Лекция № 2 Атомно-молекулярное учение. Основные понятия и законы химии (2 часа).

Цели:

1. Систематизация знаний о квантово-механической модели строения атома

2. Формирование готовности к поиску, созданию распространению, применению новшеств и творчества в образовательном процессе для решения профессионально-педагогических задач (ПК-13).

3. Систематизация знаний о основных законах химии

Содержание

Экспериментальные обоснования представлений об атоме как сложной системе. Открытие электрона. Радиоактивность. Основные характеристики α-,β- и γ- лучей. Модель атома Томсона. Опыты Резерфорда по рассеянию α-частиц. Планетарная модель атома. Ее достоинства и недостатки.

Теория атома водорода по Бору. Объяснение спектра атома водорода. Внутренние противоречия теории атома водорода по Бору. Попытки их устранения. Корпускулярно-волновой дуализм частиц. Принцип неопределенности Гейзенберга.

Квантово-механическая модель атома водорода. Квантовые числа как параметры, определяющие состояние электрона в атоме. Главное (n), орбитальное (l), магнитное (m_l) и спиновое (m_s) квантовые числа. Физический смысл квантовых чисел. Понятие об электронном облаке.

Атомные орбитали (АО). Основное и возбужденное состояние. Вырожденные состояния. Вид атомных s-,p-,d- и f- орбиталей.

Собственные угловой и магнитный моменты электрона (спин) и спиновое квантовое число m_s.Емкость электронных слоев.

Многоэлектронные атомы. Характеристические рентгеновские спектры атомов. Закон Мозли. Заряды ядер атомов. Три принципа заполнения орбиталей в атомах: принцип наименьшей энергии, принцип (запрет) Паули, правило Гунда. Порядок заполнения атомных орбиталей. Правило Клечковского. Электронные формулы. Символическая и графическая формы записи электронных формул.

Ядро как динамическая система протонов и нейтронов. Устойчивые и неустойчивые ядра.

Свойства изолированных атомов. Атомные радиусы (ковалентные, металлические).Энергия ионизации. Сродство к электрону. Электроотрицательность. Относительная электроотрицательность. Условные ионные радиусы. Магнитные свойства атомов. Диамагнетизм, парамагнетизм.

Методический инструментарий преподавателя

Работа с интернет источниками

Используемая литература

Основная литература

1. Ершов Ю.А., Попков В.А., Берлянд А.С., Книжник А.З. Общая химия. Биофизическая химия. Химия биогенных элементов: учеб. для вузов. - М.: Высшая школа, 2007. - 559 с. (Библиотека УлГПУ).

2. Князев Д.А., Смарыгин С.Н. Неорганическая химия: учебник для вузов. – М.: Дрофа, 2005. – 594 с. (Электронный ресурс. – Режим доступа: http://www.knigafund.ru/books/38247).

Дополнительная литература

1. Кузьменко Н.Е.  Сборник задач и упражнений по химии. - М.: Экзамен, 2002. – 542 с. (Библиотека УлГПУ)

2. Глинка Н.Л.   Общая химия: учеб. пособие для нехим. специальностей вузов. - М.: Интеграл-Пресс, 2007. - 727 с. (Библиотека УлГПУ)

3. Лидин Р.А. Химия. Полный сборник задач: для школьников старших классов и поступающих в вузы. – М.: Дрофа, 2007 - 610 с. (Электронный ресурс. – Режим доступа: http://www.knigafund.ru/books/38248).

Основные парадигмы современной химии:

Атомно-молекулярное строение вещества.

Электрическая (электронная) природа химической связи.

Однозначная связь строения вещества и его химических свойств (Периодичекий закон).

Химия Д.И.Менделеев: "Ближайший предмет химии составляет изучение однородных веществ, из сложения которых составлены все тела мира, превращений их друг в друга и явлений, сопровождающих такие превращения."

