- •Лекции по общей химии Введение.
- •Основные законы химии.
- •Стехиометрические законы.
- •Газовые законы.
- •3. Уравнение состояния идеального газа (Клапейрона-Менделеева).
- •Строение атома
- •Квантово-механическая модель строения атома
- •Лекция 3. Периодический закон и электронные конфигурации атомов.
- •Радиусы атомов. Потенциал ионизации. Сродство к электрону. Электроотрицательность.
- •Лекции 2, 3 Химическая связь. Метод молекулярных орбиталей (ммо).
- •Рассмотрим молекулы нf и ВеН2, в которых имеет место образование несвязывающих мо. Сравнение методов мвс и ммо.
- •О валентности.
- •Металлическая связь.
- •Ионная связь.
- •Водородная связь.
- •Межмолекулярные взаимодействия.
- •Взаимосвязь между типом хс и свойствами веществ.
- •Стеклообразное состояние вещества.
- •Применение процессов возбуждения электронов для практических целей.
- •Основы химической термоднамики. Функции состояния.
- •Внутренняя энергия
- •Энтальпия.
- •Энтропия.
- •2 Закон (Начало)т/д: в изолированной системе самопроизвольно протекают только такие процессы, которые ведут к росту энтропии.
- •Энергия Гиббса.
- •Энергия Гельмгольца.
- •Кинетика химических реакций.
- •Зависимость скорости реакции от температуры.
- •Катализ.
- •Цепные реакции.
- •Химическое равновесие.
- •Растворы.
- •Свойства разбавленных растворов неэлектролитов (коллигативные свойства – независящие от природы вещества).
- •Осмос и осмотическое давление.
- •Диссоциация кислот, оснований, солей.
- •Протонная теория кислот и оснований Бренстеда и Лоури.
- •Произведение растворимости.
- •Особенности растворов сильных электролитов.
- •Ионные реакции в растворах электролитов.
- •Комплексные соединения.
- •Количественные характеристики процесса гидролиза.
- •Буферные растворы.
- •Окислительно-восстановительные реакции.
- •Окислительно-восстановительная двойственность.
- •Составление уравнений овр.
- •Окислительно-восстановительный (электродный) потенциал.
- •Окислительно-восстановительная способность двух форм электрохимической системы.
- •Эдс как количественная характеристика возможности протекания окислительно-восстановительного процесса.
- •Окислительно-восстановительная способность двух форм электрохимической системы.
- •Уравнение Нернста.
- •1.Взаимодействие металлов с водой.
- •2.Взаимодействие металлов с растворами щелочей.
- •3.Взаимодействие металлов с кислотами, в которых окислитель – катион водорода.
- •4.Взаимодействие металлов с концентрированной серной кислотой.
- •Взаимодействие концентрированной серной с неметаллами-восстановителями.
- •5.Взаимодействие металлов с азотной кислотой (разб. И конц.).
- •Взаимодействие азотной кислоты с неметаллами
- •Взаимодействие металлов с растворами солей.
- •Окислительно-восстановительные свойства воды.
- •Коррозия металлов
- •Газовая коррозия
- •Образование оксидной пленки на металлах
- •Атмосферная коррозия
- •Электрохимическая коррозия
- •Методы защиты от коррозии.
- •1. Модификация самого металла:
- •2.Отделение (предохранение) металла от окружающей среды с помощью защитных покрытий (неметаллических):
- •3.Металлические защитные покрытия.
- •4.Электорохимические методы защиты (суть – заставить разрушаться болванкам).
- •5.Специальная обработка электролита или среды, в которой находится металл (удаление или уменьшение концентрации веществ, вызывающих коррозию).
- •6.Химическая обработка для повышения коррозионной стойкости (пассивация поверхности металла) - то, что не использовалось в выше приведенных методах, часто в расплавах или при повышенных температурах.
- •Измерение э.Д.С. Химических источников тока.
- •Химические источники электрической энергии (хиээ)
- •Аккумуляторы.
- •Типы аккумуляторов
- •Свинцово-кислотные аккумуляторы.
- •Принцип действия
- •Устройство
- •Литий-ионные аккумуляторы.
