ИЗОЛИРОВАННЫЙ АТОМ не имеет заряда, однако он может иметь не спаренные электроны (атомный радикал).
АТОМНЫЙ ИОН (К+, S2–) характеризуется наличием положительного или отрицательного заряда и образуется в результате удаления или присоединения электронов к атому.
АТОМНЫЙ РАДИКАЛ (Н, Cl) имеет не спаренные электро-ны в основном или возбужденном состоянии, а атомный ион– радикал (Cu2+, V2+) – заряд и не спаренные электроны.
Атомная частица является низшим, исходным уровнем хим. организации материи. Следующий уровень усложнения частиц – образование из атомных частиц различных атомных ас-социатов.
МОЛЕКУЛЯРНЫЕ ЧАСТИЦЫ
Молекулярная частица представляет собой систему взаимодействующих элементарных частиц, состоящую из атомных ядер и окружающих их внутренних и валентных электронов. Она образуется вследствие взаимодействия атомных частиц. Образование хим. связей между атомными частицами осуществляется валентными электронами.
Под молекулярной частицей понимается наименьшая совокупность атомных частиц, химически связанных в определенном порядке, способная к самостоятельному существованию, т.е. обладающая устойчивой структурой.
В зависимости от наличия или отсутствия заряда и не спа-ренных электронов молекулярные частицы классифицируют на молекулы (отсутствуют заряд и не спаренные электроны), молекулярные ионы (имеется заряд, отсутствуют не спаренные электроны) NO2–, SO42–, молекулярные радикалы или биради-калы (отсутствует заряд, имеется один или два не спаренных электрона), NO2, O2, молекулярные ион–радикады (имеется заряд и не спаренные электроны)
Молекула может переходить в свободно–радикальное состояние в результате возбуждения (воздействие света, теплоты и т.д.). В редких случаях такое возбуждение приводит к обратному процессу, когда бирадикал вследствие спаривания электронов превращается в молекулу O2 h–v1 O2. (Бирадикал превращается в синглетный молекулярный кислород).
Понятие молекулы в химии введено в связи с необходимостью отличить от ее атома. Оно должно отражать число атомов, их взаимное расположение и характер связи между ними (т.е. структуру), а также исключать характерные признаки других частиц.
формулировке понятия молекулы не следует указывать такой признак, как свойства, поскольку они зависят от внешних условий, растворителя, агрегатного состояния.
Кроме того, две полимерных молекулы о высокой, но различной степенью полимеризации могут практически не отличаться по химическим и даже физическим свойствам, однако, у них своя молекулярная структура и каждая молекула индивидуальное соединение.
ряде случаев нет смысла говорить о молекулах веществ в конденсированном состоянии (ионные, атомные кристаллы).
Молекула – это способная к самостоятельному существова-нию, нейтральная по заряду наименьшая совокупность атомов, связанных вследствие химического взаимодействия в опреде-ленном порядке (т.е. обладающая определенной структурой), не имеющая, как правило, не спаренных электронов.
ПРОДУКТЫ АССОЦИАЦИИ И АГРЕГАЦИИ
Дальнейшее усложнение химической организации материи идет по пути образования более сложной совокупности взаимодействующих атомных и молекулярных частиц (молекулярных ассоциатов и агрегатов) и их комбинаций.
Образование ассоциатов не изменяет фазового состава системы, а при образовании агрегатов возникает новая фаза (чаще всего твердая). Ассоциаты существуют в газообразном состоянии и в растворах (HCOOH)2, (H2F2), агрегаты – в твердом [NaCl(тв.), Si(тв.)] или жидком (эмульсии) состоянии.
случае сильных (специфических) взаимодействий моле-кулярный ассоциат может рассматриваться как молекулярная частица, более сложная, чем исходные (NO2+ NO2+N2O4).
случаях слабых (неспецифических) взаимодействий мы имеем дело с молекулярным ассоциатом, характеризующимся наличием надмолекулярной структуры.
К атомно–молекулярным агрегатам относят молекулярные кристаллы (HgCl2(тв.)), ионные кристаллы (NаС1(тв.)), атомные кристаллы (Si(тв.)).
