1.Электронные оболочки атома. Атомные спектры.

Атомные спектры

Химические элементы при сильном нагревании излучают свет с определенной длиной волны.

Атомные спектры, оптические спектры, получаются при испускании или поглощении электромагнитного излучения свободными или слабо связанными атомами (например, в газах или парах).

В 1885 году Бальмер обнаружил, что длины волн линий водорода могут быть точно представлены формулой где .0 – константа, n – целое число, принимающее значения 3, 4, 5 и т.д.., R = 2,067068716 c-1 – постоянная Ридберга. Дальнейшие исследования показали, что в ультрафиолетовой части спектра находится серия Лаймана, в инфракрасной области - серии Пашена, Брэкета, Пфунда, Хэмфри.

Постулаты Бора

Для того, чтобы совместить линейчатость спектров излучения атомов и ядерную модель Резерфорда, Бор ввел два постулата:

1. Электрон может вращаться не по любым орбитам, а только по орбитам с определенным радиусам, отвечающим возможным значениям энергии атома. При вращении по таким орбитам электрон не излучает энергии и атом находится в стационарном состоянии.

2. Излучение или поглощение энергии атомом происходит только при переходе электрона с одной орбиты на другую. Энергия, выделяющаяся или поглощаемая при переходе электрона с одной орбиты на другую, равна разности между количеством энергии в начальном и конечном состояниях:

.E=E1- - E2 = h.,

где h = 6,626·1034 Дж·с – постоянная Планка

Строение электронных оболочек атома

Изучения спектров атомов позволило установить строение его электронных оболочек.

1. Энергетические уровни (орбиты, оболочки) обозначаются буквами: K, L, M, N… и соответствует номеру периода таблицы Менделеева (первое главное квантовое число, n )

2. Формы орбит электронов на одном и том же уровне различна (кроме К). Т.е. уровни разбиваются на подуровни: s, p, d, f, g, h, … (второе квантовое число, орбитальное - l).

3. В магнитном поле разные виды формы орбит электронов ориентируются по разному. Эта ориентация характеризуется магнитным квантовым числом (третье квантовое число – ml , l=1 ml =0; l=2 ml = -1; 0; +1).

4. Каждый электрон имеет внутренний момент количества движения (четвертое квантовое число, спиновое – s, может иметь только два значения - ±.).

Принцип Паули – каждый электрон в атоме имеет свой набор квантовых чисел.

Электронное строение атомов

Железо Fe 1s22s22p63s23p63d64s2

1. Нормальное состояние

2. Возбужденное состояние (выделяется энергия)

2. Виды связей между атомами и молекулами.

Все взаимодействия, приводящие к объединению химических частиц (атомов, молекул, ионов и т. п.) в вещества делятся на:

•химические связи и

•межмолекулярные связи (межмолекулярные взаимодействия).

Химическая связь - связь непосредственно между атомами.

Химическая связь образуется в результате перегруппировки валентных электронов:

1)передачи электронов от одного из атомов другому (ионная связь);

2)смещением электронов в направлении к одному из атомов с образованием общих электронных пар (ковалентная связь).

3)обобществления валентных электронов (металлическуая связь).

Межмолекулярные связи – связи между молекулами.

Виды межмолекулярной связи:

•водородная связь,

•ион-дипольная связь (за счет образования этой связи происходит, например, образование гидратной оболочки ионов),

•диполь-дипольная (за счет образования этой связи объединяются молекулы полярных веществ, например, в жидком ацетоне) и др.

Ионная связь

Ионная связь – химическая связь, образованная за счет электростатического притяжения разноименно заряженных ионов.

В бинарных соединениях (соединениях двух элементов) она образуется в случае, когда размеры связываемых атомов сильно отличаются друг от друга: одни атомы большие, другие маленькие - то есть одни атомы легко отдают электроны, а другие склонны их принимать:

Обычно это атомы элементов, образующих типичные металлы и атомы элементов, образующих типичные неметаллы.

Ионная связь свойственна большинству кристаллических веществ. В общем случае ионная связь является частным случаем ковалентной связи.

Ковалентная связь

Ковалентная связь – химическая связь, возникающая за счет образования общей пары электронов.

Ковалентная связь образуется между атомами с одинаковыми или близкими радиусами.

Необходимое условие – наличие неспаренных электронов у обоих связываемых атомов (обменный механизм) или неподеленной пары у одного атома и свободной орбитали у другого (донорно-акцепторный механизм):

Неполярная связь образуется между одинаковыми атомами.

Полярная – образуется между разными атомами.

Электроотрицательность – мера способности атома в веществе притягивать к себе общие электронные пары. Смещение электронных пар называется поляризацией связи.

Металлическая связь

Металлическая связь - химическая связь, образованная за счет обобществления валентных электронов всех связываемых атомов металлического кристалла.

Особенности атомов металлов:

•валентных электронов намного меньше, чем свободных орбиталей;

•внешние электроны слабо удерживаются.

"Обобществленные" электроны передвигаются в пространстве между катионами и удерживают их вместе.

Межатомные расстояния в металлах больше, чем в их соединениях с ковалентной связью. Металлическая связь существует в твердых кристаллах металлов, в их расплавах и в аморфном состоянии.

Образование химической связи

Хотя различают пять видов связи (ковалентная, ионная, металлическая, водородная и связь межмолекулярного взаимодействия), связь едина по своей природе, а различия между ее видами – относительны. Суть связи в кулоновском взаимодействии.

Существует два основных метода описания связи. Это методы валентных связей и молекулярных орбиталей. К образованию связи приводит взаимодействие пары электронов с

противоположными спинами. Это приводит к увеличению электронной плотности в области перекрывания электронных облаков и стягивание ядер.

Межмолекулярные взаимодействия

Существование веществ в различных агрегатных состояниях свидетельствует о том, что между частицами (атомами, ионами, молекулами) имеет место взаимодействие, обусловленное ван-дер-ваальсовыми силами притяжения.

Ван-дер-ваальсовы силы действуют без исключения между всеми атомами и молекулами.

Существует несколько объяснений природы ван-дер-ваальсовых сил, важнейшим из которых является электростатическое взаимодействие.

Атомы или молекулы в целом электронейтральны, но в вследствие орбитального движения электронов постоянно возникают мгновенные электрические дипольные моменты. Существуют молекулы, обладающие постоянным электрическим дипольным моментом. Это приводит к соответствующей ориентации молекул и, как следствие, возникновению межмолекулярного взаимодействия.

Водородная связь – форма ассоциации между электроотрицательным атомом и атомом водорода, связанным ковалентно с другим электроотрицательным атомом (например, N, O или F).