- •Литиевые элементы различных электрохимических систем
- •Электролиз.
- •Законы электролиза м. Фарадея.
- •Практическое применение электролиза.
- •Электрофорез и электродиализ.
- •Металлы и сплавы.
- •Классификация металлов.
- •Основные методы получения металлов.
- •Получение металлов высокой чистоты.
- •Металлы и сплавы
3. Уравнение состояния идеального газа (Клапейрона-Менделеева).
PV = m/MRT, где R – универсальная газовая постоянная, равная 8.314 Дж/моль К. R – работу, которую совершает 1 моль газа при нагревании его на 10С. R = P0 V0 /T0. Это следует из объединенного газового закона: РV/Т = const. Отношение РV/Т для одного моля газа есть величина постоянная.
Этот закон – результат соединения в один закон трех законов: закона Авогадро, закона Бойля-Мариотта (при постоянной температуре объем данной массы газа обратно пропорционален его давлению: V = const/P (N,T – const) и закона Гей-Люссака-Шарля (при постоянном давлении объем данной массы газа прямо пропорционален абсолютной температуре: V = const T (N,P – const).
Строение атома
Представления об атомах были введены в Древней Греции за 400 лет до нашей эры Демокритом и Эпикуром, но носили чисто философский характер. Атомно-молекулярное учение разрабатывалось и совершенствовалось на основании изучения свойств газов и легколетучих веществ. Носителем таких свойств является молекула – наименьшая частица вещества, обладающая всеми его химическими свойствами. Атом – наименьшая частица элемента, носящая его химические свойства (время показало ограниченность этих определений). В 1908 году Джон Дальтон развил атомистическую теорию, которая на 1 Международном конгрессе в 1860 году была официально признана и справедлива до настоящего времени.
Все вещества состоят из атомов. Атомы – мельчайшие частицы вещества, неделимые химическим путем. Их нельзя превратить друг в друга ли уничтожить.
Атомы разных элементов различаются по массе. Совокупность одинаковых атомов образуют простое вещество, соответствующее определенному химическому элементу.
Атомы разных элементов взаимодействуют друг с другом в целочисленных отношениях с образованием более сложных частиц – молекул.
В конце 18, начале 19 века физики сделали ряд открытий, согласно которым атом перестал быть неделимой частицей. Росло число наблюдений и экспериментов, свидетельствующих о сложном строении атома. Какие это открытия?
В 1832 году М.Фарадей установил законы электролиза и тот факт, что электричество, как и вещество можно разложить на «атомы электричества». Эти кирпичики электричества были обнаружены в опытах английского физика В. Крукса, который открыл катодные лучи – поток частиц (впоследствии названных электронами), проходящий под действием разности потенциалов через вакуум от отрицательного электрода (катода) к положительному (аноду). Дж.Дж.Томпсон измерил соотношение между массой и зарядом электрона, а Р.С.Малликен измерил его массу и заряд и приписал ему знак (-). Масса электрона мала и составляет 1/1837 массы атома водорода. В химии принято выражать заряды ионов в единицах зарядов электронов с соответствующим знаком: Н+, Са2+, СО32-. (см таблицу). Кроме катодных лучей в трубке Крукса с полым катодом в противоположном электронам направлении распространялись положительно заряженные лучи. Масса частиц, из которых состояли эти лучи зависела от природы газа в трубке. Масса самой легкой из частиц была равна массе атома водорода. В 1920 году эта частица была названа протоном с зарядом, равным численно заряду электрона, но с противоположным знаком (+). Дальнейшая информация о строении атома связаны с открытием радиоативности. Было установлено, что излучение радия и других радиоактивных элементов по поведению в электрическом и магнитном полях может быть разделено на три составляющие:
- альфа ( поток положительно заряженных частей атомов гелия Не2+ с массой 4а.е.м. и зарядом +2;
- бета-лучи (поток электронов);
- гамма-лучи, идентичные рентгеновским лучам.
С точки зрения современной науки было установлено, что атом – это сложная микросистема, находящихся в движении элементарных (фундаментальных) частиц.
