8. Планетарная модель строения атома по Резерфорду. Постулаты Бора.

Планетарная модель атома, или модель Резерфорда, - историческая модель строения атома, которую предложил Эрнест Резерфорд в результате эксперимента с рассеянием альфа-частиц. По этой модели атом состоит из небольшого положительно заряженного ядра, в котором сосредоточена почти вся масса атома, вокруг которого движутся электроны, - подобно тому, как планеты движутся вокруг Солнца. Планетарная модель атома соответствует современным представлениям о строении атома с учётом того, что движение электронов имеет квантовый характер и не описывается законамиклассической механики. Исторически планетарная модель Резерфорда пришла на смену «модели сливового пудинга» Джозефа Джона Томсона, которая постулирует, что отрицательно заряженные электроны помещены внутрь положительно заряженного атома. Новую модель строения атома Резерфорд предложил в 1911 году как вывод из эксперимента по рассеянию альфа-частиц на золотой фольге, проведённого под его руководством. При этом рассеянии неожиданно большое количество альфа-частиц рассеивалось на большие углы, что свидетельствовало о том, что центр рассеяния имеет небольшие размеры и в нём сосредоточен значительный электрический заряд. Расчёты Резерфорда показали, что рассеивающий центр, заряженный положительно или отрицательно, должен быть по крайней мере в 3000 раз меньше размера атома, который в то время уже был известен и оценивался как примерно 10^-10м. Поскольку в то время электроны уже были известны, а их масса и заряд определены, то рассеивающий центр, который позже назвали ядром, должен был иметь противоположный электронам заряд. Резерфорд не связал величину заряда с атомным номером. Этот вывод был сделан позже. А сам Резерфорд предположил, что заряд пропорционален атомной массе.

Недостатком планетарной модели была её несовместимость с законами классической физики. Если электроны движутся вокруг ядра как планеты вокруг Солнца, то их движение ускоренное, и, следовательно, по законам классической электродинамики они должны были бы излучать электромагнитные волны, терять энергию и падать на ядро. Следующим шагом в развитии планетарной модели стала модель Бора, постулирующая другие, отличные от классических, законы движения электронов. Полностью противоречия электродинамики смогла решить квантовая механика.

1. В изолированном атоме существуют такие состояния движения электрона, в которых он не излучает энергии. Эти состояния называются стационарными. Каждое такое состояние характеризуется определенной энергией Е_n , где n – целое число, нумерующее возможные стационарные состояния.

2. Переход электрона из одного стационарного состояния (с большей энергией Е_n) в другое (энергия которого Е_к меньше), сопровождается испусканием кванта монохроматического излучения, частота которого определяется следующим условием:

E_n – E_k = hυ

Атом способен поглощать квант излучения, если энергия этого кванта в точности равна разности энергий каких-либо двух стационарных состояний атома.

Если линии в спектре поглощения сливаются, то это значит, что электрон покинул атом.

Произошла ионизация атома. Этот же процесс происходит и когда электрон сталкивается с ионом, и образовавшийся атом возвращается в основное состояние.

Дальнейшее развитие теория Бора получила в работах Зоммерфельда. (1916г.) Он предположил, что каждое квантовое число определяет энергию круговой орбиты, а также задает набор эллиптических орбит с той же энергией. Он назвал n (предложенное Бором) главным квантовым числом и ввел второе квантовое число, которое характеризует форму эллиптической орбиты. Второе квантовое число l может принимать значения от (n – 1) до 0. Если n=4, то l=3, 2, 1 и 0.

9)  Ионная связь. Структура ионных соединений:

Ионная связь - это химическая связь, образованная за счет электростатического притяжения между катионами и анионами.

Механизм образования ионной связи можно рассмотреть на примере реакции между натрием и хлором. Атом щелочного металла легко теряет электрон, а атом галогена - приобретает. В результате этого возникает катион натрия и хлорид-ион. Они образуют соединение за счет электростатического притяжения между ними.

