Материал: Строение вещества. методические указания к внеаудиторной самостоятельной работе по химии. Барсукова Л.Г., Вострикова Г.Ю

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Воронежский государственный архитектурно-строительный университет»

Кафедра физики и химии

СТРОЕНИЕ ВЕЩЕСТВА

Методические указания к внеаудиторной самостоятельной работе по химии

для студентов 1-го курса всех специальностей дневной и заочной форм обучения

Воронеж 2012

1

УДК 54(07) ББК 24.1я7

Составители Л.Г. Барсукова, Г.Ю. Вострикова, Г.Г. Кривнева

Строение вещества : метод. указания к внеаудиторной самостоятельной работе по химии для студ. 1-го курса всех спец. / Воронежский ГАСУ ; сост. :

Содержат краткие теоретические сведения по строению вещества: строение атома, периодическая система элементов Д.И. Менделеева, химическая связь; примеры решения типовых задач, задания для самостоятельного решения.

Предназначены студентам 1-го курса всех специальностей дневной и заочной форм обучения.

Ил. 14. Табл. 3. Библиогр.: 14 назв.

УДК 54(07) ББК 24.1я7

Печатается по решению редакционно-издательского совета Воронежского ГАСУ

Рецензент - С.С. Никулин, д-р техн. наук, профессор кафедры технологии органического синтеза и высокомолекулярных соединений

Воронежского государственного университета инженерных технологий

2

ВВЕДЕНИЕ

Химия является одним из базовых курсов практически для всех инженерных специальностей. Усвоение разделов этого курса играет важную роль в выработке общетеоретических знаний и методологических подходов к изучению ряда специальных дисциплин.

Современная химия представляет собой систему отдельных научных дисциплин: общей и неорганической, органической, аналитической, физической, коллоидной химии, химии высокомолекулярных соединений и т.д. Химия теснейшим образом связана с физикой, биологией. Характерным для естествознания в наше время является его математизация. Основой тесной связи всех наук является материальность всего сущего и диалектический подход к изучению и развитию окружающего мира во всем его многообразии.

Химия – наука экспериментальная, а главный ее эксперимент – это химические реакции, которые дают возможность установить состав и строение вещества, синтезировать новые вещества, ранее неизвестные природе, с заданными свойствами. Однако для познания сущности явлений одних экспериментальных методов недостаточно. М.В. Ломоносов говорил, что истинный химик должен быть теоретиком. Только через мышление, научную абстракцию и обобщение познаются законы природы, создаются гипотезы и теории, открывающие путь для предсказания новых явлений и фактов. Научная теория – это лучшая практика любой науки.

Современная химия базируется на следующих позициях: 1) квантовомеханической теории строения атомов и периодической системе элементов Д.И. Менделеева; 2) квантово-химической теории химического строения и учении о зависимости свойств вещества от его химического строения (А.М. Бутлеров); 3) учении о химическом равновесии, основанном на понятиях химической термодинамики.

Предложенные методические указания помогут студентам разобраться в научных основах современных представлений о строении вещества и умело применять знания для решения конкретных задач.

3

1.СТРОЕНИЕ АТОМА

Вхимии своеобразными элементарными частицами являются атомы, из которых построены все химические индивиды. Громадное многообразие химических соединений обусловлено различным сочетанием атомов химических элементов в молекулы и немолекулярные вещества. Способность же атомов вступать в химические соединения, его химические и физические свойства определяются структурой атома. Отсюда для химии первостепенное значение имеет внутреннее строение атома и в первую очередь структура его элетронной оболочки.

Атом давно перестал быть неделимым. После открытия естественной радиоактивности (1896-1898 гг.), катодных лучей и электронов (1897 г.) были

предложены первые модели строения атома (1904 г. – Д. Томсон, 1911 г.

– Э. Резерфорд, 1913 г. – Н. Бор).

