М 3. Тема 1.Теория. Строение атома и П.С. Д.И.Менделеева.. Строение вещества
 Скачать 157.75 Kb.
|
     СТРОЕНИЕ ВЕЩЕСТВАСтроение вещества учение о том, какие силы определяют его состав и структуру. В случае химии состав и структура определяются на уровне атомов и молекул, а действующие между ними силы определяются взаимодействием заряженных элементарных частиц электронов и протонов. При изучении строения вещества принята естественная последовательность: сначала изучают строение атомов, а затем строение состоящих из них молекул и немолекулярных веществ, то есть химическую связь между атомами.
в атоме. Квантовые числа До конца ХIХ века полагали, что атом – неделимая и неизменяющаяся частица. Открытие радиоактивности урана и некоторых других элементов (А. Беккерель, 1896 г.) и объяснение её расщеплением ядер атомов (Э. Резерфорд, Ф. Содди, 1903 г.), а также открытие электрона, как составной части атома (Дж. Стоней, 1881 г; Дж. Томсон, 1897 г.), доказали сложное строение атома. Было экспериментально доказано (Э. Резерфорд, 1911 г.), что атом состоит из положительно заряженного тяжелого ядра, имеющего размеры порядка 10-6 нм и легкой оболочки из отрицательно заряженных электронов, имеющей размеры порядка 10-1 нм (т.е. в 100000 раз больше, чем ядро); масса ядра примерно в 2000 раз больше массы электронов, а заряды ядра и электронной оболочки равны между собой. Ядро атома, в свою очередь, состоит из положительно заряженных частиц протонов (p) и незаряженных частиц нейтронов (n), имеющих примерно одинаковые массы (табл. 2.1). При этом абсолютные величины зарядов частиц принято выражать в единицах заряда электрона 1,602·1019Кл = 1 ед. заряда. Таблица 2.1 Свойства элементарных частиц
Природа элемента, его основные химические свойства определяются числом протонов в ядре, равным его заряду Z. Атомы, имеющие одинаковый заряд ядра (или число протонов в ядре), относятся к одному и тому же элементу. Атомы одного и того же элемента, имеющие одинаковый заряд ядра, но различное число нейтронов в ядре (N), называются изотопами. Например, изотопами элемента кальция являются 4020Ca (20p + 20n), 4220Ca (20p+22n) и 4320Ca (20p+23 n). Обратите внимание: состав ядра изотопа указывается цифрами перед символом элемента. При этом верхний индекс обозначает общее число протонов и нейтронов (нуклонов). Сумму протонов (Z) и нейтронов (N), содержащихся в ядре атома, называют массовым числом (А). Нижний индекс обозначает число протонов (Z), а разность между ними равна числу нейтронов N = A Z. Сумма масс протонов и нейтронов атомного ядра всегда несколько больше, чем масса ядра. Например, масса ядра изотопа 42He, содержащего два протона и два нейтрона, составляет 4,001506 а.е.м., а сумма масс этих четырех нуклонов равна 4,031882. Разница (дефект массы) составляет 0,030376 а.е.м. Дефект массы определяет устойчивость атомных ядер и энергию связи нуклонов в ядре. Он соответствует энергии, которая выделяется при образовании ядра из протонов и нейтронов и может быть рассчитана по уравнению Эйнштейна: E = mc2, где m масса (кг), c скорость света (3·10 м.с1 ). Так как 1 а.е.м. = 1,6605655·1027 кг, то легко подсчитать, что при образовании ядра атома гелия выделяется огромное количество энергии (28,2 МэВ 2,8.109 кДж/моль ядер), что в миллионы раз больше, чем при образовании химической связи. В настоящее время для всех элементов известны изотопы: всего около 300 устойчивых и более 1400 неустойчивых (радиоактивных). Определяют их по массам (масс-спектрометрия), а радиоактивные – по спектрам излучения. Исследования, проведенные в конце ХIХ века и начале ХХ, показали неприменимость законов классической физики для описания поведения микрообъектов. На основе этих исследований была создана новая наука квантовая (волновая) механика, в основе которой лежат представления о квантовании энергии и двойственной (корпускулярно-волновой) природе микрочастиц. 1.2. Экспериментальные предпосылки квантовой теории строения атома Химические свойства атомов определяются их электронными оболочками, поэтому химикам необходимо знать строение этих оболочек; это, в свою очередь, означает необходимость описания состояния электронов в атоме. В основе квантовой теории электронного строения атома лежат рассматриваемые ниже экспериментальные данные. 