молекулалар. темы. Учебной дисциплины недели Название темы Формы организации обучения и количество часов Задания для сро и формы контроля
 Скачать 63.35 Kb.
|
|
5.3 План изучения учебной дисциплины
6. Список основной и дополнительной литературы 6.1 Основная литература 1. Угай Я.А. Общая и неорганическая химия. М.: Высшая школа, 2003. 376с. 2. Шрайвер Д., Эткинс П. Неорганическая химия. М.:Мир. Т.1. 2004. 679 с. 3. Шрайвер Д., Эткинс П. Неорганическая химия. М.:Мир. Т.2. 2004. 486 с. 4. Кукушкин Ю.Н. Химия координационных соединений. М.: Высшая школа, 1985. 301с. 5. Абакумов Г.А. Введение в химию координационных соединений. Нижний Новгород, 2007. 169 с. 6. Уэллс А.Структурная неорганическая химия. В 3-х томах. М.:Мир. 1987-1988. 408 с. 7. Кукушкин Ю.Н. Реакционная способность координационных соединений. Л.:Химия. 1997. 289 с. 8. Под ред. З.А.Мансурова. Химические науки Казахстана. Алматы: Қазақ университеті, 2002, 360 с. 6.2 Дополнительная литература 1. Д.Л.Луцкий, А.А.Николаев,А.М.Луцкая. Координационные соединения. М.: Академия образования, 2005 2. Третьяков Ю.Д., Мартыненко Л.И., Григорьев А.Н., Цивадзе А.Ю. Неорганическая химия. Кн. I., II. М. Химия. 2001 3. М.Тоуб. Механизмы неорганических реакций.- М.: Мир, 1975 4. Дж. Хьюи. Неорганическая химия. Строение вещества и реакционная способность. –М.: Химия. 1987. 695 с. 5. К.И. Дей, Дж. Сэлбин. Теоретическая и неорганическая химия. – М.: Мир, 1976. 520 с. Лекция № 1-2 Тема: Современные проблемы неорганической химии План Три главных постулата квантовой механики Общие проблемы химии Уравнение Шредингера и квантовые числа Электронные конфигурации атомов и важнейшие характеристики атомов Ключевые слова: уравнение Шредингера, квантовые числа, проблемы химии, химическое материаловедение, волновая функция, энергия ионизации, сродство к электрону. Химия как фундаментальная наука окончательно сформировалась лишь в начале ХХ века, когда три главных постулата квантовой механики: - уравнение Шредингера как квантовый наследник уравнения классической механики (уравнение Гамильтона-Якоби); - принцип Паули, организующий электроны по спиновым состояниям и энергетическим уровням; - волновая функция – носитель информации о плотности распределения заряда и спина составили надежный и прочный фундамент физический химии. Именно они наполнили физическим содержанием периодическую систему элементов Д.И. Менделеева – величайшее открытие прошлого века, значение которого вышло далеко за рамки химии. С позиции этих трех постулатов химическую реакцию следует рассматривать как физический процесс перестройки электронных оболочек и перегруппировки ядер. Общие проблемы химии могут быть представлены в следующем виде: - искусство химического синтеза - химическая структура и функция - управление химическими процессами - химическое материаловедение - химическая технология - химическая энергетика - химическая аналитика и диагностика - химия жизни Это главные стратегические магистрали современной химиии, по которым она развивается. · Химический синтез – ключевое направление химии, источник всех ее сокровищ. Это направление делает ее самой созидательной наукой. Химия поставляет материалы для всех отраслей науки и производства, и в этом смысле можно сказать, что она стоит в центре естественных наук. Особую важность вносит то обстоятельство, что наряду с научными принципами химического синтеза здесь остается простор для игры ума и интуиции. Это сближает химический синтез с искусством. · Атомно-молекулярная структура (архитектура) и электронное строение вновь синтезированных соединений бесконечно разнообразны. Настолько же разнообразны и физические, и химические свойства, и, следовательно, их функции. Установление связи между структурой вещества и его функциональным поведением составляет предмет второго направления. · Управление химическими процессами, их молекулярными механизмами, использование химических факторов (комплексообразования, сольватации, молекулярной организации, катализа) и физических воздействий (от света до механики) для регулирования химических