Основи хімії (стр. 1 из 21)
Лекції розглянуто на засідані Вченої ради факультету агротехнології та еології і рекомендовно до друку.
Протокол № від « « 2007 р.
Лекції розраховані на студентів технічних спеціальностей вищих навчальних закладів, особливо на студентів енергетиків, а також широке коло викладачів і вчителів вищої та загальноосвітньої школи.
Основні відомості про будову атома.
Будова атома по Резерфорду.
Теорія Планка.
Постулати Бора.
Квантові числа.
До кінця ХІХ століття більшість учених уявляло атом , як неподільну частину елемента – кінцевий продукт розпаду матерії.
Цікаво з цього приводу писав проф. Меншуткін 1887 р.):”Сорок п„ять років тому назад мене учили , що атом це тверда, неподільна частина , не змінюється у вазі”.
Д.І.Менделєєв допускав, що атом може бути неподільний тільки звичайними хімічними методами. З другого боку він вірив і відстоював індивідуальність хімічного елемента.
Проте серед сучасників Менделєєва уже більше було таких, які вірили, що атом складна частина .
Так російський учений Морозов ще у 1905 р. завбачав розпад атома.
Бутлеров писав (1886 р.), що може атоми не неподільні по своїй природі, а неподільні тільки доступними нам засобами. Відкриття в кінці ХІХ і на початку ХХ століть доказували на складну будову атома.
Перше відкриття було здійснено у 1879 р. англійським фізиком Круксом – це катодні промені. В розряджених газах при підключені великої напруги до катода і анода вони починали світитися.
В електричному полі промені відхилялися в бік позитивного полюса, тому мали негативний заряд. Ці частинки після були названі електронами (англ. Томсон р.).
Випромінювання електронів можна наблюдати при розжарювані металів (термоелектрона емісія).
Деякі метали можуть випромінювати електрони при освітлювані їх ультрафіолетовими променями, а лужні метали навіть при денному освітлені.
Друге відкриття було зроблено у 1895 р. німецьким фізиком Рентгеном. (Рентгенівські промені). Вони представляли потік частинок, які не мали заряду, але мали велику проникаючу дію.
Подальший розвиток про будову атома зв„язано з відкриттям радіоактивності. У 1896 р. французький фізик – хімік Беккерель, пізніше Марія і П„єр Кюрі доказали, що радіоактивні елементи випромінюють α, β і γ промені, деякі з них α і γ , або β і γ. Але завжди були γ промені.
Радіоактивні промені в електричному полі.
α – промені відхилялися в бік негативного полюса, значить вони позитивно заряджені. Маса
їх 4 вуглецевих одиниці, заряд рівний подвійному заряду електрона, швидкість руху – км/сек.
β – промені – це потік електронів. Швидкість їх руху 300.000 км/сек. Негативно заряджені,
в хімії заряд приймають за –1, масу за 0 в.о.
γ – промені не відхиляються в електричному полі, мають дуже малу масу і велику
проникаючу дію . Швидкість руху 200.000 км/сек
Таким чином було доказано, що атоми представляли складні частинки. Основні з них:
протон, нейтрон і електрон.
р – протон – (греч. перший) – ядерна частинка з масою рівною 1 в.о., заряд + 1.
– нейтрон – (лат. ні те, ні це) – ядерна частинка з масою рівною 1 в.о., заряд – е – електрон – ядерна частинка з масою = 0, заряд – Радіуси протона, нейтрона, електрона 10 см.
Коли атоми складні частини, то як вони збудовані?
Перший на це запитання відповідає англійський учений Томсон (1903 р.)
Він уявив і запропонував будову атома , “ як пудинг” з ізюмом, тобто як кулі в середині яких розміщаються негативно заряджені частинки – електрони, а ззовні – позитивно заряджені – протони.
Таке уявлення про будову атома не було підтверджено експериментом і проіснувало 7 років.
Рішення знайшов англ. учений Ернст Резерфорд.
Резерфорд (1871 – 1937) експериментальними дослідами довів, що атом має таку будову , як наша сонячна система : в центрі знаходиться сонце, навколо сонця обертаються планети (1911р.)
Так і в атомі: в центрі знаходяться ядро, а навколо нього по своїм орбітам кружляють електрони.
Атом в цілому електронейтральний, тому число електронів в ньому дорівнює числу протонів, тобто позитивному заряду ядра. А так як маса електронів дуже мала, то майже уся маса атома зосереджена в ядрі.
Об„єм зайнятий ядрами 10– від усього об„єму атомів.
Об„ємна густина ядер дуже велика. Коли б просте учнівське перо зробити з маси ядер, то воно важило декілька мільйонів тон ( 1 см = 116 млн. т.).
Електрони , які крутяться навколо ядра , удержуються його притягненням, тобто на них діє як доцентрова, так і відцентрова сили.
Ці уявлення Резерфорда були частково правильними , але примітивними і зустріли ряд протиріч.