Молекулярные кристаллы – это агрегаты, образующиеся из молекул в результате слабых межмолекулярных взаимодействий (нафталин, J2). При нагревании они диссоциируют сравнительно легко на исходные молекулы. При увеличении размера молекул (красители, сахара, полисахариды) из-за большой энергии взаимодействия они не могут возгоняться без разложения.
Ионные кристаллы (ионные агрегаты) образуются из ионов вследствие сильных электростатических взаимодействий. Они плавятся и возгоняются, распадаясь на более простые частицы только при довольно высоких температурах. Под влиянием сольватации полярным растворителем агрегат теряет ионную структуру и переходит в раствор в виде стехиометрической смеси ионов, слабо взаимодействующих друг с другом.
Таким образом, усложнение частиц идет в направлении:
Элементарные частицы → Атомные частицы → Молекулярные частицы → Ассоциаты → Агрегаты
Под более сложными молекулярными частицами имеются
виду молекулярные ассоциаты второго и высших порядков (белки) из нескольких различных по природе надмолекулярных структур. ХХХ
По мере усложнения частиц происходит переход количества
качество, поэтому совокупность частиц отличается природой, свойствами, степенью связанности, прочностью.
Независимо от степени ассоциации или агрегации для них используются понятия: простые и сложные вещества, химические соединения, которые изображаются стехиометрической формулой вещества с указанием его модификации, агрегатного состояния, внешних условий, чистоты.
Химический элемент – вид атомов, характеризующийся определенной совокупностью свойств.
ОТНОСИТЕЛЬНОЙ М (молекулярной массой) простого или сложного вещества называется отношение массы его молекулы к 1/12 части массы атома 12С. 1/12 часть массы атома изотопа углерода 12С наз. А.Е.М.
Моль – количество вещества содержащее столько молекул, атомов, ионов, электронов или других структурных единиц, сколько содержится атомов в 12 г. изотопа углерода 12С.
Отношение массы m вещества к его количеству ν называется молярной массой вещества
M=m /ν [г/моль]
М=кMотн , к=1.
Отношение объема, занимаемого веществом, к его количес-тву называется молярным объемом вещества.
Y. ОСНОВНЫЕ ЗАКОНЫ
Атомно–молекулярное учение (М.В.Ломоносов, 1741г.) Корпускулярная теория.
I. Все вещества в природе состоят из частичек, физически неделимых и обладающих способностью взаимного сцепления.
II. Свойства веществ зависят от свойств этих элементов. (Мелкие элементы – атомы, корпускулы – молекулы).
III. Причина различия веществ не только в составе корпускул, но и в различном расположении элементов в корпускуле.
IV. Корпускулы движутся согласно законам механики. Так как изменения веществ обуславливаются движением корпускул, то химические превращения должны изучаться методами физики и математики.
Стехиометрия – раздел химии, в котором рассматриваются весовые и объемные отношения между реагирующими веществами.
XVIII–XIX вв. Основные стехиометрические законы.
Закон Дальтона
Р = P1+P2+P3+… , где Р – общее давление; P1,2,3… –пар-
циальное давление газов
Закон Авогадро: в равных объемах разных газов при оди-наковых условиях (P,V) cодержится одинаковое число частиц (молекул или атомов)
Na –число Авогадро ; Na= 6,02–1023
При Н.У. 1моль любого газа занимает V=22,4л
mx = nMx = Д
m1 nM1 х/1
3. Mx = Дх/1M1
Закон Бойля–Мариотта Т – const
P1 V1 = P2V2
Закон Шарля и Гей–Люссака
P – const ;
V = T
V0 T0
Объединенный закон газового состояния для 1 моля газа
PV P0V0
T = T0 = R
Т0=273,15К V0=22,4 л P0=101325 Па=760мм рт.ст.
Уравнение Менделеева– Клапейрона(1874г.) PV= nRT = mМ *RT
Где R–универсальная газовая постоянная=8,31 Дж/моль К= 8,314 Па =0,082 атм л/(моль К) = 62360 мм рт.ст мл/(моль К)
Закон сохранения массы: Ломоносов(1748), Лавуазье(1774)
Где R–универсальная газовая постоянная=8,31 Дж/моль К= 8,314 Па =0,082 атм л/(моль К) = 62360 мм рт.ст мл/(моль К)
Закон сохранения массы: Ломоносов(1748), Лавуазье(1774)
Σ m(продуктов) = Σ m (исходных)
«Что и где убыло, то именно в другом месте и присовокупиться должно, но в той же мере».