процессов – таково содержание третьего направления. · Вещество – это не материал, а лишь его предшественник. Надо научить вещество работать как материал, определить его характеристики и границы применимости – это задача химического материаловедения. · Задача химической технологии – разработка технологического процесса, его оптимизация и масштабирование, обеспечение малых энергозатрат, высокой безопасности и экологической чистоты. · Разработка высокоэффективных способов преобразования химической энергии в другие виды энергии, накапливание энергии в энергоемких веществах и материалах (включая лазеры с химической и солнечной накачкой), преобразование солнечной энергии, химические источники тока, сопряжение энергопроизводящих и энергозатратных процессов – все это составляет предмет химической энергетики. · Прогресс химического материаловедения и химической технологии невозможен без надежной химической аналитики и диагностики. Это бурно развивающееся направление (включающее химическую сенсорику и химию запаха) с огромными техническими «выходами» во все области – от систем техногенного контроля до медицины и экологии. Нет нужды доказывать, что все эти направления связаны не только логикой. Их внутренне объединяет сама методология химического исследования: в хорошей научной работе можно найти элементы нескольких направлений. И это великолепное сочетание дифференциации и интеграции результативный и созидательный стиль современной химии. · Наконец, химия живого – это гигантская химическая галактика, которую еще предстоит осваивать. На нее работают биохимия и химия природных веществ, фитохимия - наука о ферментах, медицинская и фармацевтическая химия, генная инженерия, биотехнология и многие другие. Это направление с ярко выраженными ожиданиями, гигантским потенциалом, бесспорными перспективами и огромным будущим; его контуры и масштабы уже сегодня просматриваются в трансгенной технологии. Прежде чем перейти к рассмотрению современных проблем неорганической химии рассмотрим основные моменты физического фундамента химии, без знания которого невозможно решать поставленные задачи. Центральный объект химии как науки – это вещества (состав, строение, свойства) и их превращения. Одной из главных основ химии является строение атома. Вещества состоят из атомов и молекул – микрочастиц. Состояние этих частиц, их движение описывается квантовой механикой. Для микрочастиц характерны следующие характеристики: Полная энергия внутреннего движения атомов и молекул, которые принимают строго определенные самой природой вещей квантовые значения, набор таких значений Е1, Е2, Е3 и т.д. составляет дискретный спектр значений энергий. Законы движения приобретают вероятностный характер. Так, внутри атома и молекул теряет смысл понятие траектория электрона. А о чем же мы говорим? Волновая функция (x,y,z,) характеризует состояние системы. Физический смысл имеет квадрат ее модуля 2 – это вероятность нахождения частицы в элементе пространства d. Она вычисляется, как и произведение функции распределения 2 на элементарный объем d. Основным уравнением квантовой механики является уравнение Шредингера. Различают два вида этого уравнения: временное и стационарное, решение которого не зависит от времени. Стационарное уравнение для одной частицы имеет вид  - оператор Лапласа; E и U – полная и потенциальная энергии; m – масса частиц; h – постоянная Планка (6,62610-34 Джс) Атом – устойчивая динамическая система из положительно заряженного ядра и определенного числа электронов. Простейшая из всех атомных систем – водородоподобный атом – состоит из ядра с зарядом Ze и электрона е. Z=1 (H), Z=2 (He) и т.д. Считая ядро неподвижным, всю энергию Е атома можно рассматривать как сумму кинетической энергии электрона (Т) и его потенциальной энергии (U) в поле ядра. Уравнение Шредингера для водородоподобного атома имеет вид:  ,т.к.  