1 коллоквиум / khimia

H−H (связь между двумя атомами водорода)

Химическая связь образуется за счет притяжения ядер атомов к паре электронов (обозначаются точками ••), которую в электронных формулах сложных частиц (молекул, сложных ионов) изображают валентной чертой −, в отличие от собственных, неподеленных пар электронов каждого атома, например:

С увеличением количества электронов в атомах, происходящее при увеличении заряда ядер, (количество электронов в атомах равно количеству протонов в ядре) приводит к тому, что количество электронов в верхнем слое атомов при линейном росте заряда ядер меняется периодически. Увеличение заряда ядра атома на единицу протона с одновременным присоединением к нему электрона во внешний электронный слой происходит с выигрышем энергии. Приближение нового электрона к ядру атома дает выигрыш в энергии, но одновременно энергия расходуется на приближение этого электрона к электронам, находящимся в атоме, прежде всего к электронам внешнего слоя. Наибольший выигрыш в энергии происходит при вхождении нового электрона в существующий внешний слой атома.

13) Поскольку у электрона есть заряд, и поскольку он «вращается по оси», он создает небольшое магнитное поле. Так работает любой электромагнит.

Ядро состоит из протонов   определяющих его заряд (Z), и нейтронов   эти частицы называются нуклонами и в сумме Z + N = A определяют массовое число. Атомы с одинаковым Z называют изотопами.Электрон  и протон стабильны, их время жизни неограничено, время жизни свободного нейтрона ограничено 1∙ секундами. Электрон и протон имеют соответствующие античастицы – позитрон и антипротон  с временами жизни менее  с (в условиях Земли). Кроме этих частиц отметим еще одну элементарную частицу – фотон (γ), не имеющую массы покоя и с бесконечным временем жизни. Атомные ядра способны испускать еще более 25 элементарных частиц, но мы ограничимся этими пятью.

Некоторые частицы, вроде электронов, позитронов и кварков (протоны и нейтроны состоят из кварков, также фундаментальных частиц Стандартной модели), обладают спином ½. Они известны как «фермионы». Другие, фотоны, глюоны, а также W- и Z-частицы, обладают спином 1. Они известны как «бозоны». Очевидно, фермионы и бозоны ведут себя по-разному.

Масса элементарной частицы зависит от электромагнитных полей, в которых она находится, а не только от величины ее скорости движения

14) Линейчатые спектры атомов, содержащих более одного электрона, имеют, вообще говоря, значительно более сложную структуру, чем спектр водорода. Относительно более простыми являются линейчатые спектры атомов так называемых щелочных металлов ( Li, Na, К, Rb, Zs), находящихся в первой группе менделеевской системы. Атомы этих элементов имеют, один внешний электрон и заполненные внутренние электронные оболочки.

Изучая рассеяние альфа-частиц при прохождении через золотую фольгу, Резерфорд пришел к выводу, что весь положительный заряд атомов сосредоточен в их центре в очень массивном и компактном ядре. А отрицательно заряженные частицы (электроны) обращаются вокруг этого ядра. Эта модель коренным образом отличалась от широко распространенной в то время модели атома Томсона, в которой положительный заряд равномерно заполнял весь объем атома, а электроны были вкраплены в него. Несколько позже модель Резерфорда получила название планетарной модели атома (она действительно похожа на Солнечную систему: тяжелое ядро - Солнце, а обращающиеся вокруг него электроны - планеты).

В 1912 г. Э.Резерфорд и его сотрудники поставили опыт по рассеянию альфа-частиц в веществе.

Альфа-частицы испускались источником, помещенным внутри свинцовой полости. Все альфа-частицы, кроме движущихся вдоль канала, поглощались свинцом. Узкий пучок альфа-частиц попадал на фольгу из золота перпендикулярно к ее поверхности; альфа-частицы, прошедшие сквозь фольгу и рассеянные ею, вызывали вспышки (сцинтилляции) на экране, покрытым веществом, способным светиться при попадании частиц. В пространстве между фольгой и экраном обеспечивается достаточный вакуум, чтобы не происходило рассеяние альфа-частиц в воздухе. Конструкция прибора позволила наблюдать альфа-частицы, рассеянные под углом до 150 градусов.

15) I постулат - постулат стационарных состояний: в атоме существуют стационарные квантовые состояния, не изменяющиеся с течением времени без внешнего воздействия на атом. В этих состояниях атом не излучает электромагнитных волн, хотя и движется с ускорением. Каждому стационарному состоянию атома соответствует определенная энергия атома. Стационарным состояниям соответствуют стационарные орбиты, по которым движутся электроны.

