Главная / Рефераты / Рефераты по химии
Реферат: Основы химии
Notice: Undefined variable: ref_img in /home/area7ru/area7.ru/docs/referat.php on line 323
Глава 1.
Общие химические и экологические закономерности.
С чего начинается химия?
Cложный ли это вопрос? На него каждый ответит по-своему.
В середней школе учащиеся изучают химию в течение ряда лет. Многие довольно хорошо сдают выпускной экзамен по химии. Однако…
Беседы с абитуриентами и затем и студентами первых курсов говорят о том, что остаточные знания по химии после средней школы незначительные.
Одни путаются в различных определениях и химических формулах, а другие вообще не могут воспроизвести даже основные понятия и законы химии, не говоря уже о понятиях и законах экологии.
У них химия так и не начиналась.
Химия, по-видимому, начинается с глубокого освоения ее основ, и прежде всего, основных понятий и законов.
1.1. Основные химические понятия.
В таблице Д.И.Менделеева рядом с символом элемента стоят цифры. Одна цифра обозначает порядковый номер элемента, а вторая атомную массу.
Порядковый номер имеет свой физический смысл. О нем мы будем вести разговор позже, здесь остановимся на атомной массе и выделим в каких единицах она измеряется.
Следует сразу оговориться, что атомная масса элемента, приведенная в таблице, величина относительная. За единицу относительной величины атомной массы принята 1/12 часть массы атома углерода, изотопа с массовым числом
12, и назвали ее атомной единицей массы /а.е.м./. Следовательно, 1 а.е.м. равна 1/12 части массы изотопа углерода 12С. И она равна 1,667*10–27 кг.
/Абсолютная масса атома углерода равна 1,99*10–26 кг./
Атомная масса, приведенная в таблице, является массой атома, выраженной в атомных единицах массы. Величина безразмерная. Конкретно для каждого элемента атомная масса показывает, во сколько раз масса данного атома больше или меньше 1/12 части массы атома углерода.
Аналогичное можно сказать и о молекулярной массе.
Молекулярная масса – это масса молекулы, выраженная в атомных единицах массы. Величина тоже относительная. Молекулярная масса конкретного вещества равна сумме масс атомов всех элементов, входящих в состав молекулы.
Важным понятием химии является понятие «моль». Моль – такое количество вещества, которое содержит 6,02*1023 структурных единиц /атомов, молекул, ионов, электронов и т.д./. Моль атомов, моль молекул, моль ионов и т.д.
Масса одного моля данного вещества называется его молярной /или мольной/ массой. Она измеряется в г/моль или кг/моль и обозначается буквой
«М». Например, молярная масса серной кислоты МН2SO4=98г/моль.
Следующее понятие «Эквивалент». Эквивалентом /Э/ называют такое весовое количество вещества, которое взаимодействует с одним молем атомов водорода или замещают такое его количество в химических реакциях. Следовательно, эквивалент водорода ЭН равен единице. /ЭН=1/. Эквивалент кислорода ЭО равен восьми /ЭО=8/.
Различают химический эквивалент элемента и химический эквивалент сложного вещества.
Эквивалент элемента – величина переменная. Она зависит от атомной массы
/А/ и валентности /В/, которую элемент имеет в конкретном соединении.
Э=А/В. Например, определим эквивалент серы в оксидах SO2 и SO3. В SO2
ЭS=32/4=8, а в SO3 ЭS=32/6=5,33.
Молярную массу эквивалента, выраженную в граммах, называют эквивалентной массой. Следовательно, эквивалентная масса водорода
МЭН=1г/моль, эквивалентная масса кислорода МЭО=8г/моль.
Химический эквивалент сложного вещества /кислоты, гидроксида, соли, оксида/– такое количество соответствующего вещества, которое взаимодействует с одним молем атомов водорода, т.е. с одним эквивалентом водорода или замещает такое количество водорода или любого другого вещества в химических реакциях.
Эквивалент кислоты /ЭК/ равен частному от деления молекулярной массы кислоты на число атомов водорода, участвующих в реакции. Для кислоты H2SO4, когда оба атома водорода вступают в реакцию H2SO4+2NaOH=Na2SO+2H2O эквивалент будет равен ЭН2SO4= МН2SO4 /nН=98/2=49
Эквивалент гидроксида /Эгидр. / определяется как частное от деления молекулярной массы гидроксида на число гидроксогрупп, вступающих в реакцию.
