Министерство образования Российской Федерации
Балтийский государственный технический университет «Военмех»
Кафедра химии
А. П. КИСЕЛЕВ, А.А. КРАШЕНИННИКОВ
ОСНОВЫ ОБЩЕЙ ХИМИИ
Часть 1
Строение вещества
Учебное пособие
Санкт-Петербург 2002
УДК 541(075.8)
ББК 24.1
К44
К
К44
Основы общей химии. Ч.1. Строение вещества: Учебное пособие / Балт. гос. техн. ун-т. СПб., 2002. 109 с.
Пособие содержит материалы по вопросам строения атома, химической связи и строения твердых веществ в соответствии с одноименными разделами курса химии.
Предназначено для самостоятельной подготовки студентов всех специальностей.
УДК 541(075.8)
ББК 24.1
Рецензенты: кафедра общей и неорганической химии Санкт-Петербургского государственного политехнического университета (зав. каф. д-р. хим. наук, проф. Л.Н. Блинов); зав. каф. физической химии Санкт-Петербургского государственного технологического института (университета), д-р. хим. наук, проф. Л.В. Пучков
Утверждено
редакционно-издательским
советом университета
БГТУ, СПб., 2002
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ 4
ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ ЕДИНИЦЫ ИЗМЕРЕНИЙ 6
И ОСНОВНЫЕ КОНСТАНТЫ 6
1 . СТРОЕНИЕ АТОМА 6
1.1 . Предпосылки возникновения волновой механики 7
1.1.1.Корпускулярно-волновая природа электромагнитного излучения 7
1.1.2. Теория строения атома Бора 8
1.1.3. Корпускулярно-волновой дуализм свойств материи 9
Рис. 1.2. Схема опыта дифракции электронов: U (В) – напряжение ускоряющего электрического поля 10
1.1.4. Принцип неопределенности 10
1.2 . Волновая (квантовая) механика 11
1.2.1.Волновое уравнение. Уравнение Шредингера 11
1.2.2.Решение уравнения Шредингера для простейших случаев 13
потенциального ящика 13
1.3 . Квантово-механическая модель атома 17
1.3.1. Основное состояние атома водорода 17
1.3.2. Радиальное распределение электронной плотности. 19
Электронная орбиталь 19
Рис. 1.8. Элементарный сферический слой: dV = 4r2dr - объем сферического слоя 19
1.3.3.Возбужденные состояния атома водорода 20
Рис. 1.13. Диаграмма энергетических состояний электрона в атоме водорода 22
Рис. 1.14. Функции радиального распределения электронной плотности для различных энергетических состояний атома водорода 23
Рис. 1.15. Вероятность нахождения электрона атома водорода в объеме сферы радиуса r, занимающего 3s, 3p или 3d-орбиталь 23
1.3.4. Многоэлектронные атомы 23
Рис. 1.16. Схема изменения энергии орбиталей в зависимости от Z 24
Рис. 1.17. Диаграмма энергетических состояний невозбужденного многоэлектронного атома 25
Рис. 1.18. Схема снятия вырождения для s и р энергетических состояний 25
в электромагнитное поле 25
1.3.5. Электронные конфигурации многоэлектронных атомов 25
Рис. 1.19. Энергетическая схема заполнения электронных орбиталей 26
1.3.6.Связь периодического закона со строением атома 26
1.3.7.Физико-химические характеристики атома 27
Рис. 1.21. Зависимость атомного радиуса от заряда ядра 28
Энергия ионизации в многоэлектронном атоме может быть определена для каждого электрона. Первая энергия ионизации – удаление электрона из нейтрального атома, вторая – отрыв электрона от однозарядного иона и т. д. Теоретически сколько электронов в атоме, столько и энергий ионизации: (Еи)n+1 > (Еи)n. 28
2 . ХИМИЧЕСКАЯ СВЯЗЬ 30
2.1 . Основные характеристики химической связи. Классификация моделей описания химической связи 30
2.1.1.Основные параметры химической связи 30
Рис. 2.10. Зависимость энергии электростатического взаимодействия двух атомов от расстояния между ними 31
2.1.2.Типы химической связи 31
2.2.1. Метод валентных связей (ВС) 33
Рис. 2.12. Схема электростатического взаимодействия электронов и ядер в молекуле водорода 33
Рис. 2.13. Зависимость изменения энергии молекулы и распределение электронной плотности в молекуле водорода в случае описания системы симметричной (S) и антисимметричной функцией (A) 35
2.2.2.Кратные связи. - и -связи 35
Рис. 2.14. Схема образования -связи 36
Рис. 2.17. Схема образования кратных связей: py-py – одна -связь, px-px, pz-pz – две -связи 37
2.2.3. Геометрия простейших молекул. Гибридизация АО 37
Рис. 2.20. Схема образования связи в молекуле BeH2 39
