SuperAdmin o 09:51, 3 cze 2015

2015-06-03T09:51:31Z

SuperAdmin o 09:51, 3 cze 2015

2015-06-03T09:51:13Z

SuperAdmin o 09:50, 3 cze 2015

2015-06-03T09:50:20Z

Magdaz: Utworzono nową stronę "TOC Chemia to nauka, której przedmiotem są atomy i molekuły oraz ich oddziaływania między sobą. Istotnie — atomy to najmniejsze składniki materii, któ..."

2015-05-21T09:03:34Z

Utworzono nową stronę "__TOC__ Chemia to nauka, której przedmiotem są atomy i molekuły oraz ich oddziaływania między sobą. Istotnie — atomy to najmniejsze składniki materii, któ..."

Nowa strona

__TOC__

Chemia to nauka, której przedmiotem są atomy i molekuły oraz ich
oddziaływania między sobą. Istotnie — atomy to najmniejsze
składniki materii, którym można przypisać właściwości chemiczne.

Praktycznie cała masa atomów jest zlokalizowana w jądrach złożonych z
protonów i neutronów, o rozmiarach rzędu 1fm = 10-5Å. Jądra
są o 5 rzędów wielkości mniejsze niż „rozmiary” atomów!

[[Plik:Helium atom_QM.svg|400px]]

W skład jądra wchodzą protony (obdarzone ładunkiem elementarnym „+”) i
nie posiadające ładunku neutrony. Były one przez długi czas uważane za
cząstki elementarne — dziś wiadomo, że złożone są z mniejszych
struktur zwanych kwarkami, które obecnie uznajemy za elementarne (nie
wiadomo, czy liczba cząstek elementarnych jest skończona!).

Rozmiary atomów są umowne — „chmura” elektronów nie posiada ostrej
granicy. Możemy powiedzieć, że liniowe wymiary atomów są rzędu
Ångströmów (1Å = 10-10 m). Elektrony otaczające jądra,
(podobnie jak niezwiązane w atomach elektrony) są cząstkami
elementarnymi. Oznacza to, że nie przypisujemy im żadnej struktury
wewnętrznej i uznajemy, że są punktowe. Tym niemniej elektrony w
atomach będziemy traktować raczej jak fale stojące a nie jak
cząstki.

Jednostką masy atomowej jest 1Da (dalton) zdefiniowany jako 1/12 masy
atomu węgla 12C, które tworzy 6 neutronów, 6 protonów oraz
6 elektronów. Masy protonów i neutronów są podobne i wynoszą około 1
Da. Masa elektronu to zaledwie ok. 1/1830 Da. 

Dlaczego masy atomowe w układzie okresowym pierwiastków nie są
całkowite?

Przyczyna najistotniejsza jest banalna. Jądra poszczególnych
pierwiastków posiadają wprawdzie (z definicji) tę samą liczbę
protonów, lecz liczba neutronów w jądrze może dla tego samego
pierwiastka przyjmować różne wartości. Jądra o określonym składzie
nazywamy nuklidami, a różne nuklidy tego samego pierwiastka nazywamy
jego izotopami (w praktyce te terminy często stosuje się
zamiennie). Zakładamy, że skład izotopowy pierwiastków w naszym
otoczeniu jest stały, gdyż powstały one znacznie wcześniej niż skorupa
ziemska (zmienia się skład izotopowy tych pierwiastków, które
posiadają niestabilne — ulegające rozpadowi — jądra. W chemii
organicznej rzadko będziemy mieli styczność z takimi
pierwiastkami). Masa atomowa jest średnią ważoną mas poszczególnych
nuklidów wchodzących w skład danego pierwiastka, przy czym wagami są
udziały (ułamkowe — procentowe) poszczególnych nuklidów. Przy
obecności więcej niż jednego izotopu, średnia ta może nie być, i
zwykle nie jest, liczbą całkowitą. Masy atomowe pierwiastków
posiadających izotopy ulegające rozpadowi promieniotwórczemu zmieniają
się z biegiem czasu (choć bardzo powoli i w stopniu bardzo
niewielkim!).

Drugą ważną przyczyną jest fakt, że nukleony '''oddziałują ze sobą'''
tworząc jądro atomowe. Energia tego oddziaływania (silnego!) jest
wielka — istotna nawet w porównaniu z całkowitą energią zmagazynowaną
w masie jądra atomowego (choć jednak dużo od niej mniejsza). Zgodnie
z wnioskami płynącymi ze szczególnej teorii względności (równanie
E=mc2), masa jest równoważna energii (zakładając, że
prędkość światła w próżni c, a więc i c2 jest wielkością
stałą). Każda zmiana energii układu jest zatem związana ze zmianą jego
masy. Skoro całkowita energia układu protonów i neutronów maleje o
oddziaływanie między nimi, to musi mieć to odzwierciedlenie w spadku
całkowitej masy. Swobodne nukleony „ważą” odpowiednio więcej niż te
same nukleony związane w jądrze atomowym (tzw. defekt masy).

