Исследований

• Название: Исследований
• Дата: 22.06.2022
• Размер: 2.52 Mb.
• Имя файла: moiseeva_methods.pdf
• Тип: Лекция; #610555
• страница: 4 из 17

нуклоны.
Изотопы содержат одинаковое количество протонов, но разли- чаются по содержанию нейтронов.
Периодический закон был открыт Д. И. Менделеевым в 1869 г., когда атом еще считался неделимой частицей. Он гласил: «Свойст- ва простых тел, а также формы и свойства соединений элементов находятся в периодической зависимости от величины атомных ве- сов элементов»
1
Таким образом, изменение свойств химических элементов по мере возрастания их атомного веса не совершается непрерывно в одном и том же направлении, а имеет периодический характер. Через определенное число элементов происходит как бы возврат к исход- ным свойствам, после чего вновь повторяются свойства предыду- щих элементов в той же последовательности, но с некоторыми ка- чественными и количественными различиями.
В составленной периодической таблице элементов Д. И. Менде- леев в трех случаях отступил от принципа расположения элемен- тов по возрастанию атомных весов: аргон (ат. вес 39.948) впереди калия (39,098); кобальт (58,9332) впереди никеля (58,71) и тел- лур (127,60) впереди йода (126,9045). Он отступил от принятого им порядка, исходя из свойств этих элементов.
В результате развития учения о строении атомов было пока- зано, что порядковый номер в периодической системе равен за- ряду ядра атомов этого элемента. Исходя из этой теории, уста- новленное Д. И. Менделеевым размещение элементов является абсолютно правильным.
1
Менделеев Д. И. Периодический закон. Основные статьи. М.: Изд-во АН
СССР, 1958. С. 111.

31
2.2. Строение атома
Ядерная модель атома, предложенная Э. Резерфордом, была круп- ным шагом в познании строения атома. Однако она не могла объяснить устойчивости атома. Электрон, вращающийся вокруг по- ложительно заряженного ядра, должен, подобно колеблющемуся электрическому заряду, испускать энергию в виде световых волн, при этом терять часть своей энергии. Это, следовательно, должно было привести к нарушению между центробежной силой, связанной с вра- щением электрона, и силой электростатического притяжения элек- трона к ядру. При этом электрон для восстановления должен переме- щаться ближе к ядру, постепенно «упасть» на ядро, и атом должен прекратить свое существование. Реально этого не происходит.
Объяснение этих противоречий и дальнейшее развитие теории стро- ения атома произошло на основании открытия квантовой теории света.
Макс Планк экспериментально показал, что лучистая энергия испускается и поглощается телами не непрерывно, а дискретно, т. е. отдельными порциями — квантами. 14 декабря 1900 г. Планк доложил Берлинскому физическому обществу о своей гипотезе и новой формуле излучения. Введенная Планком гипотеза озна- меновала рождение квантовой теории
1
В 1896 г. Планк установил на основе эксперимента закон теп ло- вого излучения нагретого тела. При этом он столкнулся с тем, что из- лучение имеет прерывный характер. Планк смог обосновать свой закон лишь с помощью предположения, что энергия колебания ато- мов не произвольная, а может принимать лишь ряд вполне опре- деленных значений. Оказалось, что прерывность присуща любому излучению, что свет состоит из отдельных порций (квантов) энер- гии. Планк установил, что свет с частотой колебания должен испу- скаться и поглощаться порциями, причем энергия каждой такой порции равна частоте колебания умноженной на специальную кон- станту, получившую название постоянной Планка. В 1906 г. вышла монография Планка «Лекции по теории теплового излучения».
На основании этой теории Нильс Бор в 1913 г. в своей статье
«On the Constitution of Atoms and Molecules» сформулировал основ- ные постулаты, объясняющие строение электронной оболочки
атомов
2 1
URL: www.hrono.ru / biograf / bio_p / planck_max.php
2
Bohr N. On the Constitution of Atoms and Molecules. Philos. Mag. 26. 1913. № 1.