Взаимодействие между катионами и анионами не зависит от направления, поэтому о ионной связи говорят как о ненаправленной. Каждый катион может притягивать любое число анионов, и наоборот. Вот почему ионная связь является ненасыщенной. Число взаимодействий между ионами в твердом состоянии ограничивается лишь размерами кристалла. Поэтому "молекулой" ионного соединения следует считать весь кристалл.

Идеальной ионной связи практически не существует. Даже в тех соединениях, которые обычно относят к ионным, не происходит полного перехода электронов от одного атома к другому; электроны частично остаются в общем пользовании. Так, связь во фториде лития на 80% ионная, а на 20% - ковалентная. Поэтому правильнее говорить о степени ионности (полярности) ковалентной химической связи. Считают, что при разности электроотрицательностей элементов 2,1 связь является на 50% ионной. При большей разности соединение можно считать ионным.

10) Основные положения теории строения вещества:

Основные положения теории химического строения органических соединений были сформулированы профессором Казанского университета А. М. Бутлеровым в 1861 г.

1. Атомы в молекулах соединяются в строго определенном порядке в соответствии с валентностью элементов.

2. Свойства веществ зависят не только от их количественного и качественного состава, но и от того, в каком порядке соединены атомы в молекулах, т.е. от химического строения.

3. Атомы в молекулах взаимно влияют друг на друга.

4. Свойства веществ определяются их строением, и, наоборот, зная строение, можно прогнозировать свойства.

5. Химическое строение веществ может быть установлено химическими методами.

Теория химического строения А.М. Бутлерова претерпела эволюцию, важнейшие направления которой:

1. Появление электронных теорий в органической химии, позволявших сформулировать зависимость химического поведения органических веществ от электронного строения.

2. Стереохимические представления, определившие связь химических свойств веществ с пространственным строением.

Особенности органических соединений, их многообразие определяются, прежде всего, электронным строением атома углерода, который в органических соединениях проявляет валентность равную четырем и может находиться в sp³-, sp²- и sp-гибридном состоянии. Поэтому связь между атомами может осуществляться одной, двумя и тремя электронными парами, т.е. быть одинарной (σ - связь), двойной (1σ - связь и 1π - связь), тройной (1σ - связь и 2 π - связи). Исключительное свойство углерода – способность образовывать цепи атомов различной длины и циклические структуры.

11) Полярность ковалентной связи. Диполные моменты молекул.

Разновидность ковалентной связи, образованной одинаковыми атомами, называют неполярной (H-H, Cl-Cl, F-F), а образованной разными атомами — полярной (H-Cl, H-F). Полярность ковалентной связи определяется степенью смещения общей электронной пары к одному из атомов. Полярность зависит от разности электроотрицательности образующих ее атомов. Вследствие смещения общей электронной пары на атомах возникают частичные заряды. Атом, от которого смещается электронная пара, приобретает частичный или эффективный положительный заряд d+ (дельта плюс), а атом, к которому смещены электроны связи — частичный (эффективный) отрицательный заряд d— (дельта минус). Чем полярнее связь, тем больше абсолютные значения эффективных зарядов на атомах. Так, в молекуле HF эффективный заряд на атоме водорода равен +0,43 (соответственно заряд на атоме фтора равен –0,43); в молекуле HCl эффективные заряды составляют величины +0,18 (H) и –0,18 (Cl), т.е. HF — более полярная молекула.

Дипольный момент электрический, векторная величина, характеризующая асимметрию распределения положительных и отрицательных зарядов в электрически нейтральной системе. Два одинаковых по величине заряда +qи —q образуют электрический диполь с дипольный момент m = q l, где l - расстояние между зарядами. Для системы изn зарядов q_i радиусы-векторы которых r_i,   Дипольный момент химической связи обусловлен смещением электронного облака в сторону одного из атомов. Связь называют полярной, если соответствующий дипольный момент существенно отличается от нуля. Возможны случаи, когда отдельные связи в молекуле полярны. а суммарный дипольный момент молекулы равен нулю; такие молекулы наз. неполярными (напр., молекулы СО₂ и CCl₄). Если же дипольный момент молекулы отличен от нуля, молекула наз. полярной. Напр., молекула Н₂О полярна; суммирование дипольных моментов двух полярных связей ОН также дает отличный от нуля дипольный момент, направленный по биссектрисе валентного угла НОН.

