Лекция. Лекции ТОНХ рус. Лекции по дисциплине теоретические основы неорганической химии для студентов специальности

• Название: Лекции по дисциплине теоретические основы неорганической химии для студентов специальности
• Анкор: Лекция
• Дата: 22.12.2019
• Размер: 1.02 Mb.
• Имя файла: Лекции ТОНХ рус.doc
• Тип: Лекции; #101540
• страница: 8 из 24

1. Строение атома. Открытие электрона

2. Радиоактивность.Опыты Резерфорд Спектры атомов.

3.Квантово-механическая модель атома Бора
Радиоактивность.Изотопы
Квантовые числа и электронные орбитали.

Правило Гунда и Паули

Электронная конфишурация многоэлектронных атомов
Радиоактивность — это самопроизвольное изменение состава атомного ядра, которое происходит не менее чем через 10-12 с после его рождения. Количественное ограничение обусловлено как раз экспериментами с бомбардировкой атомных ядер. Если стабильное ядро разваливается сразу после попадания в него снаряда атомной артиллерии, не успев просуществовать в измененном виде даже такой ничтожно краткий промежуток времени, значит, явление такого распада не относится к радиоактивности.
Первопричиной радиоактивности является противоборство внутри ядра двух сил — электрического отталкивания и ядерного стягивания. Протоны ядра, как всякие одноименно заряженные частицы, взаимно отталкиваются, стремятся разлететься. Ядерные силы сближают нуклоны, препятствуют разлету протонов. Судьба ядра зависит, таким образом, от соотношения этих сил, а более конкретно — от соотношения числа протонов и нейтронов в ядре; Протоны — носители как «склеивающих» ядерных сил, так и расталкивающих электрических. Лишенные заряда нейтроны вносят вклад лишь в стягивание ядра.
Число протонов в ядре определяет атомный номер элемента, число электронов в атоме и, стало быть, его химические свойства. Содержание нейтронов в таком ядре может колебаться, но свойства вещества, за исключением атомной массы, при этом существенно не различаются. Поэтому ядра с одинаковым числом протонов, но разным количеством нейтронов представляют собой варианты атомов одного элемента, располагаются в одной клетке таблицы Менделеева и носят название изотопы, то есть расположенные в одном месте. Большинство элементов и представляет собой смесь нескольких стабильных изотопов.
Таким образом, количество нейтронов в ядре может колебаться, но лишь в определенных пределах. Наиболее стабильные изотопы легких элементов, от гелия и примерно до меди, содержат в ядре равное количество протонов (р) и нейтронов (п): гелий — 4 (2p+2n), углерод — 12 (6p+6n), кислород — 16  (8р+8n), сера — 32 (16р+16n) и т. п. В более тяжелых элементах много протонов. Чтобы сохранить стабильность их ядер, количество нейтронов растет опережающими темпами. Устойчивый изотоп молибдена (42p + 56n) содержит нейтронов в 1,33 раза больше, чем протонов; неодим (60р + 84n) — в 1,4 раза; вольфрам (74р + 110n) — в 1,49 раза; свинец (82р + 126n) - в 1,54 раза больше. Наконец, самые тяжелые элементы, с № 84 до 92, оказываются нестабильными и распадаются самопроизвольно, несмотря на избыток нейтронов. Основной изотоп урана — (U-238) — содержит 92р +146n, но распадается с периодом 4,5 млрд лет. Низкой стабильностью отличаются ядра с недостатком и избытком нейтронов — нейтронодефицитные и нейтро-ноизбыточные ядра.

Радиоактивность

Радиоактивность - самопроизвольное превращение неустойчивого изотопа одного химического элемента в изотоп другого элемента, сопровождающееся испусканием элементарных частиц или ядер (например, α- частиц).

Радиоактивность, проявляемая природными изотопами элементов, называется естественной радиоактивностью.

Самопроизвольный распад ядер описывается уравнением: m_t = m₀ • (1/2)^{t / T}1/2 где m_t и m₀ - массы изотопа в момент времени t и в начальный момент времени; Т_1/2 - период полураспада, который является постоянным для данного изотопа. За время Т_1/2 распадается половина всех ядер данного изотопа.
Основные виды радиоактивного распада.
 - распад. Сопровождается потоком положительно заряженных ядер атома гелия ⁴₂Не (- частиц) со скоростью 20000 км/с. При этом заряд Z исходного ядра уменьшается на 2 единицы (в единицах элементарного заряда), а массовое число А - на 4 единицы (в атомных единицах массы).
Z' = Z – 2

A' = A – 4

т.е. образуется атом элемента, смещенного по периодической системе на две клетки влево, от исходного радиоактивного элемента, а его массовое число на 4 единицы меньше исходного.