Trzecią — ostatnią — przyczyną niecałkowitości mas atomowych jest niezerowa masa
elektronów, które są (obok nukleonów) składnikami atomów (także atomu węgla, dla którego
zdefiniowano jednostkę masy atomowej!). Masy elektronów są zaniedbywanie małe w
porównaniu z masami nukleonów, tak więc i poprawka mas atomowych ze względu na
uwzględnienie masy elektronów jest znikoma i zaniedbywalna.

==Spektrometria mas==

Czy można „zważyć” pojedynczy atom lub molekułę? Tak! Dzięki
spektrometrii mas (MS), potrafimy mierzyć masy (a w zasadzie stosunek
masy do ładunku) pojedynczych cząsteczek z ogromną dokładnością. Dwie
pierwsze z ww. przyczyn niecałkowitości mas atomowych można
zaobserwować właśnie dzięki tej technice.

Próbka materii zawierająca atomy chloru będzie w spektrometrii mas
dawała dwa główne piki — odpowiadające izotopom 35Cl i
37Cl. Wysokość tych sygnałów odpowiada w przybliżeniu
naturalnej dystrybucji poszczególnych izotopów: 35Cl
75,77%, 37Cl 24,23%. Natomiast próbka chloru
cząsteczkowego: Cl2 posiadać będzie bardziej złożony
profil, odpowiadający wszystkim kombinacjom izotopowym chloru Dzięki
istnieniu takiego profilu izotopowego, na pierwszy rzut oka można
powiedzieć ile w danej molekule jest atomów chloru, bromu lub innych
pierwiastków posiadających izotopy.

Pomimo, że węgiel posiada tylko bardzo niewielki udział izotopu
13C (ok. 1,1%), dla dużych molekuł organicznych ma to
znaczenie przy analizie widm. Po prostu dla molekuł o liczbie atomów
węgla większej niż 100, najbardziej prawdopodobne jest, że trafi się
choć jeden atom węgla 13C. W analizie masowej polimerów (polipeptydów,
białek, DNA, tworzyw sztucznych..) pik masowy jest przesunięty w
kierunku większych mas. Znając skład izotopowy wszystkich pierwiastków
wchodzących w skład molekuły, możemy z dużą dokładnością określić jej
skład atomowy (analizujemy przynajmniej setki, jak nie setki tysięcy,
molekuł — możemy więc uznać, że jest to próba statystyczna —
prawdopodobieństwo że w danej próbce będzie akurat więcej atomów
13C niż średnio w przyrodzie jest odwrotnie proporcjonalne
do liczby analizowanych molekuł, czyli pomijalnie mała!).

W spektrometrii mas mierzy się stosunek masy jonów do ich ładunku. W ogólności
spektrometria mas polega na:
# Jonizacji.
# Przyspieszeniu jonów w polu elektrycznym.
# Separacji jonów (na przykład poprzez różne zakrzywienie ich torów w przyłożonym polu magnetycznym).
# Detekcji jonów.

[[Plik:schemat_spektrometrii_mas.svg]]

Do najważniejszych technik jonizacji należą: Jonizacja poprzez
„bombardowanie” próbki wiązką elektronów (EI — Elektron Ionisation),
elektrosprej (ESI — ElectroSpray Ionisation), Laserowa jonizacja
matrycy próbki (MALDI — Matrix Assisted Laser Desorption Ionisation).
Ta ostatnia jest szczególnie istotna w badaniach biochemicznych, gdyż
nie prowadzi do fragmentacji badanych molekuł, które w związku z tym
mogą być bardzo duże. Metodą tą, można jonizować molekuły o masach
rzędu kDa np. cząsteczki dużych białek (proteomika)!

==Opis świata==

Zjawiska fizyczne są opisywane przy pomocy ścisłych, sformułowanych
językiem matematyki, teorii. Dobra teoria to taka, która dokładnie
tłumaczy obserwowane właściwości przyrody.

Fizycy próbują ujednolicić obraz świata, choć nie wiadomo czy
kiedykolwiek będzie to do końca możliwe.