Атомно-молекулярное учение

Атомно-молекулярное учение развил и впервые применил в химии великий русский ученый М.В.Ломоносов. Основные положения этого учения изложены в работе "Элементы математической химии" (1741) и ряде других. Сущность учения Ломоносова можно свести к следующим положениям.

1. Все вещества состоят из "корпускул" (так Ломоносов называл молекулы).

2. Молекулы состоят из "элементов" (так Ломоносов называл атомы).

3. Частицы - молекулы и атомы - находятся в непрерывном движении. Тепловое состояние тел есть результат движения их частиц.

4. Молекулы простых веществ состоят из одинаковых атомов, молекулы сложных веществ - из различных атомов.

На международном съезде химиков г. Карлсруэ в 1860 г. были приняты определения понятий молекулы и атома.

Атом (от греч. atomos – неделимый), наименьшая частица химического элемента, носитель его свойств. Каждому химическому элементу соответствует совокупность определенных атомов.

Элементы химические, совокупности атомов с определенным зарядом ядра Z.

Д.И.Менделеев определял Э.Х. так: "материальные части простых или сложных тел, которые придают им известную совокупность физических и химических свойств". Формами существования Э.Х. в свободном виде являются простые вещества.

Молекула (новолат. molecula, уменьшит. от лат. moles – масса), микрочастица, образованная из двух или большего числа атомов и способная к самостоятельному существованию. Имеет постоянный состав (качественный и количественный) входящих в нее атомных ядер и фиксированное число электронов и обладает совокупностью свойств, позволяющих отличать одну молекулу от других, в т.ч. от молекул того же состава.

Ионы (от греч. ion – идущий), одноатомные или многоатомные частицы, несущие электрический заряд. Положительные ионы называют катионами (от греч. kation, буквально – идущий вниз), отрицательные – анионами (от греч. anion, буквально идущий вверх). В свободном состоянии существуют в газовой фазе (в плазме).

Валентность (от лат. valentia – сила), способность атома присоединять или замещать определенное число других атомов или атомных групп с образованием химической связи. Количественной мерой валентности атома элемента Э служит число атомов водорода или кислорода (эти элементы принято считать соответственно одно- и двухвалентными), которые Э присоединяет, образуя гидрид ЭНх или оксид ЭnОm.

Валентность элемента может быть определена и по другим атомам с известной валентностью. …

В рамках электронной теории химической связи валентность атома определяется числом его неспаренных электронов в основном или возбужденном состоянии, участвующих в образовании общих электронных пар с электронами других атомов.

В химии понятие “валентность” так же относительно, как в физике – “энергия”.

Попробуем оценить энергию стакана воды, стоящего на столе. Это, во-первых, потенциальная энергия 180 г воды (для простоты 10 моль). Но это и возможная энергия, которая выделится из протонов воды при нуклеосинтезе:

4 1H → 4He + 26,7 МэВ

1 эВ = 96,48 кДж/моль; 1 МэВ = 96480000 кДж/моль

Реакции химические (от лат. re- – приставка, означающая обратное действие, и actio – действие), превращения одних веществ (исходных соединений) в другие (продукты реакции) при неизменяемости ядер атомов.

Исходные вещества иногда называют реагентами, однако чаще (особенно в органической химии) термин “реагент” используют по отношению к одному, наиболее активному исходному соединению, определяющему направление химической реакции.

Химический элемент - это определенный вид атомов с одинаковым положительным зарядом ядра.

Известно 107 элементов. В настоящее время продолжаются работы по искусственному получению химических элементов с более высокими порядковыми номерами.