226 82

Ra  

222 80

Rh +

4 2

He

 - распад. Излучение ядром атома потока электронов со скоростью 100'000 - 300'000 км/с. (Электрон образуется при распаде нейтрона ядра. Нейтрон может распадаться на протон и электрон.) При - распаде массовое число изотопа не изменяется, поскольку общее число протонов и нейтронов сохраняется, а заряд ядра увеличивается на 1. (Химический элемент смещается в периодической системе на одну клетку вправо, а его массовое число не изменяется)

234 90

Th  

234 91

Po +

0 -1

e

- распад. Возбужденное ядро испускает электромагнитное излучение с очень малой длиной волны и высокой частотой, обладающее большой проникающей способностью, при этом энергия ядра уменьшается, массовое число и заряд остаются неизменными. (Химический элемент не смещается в периодической системе, его массовое число не изменяется и лишь ядро его атома переходит из возбужденного состояния в менее возбужденное).

Ядерные реакции - превращения ядер, происходящие при их столкновении друг с другом или с элементарными частицами. Первая искусственная ядерная реакция была осуществлена Э.Резерфордом (1919 г.) при бомбардировке ядер азота - частицами:

14 7

N +

4 2

He  

17 8

O +

1 1

H

С помощью ядерных реакций были получены изотопы многих химических элементов и ядра всех химических элементов с порядковыми номерами от 93 до 110.

 Опыты Резерфорда   Радиоактивность — это испускание ядрами некоторых элементов различных частиц, сопровождающееся переходом ядра в другое состояние и изменением его параметров. Явление радиоактивности было открыто опытным путем французским ученым Анри Беккерелем в 1896 г. для солей урана. Беккерель заметил, что соли урана засвечивают завернутую во много слоев фотобумагу невидимым проникающим излучением.
         Английский физик Э. Резерфорд исследовал радиоактивное излучение в электрических и магнитных полях и открыл три составляющие этого излучения, которые были названы а-, B-, у-излучением
    
     а-Распад представляет собой излучение а-частиц (ядер гелия) высоких энергий. При этом масса ядра уменьшается на 4 единицы, а заряд — на 2 единицы.
         B-Распад — излучение электронов, заряд которых возрастает на единицу, массовое число не изменяется.
    
     у-Излучение представляет собой испускание возбужденным ядром квантов света высокой частоты. Параметры ядра при у-излучении не меняются, ядро лишь переходит в состояние с меньшей энергией. Распавшееся ядро тоже радиоактивно, т. е. происходит цепочка последовательных радиоактивных превращений. Процесс распада всех радиоактивных элементов идет до свинца. Свинец — конечный продукт распада. 

Изотопы

Изотопы - разновидности атомов определенного химического элемента, имеющие одинаковый атомный номер, но разные массовые числа. Обладают ядрами с одинаковым числом протонов и различным числом нейтронов, имеют одинаковое строение электронных оболочек и занимают одно и то же место в периодической системе химических элементов.

Относительные атомные массы элементов, приводимые в периодической системе - есть средние массовые числа природных смесей изотопов. Поэтому они и отличаются от целочисленных значений.
Средняя атомная масса таллия равна:

A_ср.(Tl) = (0,295 • 203 + 0,705 • 205) / 2 = 204,383
Изотопы водорода имеют специальные символы и названия:

1 1

H - протий;

2 1

D - дейтерий;

3 1

T - тритий.

Химические свойства изотопов одного элемента одинаковы. Изотопы, имеющие одинаковые массовые числа, но различные заряды ядер, называются изобарами

(

40 18

Ar,

40 19

K  и

40 20

Ca;

112 48

Cd  и

112 50

Sn).

Квантовые числа и электронные орбитали.

Правило Гунда и Паули

Электронная конфишурация многоэлектронных атомов

Квантовые числа и электронные орбитали.

Правило Гунда и Паули

1.Квантовые числа и электронные орбитали

Главное квантовое число n Описывает:

• 
  среднее расстояние от орбитали до ядра;
  
• 
  энергетическое состояние электрона в атоме.
  

Состояние каждого электрона в атоме обычно описывают с помощью четырех квантовых чисел: главного (n), орбитального (l), магнитного (m) и спинового (s). Первые три характеризуют движение электрона в пространстве, а четвертое - вокруг собственной оси.
Главное квантовое число (n). Определяет энергетический уровень электрона, удаленность уровня от ядра, размер электронного облака. Принимает целые значения (n = 1, 2, 3 ...) и соответствует номеру периода. Из периодической системы для любого элемента по номеру периода можно определить число энергетических уровней атома и какой энергетический уровень является внешним.
Пример.