===Teoria strun===

(rozwinięta później w tzw. teorię superstrun, a następnie w
ogólniejszą M-teorię) zakłada, że cząstki można opisywać podobnie jak
„struny” drgające w wielowymiarowej przestrzeni. Większość tych
wymiarów (poza trzema przestrzennymi i czasem) są zwinięte do bardzo
małych rozmiarów i dlatego nie możemy ich postrzegać.

Niestety — teoria ta jest nieweryfikowalna doświadczalnie
(niefalsyfikowalna) — trwają więc spory czy można ją w ogóle uznać za
pełnoprawną teorię fizyczną. Zaletą jest to, że jako jedyna jest w
stanie opisać „ewolucję” cząstek elementarnych — co tłumaczyłoby ich
różnorodność — oraz próbuje opisać zjawiska grawitacyjne.

W teorii strun rozpatrywać można kilka poziomów organizacji
materii:
* makroskopowy (ciała fizyczne),
* molekularny (molekuły złożone z atomów),
* subatomowy (elektrony, protony i neutrony),
* subatomowy (kwarki),
* strunowy (rozmiary rzędu długości Plancka).

[[Plik:string theory.svg|thumb|right|200px|Struktura materii według teorii strun]]

===Model Standardowy===

jest teorią (uznawaną przez większość fizyków) opisującą trzy spośród
czterech podstawowych oddziaływań we wszechświecie (poza
grawitacją). Zakłada on że cały wszechświat zbudowany jest z cząstek
elementarnych. Jedne z nich — fermiony — stanowią budulec materii,
inne zaś — bozony — przenoszą oddziaływania.

====Fermiony====

mają niecałkowity spin i zawsze posiadają masę spoczynkową. Zgodnie z
tzw. zakazem Pauliego bardzo niechętnie zajmują ten sam obszar
przestrzeni (choć w dużych gwiazdach pod wpływem niewyobrażalnie
dużych sił grawitacyjnych zakaz Pauliego może zostać złamany, cząstki
zapadają się w sobie, nie tracąc swojej masy). My przyjmijmy jednak,
że w danym stanie kwantowym, w tym samym miejscu może się znajdować
tylko jeden fermion.

====Bozony====

Bozonów to nie dotyczy, mają one całkowity spin i mogą być naraz w tym
samym miejscu. Bozony mogą nie posiadać masy spoczynkowej (możemy im
jednak przypisać masę relatywistyczną, wynikającą ze szczególnej
teorii względności). Fermiony zawsze posiadają masę spoczynkową, choć
mogą mieć zerowe wymiary przestrzenne (np. punktowe elektrony).

====Obraz świata w świetle Modelu Standardowego====

jest wystarczający do pełnego zrozumienia zjawisk chemicznych (w tym
fizykochemicznych i biochemicznych). Zakładamy więc istnienie pewnych
podstawowych typów oddziaływań:
# oddziaływanie silne,
# oddziaływanie elektrostatyczne,
# oddziaływanie grawitacyjne,
# oddziaływanie słabe.

Oddziaływania te są przenoszone przez bozony.

Dla powyższych oddziaływań są to odpowiednio:
#Gluony
#Fotony
#Bozony W i Z
#Grawitony

Wprawdzie oddziaływania elektrostatyczne i słabe udało się przedstawić
jako szczególne przejawy oddziaływania elektrosłabego, jednak ze
względu na istotne różnice można na nie patrzeć jak na dwa różne typy
oddziaływań.

Za oddziaływania odpowiadają tzw. ładunki.

Kwarki posiadają wszystkie trzy rodzaje ładunków — silny, elektrostatyczny i słaby.

Elektron posiada ładunek elektryczny i słaby.

Neutrino posiada wyłącznie ładunek słaby.

Chemia jest w istocie nauką o oddziaływaniach elektrostatycznych, choć
oczywiście bez oddziaływań silnych nie mogłoby nawet istnieć jądro
atomowe. Oddziaływania grawitacyjne mają, ze względu na znikomą masę
cząstek, atomów i molekuł praktycznie zerowy wkład. Oddziaływanie
słabe, jest tak słabe i działa na tak małe odległości, że neutrina w
zasadzie nie oddziałują z materią.

===Kwantowomechaniczny opis przyrody===

Klasyczna mechanika zawodzi w opisie mikroświata. Widma promieniowania
elektromagnetycznego emitowanego przez ciało doskonale czarne o danej
temperaturze oraz tzw. efektu fotoelektrycznego nie da się poprawnie
wyjaśnić bez założenia, że energia elektronów w materii nie może
przyjmować wartości dowolnych. Należy założyć, że przyjmuje ona
wartości dyskretne — czyli skwantowane. W oparciu o to założenie
rozwinięta została teoria kwantów i jak dotychczas daje jedyny w pełni
poprawny (weryfikowany doświadczalnie z ogromną precyzją) opis
materii.