Например, эквивалент NaOH будет равен: ЭNaOH=МNaOH/nОН=40/1=40.
Эквивалент соли /Эсоли / можно рассчитать, поделив ее молекулярную массу на произведение числа атомов металла, вступающих в реакцию, и их валентность. Так, эквивалент соли Al2(SO4)3 будет равен
ЭAl2(SO4)3=МAl2(SO4)3 /6=342/2,3=342/6=57.
Эквивалент оксида /Эок / можно определить, как сумму эквивалентов соответствующих элемента и кислорода. Например, эквивалент СО2 будет равен сумме эквивалентов углерода и кислорода: ЭСО2=ЭС+ЭО=3+8=7.
Для газообразных веществ удобно пользоваться эквивалентными объемами
/ЭV /. Так как при нормальных условиях моль газа занимает объем 22,4л, то исходя из этой величины, легко определить эквивалентный объем любого газа.
Рассмотрим водород. Мольная масса водорода 2г занимает объем 22,4л, тогда его эквивалентная масса 1г занимает объем 11,2л /или 11200мл /.
Следовательно ЭVН=11,2л. Эквивалентный объем хлора равен 11,2л
/ЭVCl=11,2л/. Эквивалентный объем СО равен 3,56 /ЭVCО=3,56л/.
Химический эквивалент элемента или сложного вещества используется в стехиометрических расчетах обменных реакций, а в соответствующих расчетах окислительно–восстановительных реакций применяют уже окислительный и восстановительный эквиваленты.
Окислительный эквивалент определяют как частное от деления молекулярной массы окислителя на число электронов, которое он принимает в данной окислително–восстановительной реакции.
Восстановительный эквивалент равен молекулярной массе восстановителя поделенной на число электронов, которое он отдает в данной реакции.
Напишем окислително–восстановительную реакцию и определим эквивалент окислителя и восстановителя:
5N2aS+2KMnO4+8H2SO4=S+2MnSO4+K2SO4+5Na2SO4+8H2O
Окислителем в этой реакции является перманганат калия. Эквивалент окислителя будет равен массе KMnO4 деленной на число электронов, принятых окислителем в реакции (nе=5). ЭKMnO4=МKMnO4/nе=158/5=31,5. Молярная масса эквивалента окислителя KMnO4 в кислой среде равна 31,5г/моль.
Эквивалент восстановителя Na2S будет: ЭNa4S=МNa4S /nе=78/2=39. Молярная масса эквивалента Na2S равна 39г/моль.
В электрохимических процессах, в частности при электролизе веществ, пользуются электрохимическим эквивалентом. Электрохимический эквивалент определяют как частное от деления химического эквивалента вещества, выделяемого на электроде, на число Фарадея /F/. Электрохимический эквивалент более подробно будет рассмотрен в соответствующем параграфе курса.
Валентность. При взаимодействии атомов между ними образуется химическая связь. Каждый атом может образовывать только определенное количество связей. Количество связей предопределяет такое уникальное свойство каждого элемента, которое называют валентностью. В наиболее общем виде валентностью называют способность атома образовывать химическую связь. За единицу валентности принимают одну химическую связь, которую способен образовать атом водорода. В связи с этим, водород является одновалентным элементом, а кислород – двухвалентным, т.к. с атомом кислорода могут образовывать связь не более двух водородов.
Умение определять валентность каждого элемента, в том числе и в химическом соединении, является необходимым условием успешного усвоения курса химии.
С валентностью соприкасается и такое понятие химии как степень окисления. Под степенью окисления понимают тот заряд, который имеет элемент в ионном соединении или имел бы в ковалентном соединении, если бы общая электронная пара бала бы полностью смещена к более электроотрицательному элементу. Степень окисления имеет не только цифровое выражение, но и соответствующий знак заряда (+) или (–). Валентность не имеет этих знаков.
Например, в H2SO4 степень окисления: водорода +1, кислорода –2, серы +6, а валентность, соответственно, будет 1, 2, 6.
Валентность и степень окисления в числовых значениях не всегда совпадают по величине. Например, в молекуле этилового спирта СН3–СН2–ОН валентность углерода 6, водорода 1, кислорода 2, а степень окисления, например, углерода первого –3, второго –1: –3СН3––1СН2–ОН.