Рух електрона навколо ядра і своєї осі по законам механіки повинен супроводжуватись випромінюванням енергії у вигляді електромагнітних коливань. Але так як випромінювання енергії призводить до її втрати, то електрон , втративши енергію через 10– сек повинен впасти на ядро. Але цього не відбувається.
Так як швидкість електрона однакова 300.000 км/сек., то випромінювання повинне бути безперервне, тобто спектр повинен бути суцільним. А він – лінійчатий.
У 1900 р. нім. фізик Планк , вивчаючи закони поглинання і випромінювання світла абсолютно (цілком) чорних речовин, прийшов до висновку, що енергія в атомі випромінюється не безперервно, а окремими порціями – квантами, фотонами (теорія Кванта).
Він же встановив, що енергія кванта прямо пропорційна частоті випромінювання.
Е = λ
де λ частота обертання, – постійна Планка, яка дорівнює – ерг/сек.
Взявши до уваги теорію Планка датський фізик Бор у 1913 р. сформулював 2 постулати:
Електрон рухається навколо ядра строго по визначеним стаціонарним орбітам, не випромінюючи енергії.
2. При переходжені електронів з більш віддаленої орбіти на ближню виділяється квант енергії і навпаки – з меншої орбіти на дальню – поглинається енергія.
Бор розрахував стаціонарні орбіти. Вони відносяться між собою як квадрати натуральних чисел:
… = 1 …
Кожна система прагне до такого становища, щоб її енергія була найменшою.
На першій орбіті електрон має найменшу енергію і найбільший зв„язок з ядром Тому при переміщенні електрона з віддаленої орбіти на першу виділяється енергія і спектр лежить в ультрафіолетовій області (лінія Лаймана 1915 р), на другу – у видимій області (лінія Бальмера 1885 р), на третю – в інфракрасній ( лінія Пашена 1908 р).
В 1924 р фр. фізик Бройль запропонував таку гіпотезу, що кожна частинка (атом, протон, електрон...) має властивості як частинки, так і хвилі.
h
λ m*V
λ – довжина хвилі – постійна Планка – маса частинки – швидкість руху
Розміри і форму орбіталі таким чином, описує хвильова функція ψ (псі). Вона виявляє щільність ймовірності находження електрона в будь якій області простору і пропорційна її квадрату ψ
Цю функцію розраховують за рівнянням Шредінгера, а вона є функцією квантових чисел, які описують рух електронів в атомі.
Електрон рухаючись навколо ядра має деякий запас енергії. Цей запас характеризується 4 квантовими числами.
Головне квантове число визначає радіус від центра ядра до рівня і енергію електронів на цьому рівні, а також кількість орбіт (n2).
Позначається буквою і приймає значення 1, 2, 3...∞, тобто головне квантове число чисельно відповідає номеру періоду або рівня.
Електрони, які повністю або частково заповнюють енергетичні рівні утворюють електронні шари: …, тобто коли розглядати атом у збудженому стані, то поняття енергетичний рівень і електронний шар рівнозначне.
В не збудженому атомі енергетичних рівнів більш ніж шарів, хоча і ти і інші існують завжди, є на них електрони чи немає.
Максимальне число електронів, яке може вмістити той чи інший рівень дорівнює подвійному квадрату квантового числа.
| період | |
| шар | М |
Повністю заповнений електронний рівень - дуже стійкий.
Найкращу стійкість мають рівні з 2 і 8 електронами. Такі елементи не вступають в хімічні реакції і цим пояснюється стійкість інертних газів.
Орбітальне або побічне квантове число – визначає форму орбіти і енергію
електронів на підрівні.
Позначається буквою і приймає значення ( 1), тобто 0, 1, 2, 3, 4, ...∞
Ми знаємо тільки дві форми орбіт: це кругову і еліптичну. Еліпси бувають різні (більш і менш витягнуті).
Кількість форм орбіт дорівнює номеру періоду.
Наприклад, якщо орбітальне квантове число дорівнює 0 (для 1 періоду ), то електрони рухаються по колу і утворюють кулю.
Для 2 періоду , в цьому випадку електрони будуть рухатися не по колу, а по еліпсу.
Для 3 періоду – еліпс витягнутий.
Для 4 періоду – еліпс ще більш витягнутий і т.д. Таким чином все це можна уявити:
кругова орбіта еліптична
витягнутий еліпс більш витягнутий еліпсТак як орбітальне квантове число показує (визначає) форму орбіти ( а їх буває, як ви вже знаєте дві) і енергію електронів на підрівні, то виникає запитання: “Звідки беруться підрівні?”.
Виявляється при збудженні атома (дії тепла, ренгено–променів і т. д.) електрони, знаходячись на одному і тому ж рівні (n), ведуть себе по різному: ті електрони, які рухаються по колу мають в будь–якій точці енергію однакову, зв„язок з ядром найбільший, а ті що рухаються по еліпсу – як різний зв„язок з ядром так і енергію. Тому вони легше піддаються збудженню.