Астапов А.В. Курс лекций по неорганической химии. 1 семестр.

 

Строение атома.

Долгое время считалось, что атом неделим, что он ни при каких условиях не превратится в атом другого элемента. К концу XIX века был установлен ряд фактов, которые говорили о материальной составляющей атома. Это открытие электрона и явления радиактивности.

Электроном называется частица, обладающая отрицательным зарядом, который равен -1. Масса электрона равна 0. Радиактивность – это явление испускания некоторыми элементами излучения, способного проникать через вещества . . . . Впервые явление обнаружил А. Беккерель. Накопление  этих данных привело к тому, что Томсон предположил строение атома. По этой модели атом состоит из положительно заряженной сферы и вкрапленных в неё электронов, которые компенсировали положительный заряд сферы. В дальнейшем для проверки теории Томсона Резерфордом была проведена серия опытов по рассеиванию α-частиц. Эти опыты показали, что теория Томсона неверна.

1 – источник α-частиц

2 – металлическая фольга

3 – люменесцентный экран

Опыты Томсона показали, что α-частицы, проходя через металлическую фольгу либо переходили через неё в том же направлении, либо отклонялись на некоторый угол. Небольшое число α-частиц не проходит через фольгу. Если бы теория Томсона была верна α-частицы в принципе не могли пройти через фольгу. На основании этих опытов была сформирована планетарная модель строения атомов. Согласно этой модели атом состоит из положительно заряженного ядра и вращающихся вокруг него электронов с отрицательным зарядом. Суммарный заряд электронов равен заряду ядра. В ядре сосредоточена основная часть массы атома. Размер ядра немного меньше, чем размер атома в целом, поэтому α-частицы могли проходить через фольгу.

Теория Резерфорда не могла объяснить теорию атома. Так как электрон, который вращается вокруг ядра . . .. . . . . .. . .. . . .

В 1913 г. Нильс Бор предложил квантовую теорию, которая формировалась с помощью постулатов.

1)      Электрон вращается вокруг ядра не по любым орбитам, по определённым, которые называются стационарными орбитами.

2)      Двигаясь по стационарной орбите, электрон не излучает энергии.

3)      Излучение энергии происходит при перемещении электрона с одной стационарной орбиты на другую. При этом опускается или поглощается квантовые электромагнитные излучения.

Постулаты Бора противоречат законам классической механики.

В 1924 г. Де Бройль предположил, что электронам свойственна карпускулярно-волновая двойственность. Т.е. электрон обладает свойствами как частицы, так и волны. Исходя из этого предположительно в 1925 г. Швёденгером была предположена квантово-механическая теория. Эта теория является вероятностной. Нахождение электронов какой-либо точки вблизи ядра определяется волновой функцией.

Решением уравнения Шрёденгера являются квантовые числа. В этой теории отсутствует понятие электронной орбиты, но есть понятие электронного облака. Под электронным облаком понимается область пространства вблизи ядра, в которой сосредоточена преобладающая часть массы и заряда электрона.

Квантовые числа.

Существует 4 квантовых числа: n, l, m, s.

n – главное квантовое число. Оно может принимать целочисленные значения [1;+∞). n характеризует запас энергии электрона в зависимости от уровня, на котором он находится. Число электронных уровней в атоме равно номеру периода, в котором расположен элемент. Зная n можно вычислить число орбиталей и максимальное число электронов на энергетическом уровне по формулам.

N_орб = n²                N_{max e}=2n²

l – побочное или орбитальное квантовое число, принимает значения (0,1,…,n-1)

iFn=1      l=0

iFn=2      l=0,1

iFn=3      l=0,1,2

l характеризует запас энергии электрона, в зависимости от подуровня, на котором он находится. Также l характеризует форму электронного облака.

l=0            1             2             3

    s             p             d             f

Зная l  можно рассчитать число орбиталей и максимальное число электронов на каком-либо подуровне по формулам.

N_орб=2l+1

N_{max e}=2(2l+1)

S   1орб.; 2e^-

P   3орб.; 6e^-

D  5орб.; 10e^-

Сумма главных n и побочных l полную полную энергию электрона в атоме

m – магнитное квантовое число. Может принимать значения от –l,…,0,…,+l. Характеризует положение электронного облака в пространстве.

l=0            s              m=0

l=1            p             m=-1;0;1

l=2            d             m=-2;-1;0;1;2

 

+1/2  -1/2

s – спиновое квантовое число(спин). Может принимать только два значения(-1/2;1/2). s характеризует направление вращения электронов вокруг своей оси

 

 

Правила заполнения электронами уровней и подуровней.