Порядок величины дипольный момент молекулы определяется произведением заряда электрона (1,6.10^-19 Кл) на длину химической связи (порядка 10^-10 м), т. е. составляет 10^-29 Кл.м. В справочной литературе дипольный момент молекул приводят в дебаях (Д или D), по имени П. Дебая; 1 Д = 3,33564.10^-30 Кл.м.

12. Представления о водородной и металической связи

ВОДОРОДНАЯ СВЯЗЬ (Н-связь) – особый тип взаимодействия между реакционно-способными группами, при этом одна из групп содержит атом водорода, склонный к такому взаимодействию. Водородная связь – глобальное явление, охватывающее всю химию. В отличие от обычных химических связей, Н-связь появляется не в результате целенаправленного синтеза, а возникает в подходящих условиях сама и проявляется в виде межмолекулярных или внутримолекулярных взаимодействий.

Отличительная черта водородной связи – сравнительно низкая прочность, ее энергия в 5–10 раз ниже, чем энергия химической связи. По энергии она занимает промежуточное положение между химическими связями и Ван-дер-ваальсовыми взаимодействиями, теми, что удерживают молекулы в твердой или жидкой фазе.

В формировании Н-связи участвуют три атома, два электроотрицательных (А и Б) и находящийся между ними атом водорода Н.

МЕТАЛЛИ́ЧЕСКАЯ СВЯЗЬ, вид химической связи атомов в веществах, обладающих металлическими свойствами.  Кристалл с металлической связью можно представить себе как решетку из положительно заряженных атомных ядер, погруженных в отрицательно заряженный «газ», состоящий из свободных электронов, который удерживает положительно заряженные ионы на определенных расстояниях друг от друга. От каждого атома может оторваться несколько свободных электронов и все эти электроны обобществляются.  Специфика металлической связи состоит в том, что в обобществлении электронов участвуют все атомы кристалла, и обобществленные электроны не локализуются вблизи своих атомов, а свободно перемещаются внутри решетки, т. е. они уже принадлежат не одному атому, как в случае ионной связи (см. ИОННАЯ СВЯЗЬ), и не паре соседних атомов, как в случае ковалентной связи (см. КОВАЛЕНТНАЯ СВЯЗЬ), а всему кристаллу в целом. Не имея локализованных связей, металлические кристаллы ( в отличие от ионных) не разрушаются при изменении положения атомов, т. е. им свойственна пластичность (ковкость) при деформациях.  Металлическая связь сферически симметрична. Для металлических кристаллов характерны большие координационные числа (см. КООРДИНАЦИОННОЕ ЧИСЛО), плотные упаковки частиц.. Благодаря наличию свободных электронов металлы обладают высокими электро- и теплопроводностью.

