Химия как раздел естествознания Основные задачи современной химии (стр. 8 из 68)

Рассмотрим атом водорода, в котором имеется всего один электрон. Решив для него уравнение Шрѐдингера^[2] (а решением является нахождение значение квадрата модуля пси-функции, в данном случае это

1), можно показать, что вероятность найти электрон на близком расстоянии от ядра ничтожно мала (близок к нулю квадрат модуля пси-функции, или плотность вероятности). Ничтожно мала и вероятность найти электрон на большом расстоянии от ядра, но на некотором расстоянии от него вероятность найти электрон максимальна. Расстояние это для атома водорода равно 0,053 нм. Это значение и считается радиусом ближайшей к ядру орбиты электрона. Так как 1, то главное квантовое число n единственного электрона атома водорода равно 1. Следовательно, орбитальное число равно 0, что соответствует шарообразной форме электронного облака, то есть единственный электрон атома водорода является s-электроном (размеры и форма электронного облака определяются распределением квадрата модуля пси-функции). S-орбиталь не расщепляется на подуровни, так как магнитное квантовое число при этом имеет одно значение m_l = 0. Спиновое квантовое число может принимать любое значение – либо

+1/2, либо -1/2. Таким образом, электронная формула атома водорода

1s¹_.

В атоме второго элемента системы Менделеева, гелия, два электрона. Второй электрон, в соответствии с принципом наименьшей энергии, также располагается на 1s - уровне. Принцип Паули это разрешает, так как два электрона гелия имеют три одинаковых квантовых числа, но отличаются спиновым квантовым числом (у одного электрона - +1/2, у второго - -1/2). Электронная формула гелия 1s². Из неѐ видно, что электроны атома гелия находятся в спаренном состоянии.

В атоме водорода электрон находится в электромагнитном поле, которое создается только ядром. В многоэлектронных атомах на каждый электрон действует не только ядро, но и другие электроны, При этом электроны как бы сливаются в одно общее облако (это явление называется «гибридизацией»). Решение уравнения Шрѐдингера в этом случае представляет сложную задачу, общим методом решения которой является одноэлектронное приближение. Для многоэлектронных атомов главное квантовое число n принимает значения от 1 до 7. У электронов второго от ядра энергетического уровня, например, имеет место следующая ситуация: n = 2; l = 0 (s-электроны) и 1 (р-электроны); m_l =0 и m_l = -1, 0 и +1; m_s = +1/2 и -1/2. В соответствии с принципом Паули, максимальное количество электронов, которое может расположиться на втором энергетическом уровне, равно 8 (два s - электрона и 6 рэлектронов). Для s-электронов возможно только одно значение m_l, равное нулю, а для р – электронов - три значения, так как р-электронные облака ориентируются в пространстве по осям x, y и z, то есть происходит расщепление р- уровня на три подуровня.

Составим, для примера, электронную формулу элемента №8 (кислорода). Восемь электронов кислорода располагаются на двух ближайших к ядру орбитах следующим образом: 1s²2s²2p⁴. Из четырѐх внешних электронов кислорода два являются неспаренными (выполняется правило Гунда). Электронная формула атома №5 (бора) выглядит следующим образом: 1s²2s²2p¹.

При n = 3 максимально возможное количество электронов на нем равно 18 (2 s-электрона + 6 р-электронов + 10 d-электронов). На четвертом уровне могут располагаться 32 электрона (2 s-электрона + 6 р-электронов + 10 d-электронов + 14 f-электронов). В общем случае, максимальное число электронов на энергетическом уровне равно 2n². Так, например, электронная формула элемента №15 (фосфора), принадлежащего III периоду, имеет вид: 1s²2s²2p⁶3s²3p³3d⁰.

Составляя электронные формулы атомов периодической системы, можно убедиться, что расположение их в периодической системе полностью соответствует электронному строению их атомов.

Если атом теряет один или несколько электронов, то превращается в положительно заряженный катион. Аналогично, приобретая один или несколько «лишних» электронов, атом становится отрицательно заряженным анионом.