Элемент кадмий Cd расположен в пятом периоде, значит n = 5. В его атоме электроны раcпределены по пяти энергетическим уровням (n = 1, n = 2, n = 3, n = 4, n = 5); внешним будет пятый уровень (n = 5).
Чем больше значение n, тем выше энергия электрона и больше размер электронного облака. Если в атоме несколько электронов с одинаковым n, то они образуют электронные облака одинакового размера - электронные оболочки.

Орбитальное квантовое число l (азимутальное)

Описывает форму орбитали, которая зависит от n.

Орбитальное квантовое число (l) характеризует геометрическую форму орбитали. Принимает значение целых чисел от 0 до (n - 1). Независимо от номера энергетического уровня, каждому значению орбитального квантового числа соответствует орбиталь особой формы. Набор орбиталей с одинаковыми значениями n называется энергетическим уровнем, c одинаковыми n и l - подуровнем.
Для

l=0 s- подуровень, s- орбиталь – орбиталь сфера

l=1 p- подуровень, p- орбиталь – орбиталь гантель

l=2 d- подуровень, d- орбиталь – орбиталь сложной формы

f-подуровень, f-орбиталь – орбиталь еще более сложной формы

S - орбиталь	Три p – орбитали

Пять d – орбиталей

На первом энергетическом уровне (n = 1) орбитальное квантовое число l принимает единственное значение l = (n - 1) = 0. Форма обитали - сферическая; на первом энергетическом только один подуровень - 1s. Для второго энергетического уровня (n = 2) орбитальное квантовое число может принимать два значения: l = 0, s- орбиталь - сфера большего размера, чем на первом энергетическом уровне; l = 1, p- орбиталь - гантель. Таким образом, на втором энергетическом уровне имеются два подуровня - 2s и 2p. Для третьего энергетического уровня (n = 3) орбитальное квантовое число l принимает три значения: l = 0, s- орбиталь - сфера большего размера, чем на втором энергетическом уровне; l = 1, p- орбиталь - гантель большего размера, чем на втором энергетическом уровне; l = 2, d- орбиталь сложной формы.

Таким образом, на третьем энергетическом уровне могут быть три энергетических подуровня - 3s, 3p и 3d.

Орбитальное число l может принимать целочисленные значения в диапазоне от 0 до n-1. Например, при n=2: l=0 l=1

Значение l определяет форму орбитали, а n - ее размер

Орбитали, имеющие одинаковое n, но разные l называют энергетическими подуровнями и обозначают буквами латинского алфавита:

l	Энергетический подуровень
0 1 2 3 4	s p d f g

Состояние электрона в атоме для различных главных и орбитальных квантовых чисел принято записывать следующим образом: 2s; 3p; 3d…

Магнитное квантовое число m

Описывает ориентацию орбиталей в пространстве.

Может принимать целочисленные значения в диапазоне от -l до +l (включая 0). Магнитное квантовое число (m) характеризует положение электронной орбитали в пространстве и принимает целочисленные значения от -I до +I, включая 0. Это означает, что для каждой формы орбитали существует (2l + 1) энергетически равноценных ориентации в пространстве.

Для s- орбитали (l = 0) такое положение одно и соответствует m = 0. Сфера не может иметь разные ориентации в пространстве.

Для p- орбитали (l = 1) - три равноценные ориентации в пространстве (2l + 1 = 3): m = -1, 0, +1.

Для d- орбитали (l = 2) - пять равноценных ориентаций в пространстве (2l + 1 = 5): m = -2, -1, 0, +1, +2.

Таким образом, на s- подуровне - одна, на p- подуровне - три, на d- подуровне - пять, на f- подуровне - 7 орбиталей.

Например:
Для l=0 возможно только одно значение: m=0. Это значит, что s-орбиталь имеет только одну пространственную ориентацию.
Для l=1: m=-1;0;+1 - p-орбиталь имеет три пространственные ориентации.
Для l=2: m=-2;-1;0;+1;+2 - d-орбиталь имеет пять пространственных ориентаций.

Спиновое квантовое число m_s

Описывает направление вращения электрона в магнитном поле - по часовой стрелке или против. На каждой орбитали может находиться только два электрона: один со спином +½ другой -½.

Главные энергетические уровни отличаются энергией. Чем выше уровень - тем выше энергия. С другой стороны, различные орбитали одного и того же уровня также обладают разной энергией:
Энергия электронов на орбитали 2p выше, чем на 2s
Энергия электронов на орбитали 3p выше, чем на 3s
Энергия электронов на орбитали 3d выше, чем на 3s
Энергия электронов на орбитали 3d выше, чем на 3p

Что же касается электронов "внутри орбиталей", то их энергии одинаковы (так у всех десяти электронов 3d-орбитали энергии одинаковы).