В настоящее время нас, как химиков интересует только три частицы: электрон, протон и нейтрон. Известно в настоящее время уже более 300 частиц, из которых истинно элементарными, т. е. неделимыми являются электрон, кварк и лептон. Существует 18 типов кварков (по 3 кварка, которые удерживаются сильным взаимодействием, обусловленным самыми загадочными частицами – глюонами, которые трудно себе представить с точки зрения человеческого восприятия). Элементарные частицы имеют точечный заряд, (например, электрон, фотон), фундаментальные частицы – это частицы, имеющие конечные размеры (протон и нейтрон) -10-6 нм (1нм = 10-9м).
Первая модель строения атома, на основе новейших достижений была представлена Джозефом Джоном Томпсоном – «модель сливового пудинга»: атом – сфера положительного электричества одинаковой плотности размером 1А (10-8см), в которой свободно плавают электроны, нейтрализуя положительный заряд.
Но опыты Эрнеста Резерфорда доказали несостоятельность этой модели атома. Обстреливая тонкую золотую фольгу (толщина порядка 1000 атомов) сфокусированным пучком альфа-частиц, Резерфорд обнаружил, что лишь одна из 100000(ста тысяч) альфа-частиц резко (более, чем на 90%) отклонялись от своего первоначального направления. На этом основании был сделан вывод, что основная масса атома сосредоточена в очень малой части его объема; эта часть атома была названа ядром.
Планетарная модель атома (1906-1911гг.) Э.Резерфорда. Электроны с большой скоростью движутся по круговым орбитам вокруг ядра, подобно планетам по отношению к Солнцу, причем кулоновская сила притяжения между отдельным электроном и ядром точно компенсируется центробежной силой отталкивания: Ze2/r2 = mv2/r, где Z – заряд ядра; е – заряд электрона; m и v – его масса и скорость. Однако с точки зрения классической механики электрон, движущийся по круговой орбите, с радиусом порядка 10-8см , должен излучать электромагнитные волны, теряя энергию. В результате такой атом не мог бы существовать более 10-8сек. Кроме того, модель Резерфорда не объясняла линейчатые спектры атомов.
Более совершенная модель атома была предложена датским физиком Нильсом Бором в 1913 году (лауреат Нобелевской премии 1922г.). Бор опирался на идею Макса Планка о квантовании энергии. Планк установил, что, хотя свет, испускаемый раскаленным телом, кажется сплошным. Световая энергия (Е) поглощается или испускается раскаленными телами отдельными порциями – квантами, пропорциональными частоте ( = c/) светового электромагнитного колебания Е = h, где - длина волны, h = 6,625х10-34Дж/с – коэффициент пропорциональности, названный постоянная Планка и характеризующая размерность энергии в микромире. Таким образом, в науку было введено понятие кванта света, или некоторого светового пакета – фотона – неделимой материальной частицы (по определению Эйнштейна в исследовании фотоэффекта – испускании металлами электронов при облучении их УФ), отражающее не только волновую, но и корпускулярную природу света (частица и волна). Бор объяснил противоречия в модели Резерфорда, предложив два постулата, которые легли в основу его модели строения атома.
Из бесконечного числа орбит, возможных с точки зрения классической механики, допустимы лишь определенные, дискретные орбиты, по которым электрон движется, не излучая. Было введено понятие квантового числа – положительного числа n = 1,2,3,4… Если электрон располагается на ближайшей к ядру орбите, то атом обладает минимальной энергией, и такое состояние атома называется основным. Квантовое число изменяется дискретно или квантовано: n = 1,2,3,4… до бесконечности; характеризует орбиту электрона и энергию электрона на энергеическом уровне: Е1, Е2, Е3… Орбиты устойчивы при условии равенства момента количества движения М целому n, кратному постоянной Планка:
М = n(h /2)
h = h /2 - постоянная Дирака; по своему физическому смыслу это квант действия – та основная мера, которой измеряются все основные величины в микромире.
Атом излучает и поглощает энергию при переходе с одной орбиты на другую, при этом испускается или поглощается квант света, частота которого определяется уравнением: Еn- Еm = h. Если m< n, то происходит переход атома из стационарного состояния с более высокой энергией на орбиту с меньшей энергией с выделением кванта лучистой энергии. При m> n наблюдается обратная картина с поглощением кванта света. В основном состоянии атомы могут только поглощать кванты света, переходя в возбужденное состояние. Возбужденный же атом может как поглощать, так испускать фотоны (рис.). Каждому такому переходу соответствует своя частота .