32
Лекция 2
1. Электрон может вращаться вокруг ядра не по любым, а только по некоторым определенным круговым орбитам (стационарным).
2. Двигаясь по стационарной орбите, электрон не излучает элект- ромагнитной энергии.
3. Излучение происходит при скачкообразном переходе с одной стационарной орбиты на другую. При этом излучается (при пере- ходе на нижнюю орбиту) или поглощается (при переходе на более удаленную орбиту) квант электромагнитного излучения, энергия которого равна разности энергий атома в исходном и конечном со- стояниях.
Возможные энергетические состояния электрона в атоме опре- деляются величиной главного квантового числа n, значение кото- рого принято называть энергетическим уровнем электрона, и выра- жается целыми числами 1, 2, 3 и т. д. При n=1 электрон находится на первом энергетическом уровне и т. д. Главное квантовое число определяет размеры электронного облака.
Форма электронного облака определяет орбитальное квантовое число ℓ, которое может принимать численные значение от 0 до (n-1).
Состояния электрона, характеризующиеся различными значения- ми ℓ, принято называть энергетическими подуровнями. Электроны, характеризующиеся значениями орбитального квантового числа
0, 1, 2 и 3, называют соответственно, s- электронами, p-электронами, d-электронами и f-электронами. Состояние электрона записывают как, например, 2d (n=2, ℓ=2).
Ориентация электронного облака в пространстве определяется значением магнитного квантового числа m, принимающего любые целочисленные значения (как положительные, так и отрицатель- ные) от + l до — l.
Состояние электрона в атоме, характеризующееся определен- ными значениями квантовых чисел n, ℓ и m, т. е. определенными размерами, формой и ориентацией в пространстве электронного облака, получило название атомной электронной орбитали.
Существует и еще одно квантовое число, не связанное с движе- нием электрона вокруг ядра, а характеризует вращение электрона вокруг своей оси — спин, обозначается s и может иметь только два значения + 1 \ 2 или — 1 \ 2.
Таким образом, положение электрона в атоме характеризуется квантовыми числами (табл. 4).

33
2.3. Строение молекул
Таблица 4. Квантовые числа электрона
Квантовое число Обозначение Численные значения
Определяет
Главное квантовое число
Энергетический
уровень электрона
n
целые числа 1, 2, 3, … размеры элект- ронного облака
Орбитальное квантовое число
Энергетический
подуровень
l
численные значение от 0 до (n-1):
0 (s-электроны),
1 (p-электроны),
2 (d-электроны),
3 (f-электроны) форму элект- рон ного облака
Магнитное кван- товое число
m
любые целочислен- ные значения (как по- ложительные, так и отрицательные) от + l до — l.
ориентацию электронного облака в про- странстве
Квантовое число спин
s
может иметь только два значения + 1 \ 2 или — 1 \ 2
характеризует вращение элект- рона вокруг своей оси
2.3. Строение молекул
М. В. Ломоносов впервые в работе «Элементы математической химии» (1741 г.) определил, что все вещества состоят из «корпу- скул» (так Ломоносов называл молекулы), указал на различие между атомами и молекулами, рассматривая молекулы как мель- чайшие частицы вещества, обладающие тем же составом, что и ве- щество в целом
1
В конце XVIII — начале XIX вв. учеными были определены от- носительные весовые количества, в которых соединяются между собой различные элементы. В результате было установлено поня- тие химического эквивалента и определены относительные веса атомов различных элементов. Это позволило характеризовать со-
1
Ломоносов М. В. Избранные труды по химии и физике. М.: Изд-во АН
СССР, 1961. С. 477.

34
Лекция 2
став веществ их атомным составом и химическими формулами.
Понятие «молекула» получило признание только в 1860 г., когда на Международном съезде химиков было принято решение разли- чать понятия «атом» и «молекула».
Молекула — наименьшая частица данного вещества, обладающая его хи- мическими свойствами и состоящая из одинаковых (в простом веществе) или разных (в химическом соединении) атомов, объединенных в одно це- лое химическими связями.
Атомы соединяются в молекулы, образуя химические связи, которые образуются в большинстве случаев путем той или иной перегруппировки электронов, содержащихся во взаимодейству- ющих атомах. Важнейшими формами таких перегруппировок являются:
• ионная связь →передача электронов от одного атома к друго- му. Один из взаимодействующих атомов предает другому (или дру- гим) один или большее число электронов, в результате чего ато- мы превращаются в ионы и эти ионы, притягиваясь друг к другу за счет противоположного знака их зарядов, образуют молекулу
(или кристалл);
• ковалентная связь → смещение электронов в направлении к одному из атомов, при этом образуются электронные пары, об- щие для взаимодействующих атомов и связывающие их между со- бой. Если эта пара принадлежит атомам в одинаковой степени, то образуется неполярная ковалентная связь, если смещена к од- ному из атомов — то полярная ковалентная связь. Ковалентная связь характерна для органических соединений.
Ионы — электрически заряженные частицы, возникающие при потере или приобретении электронов атомами или группами химически связан- ных атомов.
Положительно заряженные ионы (после отрыва электрона) на- зывают катионами, отрицательно заряженные (приобретшие элек- трон) — анионами.
В 1861 г. А. М. Бутлеров создал теорию химического строения
органических соединений
, заключающуюся в следующем.