II постулат - правило частот: При переходе атома из одного стационарного состояния в другое излучается или поглощается 1 фотон.

Метод валентных связей основывается на положении, что каждая пара атомов в химической частице удерживается вместе при помощи одной или нескольких электронных пар. Эти пары электронов принадлежат двум связываемым атомам и локализованы в пространстве между ними. За счет притяжения ядер связываемых атомов к этим электронам и возникает химическая связь.

Ковалентную химическую связь образуют два электрона с противоположными спинами, принадлежащие двум атомам. Например, при сближении двух атомов водорода происходит частичное перекрывание их электронных орбиталей и образуется общая пара электронов

При образовании ковалентной химической связи происходит перекрывание волновых функций электронов (электронных орбиталей), при этом связь будет тем прочнее, чем больше это перекрывание.

Ковалентная химическая связь располагается в том направлении, в котором возможность перекрывания волновых функций электронов, образующих связь будет наибольшей.

Валентность (от лат. valentia – сила), способность атома присоединять или замещать определенное число других атомов или атомных групп с образованием химической связи. Валентность элемента может быть определена и по другим атомам с известной валентностью. Валентность атома в нормальном (невозбужденном) состоянии определяется: числом неспаренных электронов, участвующих в образовании общих электронных пар с электронами других атомов.

Хим. Элемент - вид атомов, обладающих одинаковым зарядом ядра. X. э. в свободном состоянии являются простыми (не разложимыми хим. методами на более простые) в-вами.

Молекула - наименьшая частица вещества, обладающая его химическими свойствами.

Кроме электронейтральных атомов и молекул, существуют одно или многоатомные заряженные частицы, называемые ионами. Положительные ионы называют катионами (отрицательные – анионами.

Ио́н -одноатомная или многоатомная электрически заряженная частица вещества, образующаяся в результате потери или присоединения атомом в составе молекулы одного или нескольких электронов. Ионизация (процесс образования ионов) может происходить при высоких температурах, под воздействием электрического поля, ионизирующего излучения, сжатия тела и т. п. Катионы и анионы способны притягиваться друг к другу. При этом возникает химическая связь, и образуются химические соединения. Такой тип химической связи называется ионной связью: Ионная связь - это химическая связь, образованная за счет электростатического притяжения между катионами и анионами.

16) Моле́кула водоро́да — простейшая молекула, состоящая из двух атомов водорода. В её состав входят два ядра атомов водорода и два электрона. Вследствие взаимодействия между электронами и ядрами образуется ковалентная химическая связь. Кроме основной изотопной модификации H2, существуют разновидности, в которых один или оба атома протия заменены другими изотопами водорода — дейтерием или тритием: HD, HT, D2, DT, T2. Симметричность или несимметричность молекулы имеет значение при её вращении.

Исходя из принципа тождественности частиц и учитывая то, что электроны являются фермионами, волновая функция молекулы водорода должна быть антисимметричной относительно перестановки электронов. Независимость гамильтониана от спиновых переменных позволяет выбрать её в виде произведения двух функций, одна из которых зависит только от координат и называется координатной волновой функцией, а вторая зависит только от спинов и называется спиновой функцией.

Существуют два возможных типа спиновых функций для двух электронов: с параллельными спинами и с антипараллельными спинами. Функции с параллельными спинами симметричны относительно перестановки электронов и образуют триплетные состояния, в которых суммарный спин равен единице. Функции с антипараллельными спинами образуют синглетные состояния с нулевым суммарным спином. Они антисимметричны относительно перестановки электронов.

Поскольку волновая функция электрона должна быть антисимметричной относительно перестановки, она может быть произведением либо симметричной координатной функции на антисимметричную спиновую функцию, либо антисимметричной координатной функции на симметричную спиновую функцию.

Симметричную и антисимметричную координатные функции основного состояния в нулевом приближении теории возмущений можно построить исходя из волновых функций основного состояния атома водорода

17) Кристаллические решётки веществ- это упорядоченное расположение частиц(атомов, молекул, ионов) в строго определённых точках пространства. Точки размещения частиц называют узлами кристаллической решётки.

В зависимости от типа частиц, расположенных в узлах кристаллической решётки, и характера связи между ними различают 4 типа кристаллических решёток: ионные, атомные, молекулярные, металлические. Рассмотрим каждую из решёток в отдельности и поподробней.