где 0=8,85·10-12 Ф/м электрическая постоянная m - масса электрона 9,109·10-31 кг Исходя, что поле ядра сферически симметричное, для упрощения процедуры решения переходят от декартовых координат x, y, z к сферическим r, θ и φ   При решении уравнения Шредингера появляются три квантовых числа n, l и m, характеризующие строение электрона в трехмерном пространстве в центральном поле ядра. Так  ; n - главное квантовое число ; L2 – квадрат момента импульса, l – побочное квантовое числоlz=ml проекция на ось z n, l, mz – целые числа n=1, 2, 3 … ∞ l=0, 1, 2 … (n-1) ml=0, ±1, ±2, ±3 … ±l Выводы: Главное квантовое число определяет энергию уровня. n=1 (основное состояние водорода) Энергии всех состояний имеют отрицательное значение. Если энергия >0? Электрон вне атома. Момент импульса (угловой момент) V= r m υ в классической механике. В квантовой механике речь идет об орбитальном моменте l. При известных n и l для электрона возможно 2l+1 состояний одинаковых по энергии, но с различными значениями квантового числа ml. Волновая функция координат, характеризующаяся совокупностью квантовых чисел n, l, ml называется атомной орбиталью (АО). Для атомных орбиталей принята следующая символика: цифрой обозначается главное квантовое число n, вслед за ним латинской буквой записывается побочное квантовое число l 0 1 2 3 символ s p d f Единица длины в системе атомных единиц Хартри равна 0,529 Å = радиус первой боровской орбитали. Я надеюсь, вы помните рисунок по распределению волновой функции s,p, и d-атомных орбиталей:  Описание состояния электрона с помощью трех квантовых чисел оказалось недостаточным для объяснения некоторых явлений в спектрах. Было введено понятие спин (1925г. Уленбек, Гаудсмит) эмпирически, а затем теоретически (Дирак). Спин нельзя трактовать как момент, обусловленный простым механическим вращением частицы вокруг самой себя. Величина спинового момента импульса подчиняется обычному правилу квантования для моментов  где s – квантовое число спина. Для каждой элементарной частицы спиновый момент – постоянная, неотъемлемая величина, поэтому ей отвечает одно определенное значение квантового числа спина. Величина проекции спинового механического момента на направление внешнего поля выражается формулой:  Магнитное квантовое число спина электрона ms может принимать только два значения ±1/2. Часто под спином электрона понимают именно значение ms. Поэтому одной атомной орбитали соответствуют две спин-орбитали. Атомы всех элементов, кроме водорода, многоэлектронные. Волновые функции и уровни энергий для них в принципе можно найти, решив уравнение Шредингера. Однако точное решение этого уравнения для многоэлектронных систем невозможно. Почему? Задача усложняется тем, что электрон движется уже не в поле ядра, а в поле создаваемом ядром и другими электронами. Рассмотрим простейший из многоэлектронных атомов – атом гелия, состоящий из ядра Z=2 и двух электронов. Уравнение Шредингера для атома гелия имеет вид:  Δ1χ – волновая функция атома Е – его полная энергия Символы 1 и 2 в операторах Лапласа указывают, что дифференцирование χ проводится по координатам 1-го и 2-го электронов.  Первые два члена энергии притяжения к ядру, третий энергии межэлектронного отталкивания. Этим я хотел показать сложность решения уравнения Шредингера в тот период времени, 30-40 гг. ХХ столетия. Решения, близкие к истинным, получают с помощью современных ЭВМ, используя метод самосогласованного поля (ССП), предложенный Хартри (Великобритания) и развитый русским физиком Фоком. В этом методе действие полей всех электронов на данный электрон заменяют усредненным полем, эффект которого приблизительно равен сумме действий остальных электронов и зависит от координаты данного электрона ri. Это делает возможным разделение переменных в уравнении Шредингера. Усреднение, как и всякое усреднение в квантовой механике, выполняется при помощи волновых функций электронов. После ряда усреднений и расчетов получают одинаковые результаты предыдущей и последующих стадий. Эта процедура поиска лучшей функции χ называется самосогласованием, поэтому метод ССП. Метод Хартри-Фока используется для расчета распределения электронной плотности, орбитальных энергий и других физических характеристик в атомах и молекулах. В орбитальном приближении часто вместо сложно выражаемых АО Хартри-Фока применяются простые и хорошо аппроксимирующие их АО Слейтера. Наглядную картину многоэлектронного атома можно нарисовать на основе обобщения квантовомеханических расчетов. Известен ряд методов расчета: АМ1, РМ3 и т.