35
2.4. Строение вещества
1. Атомы в молекулах соединены друг с другом в определенной последовательности. Изменение этой последовательности приво- дит к образованию новых соединений.
2. Соединение атомов происходит в соответствии с их валентно- стью. Валентность— понятие очень сложное. Наиболее общим можно считать следующее определение:
Валентность элементов — это способность его атомов соединяться с дру- гими атомами в определенных соотношениях
Свойства веществ зависят не только от их состава, но и от их «хи- мического строения», то есть от порядка соединения атомов в мо- лекулах и характера их взаимного влияния. Наиболее сильно вли- яют друг на друга атомы, непосредственно связанные между собой.
Теория строения химических соединений, предложенная А. М. Бут- леровым, лежит в основе современных воззрений на строение моле- кул, как мельчайших частиц вещества, обладающих его свойствами
1
2.4. Строение вещества
Вещества бывают простые из элемента одного вида (например, водород H
2
, железо Fe и т. д.) и сложные из разных элементов (на- пример, вода H
2
O, кислоты HCI, H
2
SO
4
и др.)
По агрегатному состоянию вещества делятся
на твердые, жидкие и газообразные.
Агрегатное состояние вещества — состояние одного и того же вещества в определённом интервале температур и давлений, характеризующееся определёнными, неизменными в пределах указанных интервалов, каче- ственными свойствами: способностью или неспособностью сохранять объём и форму, наличием или отсутствием дальнего (твёрдое тело) и ближ- него порядка (жидкость) и другими свойствами
2 1
См. подробнее: Глинка Н. Л. Общая химия. М.: Интеграл-Пресс, 2008; Мин-
кин В. И., Симкин Б. Я., Миняев Р. М. Теория строения молекул. Ростов-н / Д.:
Феникс, 1997; Картмелл Э, Фоулс Г. В. А. Валентность и строение молекул. М.:
Химия, 1979.
2
URL: ru.wikipedia.org / wiki /

36
Лекция 2
Существует и четвертое особое состояние вещества — плазма.
Плазма — это ионизованный газ, который образуется при элек- трических разрядах в газах, при нагреве газа до температуры, до- статочно высокой для протекания термической ионизации. Плаз- ма — наиболее распространенное состояние вещества в космосе:
Солнце, горячие звезды и некоторые межзвездные облака состоят из плазмы
1
В качестве материальных носителей криминалистически значи- мой информации, как правило, выступают объекты в твердом или жидком агрегатном состоянии.
Твердые вещества
имеют кристаллическую (наиболее изучен- ную) и (или) аморфную формы.
Кристаллическая форма характеризуется точной четкой темпера- турой перехода вещества в жидкое состояние (температурой плав- ления) и определенной геометрической формой кристаллов. Частицы, образующие кристалл (ионы — разноименно заряженные в NaCI, одноименно заряженные в металлах; нейтральные атомы одного и того же элемента — алмаз; молекулы — кристаллы льда или бензо- ла), располагаются в нем в разной типичной для данного кристалла закономерности. Между частицами в кристалле, помимо ионных и ко- валентных, существуют металлическая и межмолекулярная связи.
Металлическая связь характерна для кристаллов типичных ме- таллов. Металлы имеют слабо связанные электроны, которые пе- реходят от одного атома к другому, не связываясь с ними, их назы- вают электронным газом. В отличие от ковалентной связи, такая связь не обладает ни направленностью, ни насыщенностью. Эта связь очень прочная, что и определяет свойства металлов — твер- дость, высокие температуры плавления и др.
Межмолекулярная связь образована силами межмолекулярного притяжения молекул с ковалентными связями. Это очень слабая связь и вещества с этой связью характеризуются низкими темпера- турами плавления (лед) и летучестью и в обычных условиях нахо- дятся в жидком или газообразном состоянии.
Аморфная форма
— состояние твердого вещества, в котором в отличие от кристаллического состояния, молекулы расположены
1
Политехнический словарь / Под ред. И. И. Артоболевского. М.: Советская энциклопедия, 1977. С. 360.

