- •Содержание
- •Введение
- •Периодическая система элементов
- •Структура периодической системы элементов
- •Изменение свойств элементов и их соединений в периодах и главных подгруппах
- •Расположение электронов по энергетическим уровням
- •Квантовые числа
- •Ядро атома. Изотопы
- •Химическая связь
- •Ковалентная связь
- •Основные характеристики ковалентной связи
- •Гибридизация атомных орбиталей
- •Ионная связь
- •Металлическая связь
- •Водородная связь
- •Вопросы для подготовки к занятию
- •Задания для выполнения контрольных заданий для студентов заочной формы обучения и индивидуальных заданий для дневной формы обучения
- •Тема 1 Периодическая система элементов. Строение атома
- •Пример выполнения задания
- •Тема 2 Химическая связь
- •Пример выполнения задания
- •Тема 3 Химическая термодинамика
- •Пример выполнения задания
- •Тема 4 Кинетика химических реакций
- •Пример выполнения задания
- •Тема 5 Химическое равновесие
- •Пример выполнения задания
- •Решение
- •Тема 6 Растворы. Способы выражения концентрации растворов
- •Пример выполнения задания
- •Решение
- •2. Проведение расчетов перехода от заданной концентрации к указанным
- •Тема 7 Растворы электролитов
- •Пример выполнения задания
- •Тема 8 Гидролиз
- •Пример выполнения задания
- •Тема 9 Комплексные соединения
Квантовые числа
Квантовые числа. Рациональные числа (главным образом натуральные), определяющие физически осуществимые значения волновой функции квантовой системы.
Главное квантовое число. Квантовое число, значение которого определяет в целом энергию квантовой системы.
Совпадает с номером энергетического уровня. Например: для 3s2 n = 3.
Магнитное квантовое число. Квантовое число, значение которого определяет ориентацию электронной орбитали в пространстве при наличии внешних электрических или магнитных полей.
s-орбиталь p-орбиталь d-орбиталь f-орбиталь
ml 0 -1 0 1 -2-1 0 1 2 -3-2-1 0 1 2 3
Орбитальное квантовое число. Квантовое число, значение которого определяет главным образом форму электронных орбиталей.
l 0 1 2 3
s p d f
Спиновое квантовое число. Квантовое число, значение которого определяет принадлежность данной частицы к семейству фермионов или бозонов; обозначает внутреннее состояние, обусловливающее характер взаимодействия данной частицы с другими частицами из того же семейства.
Спин [< англ. spin вращаться] собственный механический момент количества движения элементарной частицы (электрона, протона, нейтрона) или атомного ядра, всегда присущий данному виду частиц, определяющий их свойства и обусловленный их квантовой природой; частицы с целочисленным значением спина (0, 1, 2, ...) в спец. Единицах h = 6,626.10-34 Дж.с называются бозонами, частицы с полуцелым спином (1/2, 3/2, ...) фермионами.
Принцип Паули: в атомной или молекулярной системе не может быть двух электронов, у которых все четыре квантовых числа были бы одинаковыми.
Правило Хунда (Гунда): заполнение электронных оболочек происходит таким образом, чтобы суммарный спин был максимальным.
Правила Клечковского: заполнение электронных оболочек в атомах элементов происходит в порядке возрастания суммы (n + l); при равенстве этих сумм для двух оболочек сначала заполняется оболочка с меньшим значением n.
Ядро атома. Изотопы
Современные представления о строении атома зародились в начале нашего столетия в результате исследования природы катодных лучей (Дж. Томсон, 1897), открытия радиоактивности (А. Беккерель, М. Склодовская-Кюри, П. Кюри, 1896-1899), расшифровки спектров излучения раскаленных тел, а также опытов Э. Резерфорда (1911) по исследованию прохождения -частиц через металлическую фольгу.
Гипотеза Резерфорда о планетарном строении атома явилась фундаментом, на котором методами квантовой, а позднее волновой механики строятся и уточняются модели атомов. Основная масса атома (более 99,9 %) сосредоточена в его ядре, размер которого порядка 10-15 м и на 5 порядков (105) меньше размера самого атома (10-10 м).
Ядро имеет сложную структуру. Основные ядерные частицы нуклоны это протоны p и нейтроны n. Протон имеет положительный электрический заряд, равный единице, нейтрон электронейтрален, т. е. его заряд равен нулю. Их массы покоя равны соответственно 1,00812 и 1,00893 у. е. Масса нуклона почти в 2000 раз больше массы электрона. Частицы, входящие в состав ядер и промежуточные по массе между нуклонами и электронами, называют мезонами.
Образование прочных атомных ядер из нуклонов объясняется возникновением между ними ядерных сил (ядерных связей) в результате обмена между ними мезонами, т. е. ядерные силы имеют обменную природу. По-видимому, протон может образовывать связи (т. е. обмениваться мезонами) с ограниченным числом нейтронов, поэтому устойчивость ядер зависит от соотношения числа протонов и нейтронов, входящих в их состав.
Число протонов Np определяет заряд ядра Z, от которого зависит число электронов Ne в электронейтральном атоме, т. е. Ne = Z . Химические свойства элементов зависят от количества и от расположения электронов в их атомах. Поэтому заряд ядра атома является его важнейшей характеристикой, предопределяющей химические свойства элемента и показывающей его порядковый номер в периодической системе элементов Д. И. Менделеева.
Масса ядра (или массовое число А), определяемая числом всех протонов и нейтронов, входящих в состав ядра, практически равна массе всего атома, так как на долю общей массы электронов приходится не более 0,1-0,01%. Тогда число нейтронов Ne в ядре рассчитывается как разность между массовым числом и зарядом ядра (порядковым номером элемента), т. е. А Z.
Сумма масс нуклонов всегда превышает массу ядра, образованного ими, на величину, называемую дефектом массы. Эта величина характеризует устойчивость ядра и соответствует энергии (E = mc2), выделяющейся при его образовании из протонов и нейтронов.
Число протонов (заряд ядра атома) и массовое число обозначают числовыми индексами, которые занимают определенное положение относительно символа элемента. Массовое число указывают слева вверху, заряд ядра слева внизу. например, и т.д.
Ядра, содержащие одинаковое число протонов, входят в состав атомов одного и того же элемента. Но они могут содержать различное число нейтронов и, следовательно, иметь разную массу. Разновидности атомов одного и того же химического элемента, отличающиеся своей массой, называются изотопами (от греч. isos равный, topos место).
Почти все химические элементы состоят из нескольких изотопов, поэтому их атомные массы, являющиеся средними арифметическими значениями от масс изотопов, выражаются не целыми, а дробными числами. Для водорода известно три изотопа: протий (легкий или обычный водород), дейтерий или D (тяжелый водород) и тритий или Т (сверхтяжелый водород). Природный кислород состоит также из трех изотопов: , хотя искусственным путем можно получить еще такие изотопы, как .
Наиболее многочисленны изотопы (по 6-10) у элементов с зарядом ядра от 40 до 56, т. е. расположенных в середине периодической системы.
Устойчивых (стабильных) изотопов значительно меньше, чем неустойчивых, т. е. радиоактивных. Например, из 19 изотопов иода лишь 127I является стабильным, входящим в природные соединения иода. Устойчивые изотопы имеют элементы, у которых заряд ядер атомов не превышает 83.