Все элементы обычно делят на металлы и неметаллы. Однако это деление условно. Важной характеристикой элементов является их распространенность в земной коре, т.е. в верхней твердой оболочке Земли, толщина которой принята условно равной 16 км. Распределение элементов в земной коре изучает геохимия - наука о химии Земли. Геохимик А.П.Виноградов составил таблицу среднего химического состава земной коры. Согласно этим данным самым распространенным элементом является кислород кислород лат Oxygenium. О, химический элемент химический элемент Вид атомов, характеризующийся определенным зарядом ядра, строением электронных оболочек. Известно 109 элементов (1983 г.).VI группы периодической системы, атомный номер 8, атомная масса 16. Наиболее распространенный элемент на Земле. В атмосфере содержится 23,10 % по массе (20,95 % по объему) свободного кислорода, в гидросфере и литосфере - соотв. 85,82 и 47 % по массе связанного кислорода. В организме человека его содержится около 65 %.- 47,2 % массы земной коры, затем следует кремний кремний лат. Silicium. Si, химический элемент IV группы периодической системы, атомный номер 14, атомная масса 28,09. Второй по распространенности в земной коре после кислорода (27,6 % по массе). - 27,6, алюминий алюминий От лат. Aluminis - квасцы; лат. Aluminium. Al, химический элемент III группы периодической системы, атомный номер 13, атомная масса 26,98 . Содержание в земной коре 8,8% по массе. - 8,80, железо железо лат. Ferrum. Fe, химический элемент VIII группы периодической системы, атомный номер 26, атомная масса 55,85. Один из самых распространенных элементов в природе. Содержание в земной коре 4,65 % по массе.- 5,10,кальций. Кальций от лат. calos - известь; лат. Calcium Ca, химический элемент II группы периодической системы, атомный номер 20, атомная масса 40,08; щелочноземельный металл. По распространенности в земной коре занимает пятое место (после O, Si, Al, Fe) - 3,38 % по массе.- 3,6, натрий натрий Лат. Natrium Na, химический элемент I группы периодической системы, атомный номер 11, атомная масса 22,99; щелочной металл. Содержание в земной коре 2,64 %, в гидросфере 2,9 % по массе.- 2,64, калий - 2,6, магний. Магний. Лат. Magnesium.Mg, химический элемент II группы периодической системы, атомный номер 12, атомная масса 24,3; щелочноземельный металл. Содержание в земной коре 2,35 % по массе.- 2,10, водород водород Лат. Hydrogenium, от греч. Hydor - вода, Gennao – рождаю Н, первый, наиболее легкий химический элемент периодической системы, атомная масса 1,0794. Самый распространенный элемент Вселенной.- 0,15 %.

После доказательства существования атомов и молекул важнейшим открытием атомно-молекулярной теории стал закон сохранения массы, который был сформулирован в виде философской концепции великим русским ученым Михаилом Васильевичем Ломоносовым (1711-1765) в 1748 г. и подтвержден экспериментально им самим в 1756 г. и независимо от него французским химиком А.Л. Лавуазье в 1789 г.

Масса всех веществ, вступающих в химическую реакцию, равна массе всех продуктов реакции.

Опыты по сжиганию веществ, которые проводились до Ломоносова, наводили на мысль о том, что масса веществ в процессе реакции не сохраняется. При нагревании на воздухе ртуть ртуть Hg. Химический элемент I группы периодической системы, атомный номер 80, атомная масса 200,59. Содержание в земной коре 7·10^-6 % по массе, в морской воде 0,03 мг/г. превращалась в красную окалину, масса которой была больше массы металла. Масса золы, образующейся при сгорании дерева, напротив, всегда меньше массы исходного вещества.

Ломоносов провел простой опыт, который показал, что горение металла есть реакция присоединения, а увеличение массы металла происходит за счет присоединения части воздуха. Он прокаливал металлы в запаянном стеклянном сосуде и обнаружил, что масса сосуда не изменялась, хотя химическая реакция химическая реакция.