Ионными называют кристаллические решетки, в узлах которых находятся ионы. Их образуют вещества с ионной связью. Ионные кристаллические решётки имеют соли, некоторые оксиды и гидроксиды металлов.

Связи между ионами в кристалле очень прочные и устойчивые. Поэтому вещества с ионной решёткой обладают высокой твёрдостью и прочностью, тугоплавки и нелетучи.

Атомными называют кристаллические решётки, в узлах которых находятся отдельные атомы, которые соединены очень прочными ковалентными связями. Ниже показана кристаллическая решётка алмаза.

В природе встречается немного веществ с атомной кристаллической решёткой. К ним относятся бор, кремний, германий, кварц, алмаз. Вещества с АКР имеют высокие температуры плавления, обладают повышенной твёрдостью. Алмаз-самый твёрдый природный материал.

Молекулярными называют кристаллические решётки, в узлах которых располагаются молекулы. Химические связи в них ковалентные, как полярные, так и неполярные. Связи в молекулах прочные, но между молекулами связи не прочные.

Металлическими называют решётки, в узлах которых находятся атомы и ионы металла.

Для металлов характерны физические свойства: пластичность, ковкость, металлический блеск, высокая электро- и теплопроводность

Для ионных типов кристаллических решеток типа А и В возникают осложнения обусловленные необходимостью учета наряду с силами притяжения так и сил отталкивания со стороны одноименно заряженных частиц. Ионные кристаллы NaCl неполярны, хотя каждая молекула Na и Cl обладает постоянным электрическим моментом. Это связано с тем,что в кристалле молекулы уложены антипараллельны, суммарный момент элементарной ячейки равен нулю, а молекулы не могут переориентироваться как диполь.

18) Постоянная Ридберга- величина, введенная им, входящая в уравнение для уровней энергии и спектральных линий. Постоянная Ридберга обозначается как R.

Если считать массу ядра атома бесконечно большой по сравнению с массой электрона( т.е. считать что ядро неподвижно), то постоянная Ридберга будет считаться в Гц как:

19) Простейший из атомов, атом водорода явился своеобразным тест-объектом для теории Бора. Ко времени создания теории он был хорошо изучен экспериментально. Было известно, что он содержит единственный электрон. Ядром атома является протон – положительно заряженная частица, заряд которой равен по модулю заряду электрона, а масса в 1836 раз превышает массу электрона. Еще в начале XIX века были открыты дискретные спектральные линии в видимой области излучения атома водорода (так называемый линейчатый спектр). Впоследствии закономерности, которым подчиняются длины волн (или частоты) линейчатого спектра, были хорошо изучены количественно (И. Бальмер, 1885 г.). Совокупность спектральных линий атома водорода в видимой части спектра была названа серией Бальмера. Позже аналогичные серии спектральных линий были обнаружены в ультрафиолетовой и инфракрасной частях спектра. В 1890 году И. Ридберг получил эмпирическую формулу для частот спектральных линий

Серия Лаймана. Открыта Т. Лайманом в 1906 году. Все линии серии находятся в ультрафиолетовом диапазоне. Серия соответствует формуле Ридберга при n′ = 1 и n = 2,3. Основная статья: Серия Бальмера. Открыта И. Я. Бальмером в 1885 году. Первые четыре линии серии находятся в видимом диапазоне и были известны задолго до Бальмера, который предложил эмпирическую формулу для их длин волн и на её основе предсказал существование других линий этой серии в ультрафиолетовой области. Серия соответствует формуле Ридберга при n′ = 2 и n = 3, 4, 5.

Серия Пашена. Предсказана Ритцем в 1908 году на основе комбинационного принципа. Открыта Ф. Пашеном в том же году. Все линии серии находятся в инфракрасном диапазоне. Серия соответствует формуле Ридберга при n′ = 3 и n = 4, 5, 6.

Классический вариант принципа неопределенности : поток элементарных частиц пропускают через тонкую пластину, на которой расположены две очень узкие вертикальные щели. При этом на экране, установленном за пластиной, возникает интерференционная картина из чередующихся темных и светлых полос. Интерференция имеет волновое объяснение: элементарные частицы обладают также волновой природой, и когда складываются волны, находящиеся в фазе, возникают светлые полосы, а когда в противофазе - темные.