Закон простых объемных отношений
(Гей–Люссака, 1808г)
H2 + Cl2 = 2HCl
Объемы вступающих в реакцию газов относятся между собой и к объему образующихся продуктов как небольшие целые числа.
Закон эквивалентов
m1 = Э1
m2 Э2
Э(х)=f(х)М(х),
где f(x) – фактор Х, который показ., какая доля этой частицы устанавливает 1 новую хим. связь, например, для Al+3
f(x) = 1/3
Э(х)= M(x)/3
Массы веществ взаимодействуют пропорционально их эквивалентам, или один эквивалент одного вещества взаимодействует с одним эквивалентом другого вещества.
Закон постоянства состава 1801–1807г Пруст:
Всякое чистое в–во имеет количественный и качественный состав независимо от способов его получения.
Закон кратных соотношений 1803 г. Дальтон:
Если 2 элемента образуют между собой ряд соединений, то масса одного элемента, приходящаяся на одну и ту же массу другого элемента, относятся как небольшие целые числа.
Закон сохранения массы и энергии Эйнштейна (1905 г.)
Е=mc2,
m – масса – мера энергии, Е – мера движения вещества
Девиз: «АТОМ НЕИСЧЕРПАЕМ
ТАК ЖЕ КАК ВСЕЛЕННАЯ»
ЛЕКЦИЯ 2
СТРОЕНИЕ АТОМА
План лекции
1.Строение атома (история вопроса).
2.Значение теории Бора.
3.Энергетические состояния электрона в атоме.
Атом – в переводе с греческого – неделимый. Понятие введено Демокритом как мельчайший кирпичик мироздания (V век до н.э.). Считалось, что атомы неделимы, т.е. не содержат более простых составных частей и не могут превратиться в атом другого элемента.
В конце XIX века установлен ряд фактов, свидетельствую-+98.юбщих о сложном составе атома и о возможности их взаимопревращений.
1896 г. Явление радиоактивности (Р) (radius – луч, с латинского) обнаружил у соединений урана французский физик А.Беккерель.
Р – явление испускания некоторыми элементами излуче-ния, способного проникать через вещества, ионизировать воз-дух, вызывать почернение фотопластинок.
1897 г. Английский физик Дж.Дж.Томсон открыл электрон – элементарную частицу, обладающую наименьшим существую-щим в природе отрицательным электрическим зарядом 1,6–10 -19 Кл. Масса 9,1–10-28 г., в 2000 раз меньше атома водорода.
1898 г. Мария Кюри-Склодовская и Пьер Кюри в составе урановых руд открыли 2 новых радиоактивных элемента – ПОЛОНИЙ (Polonia –Польша) и радий, которые оказались более мощными источниками радиоактивного излучения, чем уран и торий. Супруги Кюри и Э.Резерфорд установили неоднородность радиоактивного излучения: под действием магнитного поля оно разделяется на три пучка один из которых не изменяет первоначального направления, а два другие отклоняются в противоположном направлении. Не отклоняющиеся –γ–лучи – жесткое электромагнитное излучение, сходное с рентгеновскими лучами и обладающие очень большой про-никающей способностью. Отклонение других пучков под действием магнитного поля говорили о наличии электрически заэхряженных частиц.
Противоположные направления отклонений говорят о раз-ных зарядах. β –лучи – поток быстро движущихся электронов, а α –лучи дважды ионизированные атомы Не2+.
Опытом Резерфорд доказал, что α-частицы – Не2+, и что при распаде образуется Rn –радон (RaНе2+ → Rn). Изучение радиоактивности подтвердило сложность состава атомов и возможность перехода из атома одного элемента в атомы другого элемента.
1903 г. Дж.Дж.Томсон – атом состоит из положительного за-ряда, равномерно распределенного по всему объему атома, и электронов колеблющихся внутри этого заряда.