После того, как сосуд был вскрыт, туда устремлялся воздух, и масса сосуда увеличивалась. Таким образом, при аккуратном измерении массы всех участников реакции выясняется, что масса веществ при химической реакции сохраняется. Закон сохранения массы имел огромное значение для атомно-молекулярной теории. Он подтвердил, что атомы являются неделимыми и при химических реакциях не изменяются. Молекулы при реакции обмениваются атомами, но общее число атомов каждого вида не изменяется, и поэтому общая масса веществ в процессе реакции сохраняется.

Закон сохранения массы является частным случаем общего закона природы - закона сохранения энергии, который утверждает, что энергия изолированной системы постоянна. Энергия - это мера движения и взаимодействия различных видов материи. При любых процессах в изолированной системе энергия не производится и не уничтожается, она может только переходить из одной формы в другую.

Одной из форм энергии является так называемая энергия покоя, которая связана с массой соотношением Эйнштейна

Е₀ = m₀ · с²,

где с - скорость света в вакууме (с = 3 · 10⁸ м/с). Это соотношение показывает, что масса может переходить в энергию и наоборот. Именно это и происходит во всех ядерных реакциях, и поэтому закон сохранения массы в ядерных процессах нарушается. Однако, закон сохранения энергии остается справедливым и в этом случае, если учитывать энергию покоя.

В химических реакциях изменение массы, вызванное выделением или поглощением энергия, очень мало. Типичный тепловой эффект химической реакции тепловой эффект химической реакции Разность в энергосодержании исходных веществ и продуктов реакции. по порядку величины равен 100 кДж/моль. Посчитаем, как при этом изменяется масса:

∆m = ∆E / с² = 10⁵ / (3 · 10⁸)² ~ 10^-12 кг/моль = 10 ^-9 г/моль.

К основным законам химии относится закон постоянства состава:

Всякое чистое вещество вещество Электронно-ядерная форма бытия материи. Все вещества состоят из молекул, которые состоят из атомов, связанных между собой химическими связями. Молекула может быть одноатомной.независимо от способа его получения всегда имеет постоянный качественный и количественный состав.

Атомно-молекулярное учение позволяет объяснить закон постоянства состава. Поскольку атомы имеют постоянную массу, то и массовый состав вещества в целом постоянен.

Закон постоянства состава впервые сформулировал французский ученый-химик Ж.Пруст в 1808 г. Он писал: "От одного полюса Земли до другого соединения имеют одинаковый состав и одинаковые свойства. Никакой разницы нет между оксидом железа из Южного полушария и Северного. Малахит из Сибири имеет тот же состав, как и малахит из Испании. Во всем мире есть лишь одна киноварь".

В этой формулировке закона, как и в приведенной выше, подчеркивается постоянство состава соединения независимо от способа получения и места нахождения.

Развитие химии показало, что наряду с соединениями постоянного состава существуют соединения переменного состава. По предложению Н.С. Курнакова первые названы дальтонидами (в память английского химика и физика Дальтона), вторые - бертоллидами (в память французского химика Бертолле, предвидевшего такие соединения). Состав дальтонидов выражается простыми формулами с целочисленными стехиометрическими индексами, например Н₂О, НCl, ССl₄, СO₂. Состав бертоллидов изменяется и не отвечает стехиометрическим отношениям в формулах содержится дробный индекс.

В связи с наличием соединений переменного состава в современную формулировку закона постоянства состава следует внести уточнение.

Cостав соединений молекулярной структуры, т.е. состоящих из молекул, - является постоянным независимо от способа получения. Состав же соединений с немолекулярной структурой (с атомной, ионной и металлической решеткой) не является постоянным и зависит от условий получения.

Универсальный газовый закон

Изучение свойств газообразных веществ и химических реакций с участием газов сыграло важную роль в становлении атомно-молекулярной теории. Состояние идеального газа заданной массы характеризуется тремя параметрами: давлением Р, объемом V и температурой Т. Между этими величинами были экспериментально установлены следующие соотношения:

1) При постоянной температуре

Р₁V₁ = Р₂V₂, или РV = const (закон Бойля - Мариотта).