1.2. Основные экологические понятия.
За последнее время понятие “экология” глубоко входит в наше сознание.
Это понятие, введенное еще в 1869г Э.Геккелем /происходит от греческого oikos – дом, место, жилище, logos – учение/ все больше и больше тревожит человечество.
В учебниках биологии экологию определяют как науку о взаимоотношениях живых организмов и среды их обитания. Практически созвучное определение экологии дает Б.Небел в своей книге «Наука об окружающей среде» – Экология
– наука о различных аспектах взаимодействия организмов между собой и с окружающей средой. В других источниках можно встретить и более широкое толкование. Например, Экология – 1/. Наука, изучающая отношение организмов и их системных совокупностей и окружающей среды; 2/. Совокупность научных дисциплин, исследующих взаимоотношение системных биологических структур /от макромолекул до биосферы/ между собой и с окружающей средой; 3/.
Дисциплина, изучающая общие законы функционирования экосистем различного иерархического уровня; 4/. Комплексная наука, исследующая среду обитания живых организмов; 5/. Исследование положения человека как вида в биосфере планеты, его связей с экологическими системами и воздействие на них; 6/.
Наука о выживании в окружающей среде. /Н.А.Агиджанян, В.И.Торшик. Экология человека./. Однако под термином «экология» понимают не только экологию как науку, а само состояние окружающей среды и его влияние на человека, животный и растительный мир.
В экологии часто пользуются таким понятием как экосистема. Экосистема является основной функциональной единицей экологии. Экосистемой называют совокупность растений, животных и других организмов, взаимосвязанных между собой и с окружающей их средой, связанных таким образом, что система сохраняет свою устойчивость неограниченно долго. Понятие применяется как к системам, которые включают совокупность организмов, так и к системам, в которые входит один организм. Каждая экосистема является составной компонентой биосферы. Биосфера представляет собой тонкий слой вокруг планеты Земля, где взаимодействуют между собой воздух, вода и земля и где обитают живые организмы.
Экосистемы или их звенья, наиболее чувствительные к неблагоприятному воздействию антропогенных нагрузок, называют критическими. В критических звеньях природных экосистем аккумулируются загрязняющие вещества и создаются высокие нагрузки на биоту.
Биотой называют совокупность всех организмов экосистемы. Это исторически сложившаяся совокупность растений и животных, объединенных общей областью распространения. На биоту оказывает постоянное влияние абиотическая среда.
Абиотическая среда – это совокупность условий неорганической среды, воздействующих на живые организмы. Влияние абиотической среды на живое вещество происходит химическим путем – через химический состав атмосферы, почвы, природных вод, донных отложений и физическим /или климатическим/ путем через такие показатели климатических условий как температура, осадки, ветер, давление атмосферы, строение земной поверхности. Абиотическая среда может меняться в зависимости от степени антропогенного воздействия на окружающую среду, от антропогенной нагрузки.
Антропогенной нагрузкой называют созданный человеком искусственно или возникающей в результате его деятельности комплекс источников и факторов воздействия на окружающую среду. Антропогенная нагрузка может заключатся в интенсивном использовании природных ресурсов /например, добыча полезных ископаемых, вырубка леса и т.д./, а так же в загрязнении природной среды
/вода, воздух, почва/ путем выброса в атмосферу вредных, загрязняющих веществ, сброс сточных вод и т.д.
Загрязняющими веществами /плютантами/ являются всевозможные химические соединения, повышенное содержание которых в биосфере и ее компонентах вызывает негативную токсико-экологическую ситуацию. По агрегатному состоянию загрязняющие вещества делятся на три группы: газообразные, жидкие и твердые. В связи с этим, возникает необходимость изучения всех трех агрегатных состояний химических соединений. С другой стороны, загрязняющие вещества классифицируют по их химической природе и их воздействию на живые организмы. Естественно, особую опасность представляют загрязняющие вещества, оказывающие мутагенное влияние, результатом которого могут быть нарушения в системе воспроизводства потомства, и концерогенное, обуславливающее развитие злокачественных новообразований.