Рис. 2.21. Схема образования связи в молекуле BF3 39
Рис. 2.22. Схема ориентации в пространстве четырех sp3-гибридных орбиталей 39
Рис. 2.23. Схема ориентации в пространстве четырех dsp2-гибридных орбиталей 39
Рис. 2.24. Схема ориентации в пространстве шести d 2sp3-гибридных орбиталей 40
2.2.4. Донорно-акцепторный механизм образования ковалентной связи 40
Рис. 2.25. Схема образования ковалентной связи в молекуле СО 40
Рис. 2.26. Схема образования ковалентной связи в ионе аммония 41
Рис. 2.27. Схема образования ковалентной связи в ионе [BF4] 41
2.2.5.Метод молекулярных орбиталей (МО) 41
Рис. 2.28. Схема распределения электронной плотности связывающей и разрыхляющей 42
орбиталей в молекулярном ионе водорода 42
Рис. 2.29. Зависимость энергии системы ((r)) от межъядерного расстояния (а), 42
энергетическая диаграмма молекулярного иона водорода (б) 42
Рис. 2.30. Энергетическая диаграмма молекулярных орбиталей для ns- и np- АО в случае 43
слабого взаимодействия s и p-электронов 43
Рис. 2.31. Энергетическая диаграмма молекулярных орбиталей для ns- и np- АО с учетом взаимодействия s и p-электронов 44
2.3. Полярность связи. Дипольный момент молекулы 44
Рис. 2.32. Схема образования диполя 44
в гетероядерной молекуле АВ 44
3 . ХИМИЧЕСКАЯ СВЯЗЬ В ТВЕРДЫХ ВЕЩЕСТВАХ 45
И ЖИДКОСТЯХ 45
3.1 . Агрегатные состояния 45
3.2 .Межмолекулярное взаимодействие 47
3.2.1.Межмолекулярные взаимодействия (силы Ван-дер-Ваальса) 47
3.2.2.Водородная связь 48
Рис. 3.33. Схема образования тетраэдрической пространственной структуры воды в кристаллическом и жидком состояниях: - ковалентная связь, - водородная связь 49
Рис. 3.34. Схема образования зигзагообразной цепи в твердом HF: - ковалентная связь, - водородная связь 49
3.3 .Химическая связь в твердом теле 49
3.3.1.Основные понятия о строении кристаллов 49
Рис. 3.35. Первые два слоя плотнейшей упаковки шаров 50
Рис. 3.36. Кристаллическая решетка и ее элементарная ячейка 50
Рис. 3.37. Типы элементарных ячеек кубических кристаллических решеток 51
Рис. 3.38. Индексы Миллера для обозначения основных кристаллографических плоскостей 51
в кубическом кристалле 51
3.3.2.Молекулярные кристаллы 51
3.3.3.Ковалентные (атомные) кристаллы 51
3.3.4.Ионные кристаллы. Ионный тип химической связи 52
Таблица 3.3 53
Энергия кристаллической решетки, рассчитанная по уравнению Борна, 53
из термодинамики и измеренная экспериментально 53
3.3.5.Металлические кристаллы. Металлическая химическая связь 54
Рис. 3.40. Зависимость температуры плавления (tпл) и кипения (tкип), энтальпии плавления (Нпл) и кипения (Нкип), твердости по Бринелю простых веществ 4-го периода от числа электронов на внешнем энергетическом уровне (число электронов сверх полностью заполненной оболочки благородного газа Ar) 55
Рис. 3.41. Фрагмент кристаллической решетки калия и возможные варианты образования единичных химических (общих электронных пар) между соседними атомами 56
3.3.6.Зонная модель кристаллического тела 56
Рис. 3.42. Построение энергетических зон при последовательном присоединении атомов 57
Рис. 3.43. Распределение электронов по энергетическим состояниям для металлов 58
3.3.7.Металлы, полупроводники и диэлектрики 58
3.3.8.Кристаллические материалы 59
Рис. 3.44. Точечные дефекты в решетке ионного кристалла: A+G – катионы в узлах решетки; 60
B-G - анионы в узлах решетки; вакансии: Vc – катионные; Va – анионные; межузельные ионы: A+I катион; или B-I - анион; примесные ионы в узле решетки: катион (P+G) или анион (P-G); примесный атом или ион в межузельном положении (PI) 60
Рис. 3.46. Краевая дислокация 62
Рис. 3.47. Винтовая дислокация 62
3.3.9.Аморфные твердые тела 62
Рис. 3.48. Проекция структуры кристаллического и стеклообразного SiO2: - атом кремния, - атом кислорода 63
3.4 .Химическая связь в жидкостях 63
3.4.1.Жидкое состояние вещества 63
3.4.2.Жидкие кристаллы 64
Рис. 3.49. Структурная формула молекул веществ, которые могут находиться 64
в жидкокристаллическом состоянии 64
Рис. 3.50. Взаимное расположение молекул в нематическом и смектическом жидком кристаллах 64
Библиографический список 65
«Природе все равно, как мы это назовем,
она просто делает свое дело».
Р. Фейнман