2) При постоянном давлении

V₁/T₁ = V₂/Т₂, или V/Т = const (закон Гей - Люссака).

3) При постоянном объеме

Р₁/T₁ = Р₂/Т₂, или Р/Т= const (закон Шарля).

Эти три закона можно объединить в один универсальный газовый закон:

P₁V₁/T₁ = Р₂V₂/Т₂, или РV/Т = const.

Это уравнение было установлено французским физиком Б.Клапейроном в 1834 г. Значение постоянной в уравнении зависит только от количества вещества газа. Уравнение для одного моля газа было выведено Д.И.Менделеевым в 1874 г. Для 1 моля газа постоянная называется универсальной газовой постоянной и обозначается R:

PV = RT,

где

R = 8,314 Дж/(моль·К) = 0,0821 л·атм/(моль·К).

Уравнение Клапейрона - Менделеева

Для произвольного количества газа v правую часть этого уравнения надо умножить на v:

РV = vRТ,

И, наконец, подставляя в это уравнение выражение для числа молей, находим наиболее общее уравнение состояния идеального газа

PV = (m/M)·RT

которое называется уравнением Клапейрона - Менделеева. Это уравнение справедливо для всех газов в любых количествах и для всех значений Р, V и Т, при которых газы можно считать идеальными. Рассмотрим некоторые следствия из уравнения Клапейрона - Менделеева.

Нормальными условиями (сокращенно н.у.) для газов считаются давление Р₀ = 1 атм = 101,325 кПа и температура Т₀ = 273,15 К = О°С. Найдем объем одного моля газа при н.у.:

Vm = RТ₀ / Р₀ = 8,314 · 273,15 / 101,325 = 22,413 л.

Уравнение Клапейрона-Менделеева позволяет найти количество вещества газа по его объему. При нормальных условиях

v = V / Vm = V / 22,413 л.

При произвольных условиях

v = PV/(RT),

при этом объем газа следует выражать в литрах, а значение R зависит от размерности давления. Многие химические реакции, в том числе и газовые, проводятся при постоянных температуре и давлении. При этих условиях из уравнения Клапейрона-Менделеева следуют два замечательных результата.

1) V = vRT / P = v · (RT / P).

Выражение в скобках является постоянным при Р = const и Т = const. Это означает, что V₁ / v₁ = V₂ / v₂, или V ~ v

Следовательно, объем газа прямо пропорционален числу молей (и числу молекул), причем коэффициент пропорциональности (RT / Р) одинаков для всех газов и зависит только от давления и температуры. Это есть не что иное, как закон Авогадро.

Из этого же утверждения вытекает закон объемных отношений Гей - Люссака. При стехиометрических расчетах газовых реакций число молей газов можно заменять их объемом.

2) Найдем с помощью уравнения Клапейрона-Менделеева выражение для плотности газов.

ρ = m / V = РМ / RТ = (Р / RТ) · М.

Выражение в скобках является постоянным при Р = const и Т = const. Это означает, что

ρ₁ / M₁ = ρ₂ / M₂, или ρ ~ M.

Следовательно, плотность газов прямо пропорциональна их молярной массе при заданных давлении и температуре. Этот результат позволяет ввести относительную плотность газов, которая показывает, во сколько раз один газ газ От греч. - хаос, беспорядок. Агрегатное состояние вещества, характеризующееся большим расстоянием и очень слабым взаимодействием между частицами. Молекулы газа заполняют весь предоставленный объем. Газы имеют маленькую плотность и легко сжижаются.тяжелее другого. Плотность газа В по газу А определяется следующим образом:

D_A(B) = ρ(B)/ ρ(A) = M(B)/M(A).

Уравнение химической реакции – модель и реальность

Превращения веществ, сопровождающиеся изменением их состава и (или) строения, называются химическими реакциями. Часто встречается и такое определение: химической реакцией называется процесс превращения исходных веществ (реагентов) в конечные вещества (продукты).

