Атом - сложная электромагнитная микросистема, являющаяся носителем свойств химического элемента.

Введение в курс химии

Химия в энергетическом институте – фундаментальная общетеоретическая дисциплина.

Химия – естественная наука, изучающая состав, строение, свойства и превращения веществ, а также явления, сопровождающие эти превращения.

М.В.Ломоносов (1741 г.) – “Химическая наука рассматривает свойства и изменения тел…, состав тел…,объясняет причину того, что с телами при химических превращениях происходит”.

Д.И.Менделеев (в “Основах химии” 1871 г.) – “Химия – это учение об элементах и их соединениях”.

Понимание законов химии и их применение позволяет создавать новые процессы, машины, установки и приборы. Получение электроэнергии, топлива, металлов, различных материалов, продуктов питания и т.п. непосредственно связано с химическими реакциями. Например, электрическую и механическую энергии в настоящее время в основном получают преобразованием химической энергии природного топлива (реакции горения, взаимодействия воды и ее примесей с металлами и т.п.). Без понимания этих процессов невозможно обеспечить эффективную работу электростанций и двигателей внутреннего сгорания.

 

Тема 1. Электронное строение атома.

Атом - сложная электромагнитная микросистема, являющаяся носителем свойств химического элемента.

протоны (р, р⁺)

ядро

атом нейтроны (n, n^o) 1840

электроны (е^-)

массовое число

³⁵Cl (17p⁺, 18n, 17e^-)

заряд ядра ¹⁷

 

М_r(Cl)=35*0,7543 + 37*0,2457 = 35,491

Квантовая механика - поведение движущихся микрообъектов (в том числе и электронов) – это одновременное проявление как свойств частиц так и свойств волн.

Частица – m, m v, E₁ =m v ²

Волна - l, n, E₂ = hn = h v /l

Луи де Бройль (1924г.): Е₁ = Е₂; l=h/ m v

h – постоянная Планка, 6,626×10^-34Дж×с

Принцип неопределенности - Вернер Гейзенберг (1927г.)

произведение неопределенностей положения Dх и импульса D(mv) не может быть меньше h/2p D х ×D(mv) ³ h/2p

 

 

Точное нахождение частицы (электрона) заменяется понятием статистической вероятностью нахождения ее в определенном объеме (около ядерного) пространства.

Движение е^- - волновой характер – волновая функция

y =y(х,у,z).

ê y ê²dv - плотность вероятности нахождения е^- в определенном объеме около ядерного пространства. Это пространство называется атомной орбиталью(АО).

Квантовые числа (n, l, m_l) – характеристики АО.

1. Главное квантовое число (n):

· определяет – энергию электрона – энергетический уровень

· показывает – размер электронного облака (орбитали)

· принимает значения – от 1 до µ

n (энерг. ур.): 1 2 3 4 и т.д.

K L M N

Е_е увеличивается

2. Орбитальное квантовое число (l):

· определяет – орбитальный момент количества движения электрона

· показывает – форму орбитали

· принимает значения – от 0 до (n -1)

Графически любая АО изображается

Орбитальное квантовое число: 0 1 2 3 4

Энергетический подуровень: s p d f g

Еувелич.

z

l =0® s –подуровень ® s –АО ® x

y

l =1 ® p- подуровень ® р -АО ® х

y

Каждому n соответствует определенное число значений l, т.е. каждый энергетический уровень расщепляется на подуровни. Число подуровней равно номеру уровня.

1-ый энерг.уровень ® 1 подуровень ® 1 s

2-ой энерг.уровень ® 2 подуровня ® 2s2p

3-ий энерг.уровень ® 3 подуровня ® 3 s 3 p 3 d

4-ый энерг.уровень ® 4 подуровня ® 4 s 4 p 4 d 4 f и т.д.

3. Магнитное квантовое число (m_l)

· определяет – значение проекции орбитального момента количества движения электрона на произвольно выделенную ось

· показывает – пространственную ориентацию АО

· принимает значения – от – l до + l

Любому значению l соответствует (2 l +1) значений магнитного квантового числа, т.е. (2 l +1) возможных расположений электронного облака данного типа в пространстве.

s -состояние – одна орбиталь (2×0+1=1) - m_l= 0, т.к. l =0

p -состояние – три орбитали (2×1+1=3)

 

m_l: +1 0 -1, т.к. l =1

z m_l= 1 z m_l =0 z m_l = -1

Все орбитали, принадлежащие одному подуровню, имеют одинаковую энергию и называются вырожденными.

Вывод – АО характеризуется определенным набором n,l,m_l, т.е. определенными размерами, формой и ориентацией в пространстве.

4. Cпиновое квантовое число (m_s)

• определяет - собственный механический момент электрона, связанный с вращением его вокруг своей оси
• принимает значения - +1/2 h/2p или –1/2 h/2p

 

В многоэлектронном атоме состояние электрона определяется принципом Паули:

в атоме не может быть двух электронов, у которых все четыре квантовых числа были бы одинаковы.

 

Следствия из принципа Паули:

1. на одной орбитали могут находиться не более двух электронов, отличающихся друг от друга спинами
2. максимальное число электронов на энергетическом подуровне – 2(2 l +1)
3. максимальное число электронов на энергетическом уровне – 2 n ²

Электроны в атоме (основное состояние) распределяются в соответствии с принципом минимальной энергии:

Электроны занимают наиболее низкое энергетическое состояние, отвечающее наиболее устойчивому его состоянию.

 

 

Правило Клечковского:

Электроны размещаются последовательно на орбиталях, характеризуемых возрастанием суммы главного и орбитального квантовых чисел (n+l); при одинаковых значениях этой суммы раньше заполняется орбиталь с меньшим значением главного квантового числа n

 

 

 

n l 0 1 2 3

 

 

 

 

 

 

 

 

В пределах энергетического подуровня электроны располагаются так, чтобы их суммарный спин был максимальным.

Заполнение однотипных АО происходит по правилу Хунда:

 

 

 

Существует два способа составления схем распределения электронов в атоме:

1. в виде формул электронных конфигураций

₁₉ К 1s²2s²2 p ⁶3 s ²3 p ⁶4 s ¹

1. в виде графических формул АО

 

Е p

s

n = 2

₈О

s

n = 1