====Korpuskularno-falowy charakter mikroświata====

Zgodnie z równaniem de Broglie’a, każdej cząstce o danym pędzie <math>p</math>, można opisywać jako falę o długości <math>\lambda</math>, taką że:

<math>
\lambda = \frac{h}{p},
</math>

gdzie <math>h</math> jest stałą Plancka.

Z kolei energia cząstki <math>E = h\nu</math>, gdzie <math>h</math>
jest stałą Plancka a <math>\nu = \frac{c}{\lambda}</math> jest
częstością drgań fali (<math>c</math> oznacza prędkość światła w
próżni).

Stała <math>h</math> zwana jest także stałą działania i ma wymiar
<math>J\cdot s</math> (istotnie, pochodna działania po czasie to
energia).

====Równanie Schrödingera====

jest jednym z podstawowych równań nierelatywistycznej mechaniki
kwantowej. Opisuje ono ewolucję układu kwantowego w czasie. W
nierelatywistycznej mechanice kwantowej odgrywa rolę analogiczną do
drugiej zasady dynamiki Newtona w mechanice klasycznej.

Jest to cząstkowe równanie różniczkowe, którego rozwiązaniami są
'''funkcje falowe'''. Same w sobie nie posiadają one sensu
fizycznego. Ich kwadrat jest jednak '''zdefiniowany jako prawdopodobieństwo wystąpienia elektronu w danym obszarze przestrzeni wokół jądra'''. Równanie Schrödingera zależne od czasu (stosowane do
opisu układu którego energia całkowita zmienia się w czasie) ma
postać:
<center>
<math>
\hat{H}\Psi(\mathbf{r},t)=\left[ -\frac{\hslash^2}{2m}\nabla^2+V(\mathbf{r})\right]\Psi(\mathbf{r},t)=i\hslash \frac{\partial}{\partial t}\Psi(\mathbf{r},t)
</math>
</center>
gdzie <math>\nabla^2=\Delta</math> to operator Laplace'a, <math>i</math> jest jednostką urojoną, <math>V</math> — potencjałem, '''r''' — wektorem
współrzędnych położenia cząstek (elektronów), <math>m</math> — masą cząstki, <math>t</math> — czasem a <math>\hslash = \frac{h}{2\Pi}</math>. Jest to najczęściej spotykana postać równania Schrödingera.

Dokonując rozdzielenia zmiennych uzyskujemy równanie Schrödingera
niezależne od czasu. Równanie to stosuje się do tzw. stanów
stacjonarnych (tj. takich w których energia nie zmienia się w czasie)
i ma ono postać:
<center>
<math>
-\frac{\hslash^2}{2m}\Delta \Psi(\mathbf{r})+V(\mathbf{r})\Psi(\mathbf{r})=E\Psi(\mathbf{r})
</math>
</center>
gdzie <math>E</math> jest energią układu. Właśnie ta postać
jest najbardziej istotna z punktu widzenia chemii organicznej, gdyż
syntetyzowane molekuły, których budowę i właściwości chcemy poznać i
zrozumieć, to zazwyczaj stany stacjonarne.

← poprzednia wersja		Wersja z 09:51, 3 cze 2015
Linia 1:		Linia 1:
−	~~[[Category:Chemia]]~~
	__NOTOC__		__NOTOC__

← poprzednia wersja		Wersja z 09:51, 3 cze 2015
Linia 1:		Linia 1:
		+	[[Category:Chemia]]
	__NOTOC__		__NOTOC__

← poprzednia wersja		Wersja z 09:50, 3 cze 2015
Linia 1:		Linia 1:
−	~~__TOC__~~	+	__NOTOC__

	Chemia to nauka, której przedmiotem są atomy i molekuły oraz ich		Chemia to nauka, której przedmiotem są atomy i molekuły oraz ich

PCzEB/Elementarne informacje o budowie materii - Historia wersji

SuperAdmin o 09:51, 3 cze 2015

SuperAdmin o 09:51, 3 cze 2015

SuperAdmin o 09:50, 3 cze 2015

Magdaz: Utworzono nową stronę "__TOC__ Chemia to nauka, której przedmiotem są atomy i molekuły oraz ich oddziaływania między sobą. Istotnie — atomy to najmniejsze składniki materii, któ..."

Magdaz: Utworzono nową stronę "TOC Chemia to nauka, której przedmiotem są atomy i molekuły oraz ich oddziaływania między sobą. Istotnie — atomy to najmniejsze składniki materii, któ..."