45

Введение

Данное пособие представляет собой вторую часть курса “Теоретические основы химии” и включает в себя изложение ряда вопросов строения вещества. Основой для написания пособия послужил материал лекций и семинаров, читаемых и проводимых автором со студентами первого курса РХТУ им. Д.И. Менделеева.

Наличие упражнений и задач по каждому разделу позволяет студенту самостоятельно готовиться как к контрольным работам и коллоквиумам, так и к экзаменам.

В пособии рассмотрены лишь начальные сведения о природе химической связи и принципах устройства молекул. Более глубоко и подробно эти вопросы будут освещаться в курсе “Квантовая химия” и специальных курсах. Тем не менее, эти начальные знания необходимы, а порой и достаточны, для успешного изучения неорганической химии или химии элементов. Изложению этих вопросов будет посвящено третье учебное пособие, входящее в группу учебных пособий, объединённых названием “Начала химии”.

Пособие будет полезно старшеклассникам школ с углубленным изучением химии и их педагогам, слушателям подготовительных курсов и студентам заочных форм обучения.

1. Строение атома

1.1. Спектры испускания

Количественные спектральные данные – один из основных источников информации о внутреннем строении вещества. Все виды излучений – радио, микроволновое, тепловое или инфракрасное (ИК), видимое, ультрафиолетовое (УФ), рентгеновское и гамма – являются различными проявлениями одного и того же электромагнитного излучения. Характеристиками излучения (волнового процесса) являются: амплитуда (А), длина волны (), частота излучения () и скорость (с) (рис. 1.1).

Рис. 1.1. Характеристики волнового процесса

Электромагнитное излучение распространяется со скоростью света (С300000 км/с). Для характеристики волнового процесса (излучения) широко используется так называемое волновое число ( ν ), равное величине, обратной длине волны:

Отсюда ясен физический смысл волнового числа – число длин волн, укладывающихся на единице длины. На рис. 1.2 в логарифмической шкале представлен спектр электромагнитного излучения (длина волны выражена в см).

Рис. 1.2. Спектр электромагнитного излучения

Атомы в возбужденном состоянии испускают или поглощают излучение определённых длин волн; атом каждого элемента имеет свой индивидуальный спектр, позволяющий качественно и количественно идентифицировать этот атом.

Для атомного (элементного) анализа наиболее часто используют спектры испускания. Изучаемое вещество вводят в источник энергии, где вещество диссоциирует на атомы, переходящие в возбужденное состояние. Испускаемое ими излучение пропускается через призму и разлагается в спектр, регистрируемый, например, на фотопластинке. Для возбуждения спектра и его регистрации используют специальные приборы – спектрографы.

Спектры испускания бывают: непрерывные (раскалённые кристаллические и жидкие тела, некоторые газы), полосатые (молекулярные) и линейчатые (атомные). Использование спектральных приборов высокой разрешающей способности показывает, что полосы состоят из большого числа линий, располагающихся близко друг к другу.

Наиболее простой спектр испускания у атомарного водорода. Он состоит из набора линий, объединяемых в серии, описываемые общей формулой (И. Ридберг):

, (1.1)

где R– постоянная Ридберга (не имеет никакого отношения к универсальной газовой постоянной!), равная 109677,58 см^–1;n₁иn₂– целые числа (n₂>n₁).

По фамилиям соответствующих исследователей эти серии получили названия:

n₁=1,n₂=2,3,4…, первая серия или серия Лаймана;

n₁=2,n₂=3,4,5…, вторая серия или серия Бальмера;

n₁=3,n₂=4,5,6…, третья серия или серия Пашена;

n₁=4,n₂=5,6,7…, четвертая серия или серия Брэккета;

n₁=5,n₂=6,7,8…, пятая серия или серия Пфунда.

Таким образом, число линий в спектре атомарного водорода бесконечно велико, при больших значениях n₂линии располагаются очень близко друг к другу и поэтому трудно различимы. Волновые числа линий спектральной серии могут быть выражены как разности функций целых чиселn₁иn₂:

(1.2)

Численные значения этих функций называются спектральными термами. Для атома водорода и одноэлектронных ионов (так называемые водородоподобные частицы, например Не⁺,Li²⁺,Be³⁺,B⁴⁺и т.д.) выражение для спектрального терма имеет вид:

, (1.3)

где z– заряд ядра частицы.

Экспериментально было установлено, что энергия излучения прямо пропорциональна частоте излучения (обратно пропорциональна длине волны). В 1900 г. немецкий исследователь Макс Планк для объяснения особенностей излучения нагретых тел выдвинул смелое предположение, что излучение испускается атомами не непрерывно (классический волновой процесс), а отдельными мельчайшими и неделимыми порциями – квантами. Величина энергии такого кванта составляет

, (1.4)

где h– постоянная величина, названная впоследствии постоянной Планка:

h= 6,625·10^–27эрг·с = 6,625·10^–34Дж·с.

Квант представляет собой минимальную энергию, на которую может изменяться энергия тела. Постоянная Планка – фундаментальная физическая постоянная нашего мира. Идея квантования оказалась чрезвычайно плодотворной для теории строения вещества и была в дальнейшем блестяще подтверждена многочисленными экспериментальными исследованиями.

По Планку атом излучает при переходе из состояния с энергией Е₂в состояние с энергией Е₁:

, (1.5)

Согласно соотношению (1.2):

, (1.6)

Для водородоподобного иона получаем:

(1.7)

Однако классическая модель была не способна объяснить спектры испускания, в частности, почему энергия атома меняется обратно пропорционально квадрату целого числа. Нужны были новые, революционные идеи; их дал датский учёный Нильс Бор.