Бор рассчитал скорость движения электрона в атоме водорода, энергию электрона и радиусы разрешенных орбит электрона в атоме. Важнейшей заслугой Бора явилось количественное обоснование экспериментального линейчатого спектра атома водорода.
Один из методов спектрального анализа основан на испускании света раскаленным образцом, который регистрируется специальными приборами - спектрометрами. Для получения спектров атома водорода пучок непрерывного излучения (белый свет) пропускают через раскаленный газообразный образец (водород). В пропущенном через образец пучке недостает излучения с определенными длинами волн . На фотопленке, длины волн или частоты ( = c/) поглощенного излучения обнаруживаются по темным линиям на фоне непрерывного спектра. Серии линий обнаружены в спектре атома водорода
- в УФ области спектра (= 10-400нм) – серия Лаймена, соответствующая возвращению возбужденного электрона с высших энергетических уровне в основное состояние с квантовым число n = 1;
- в видимой области спектра (= 400-700нм) – серия Бальмера, соответствующая возвращению электрона с различных высоко расположенных энергетических уровней в первое возбужденное состояние с n = 2;
- в ИК- области (= 700 – 106 нм) – серия Пашена, соответствующая возвращению электрона на уровень с n = 3.
Если атом получит большую энергию, то электрон оторвется от атома и превратиться в положительно заряженный ион Н+.
Произведем расчеты скорости движения электрона в атоме водорода, энергию электрона и радиуса разрешенных орбит электрона в атоме. Атом водорода 1Н состоит из ядра с одним протоном и одного электрона на орбите с n = 1. Существуют еще изотопы водорода –дейтерий 2Н и тритий 3Н, в ядре которых соответственно присутствуют один (у дейтерия) и два (у трития) нейтрона. О них речь не идет.
В состоянии с наименьшей энергией, так называемом основном состоянии, n = 1, r 0 = 0, 053нм. Соответственно энергия основного состояния атома водорода равна -13,6 эВ. Такое количество энергии выделится (поэтому знак минус) при образовании атома водорода из протона и электрона, находящихся в бесконечном удалении друг от друга.
Из условия Еm- Еn = h, выразим :
Коэффициент перед скобками есть теоретическое выражение константы Ридберга R для описания линий спектра водорода в видимой области (серия Бальмера).
R =
Рассчитанная по формуле константа в этом уравнении хорошо совпадала с опытной величиной константы Ридберга, что явилось триумфом теории Бора.
Атом
ядро (+Z) электронная оболочка(-Z)
Nр = Nе = Z –заряд ядра
протоны нейтроны mат = mяд = mр = mn
1p 1n
А (а.е.м.) = Nр + Nn = Z + Nn Nnор = Z
В таблице Менделеева атомные массы – дробные числа, т.к. А – это средние значения атомных масс всех известных изотопов данного элемента. Изотопы (нуклиды) - это атомы с одинаковым числом протонов, но разным количеством нейтронов: 40Са, 42Са, 43Са.
Атомный номер – фундаментальное свойство атома – это число протонов. Физический смысл атомного номера элемента раскрыл Генри Мозли (1913г.). Он открыл закон, проводя эксперимент – бомбардировал металлы катодными лучами, и они испускали рентгеновское излучение. Закон Мозли: квадратный корень частоты характеристического рентгеновского излучения прямо пропорционален некоторому числу Z, которое совпадало примерно с половиной значения атомной массы. Тесная связь между рентгеновскими спектрами и порядковыми номерами указывала на то, что порядковый номер не просто регистрирует положение элемента в ПС, а имеет определенный физический смысл. Г. Мозли предсказал также существование трех элементов: технеция, прометия и рения. Вывод о том, что заряд ядра численно равен порядковому номеру элемента был подтвержден в 1920 году английским физиком Чэдвиком путем измерения зарядов ядер атомов меди, серебра и платины.