д. - это более современные . Вы знаете, что электроны в атоме можно разделить на квантовые слои. Квантовый слой, или уровень – совокупность электронов с данным квантовым числом n. Внутри уровня электроны разделяются на подуровни s, p, d, f и т.д. в соответствии с квантовым числом l. От значения этого квантового слоя зависит проникающая способность электронов. Наиболее «проникающим» в данном квантовом слое являются s-орбитали, так как их максимумы лежат ближе всего к ядру.  В ряду s-, p-, d-, f-подуровней проникновении уменьшается и поэтому в данном слое сильнее всего с ядром связаны s-электроны, затем p-электроны и т.д. Различие в энергии между ними растет с увеличением заряда ядра.На основании изучения спектров атомов и квантовомеханических расчетов установлена последовательность энергетических уровней в многоэлектронных атомах: 1s< 2s< 2p< 3s< 3p< 4s< 3d< 4p< 5s< 4d< 5p< 6s< 4f< 5d< 6p< 7s< 5f=6d< 7p Электронные конфигурации атомов – это распределение электронов по различным квантовым состояниям. Принцип наименьшей энергии и запрет Паули – два фундаментальных условия составляют принцип построения электронных конфигураций атомов и молекул. Вы знаете, что каждый квантовый слой распадается на подуровни. Поэтому сколько электронов может быть в уровне n? 2n2: k(n=1) - 2; L(2) – 8; M(3) – 18; N(4) – 32; O(5) – 50. При заполнении орбитали необходимо соблюдать также правило Хунда, согласно которому для данной конфигурации с эквивалентными электронами основным будет состояние с максимальным числом неспаренных электронов. Энергия ионизации и сродство к электрону являются важнейшими характеристиками электронной конфигурации атома. Энергия ионизации (ЭИ) – это изменение энергии в процессе отрыва электрона от свободного атома при 0 К: А → А++ е. Отрыв электрона происходит с внешней заполненной атомной орбитали (ВЗАО), удаляясь на бесконечное расстояние. Эту энергию называют первой энергией ионизации. ЭИ1<ЭИ2<ЭИ3 и т.д.  Е – полная электронная энергия ионизации атома. ЭИ определяют спектроскопическим методом, основанном на определении предела схождения линий в атомных спектрах. Энергия ионизации служит мерой прочности связи электрона с атомным остовом в атоме. Их зависимость от номера элемента имеет ярко выраженный периодический характер. Сродство к электрону (СЭ) – изменение энергии в процессе присоединения электрона к свободному атому с образованием отрицательного иона при 0 К: А+ е→ А-. При этом электрон занимает низшую свободную АО (НСАО), если ВЗАО занята двумя электронами. Если ВЗАО вырождена и занята не полностью, присоединяемый электрон занимает ее с соблюдением правила Хунда. Для большинства атомов присоединение электрона экзотермический процесс. Наиболее высоким по абсолютной величине сродством к электрону обладают атомы галогенов в последовательности Cl>F>Br>I. Аномалия СЭ(Cl)>СЭ(F) очень сильное отталкивание электронов в небольшом объеме атома F. ЭИ и СЭ атомов и молекул отражают, как правило, в электрон-вольтах (1эВ = 1,60219·10-19 Дж = 1,60219·10-12 эрг). Для 1 моль частиц с энергией 1 эВ общая энергия равна 9,648·104 Дж/моль. Методические рекомендации: Необходимо обратить внимание на важнейшие характеристики атомов, которые позволяют в доступной мере понять периодический закон, а также свойства химических элементов. Акцентируйте внимание на уравнение Шредингера. Для усвоения материала лекции необходимо обратить внимание на важность порядка заполнения электронных уровней. Вопросы и задания по лекции: Перечислите общие современные проблемы химии. Опишите состояние электрона 3р1 с помощью четырех квантовых чисел. Что такое энергия ионизации? Как ее определяют? Какие атомы обладают наиболее высоким по абсолютной величине сродством к электрону? Каков физический смысл квадрата волновой функции электрона? |