Теория Бора была важным этапом в развитии представлений о строении атома: она объяснила физическую природу атомных спектров и позволила их рассчитывать. Но теория страдала внутренней противоречивостью. Эти противоречия показали, что нельзя автоматически распространять законы природы, справедливые для больших тел (механика, электродинамика), на объекты микромира. Поэтому и возникла необходимость разработки новой физической теории для микрообъектов.

Эта проблема была решена в 20-х годах XX века, после возникновения и развития новой отрасли теоретической физики - квантовой механики. Квантовая механика изучает движение микрообъектов в микрополях атомов, молекул и кристаллов. Главной особенностью квантовой механики является её вероят- ностно-статистический характер, который объясняется корпускулярноволновым дуализмом малых частиц.

Шредингер в 1925 году предположил, что состояние движущего в атоме электрона должно описываться известным в физике уравнением стоячей электромагнитной волны. Это уравнение связывает энергию электрона с пространственными координатами и волновой функцией ψ, соответствующей амплитуде трехмерного волнового процесса. Физический смысл имеет величина ψ2dυ, равная вероятности нахождения электрона в элементарном объеме околоядерного пространства dυ=dx·dy·dz. Таким образом, квантовая механика дает лишь вероятность нахождения электрона в том или ином месте атомной системы. В 1927 г. В. Гейзенберг постулировал принцип неопределенности, согласно которому положение и импульс движения микрочастицы принципиально невозможно определить в любой момент времени с абсолютной точностью. Чем более точно определяются координаты частицы, тем более неопределенным становится импульс движения и наоборот. Поэтому такое понятие как траектория движения частицы в квантовой механике не имеет смысла и электрон представляется не как материальная точка, а размазанное по всему объему атома электронное облако. Под электронным облаком условно понимается часть пространства вблизи ядра атома, в которой сосредоточена преобладающая часть (90 %) заряда и массы электрона.

4

Для электрона, находящегося под действием сил притяжения к ядру, уравнение Шредингера имеет бесконечное множество решений. Но чтобы решения имели физический смысл для описания движения электрона в атоме, его безразмерные коэффициенты должны удовлетворять стандартным условиям. В соответствии с трехмерностью пространства автоматически появляются три таких коэффициента, три квантовых числа (главное, орбитальное, магнитное), которые могут принимать только определенные взаимозависимые значения.

1.1. Квантовые числа

Главное квантовое число (n). Возможные энергетические состояния электрона в атоме определяются величиной главного квантового числа n, которое может принимать целочисленные значения: 1,2,3...∞. Наименьшей энергией обладает электрон с n = 1, с увеличением n энергия растет. Электроны, характеризующееся определенным значением n, образуют энергетический уровень. Главное квантовое число определяет энергию электрона и размеры электронного облака.

Орбитальное квантовое число (l). Орбитальное квантовое число (или побочное) определяет момент количества движения электрона вокруг ядра (М = mrυ) и форму электронного облака. Орбитальное квантовое число может принимать только целочисленные значения от 0 до (n-1). Каждому значению n соответствует n возможных значений l:

n = 1, l = 0; n = 2, l = 0, 1; n = 3, l = 0, 1, 2 и т.д.

В многоэлектронных атомах энергия электрона зависит не только от n, но и от l. Каждой комбинации главного и орбитального квантовых чисел отвечает электронная подоболочка или энергетический подуровень. Подуровни обозначаются буквами s, p, d, f.

Наименьшей энергией при одном и том же n обладают электроны на s- подуровне, затем на p-, d- и f. s-электронное облако обладает сферической симметрией, р-облако напоминает гантель, d-облако представляет собой четырехлепестковую фигуру, еще более сложную конфигурацию имеет f- облако.

Таблица 1 Характеристические данные орбитального квантового числа ( l)

Магнитное квантовое число (ml). Ориентация электронного облака в пространстве определятся магнитным квантовым числом ml. Магнитное квантовое число может принимать любые целочисленные значения от + l через 0 до - l, всего (2 l + 1) значений:

5