Поллютанты способны разрушить гомеостаз. Гомеостаз – поддержание на постоянном уровне жизненно важных констант живой системы: для внутренней среды высших животных это рН, ионный состав крови, температура, для биосферы – целостность генофонда и замкнутость биотического круговорота. В этом отношении большую роль играет соблюдение предельно допустимых концентраций /ПДК/. ПДК – это максимальное содержание загрязняющего химического вещества, не вызывающее прямого или косвенного негативного влияния на окружающую среду и здоровья человека, а также не приводящее к накоплению токсичных элементов в сельскохозяйственных культурах. Сейчас контроль за поступлением в природу поллютантов /загрязняющих веществ/ ведется постоянно. Этот контроль называется мониторингом.
Необходимо также сказать, что в экологии используются и такие понятия, как экологическая ниша, толерантность, токсикант и др.
Совокупность всех факторов среды в ареале /ареал – область распространения любой систематической группы организмов – популяций, вида, семейства/, при которых возможно существование определенного вида названа экологической нишей. С экологической нишей связано явление толерантности.
Толерантность – способность организмов относительно безболезненно выносить отклонение факторов среды жизни от оптимальных для него. Однако в природе ничего не остается без последствий. Особенно влечет за собой последствия воздействие на природу веществ-токсикантов. Токсикант – вредное химическое вещество, вызывающее отравление живого организма. О токсичности отдельных поллютантов будет рассказано в соответствующих параграфах курса.
1.3. Основные законы химии и экологии. Химико–экологические закономерности.
К основным законам химии относят так называемые стехиометрические законы. Стехиометрия устанавливает соответствие между количеством реагентов, вступающих в химическую реакцию и количеством продуктов, образующихся в результате реакции. Это соответствие осуществляется стехиометрическими коэффициентами, проставляемыми в уравнение реакции.
Первый закон, который рассматривается в курсе химии – закон сохранения массы и энергии. Можно по-разному подходить к этому закону, например, разделить на два: закон сохранения массы и закон сохранения энергии, или толковать его более широко, как закон сохранения материи. В экологизированном курсе химии целесообразно рассматривать эти законы отдельно, а затем сделать общий эколого-химический вывод.
Закон сохранения массы говорит о том, что в результате химических превращений сумма масс веществ до реакции и сумма масс веществ после реакции одинакова. Общая масса сохраняется, если даже в результате химического процесса получается небольшое количество полезного продукта.
Следовательно, основная масса веществ идет в отходы. И стоит задуматься, правильно ли выбран данный технологический процесс? Куда девать получаемые отходы? На наш взгляд, этот закон имеет глубокое эколого-философское значение. Прежде всего, насколько возможны безотходные технологии о которых много говорили не так давно. С другой стороны, какова ответственность авторов-разработчиков того или иного технологического процесса, выбрасываемого в отходы значительные массы «ненужных», иногда очень вредных веществ.
По закону сохранении энергии «Любая энергия не исчезает и не возникает, а только одни ее виды переходят в другие в эквивалентных количествах». В этом законе мы сознательно на первое место поставили сохранение энергии, так как следует еще провести дополнительные исследования превращения химической энергии в другие виды. Особенно, если химическая реакция протекает в условиях экосистем и с загрязняющими веществами.
К этим законам мы будем возвращаться в процессе изложения курса и будем развивать эколого-химические идеи, заложенные в них.
Закон постоянства состава раньше считали вторым по значимости среди химических законов. Он утверждает, что «каждое чистое вещество имеет постоянный качественный и количественный состав независимо от способов получения». Отсюда следует, что вещества, полученные разными способами, но имеющие один и тот же качественный и количественный состав, должны обладать одинаковыми химическими свойствами. Однако здесь необходимо сделать два уточнения. Во-первых, на химические свойства влияет не только качественный и количественный состав соединения, но и структура молекулы /взаимное расположение атомов/. В связи с этим, одно и тоже соединение, полученное разными методами, может отличаться по химическим свойствам. Но это не значит, что разный состав вещества, просто в различном порядке соединены друг с другом атомы. Во-вторых, закон постоянства состава выполняется при условии, что химическое соединение всегда состоит из одних и тех же изотопов данного элемента.
Закон кратных отношений применим к соединениям, образующимся из двух элементов. Если два элемента образуют друг с другом несколько химических соединений, то массы одного элемента, приходящиеся на одну и ту же массу другого элемента, относятся между собой как небольшие целые числа.