Интерференция в описанном эксперименте наблюдается и в том случае, когда интенсивность потока элементарных частиц настолько мала, что они проходят сквозь пластину по одной. Согласно так называемой Копенгагенской интерпретации квантовой механики, это явление объясняется тем, что электрон (или фотон) одновременно проходит сквозь обе щели и интерферирует сам с собой. Определить, сквозь какую из щелей все же прошла элементарная частица, нельзя из-за принципа неопределенности Гейзенберга. Любые измерения приведут к тому, что квантовая система "схлопнется" и интерференционная картина исчезнет.

20) Главное квантовое число n определяет общую энергию электрона на данной орбитали. Оно может принимать любые целые значения, начиная с единицы (n = 1,2,3, ...). Под главным квантовым числом, равным ∞, подразумевают, что электрону сообщена энергия, достаточная для его полного отделения от ядра (ионизация атома).

Кроме того, оказывается, что в пределах определенных уровней энергии электроны могут отличаться своими энергетическими подуровнями. Существование различий в энергетическом состоянии электронов, принадлежащих к различным подуровням данного энергетического уровня, отражается побочным (иногда его называют орбитальным) квантовым числом .

Орбиталь — совокупность положений электрона в атоме, т.е. область пространства, в которой наиболее вероятно нахождение электрона. Побочное (орбитальное) квантовое число l характеризует различное энергетическое состояние электронов на данном уровне, определяет форму электронного облака, а также орбитальный момент р — момент импульса электрона при его вращении вокруг ядра (отсюда и второе название этого квантового числа).Таким образом, электрон, обладая свойствами частицы и волны, с наибольшей вероятностью движется вокруг ядра, образуя электронное облако, форма которого в s-, р-, d-, f-, g-состояниях различна. Прямым доказательством сложности строения атома было открытие самопроизвольного распада атомов некоторых элементов, названное радиоактивностью. (А.Беккерель, 1896 г.). Последовавшее за этим установление природы α-, β-, и γ-лучей, образующихся при радиоактивном распаде (Э.Резерфорд, 1899—1903 гг.), открытие ядер атомов (Э.Резерфорд, 1909—1911 гг.), определение заряда электрона (Р.Милликен, 1909 г.) позволили Э.Резерфорду в 1911 г. предложить одну из первых моделей строения атома.

Модель Резерфорда. Суть планетарной модели строения атома (Э.Резерфорд, 1911 г.) можно свести к следующим утверждениям: 1. В центре атома находится положительно заряженное ядро, занимающее ничтожную часть пространства внутри атома. 2. Весь положительный заряд и почти вся масса атома сосредоточены в его ядре.3. Вокруг ядра вращаются электроны. Их число равно положительному заряду ядра. Эта модель оказалась очень наглядной и полезной для объяснения многих экспериментальных данных, но она сразу обнаружила и свои недостатки. В частности, электрон, двигаясь вокруг ядра с ускорением (на него действует центростремительная сила), должен был бы, согласно электромагнитной теории, непрерывно излучать энергию. Это привело бы к тому, что электрон должен был бы двигаться вокруг ядра по спирали и в конце концов упасть на него. Никаких доказательств того, что атомы непрерывно исчезают, не было, отсюда следовало, что модель Резерфорда в чем-то ошибочна. Теория Бора. В 1913 г. датский физик Н.Бор предложил свою теорию строения атома. Как и Резерфорд, он считал, что электроны двигаются вокруг ядра подобно планетам, движущимся вокруг Солнца. Однако к этому времени Дж.Франк и Г.Герц (1912 г.) доказали дискретность энергии электрона в атоме и это позволило Бору положить в основу новой теории два необычных предположения (постулата): Электрон может вращаться вокруг ядра не по произвольным, а только по строго определенным (стационарным) круговым орбитам. Правило Хунда определяет порядок заполнения орбиталей определённого подслоя и формулируется следующим образом: суммарное значение спинового квантового числа электронов данного подслоя должно быть максимальным. Сформулировано Фридрихом Хундом в 1925 году.Это означает, что в каждой из орбиталей подслоя заполняется сначала один электрон, а только после исчерпания незаполненных орбиталей на эту орбиталь добавляется второй электрон. При этом на одной орбитали находятся два электрона с полуцелыми спинами противоположного знака, которые спариваются (образуют двухэлектронное облако) и, в результате, суммарный спин орбитали становится равным нулю. МО ЛКАО (Линейная Комбинация Атомных Орбиталей) - простейший метод определения волновых функций молекулярных орбиталей. Рассматривает волновые функции молекулярных орбиталей как линейные комбинации волновых функций атомных орбиталей.