Химические реакции записываются посредством химических уравнений и схем, содержащих формулы исходных веществ и продуктов реакции. В химических уравнениях, в отличие от схем, число атомов каждого элемента одинаково в левой и правой частях, что отражает закон сохранения массы.

В левой части уравнения пишутся формулы исходных веществ (реагентов), в правой части - веществ, получаемых в результате протекания химической реакции (продуктов реакции, конечных веществ). Знак равенства, связывающий левую и правую часть, указывает, что общее количество атомов веществ, участвующих в реакции, остается постоянным. Это достигается расстановкой перед формулами целочисленных стехиометрических коэффициентов, показывающих количественные соотношения между реагентами и продуктами реакции.

В химических уравнениях могут содержатся дополнительные сведения об особенностях протекания реакции. Процесс превращения исходных веществ в продукты реакции протекает под влиянием внешних воздействий (температура, давление, излучение и т.д.), это указывается соответствующим символом, как правило, над (или "под") знаком равенства.

Далеко не всегда химические реакции строго соответствуют тщательно

уравненным уравнениям. В большинстве случаев уравнение отражает либо основной процесс, либо наиболее желательный.

Однозначным уравнением невозможно, например, описать реакции растворения в

азотной кислоте многих металлов – одновременно идут процессы образования NO₂, NO, NO₂, N₂, NH₄NO₃.

В некоторых учебниках и пособиях по химии можно встретить уравнение

реакции горения черного (дымного) пороха – самого древнего боевого взрывчатого

вещества:

2 KNO₃ + S + 3 C = K₂S + 3 CO₂ + N₂

Левая часть уравнения примерно отражает состав реальных порохов. Однако правая часть не согласуется с экспериментальными данными. В продуктах сгорания черного пороха обнаружено не менее 8 твердых и 6 газообразных веществ. Авторы книги, ориентированной на специалистов-практиков [5], предлагают уравнение, более соответствующее реальности, но не отвечающее принятым правилам записи (свободные

углерод и сера слева и справа):

74 KNO₃ + 96 C + 30 S + 16 H₂O = 35 N₂ + 56 CO₂ + 14 CO + 3 CH₄ + 2 H₂S + 4 H₂ +

+ 19 K₂CO₃ + 7 K₂SO₄ + 8 K₂S₂O₃ + 2 K₂S + 2 KSCN + (NH₄)₂CO₃ + C + S

Наличие слева воды не удивительно, поскольку в буром древесном угле, используемом в

производстве черного пороха, содержание углерода обычно не превышает 75%; такой

уголь содержит фрагменты молекул целлюлозы. Кроме того, еще в XIX веке была

обнаружена и исследована значительная зависимость состава продуктов горения

черного пороха от давления – следовательно, уравнение зависит от условий

осуществления реакции [6].

Огромное число химических реакций может быть сгруппировано в несколько типов реакций, которым присущи вполне определенные признаки.

В качестве классификационных признаков могут быть выбраны следующие:

1. Число и состав исходных веществ и продуктов реакции.

2. Агрегатное состояние реагентов и продуктов реакции.

3. Число фаз, в которых находятся участники реакции.

4. Природа переносимых частиц.

5. Возможность протекания реакции в прямом и обратном направлении.

6. Знак теплового эффекта определяет принадлежность реакций к термохимическим:

экзотермические реакции, протекающие с экзо-эффектом - выделение энергии в форме теплоты (Q>0, ∆H <0):

С + О₂ = СО₂ + Q

и эндотермические реакции, протекающие с эндо-эффектом - поглощением энергии в форме теплоты (Q < 0, ∆ H > 0):

N₂ + О₂ = 2 NО - Q.

Рассмотрим более подробно каждый из типов реакций.

Классификация по числу и составу реагентов и конечных веществ