Например, углерод и кислород образуют два оксида: СО и СО2. В этих оксидах массы кислорода, приходящиеся на одну и туже массу углерода, относятся как
1:2.
Закон оъемных отношений свидетельствует о том, что объемы взаимодействующих газообразных веществ относятся между собой и к объемам продуктов реакции, как небольшие целы числа. Например, 2NO+O2=2NO2;
VNO:VO2:VNO2=2:1:2
Закон Авогадро, сформулированный в 1811 году А.Авогадро, имеет большое значение для химии и физики газообразных веществ. По этому закону «В равных объемах различных газов при одинаковых условиях содержится одинаковое число частиц /молекул, атомов, ионов/. Из этого закона вытекает следствие: «Моль любого газа при нормальных условиях занимает объем 22,4л». Химикам известна также и величина, которую называют числом Авогадра «N». Число Авогадро показывает, сколько молекул содержится в одном моле вещества. N=6,02*1023.
Закон эквивалентов определяет, в каких количествах взаимодействуют вещества между собой. По этому закону «Химические вещества взаимодействуют друг с другом в весовых или объемных количествах, пропорциональных их эквивалентам». Эквивалентное количество образуется из продуктов реакции.
Например, 2Н2+О2=2Н2О. Здесь с четырьмя эквивалентами водорода взаимодействует четыре эквивалента кислорода и образуется четыре эквивалента воды.
Математически закон эквивалентов записывают следующим образом m1/m2=Э1/Э2, или m1/Э1=m2/Э2=mn/Эn
Законы экологии.
Конкретная наука не всегда способна объяснить все многообразие явлений природы. Специальные науки изучают только отдельные грани природного явления и не затрагивают их связь с другими явлениями или другими гранями того же явления, изучаемого уже другой наукой. В тоже время в природе все взаимосвязано. И существуют более общие, главенствующие над всеми частными законами и закономерностями. Даже если они еще и не осознаны человеком. Это касается прежде всего экологии. Обратимся, например, к такому универсальному закону природы, как закону вектора развития, который гласит, что «Развитие однонаправлено, от старости к молодости. Историю человечества нельзя вернуть вспять».
В этом законе заложена очень глубокая экологическая мысль. Если произойдет глобальная экологическая катастрофа, то все живое, в том числе и человек, погибнет, ибо исторического возврата в универсальном законе природы не предусмотрено. Эту мысль мы будем развивать в последующих главах учебника.
Ряд экологических законов или закономерностей открыты не так давно русскими и зарубежными исследователями. Так, В.И.Вернандский открыл: закон физико-химического единства живого вещества, закон константности и закон биогенной миграции атомов.
Согласно закона физико-химического единства живого вещества «Все живое вещество Земли физико-химически едино». А по закону константности
«Количество живого вещества биосферы /для данного геологического периода/ есть константа». Причем, по биогенной миграции атомов «Миграция химических элементов на земной поверхности /и в биосфере в целом/ осуществляется или при непосредственном участии живого вещества или же она протекает в среде геохимические особенности которой обусловлены живым веществом /как тем, которое в настоящее время населяет биосферу, так и тем, которое действовало на Земле в течение всей геохимической истории/ ».
С законом вектора развития созвучен закон необратимости эволюции
Л.Долло «Организм /популяция, вид/ не может вернуться к прежнему состоянию, уже пройденному его предками». Что касается живых организмов, то по закону минимума Ю.Либиха «Выносливость организма определяется самым слабым звеном в цепи его экологических потребностей, то есть жизненные возможности лимитирует тот экологический фактор, количество которого близко к необходимому организму или экосистеме минимуму и дальнейшее снижение которого ведет к гибели организма или деструкции экосистемы».
Важное значение имеет и закон максимума, по которому «Количественное изменение экологических условий не может увеличить биологическую продуктивность экосистемы и хозяйственную производительность агросистемы сверх вещественно-энергетических лимитов, определяемых эволюционными свойствами биологических объектов и их сообществ». В связи с этим, введен закон снижения энергетической эффективности природопользования. По этому закону «В ходе исторического развития при получении полезной продукции на ее единицу в среднем затрачивается все большее количество энергии».
Действие этого закона мы уже стали ощущать.
Глубокое философское и практическое значение имеют так называемые
«Законы» экологии Б.Коммонера:
Первый – «Все связано со всем».