1. Спектры атомов. Атомный спектр является важнейшей характеристикой атома и отражает его внутреннее строение. Планетарная модель Резерфорда противоречила факту устойчивого существования атомов. В результате ускоренного движения электрона расходуется энергия его электростатического взаимодействия с ядром и, согласно расчетам, через 108 с электрон должен упасть на ядро. Согласно модели Резерфорда, энергия атома должна уменьшаться непрерывно за счет излучения, образующего сплошной спектр. Однако экспериментально установлено, что все атомные спектры имеют линейчатый (дискретный) характер. Атомные спектры многих элементов имеют очень сложную структуру. Например, спектр атома железа насчитывает свыше 5 тысяч линий. Наиболее простой спектр у атома водорода. В видимой области спектра атома водорода имеется только 4 линии. В прилегающей к видимой УФ-области имеется еще ряд линий, которые с первыми четырьмя объединяются в серию Бальмера, который обнаружил (1885 г.), что волновые числа (частоты = 1/) линий этой серии очень точно выражаются следующей закономерностью:  где R = 109678 cм1 константа Ридберга, n – целое число >2. Из этого следует, что атом может находиться в нескольких (многих) энергетических состояниях, но они не непрерывны, а прерывисты, то есть квантованы. Переход из одного состояния в другое происходит скачком. При этом излучается или поглощается электромагнитное излучение определенной частоты и длины волны. 2. Открытие электронов. Из электрохимических исследований, проведенных в первой половине 19-го столетия, стало очевидно, что атомы могут нести положительный или отрицательный заряд, поскольку они выделяются на катоде или аноде при электролизе. В 1870 году Стони пытался определить величину единичного заряда, связанного с одним одновалентным атомом и названного им электроном. Заряд и масса электрона были определены позже Р. Малликеном (1909 г.): заряд qe =1,602.10 19 Кл; а масса покоя электрона m = 9,11.1031 кг. 3. Открытие ядра атома. В опытах по рассеянию -частиц (Не2+) Э. Резерфордом было показано, что почти вся масса атома сосредоточена в очень малом объеме – положительно заряженном ядре. Согласно модели Резерфорда, вокруг ядра на относительно большом расстоянии непрерывно движутся электроны, причем их число таково, что в целом атом электрически нейтрален. Диаметр ядра примерно в 105 раз меньше атома, а масса одного протона примерно в 2000 раз больше массы электрона. 4. Открытие радиоактивности. Было показано, что атомы не являются неделимыми, в результате радиоактивного распада одни атомы могут превращаться в другие с выделением энергии. 1.3. Квантовый характер света Для объяснения особенностей спектров излучения нагретых тел немецким ученым М. Планком в 1900 г. была предложена теория, основанная на предположении, что энергия не излучается атомами непрерывно, а испускается отдельными мельчайшими неделимыми порциями – квантами, величина которых зависит от частоты излучаемого света. Энергия кванта (Е) пропорциональна частоте излучения (колебания) : Е = h, где Е – энергия кванта (Дж); частота, с-1; длина волны излучения (см); h = 6,626.1034 (Дж.с) – постоянная Планка (мера дискретности). Постоянная Планка – одна из фундаментальных постоянных, она входит во все квантово-механические соотношения. Согласно уравнению Планка энергия частицы может меняться на величины, кратные h. Излучая квант света, атом переходит из одного энергетического состояния в другое. Таким образом, происхождение линейчатых спектров можно объяснить как результат перехода электронов в атоме между дискретными состояниями, обладающими дискретными значениями энергии. Построенная на этих представлениях модель атома водорода по Бору позволила рассчитать его спектр, при этом результаты хорошо совпали с экспериментальными данными. Однако, она оказалась непригодной для объяснения строения сложных атомов, начиная с гелия. Даже для атома водорода она не объясняет тонкую структуру линейчатого спектра этого элемента. 1.4. Корпускулярно-волновые свойства микрообъектов В попытках объяснить линейчатые спектры атомов и спектр излучения абсолютно черного тела ученые пришли к выводу о двойственной природе элементарных частиц они являются частицами материи (корпускулами) и одновременно им соответствует длина волны, которая характеризует их движение. Испускание, распространение и поглощение электромагнитного излучения было истолковано как волновое движение особых частиц – фотонов, которые не имеют массы покоя и движутся со скоростью с = 3·108 м·с1; энергия фотонов E = h определяется через частоту колебаний электрического поля в световой волне длины  и постоянную Планка h, которая представляет собой элементарный импульс движения.