Опыт Э.Резерфорда
И–источник α излучения; К–свинцовый кубик с каналом; Э–экран, – покрытый ZnS
Этот опыт заключался в бомбардировке тонкого слоя како-го-либо вещества, в частности, металлической фольги, пучком быстро движущихся α-частиц и наблюдении, в каком направлении α-частицы рассеиваются атомами.
Сущность опыта заключается в следующем. Кусочек радия, помещенный в камеру из свинца, испускает α-частицы. Не-большое отверстие в свинцовом блоке формирует пучок α-частиц. Этот пучок проходит затем через металлическую фольгу, и прослеживаются направления, в которых α-частицы продол-жают свое движение. Направление движение можно устано-вить, применяя экран, покрытый сульфидом цинка; при ударе α-частицы о такой экран на нем появляется вспышка.
Если бы атомы, бомбардируемые α-частицами, представ-ляли бы собой плотные образования, состоящие из переме-шанных положительных и отрицательных зарядов, то все они должны были бы в какой-то мере изменить направление своего движения. Однако в действительности большинство α-частиц проходит через фольгу без отклонения.
В одном из опытов α-частицы проходили через золотую фольгу толщиной 400 нм и проникали через 1000 слоев атомов, и всего лишь одна частица из 100000 отклонялась от первона-чального направления. Это частица отклонялась очень сильно, более чем на 90°. Когда брали фольгу вдвое толще, то оказыва-лось, что примерно вдвое большее число α-частиц отклонялось под большими углами, тогда как подавляющее большинство по-прежнему проходило через фольгу без отклонения.
Эти экспериментальные данные можно понять, если допустить, что большая часть массы атома сосредоточена в очень небольшом объеме, который Резерфорд назвал атомным ядром.
Если лишь одна частица из 100000 отклоняется при прохождении через фольгу, состоящую из 1000 слоев атомов, то примерно одна частица из 100000000 будет отклоняться при прохождении через 1 слой атомов. Исходя из этого, Резерфорд заключил, что тяжелое ядро имеет площадь поперечного се-чения, составляющую только 0,00000001 часть площади по-перечного сечения всего атома, а следовательно, диаметр ядра составляет всего лишь 10-5 диаметра атома.
Такая ядерная модель атома оказалась в противоречии с за-конами классической механики и электродинамики, поскольку система неподвижных зарядов не может находиться в устойчивом состоянии. Резерфорду пришлось отказаться от статической мо-дели атома и предположить, что электроны движутся вокруг ядра по искривленным траекториям. Но в этом случае электрон будет двигаться с ускорением, в связи с чем, согласно классической электродинамике, он должен непрерывно излучать электромагнитные (световые) волны. Процесс излучения сопровождается потерей энергии, так что электрон должен в конечном итоге упасть на ядро («смерть» электрона).
Выход из создавшегося положения был найден датским физиком Нильсом Бором в 1913 году путем введения предположений, противоречащих классическим представлениям. Он высказал два постулата:
Из бесконечного множества электронных орбит, возможных
точки зрения классической механики, осуществляется в действительности только некоторые дискретные орбиты. удовлетво-ряющие определенным квантовым условиям. Электрон, находящийся на одной из этих орбит, несмотря на то, что он движется с ускорением, не излучает электромагнитных волн.
2. Излучение испускается или поглощается в виде светового кванта энергии hv при переходе из одного стационарного состояния в другое. Величина светового кванта равна разности энергий тех стационарных состояний, между которыми совершаются квантовый скачок энергии электрона
hv = Ек – Еm
К этим двум постулатам Бор добавил квантовое условие:
J = m Vk rk = kh/2 ,
где Vr – скорость электрона на k-ой орбите, J – момент количества движения электрона, rk – радиус орбиты.
Эту планетарную модель Бора нельзя, конечно, считать серьезной теорией. Однако она хорошо согласуется с опытными данными для атома водорода, т.к. дала количественное объяснение спектра атома водорода, и это было большим успехом новых идей.
Существование дискретных энергетических уровней атома подтвердили опыты Герца в 1914 году.
Теория Нильса Бора позволяет вычислить возможные частоты излучения, способного испускаться или поглощаться атомом, т. е. рассчитывать спектр атома водорода.