Второй – «Все должно куда-то деваться».
Третий – «Природа «знает» лучше».
Четвертый – «Ничто не дается даром».
И если к этим постулатам Б.Коммонера добавить закон неустранимости отходов или побочных воздействий производства, который гласит, что «В любом хозяйственном цикле образующиеся отходы и возникающие побочные эффекты неустранимы, они могут быть лишь переведены из одной формы в другую или перемещены в пространстве», то становится ясным к каким экологическим последствиям может привести безрассудное хозяйствование, экологическая профанация и бездумное антропогенное воздействие на экосистемы. Мы почему- то не хотим до конца осознать, что тератогены /вещества, воздействие которых на организм приводит к аномалиям в его развитии, возникновением уродств/ могут вызывать быстроразвивающуюся цепь появления сплошных мутантов. Мы все надеемся на толерантность организма /способность организма относительно безболезненно выносить отклонение факторов среды от оптимальных для него/, ибо согласно закона толерантности В.Шелфорда
«Лимитирующим фактором процветания отдельного организма или вида может быть как минимум, так и максимум экологического воздействия, диапазон между которыми определяет выносливость организма к данному фактору».
За последнее время опыт показал, что этот диапазон резко сужается.
Надо иметь в виду и закон максимизации энергии. Он объясняет, какая экосистема имеет больше шансов на выживание. По этому закону «Выживает та система, которая наилучшим образом способствует поступлению энергии и использует максимальное ее количество наиболее эффективным способом».
Глава 2.
Строение атома.
На рубеже XIX–XX веков наука вплотную подошла к открытию строения материи. В этот период, метко названный революцией в естествознании, были сделаны выдающиеся открытия:
–открытие катодных лучей /1897 – Крукс/,
–фотоэлектрического эффекта /1887 – Герц/,
–рентгеновских лучей /1895 – Рентген/,
–явления радиоактивности /1896 – Беккерель/, которые подтвердили ранее сделанные предсказания о сложной структуре атома.
В результате было обнаружено, что в состав атома входят отрицательно заряженные частицы, которые были названы Джозефом Томсоном – английским физиком – электронами.
Экспериментальным путем в 1911 году Эрнестом Розерфордом было открыто ядро атома, несущее положительный заряд и занимающее ничтожно маленькую часть пространства внутри атома.
Первые теории строения атома были примитивными и не получили широкого распространения. Однако в истории становления модели атома почетное место занимают теории Розерфорда и Бора. Розерфорд предложил планетарную модель атома /1911/. Бор сформулировал квантовые постулаты, разработал модель строения атома водорода, вывел формулы для расчета радиусов и энергии квантовых орбит и формулы для определения спектральных линий /1913/.
2.1. Квантово–механическая модель атома.
Современная квантово-механическая теория строения атома складывалась постепенно. Делались новые открытия, совершенствовался математический аппарат и, соответственно, выкристаллизовывалась модель атома. Современная квантово-механическая теория гласит, что атом любого элемента имеет сложную структуру. Положительная часть атома /положительный заряд/ сосредоточена в ядре. Отрицательную часть составляют электроны, которые находятся в беспрерывном движении.
2.1.1. Строение ядра. Протонно–нейтронная теория.
Ядро атома, открытое в 1911 году Розерфордом, имеет сложную структуру.
Основными частицами, входящими в состав любого ядра, являются протоны и нейтроны.
Протон /обозначается ¦р/ – элементарная частица, входящая в состав ядер всех атомов и имеющая массу, равную массе ядра атома водорода /1,008 а.е.м./ и заряд по величине равный заряду электрона, но противоположный по знаку /+1/.
Нейтрон /обозначается 10n/ – элементарная частица, обладающая массой близкой к массе протона /1,00866 а.е.м./, но не несущая электрического заряда /электронейтральная/.
Теория строения ядра атома, предложенная в 1932 году нашими исследователями Иваненко и Гапоном и немецким ученым Гейзенбергом названа протонно–нейтронной теорией ядра. Согласно этой теории:
–ядро атома состоит из нуклонов /так названы в сумме протоны и нейтроны/;
–суммарное число протонов в ядре /Np=?¦р/ обуславливает величину положительного заряда ядра /Zя/. От него зависит число электронов в электронейтральном атоме /Ne/ и порядковый номер в таблице Менделеева /Z/:
Z=Ne=Zя=Np;
–суммарное число нейтронов /Nn=?10n/ c cуммарным числом протонов /Np/ дают величину массы ядра /А=Np+Nn/. Эту величину называют массовым числом /А/.