37
2.4. Строение вещества
беспорядочно, и вещество изотропно, то есть имеет одинаковые физические свойства по всем направлениям, кроме того, отсутст- вует четко выраженная температура плавления (не точка плавле- ния, а некоторый интервал температур).
Аморфные тела бывают природные (янтарь, смола) и искусст- венные (стекло, пластмассы).
Пластмассы — материалы, состоящие в основном из высокомо- лекулярных соединений и обладающие в одних условиях пластич- ностью, а в других ведущие себя как упругие твердые тела.
Жидкости — это вещества в конденсированном агрегатном состоянии, промежуточном между твердым и газообразным.
Внутреннее строение жидкостей значительно сложнее внутрен- него строения твердых тел. В жидкостях расстояние между моле- кулами — порядка размеров самих молекул (

0,1 нм = 10
–10
м).
И силы межмолекулярного взаимодействия весьма значительны.
Когда молекулы жидкости обладают полярностью, то кроме вза- имного притяжения между ними, свойственного и неполярным мо- лекулам, появляется и взаимодействие между различными частями молекул, несущими электрический заряд. Положение, при котором молекулы притягиваются за счет разноименных зарядов, наиболее устойчиво и способствует образованию комплексов из двух и бо- лее молекул. Это явление называют ассоциацией (например, вода).
По природе и составу все вещества делятся
на неорганиче- ские и органические.
Неорганические вещества — вещества, образуемые всеми хими- ческими элементами (исключение — большинство соединений углерода).
Основные типы неорганических веществ: оксиды, гидроксиды, кислоты неорганические, соли. Известно более 300 тыс. неорга- нических соединений.
Под органическими веществами до середины XIX в. понимали вещества, образующиеся в организмах растений и животных. В на- стоящее время под органическими веществами понимают соедине- ния углерода (углеводороды и их производные). Известно свыше
4 млн соединений углерода и их число возрастает за счет новых открываемых природных веществ и синтезируемых в лаборатори-

38
Лекция 2
ях. На их долю приходится подавляющая часть массы раститель- ных и животных организмов.
Специфика органических соединений, прежде всего, в строении атома углерода и природе химических связей. Все органические соединения содержат помимо углерода водород, кроме того, могут содержать кислород, азот, серу, галогены и металлы.
Основные отличия органических и неорганических веществ представлены в таблице 5.
Таблица 5. Специфика органических и неорганических соединений
Органические соединения
Неорганические соединения
Молекулы всех органических соеди не ний содержат несколько (иногда большое число) углеродных атомов, обладают изомерией
Молекулы неорганических соединений содержат угле род только в виде карбидов, уголь- ной кислоты, карбона тов, ок- сидов углерода и цианидов.
Элементный состав органических соеди- нений достаточно ограничен и представ- лен в основном углеродом и водородом.
В них также может содержаться кисло- род, азот, фосфор, сера, металлы.
В то же время в молекулах органических соединений углерод может быть соеди- нен почти с любым элементом перио ди- ческой системы (кроме инертных газов), тогда как ни один другой элемент не об- ладает такой способностью
Элементный состав неор га- нических соединений может включать все элементы таб- лицы Д. Менделеева.
Характерна ковалентная связь
Характерна ионная связь
Органические соединения обладают пространственной изомерией, поскольку могут иметь «углеродный скелет», т. е. цепочки из атомов углерода, к которым присоединены функциональные группы
При незначительных внешних воздей ст - виях (небольшом нагревании) многие органические вещества изменяются
Неорганические соединения в большинстве достаточно устойчивы к внешним воз- действиям
Все органические соединения горят
Большинство неоргани чес ких соединений не обладают го- рючестью

39
2.5. Состав и структура вещества
Органические соединения по своему строению делятся на клас- сы: алифатические, ароматические, гетероциклические; предель- ные и непредельные.
Кроме того, можно выделить и специальный класс веществ — высокомолекулярные соединения.
Высокомолекулярные соединения — это вещества, молекулы ко- торых построены из большого числа одинаковых для данного вещества более простых молекул, последовательно связанных между собой посредством химических связей (белки, целлюлоза, крахмал — природные, синтетический каучук). Такие вещества обладают свойством пластичности. Как правило, высокомолеку- лярные соединения имеет органическую или элементоорганиче- скую природу.
Объектами экспертных исследований являются материальные носители информации об исследуемом событии. Ими часто явля- ются вещества разной природы, в разном агрегатном состоянии, в разном количестве.