1.5. Проблема строения вещества

Проблема строения вещества – это вопрос о том, существует ли всѐтаки конечный предел деления материи. В рамках атомномолекулярного учения пределом делимости материи считался атом. После того, как было установлено, что атом делим и были открыты электрон, протон и нейтрон, «первичными частицами материи» можно было посчитать именно эти частицы, которые были названы элементарными. И действительно, из протонов, нейтронов и электронов можно «построить» все известные химии элементы и даже создавать новые. Однако, начиная с середины ХХ века, было открыто более 400 различных элементарных частиц, в том числе нейтрино, мезоны, пионы, каоны, гипероны, резонансы, а также античастицы, например, «антиэлектрон», или позитрон. «Зоологический период», то количественный сбор информации о частицах в отсутствие приемлемой теории затянулся на десятки лет. Однако созданная в 60-е годы ХХ века теория элементарных частиц Гелл-Манна и Цвейга (которая теперь называется квантовой хромодинамикой) строится на допущении наличия структуры у адронов, то есть у элементарных частиц, участвующих в так называемом сильном ядерном взаимодействии, самыми устойчивыми из которых являются протоны и нейтроны. Такие «суперэлементарные» частицы были названы кварками. В переводе с немецкого языка слово «кварк» в переносном смысле значит «бессмыслица». И действительно, свойства кварков опрокидывают привычные физические представления: им приходится приписать дробный электрический заряд, равный 1/3 или 2/3 заряда электрона, и массу, почти в 10 раз превышающею массу протона и нейтрона, которые, как считается, состоят каждый из трех кварков. В 1969 году в экспериментах на линейном ускорителе в Стэндфордском университете были получены первые экспериментальные доказательства, подтверждающие существование кварков, а в 1994 г. американские исследователи сообщили об открытии «последнего», самого тяжелого из 36 кварков. До сих пор неизвестно, имеет ли структуру электрон; однако при ядерном бета-распаде он появляется «из нейтрона» в реакции, открытой итальянским физиком Э. Ферми: n0

p ~

p

n

Нейтрон распадается на протон, электрон и антинейтрино, а протон – на нейтрон, позитрон и нейтрино. Следовательно, может существовать такое состояние вещества, когда электроны и кварки (из которых состоят нейтроны и протоны) представляют собой некую единую субстанцию. В таких обстоятельствах приходится возвращаться к проблеме строения вещества и вновь делать выбор между корпускулярной и континуальной концепциями. В современных представлениях о пределе делимости материи можно выделить три «условные концепции»:

«Философия матрешки наоборот»: предел делимости материи существует, но это должна быть не «самая маленькая», а «самая большая» частица, Ведь состоит же протон из трех кварков, каждый из которых в 10 раз больше его самого, следовательно, кварки, если у них есть структура, должны состоять из ещѐ более массивных частиц, те- в свою очередь из ещѐ более массивных, и т.д. Конечный предел деления материи в рамках этой концепции академик М.Марков ещѐ в 1965 г. назвал «максимоном» и определил ее массу как 10^-5 г.

Концепция «суперструн», или «бутстрэпа» (от английского слова bootstrap - шнурок от ботинка), или «ядерной демократии»: все состоит из всего (как протон из электрона и нейтрона, а нейтрон из протона и позитрона), и все частицы связаны «единым шнурком», как отверстия в ботинке. Такой «шнурок» некоторые считают особым уровнем существования вещества – «суперструной».

Обе эти концепции можно (хотя и весьма условно) назвать развитием корпускулярной концепции строения материи.

Существует третья форма материи, или физический вакуум, который способен рождать так называемые «виртуальные частицы» (копии реальных, время жизни которых менее 10^-24 сек). Будучи созидательным, такой физический вакуум может претендовать на роль «первоматерии», «кочки и ухабы» которой образуют две другие формы материи – вещество и поле. Если это так, то проблему строения вещества следует решать в рамках континуальной концепции. Из-за невероятной сложности современных представлений о строении материи некоторые ученые (так называемые «физики-диссиденты») предлагают вернуться к концепции эфира, определяя ее, однако, несколько бессвязно: «эфир - это бесчастичная материя ньютоновского характера, носитель тепла, характеризует давление в газах, характеризует деффект масс, является основой элементарных частиц и любых веществ».

Дальнейшее развитие науки покажет, у какой концепции больше прав на существование.

1.6. Вещество на макроуровне

Поскольку вещество на микроуровне не имеет аналогов с наблюдаемыми нами явлениями макромира, можно назвать его микровеществом. В обычной жизни человек имеет дело не с атомами и молекулами, а с веществом, находящимся в одном из четырех агрегатных состояний. В отличие от микровещества (элементарных частиц, атомов и молекул) можно назвать вещество, с которым встречаемся в нашем макромире, макровеществом. В зависимости от условий окружающей среды (в первую очередь от температуры и давления) одно и то же макровещество, например, вода, может находиться в различных агрегатных состояниях. Различают газообразное, жидкое, твердое и плазменное состояние вещества.