1)      Принцип Паули: в атоме не может быть два электрона с одинаковым набором всех четырех квантовых чисел. Следствие: на одной орбите не может находиться более двух электронов

 

2)      Правило Хунда: в пределах одного подуровня электроны заполняют подуровни таким образом, что сумма их спиновых квантовых чисел, взятая по модулю, была максимальной.

 

 

|+1/2| = 1/2

|+3/2| = 3/2

     P

 

 

 

|-3/2| = 3/2

 

 

 

Правило Личковского:

1)      Электроны заполняют подуровни в порядке возрастания суммы главного и побочного квантовых чисел.

2)      Если для каких-то подуровней сумма m+l одинакова, то сначала будет заполняться тот подуровень, у которого меньше n.

После заполнения подуровня 6s заполняется 1 электрон на подуровне 5d(лантан)

s²  

p⁶

d¹⁰

f¹⁴

Элементарные и электронографические формулы атомов и электронов. Электронная формула – это запись распределения по уровням и подуровням.

₁₄Si

        1s²2s²2p⁶3s²3p²

        …………….3s²3p²

        n=3

        n=2

        n=1              p

                  s

Ион – это частица, у которой есть либо избыток электронов(отрицательный ион), либо их недостаток(положительный ион). Величина заряда иона указывает на число избыточных или недостающих электронов.

 

Периодический закон.

При построении Менделеевым периодической таблицы главной характеристикой атома является его относительная атомная масса.

Периодический закон в своём исходном варианте звучал в таком виде: свойства простых тел, а также форма и свойства их соединений находятся в периодической зависимости от величины атомных весов элементов. Впоследствии, благодаря работам учёных было доказано, что заряд ядра равен количеству протонов в ядре, главной характеристикой атома стала считаться не относительная атомная масса, а зяряд ядра.  В связи с этим изменилась формулировка периодического закона: свойства элемента, а также форма и свойства их соединений находятся в периодической зависимости от величины заряда их атомных ядер.

Структура периодической системы.

Периодическая система состоит из 7 периодов. 1, 2 и 3 – состоят из одного ряда и называются малыми, а остальные состоят из двух рядов и называются большими. Под таблицей приведены ряды лантаноидов и актиноидов. Система состоит из 8 групп, которые разделяются на главные и побочные.

Физические свойства периодической системы.

Номер периода показывает число энергетических уровней в атоме. Номер группы указывает на максимальную положительную степень окисления элемента, в котором он находится, однако есть исключение – фтор, кислород, медь,... Порядковый номер элемента равен положительному заряду ядра, также равен числу протонов в ядре и числу электронов в атоме. Относительная атомная масса равна сумме протонов и нейтронов в ядре.

 

Основные характеристики атома и их изменение по периодической системе.

Одной из важнейших характеристик является радиус атома. Это расстояние от центра ядра до внешнего электронного уровня. Радиус атома увеличивается по группе сверху вниз, т.к. увеличивается число электронных слоёв.

В пределах одного периода радиус атома незначительно уменьшается, так как число энергетических слоев, однако увеличивается число электронов на внешнем уровне растет заряд ядра за счёт сил . . . . .

. …. ..

Энергия ионизации – это энергия, которую нужно затратить, чтобы оторвать от атома электрон.

Изотопы. Изобары.

В периоде атомы одного и того же элемента могут встречаться с различными массовыми числами. Такие разновидности атомов, имеющие одинаковый порядковый номер, но различные массовые числа называются изотопами.

Каждый изотоп характеризуется двумя величинами, это порядковый номер и массовое число. Относительная атомная масса элементов, которые приведены в таблице Менделеева, является средней величиной из массовых чисел всех его изотопов с учётом … в природе.

Ar(Cl)=35*0,75+37*0,25=35,5

На ряду с изотопами существуют ещё изобары – это разновидность атомов, имеющих одинаковые массовые числа, но различный заряд ядра.

Ковалентная связь.

Метод валентных связей.

В основе метода валентных связей лежат следующие положения:

Ковалентная связь образуется двумя электронами, обладающими различными спинами и принадлежащие двум атомам, между которыми осуществляется связь. Такая общая электронная пара может образоваться как в результате спаривания электронов, принадлежащим различным атомам, так и за счёт пары электронов одного атома и свободы одного атома. Такой механизм называется донорно-акцепторным.

Ковалентная связь тем прочнее, чем в большей степени перекрывания взаимодействующего электронного облака. Она образуется в том направлении, при котором перекрывание облака максимально. Ковалентная связь делится на полярную и неполярную.

Неполярной называется связь, образованная между атомами неметаллов с одинаковой электроотрицательностью, например H₂, N₂

H₂                 H-H

     H  1s¹

N₂ ……2s²2p³

     n=2

 

 

Если при образовании связи перекрываются электронные облака, происходит