmakat: molekula; vegyértékelektron; disszociációs energia; ionos kötés; kovalens kötés
  • a molekulák energiáját meghatározó összetevőket megnevezni és nagyságrendjét értékelni
  • szavakban leírni a Raman-effektus jelenségét
Kidolgozott feladat

Az O2 molekula disszociációs energiája kb. 5,2 eV. Becsülje meg hány joule energia kell 1 kg O2 gáz atomi oxigénre bontásához? Hogy viszonyul szobahőmérsékleten (300 K) az egy szabadsági fokra jutó energia a disszociációs energiához? Mire következtethetünk ebből? (Az oxigén atom leggyakoribb izotópja 16-os tömegszám.)

Megoldás: Először is számoljuk ki egy O2 molekula tömegét. Egy O2 molekulában 2 * 16 = 32 nukleon van, ezért a tömege jó közelítéssel 32 protontömegnyi. (A proton és a neutron tömege jó közelítéssel azonos, az elektronoké ezekhez képest elhanyagolható.)
Tehát egy O2 molekula tömege jó közelítéssel:

m O 2 = 32 m p = 32 1,67 10 27 kg = 5,34 10 26 kg

Ebből az 1 kg gázban található molekulák száma: n = 1 kg 5,34 10 26 kg = 1,87 10 25

Mindegyik molekula szétszakításához Ed = 5,2 eV = 8,32*10-19 J energia szükséges. Így az n molekula felbontásához:

Eössz = n*Ed = 1,56*107 J = 15,5 MJ

Az ekvipartíció tétele szerint T hőmérsékleten az egy szabadsági fokra jutó átlagenergia E1 = (1/2)kT . Szobahőmérsékleten:

E 1 = 1 2 1,38 10 23 J K 300 K = 2,07 10 21 J

Ez sokkal kisebb a disszociációs energiánál. Arányuk:

E d E 1 = 402

1kg O2 atomokra bontásához tehát kb. 15,6 MJ energia kell. Szobahőmérsékleten ez egy szabadsági fokra jutó átlagenergia kb. 400-ad része a disszociációs energiának. Ezért ekkor a molekulák elhanyagolhatóan kis része disszociál a hőmozgás miatt.

Ellenőrzések
Milyen atomok között alakul ki természetes körülmények között kovalens kötés?
fémek
nemesgáz
két fluor atom
nátrium és klór atom
Milyen elektronok vesznek részt az elsődleges kémiai kötések kialakításában?
a legkülső elektron
az összes elektron
amik a többlettöltést adják
a nem lezárt héjak elektronjai
Rakjuk sorba csökkenő sorrendben a molekulákban fellépő energiákat? (rezgési (Ev), forgási(Er), elektron(Ee))
Ee > Er > Ev
Er > Ee > Ev
Ev > Er > Ee
Ee > Ev > Er
Melyik állítás nem igaz?
A kovalens kötés disszociáció energiája nagyobb mint az ionos kötésé.
A Van der Walls kötés energiája sokkal kisebb mint a kovalens kötés energiája.
Az ionos kötésekben elektron többlettel rendelkező atomok is részt vesznek.
A molekula spektrumok is vonalasak.