С другой стороны, микрочастицы обладают не только корпускулярными (m0 0, определенные координаты x,y,z), но и волновыми свойствами (дифракция и интерференция).Эту ситуацию в 1924 г. Л. де Бройль (Франция) теоретически описал так: движущаяся частица имеет длину волны  ,где m масса, v скорость частицы. В дальнейшем В. Гейзенберг (Германия) истолковал взаимосвязь волновых и корпускулярных свойств элементарных частиц в виде соотношения неопределенностей. Согласно этому принципу невозможно в данный момент времени точно определить местонахождение частицы и ее импульс Р = m:  ,Это уравнение связано с соотношением Де Бройля: координата частицы неопределенна в пределах длины волны (Х = ); неопределенность импульса (  не может быть меньше, чем постоянная Планка, а произведение неопределенностей координаты и импульса всегда больше элементарного импульса, равного  .В 1927 г. были обнаружены у электронов как волновые, так и корпускулярные свойства. Было открыто явление дифракции электронов: при прохождении пучка электронов через дифракционную решетку на фотопленке наблюдается такая же дифракционная картина, как при прохождении излучения с длиной волны , рассчитанной по уравнению де Бройля. Возникла необходимость изменить представление об электроне как о микроскопической заряженной частице, подчиняющейся тем же законам, каким подчиняются макроскопические тела. Возникла необходимость разработки новой теории, применимой к микрочастицам. 1.5. Волновая теория строения атома Основные положения Современная теория строения атома была впервые предложена австрийским физиком Э. Шредингером (1925–1926), который объединил в едином волновом уравнении описание движения электрона как частицы с его описанием в виде волны. Уравнение Шредингера – фундаментальное уравнение квантовой механики. Оно описывает движение электронов в атоме с учетом их двойственной природы:  ,где h – постоянная Планка; m – масса электрона; Е – его полная энергия; U – потенциальная энергия, x, y, z – координаты; ψ – волновая функция электрона – амплитуда его волнового движения в трёхмерном пространстве. При решении уравнения Шредингера находят энергию электрона и его волновую функцию ψ. Точное решение уравнения получается для атома водорода или водородоподобных ионов, а для многоэлектронных систем используются различные приближения. Квадрат волновой функции ψ2 определяет вероятность обнаружения электрона на том или ином расстоянии от ядра атома. Согласно принципу Гейзенберга невозможно одновременно определить положение частицы в пространстве и её импульс. Следовательно, нельзя рассчитать траекторию движения электрона в поле ядра, можно лишь оценить вероятность его нахождения в атоме с помощью волновой функции ψ, которая заменяет классическое понятие траектории. Волновая функция ψ характеризует амплитуду волны в зависимости от координат электрона, а ее квадрат ψ2 определяет вероятность нахождения электрона в определенной точке пространства. В связи с новыми представлениями о движении электров в атомах в квантовой механике появляется новое понятие – атомная орбиталь. Атомная орбиталь (АО) – область атомного пространства, в которой движется электрон. Форму АО характеризуют линиями и поверхностями с одинаковым значением ψ2, которую называют плотностью электронного облака. Таким образом, атомной орбитали соответствует волновая функция ψ. Атомная орбиталь характеризуется энергией, формой и направлением в пространстве. Все эти характеристики квантованы (изменяются скачками), они описываются с помощью квантовых чисел. 1.6. Квантовые числа Состояние электрона в атоме описывают четыре квантовых числа, которые характеризуют энергию электрона, форму электронного облака, его ориентацию в пространстве и его спин. При переходе атома из одного состояния в другое происходит перестройка электронного облака, то есть изменяются значения квантовых чисел, что сопровождается поглощением или испусканием атомом квантов энергии. Главное квантовое число (n) характеризует энергию электрона на данном энергетическом уровне, определяет размеры атомной орбитали, используется как номер энергетического уровня Главное квантовое число имеет значения от 1 до (n = 1, 2, 3, 4... ). Иногда энергетические уровни обозначают буквами K, L, M, N.., которые соответствуют численным значениям 1, 2, 3, 4…. Чем меньше n, тем больше энергия взаимодействия электрона с ядром. При n = 1 атом водорода находится в основном состоянии, при n > 1 – в возбужденном.  |
)