13.Открытие Д.И. Менделеевым периодического закона

Первый вариант Периодической таблицы элементов был опубликован Дмитрием Ивановичем Менделеевым в 1869 году - задолго до того, как было изучено строение атома. В это время Менделеев преподавал химию в Петербургском университете. Готовясь к лекциям, собирая материал для своего учебника "Основы химии", Д. И. Менделеев раздумывал над тем, как систематизировать материал таким образом, чтобы сведения о химических свойствах элементов не выглядели набором разрозненных фактов. Ориентиром в этой работе Д. И. Менделееву послужили атомные массы (атомные веса) элементов. После Всемирного конгресса химиков в 1860 году, в работе которого участвовал и Д. И. Менделеев, проблема правильного определения атомных весов была постоянно в центре внимания многих ведущих химиков мира, в том числе и Д. И. Менделеева. Располагая элементы в порядке возрастания их атомных весов, Д. И. Менделеев обнаружил фундаментальный закон природы, который теперь известен как Периодический закон: Свойства элементов периодически изменяются в соответствии с их атомным весом. Приведенная формулировка нисколько не противоречит современной, в которой понятие "атомный вес" заменено понятием "заряд ядра". Сегодня мы знаем, что атомная масса сосредоточена в основном в ядре атома. Ядро состоит из протонов и нейтронов. С увеличением числа протонов, определяющих заряд ядра, растет и число нейтронов в ядрах, а значит и масса атомов элементов. До Менделеева было предпринято несколько попыток систематизировать элементы по разным признакам. В основном объединялись сходные по своим химическим свойствам элементы. Например: Li, Na, K. Или: Cl, Br, I. Эти и некоторые другие элементы объединялись в так называемые "триады". Таблица из пяти таких "триад" была опубликована Доберейнером еще в 1829 году, но она включала лишь небольшую часть из известных к тому времени элементов. В 1864 году англичанин Дж. Ньюлендс заметил, что если располагать элементы в порядке возрастания их атомного веса, то примерно каждый восьмой элемент является своего рода повторением первого - подобно тому, как нота "до" (как и любая другая нота) повторяется в музыкальных октавах через каждые 7 нот (закон октав). Ниже показан вариант таблицы Ньюлендса, относящийся к 1865 году. Элементы, имеющие одинаковый атомный вес (по данным того времени) помещались под одним номером. Можно видеть, с какими трудностями столкнулся Ньюлендс - наметившиеся закономерности быстро разрушались, поскольку в его системе не была учтена возможность существования еще не открытых элементов. Доклад Ньюлендса «Закон октав и причины химических соотношений среди атомных весов» обсуждался на заседании Лондонского химического общества 1 марта 1866 года, а краткий отчет о нем публиковался в журнале «Сhemical News». Ньюлендс был близок к открытию Периодического закона, однако сама идея последовательной нумерации только известных к тому времени элементов не просто "ломала" плавное изменение их химических свойств - эта идея исключала возможность существования еще не открытых элементов, для которых в системе Ньюлендса просто не было места. Принципиальная новизна Периодического закона, открытого и сформулированного Д. И. Менделеевым спустя ровно три года, заключалась в следующем: 1. Устанавливалась связь между НЕСХОДНЫМИ по своим свойствам элементами. Эта связь заключается в том, что свойства элементов плавно и примерно одинаково изменяются с возрастанием их атомного веса, а затем эти изменения ПЕРИОДИЧЕСКИ ПОВТОРЯЮТСЯ. 2. В тех случаях, когда создавалось впечатление, что в последовательности изменения свойств элементов не хватает какого-нибудь звена, в Периодической таблице предусматривались ПРОБЕЛЫ, которые надо было заполнить еще не открытыми элементами. Мало того, Периодический закон позволял ПРЕДСКАЗЫВАТЬ свойства этих элементов.

14.Распределение электронов атома. Каждый электрон в атоме движется в первом приближении в центрально-симметричном некулоновском поле. Состояние электрона в этом случае определяется тремя квантовыми числами: n и m, физический смысл которых был выяснен.

Энергия состояния зависит в основном от чисел п и д. Кроме того, имеется слабая зависимость энергии от чисел ml и тs поскольку их значения связаны с взаимной ориентацией моментов, от которой зависит величина взаимодействия между орбитальным и собственным магнитными моментами электрона. За некоторыми исключениями, энергия состояния сильнее возрастает с увеличением числа n, чем с увеличением l. Поэтому, как правило, состояние с большим «обладает, независимо от значения l, большей энергией,

В нормальном (невозбужденном) состоянии атома электроны должны располагаться на самых низких доступных для них энергетических уровнях. Поэтому,казалось бы, в любом атоме в нормальном состоянии все электроны должны находиться в состоянии Is (я — 1, / = 0), а основные термы всех атомов должны быть типа 5-термов (L — Q). Опыт, однако, показывает, что это не так.

Объяснение наблюдаемых типов термов заключается в следующем. Согласно одному из законов квантовой механики, называемому принципом Паули¹), в одном и том же атоме (или в какой-либо квантовой системе) не может быть двух электронов, обладающих одинаковой совокупностью четырех квантовых чисел. Иными словами, в одном и том же состоянии не могут находиться одновременно два электрона.