Массовое число А равно целому числу, наиболее близкому по значению к атомной массе данного элемента Аэ;
–зная заряд ядра и массовое число можно определить количество протонов в ядре:
Nn=А–Z;
–структура ядра атома может быть выражена следующей формулой:
Zp+(A–Z)n
Например, структура ядра атома фтора /А=19, Z=9/ будет 9р+10n, т.е. в состав ядра атома фтора входит 9 протонов и 10 нейтронов. Так как заряд ядра /Z/ и массовое число /А/ являются количественной характеристикой атома любого элемента /Э/, то он ставятся в виде индексов возле символа данного элемента AZЭ, например для фтора 199F или для серебра 10847Ag.
Элементы, ядра атомов которых содержат одно и то же число протонов но различное количество нейтронов, названы изотопами, например, цинк /Z=30,
A=64; 66; 67; 68;70/ имеет изотопы 6430Zn, 6630Zn, 6730Zn, 6830Zn, 7030Zn.
Атомы элементов, имеющие одинаковые массовые числа, но различные заряды ядер, названы изобарами, например: 4018Ar, 4019K, 4020Cr.
Химическим элементом называют вид атомов, обладающих одинаковым зарядом ядра.
Наряду с протонами и нейтронами в состав ядер атомов входят и другие элементарные частицы, например, мезон. /Мезоны в двести-триста раз тяжелее электрона/. Существует мнение, что мезоны обуславливают ядерные силы, которые приводят к образованию прочных и компактных ядер из протонов и нейтронов. Этот аспект рассматривается в курсе ядерной физики.
2.1.2. Двойственная природа электрона.
Электроны, как элементарные частицы, проявляют корпускулярно-волновой дуализм. Они являются частицами и проявляют волновые свойства.
Любая частица представляет собой сосредоточение вещества в малой части пространства. Следовательно, как частицы электроны обладают массой me и зарядом е.
Масса электрона me =9,11*10–28г. /в 1837,11 раз меньше массы атома водорода/. Заряд электрона е=1,6*10–19 Кл/ или 4,8*10–10 эл.ст.ед./.
Движение электрона как частицы должно характеризоваться, с одной стороны, траекторией, т.е. координатами и, с другой стороны, скоростью в данный момент времени.
Однако в движении электроны проявляют волновые свойства. Этот процесс происходит в объеме трехмерного пространства и развивается во времени, как периодический процесс. Характеристикой волны является длина волны, ее частота, скорость движения и амплитуда с определенным знаком.
Следовательно, электронный поток характеризуется длиной волны ?, которую можно оценить с помощью уравнения Луи де Бройля /1924г./:
?=h/mv
Здесь h–постоянная Планка /h=6,62*10–34 Дж/, m–масса электрона, v–скорость электрона.
Можно сказать, что уравнение де Бройля объединяет характеристику волнового процесса /?/ и корпускулярного движения /mv–импульс/. Волновая природа электронов подтверждена экспериментально полученной картиной интерференции и дифракции электронов.
Неопределенность в поведении электрона.
Поскольку электрон обладает волновыми свойствами, то его движение не может быть описано определенной траекторией. Траектория «размывается», возникает область /полоса/ неопределенности, в пределах которой и находится электрон.
В связи с этим, для электрона, как микрочастицы, применим принцип
/соотношение/ неопределенности Гейзенберга /1927/, который гласит, что в любой момент времени невозможно одновременно точно определить и положение электрона в пространстве /его координату/ и его скорость /импульс/, минимальная возможная неточность равна h.
Математически принцип неопределенности можно выразить так:
(?px)(?x)=>h
Здесь ?px –неопределенность в величине импульса,
?x – неопределенность в положении частицы в пространстве, h – постоянная Планка.
Так как h– величина постоянная, то из принципа неопределенности следует, что чем точнее будем определять импульс электрона / его скорость /, тем большую будем допускать ошибку в определении его координаты, т.е. местонахождения.
В соответствии с принципом неопределенности траекторию электрона нельзя рассматривать со строгой математической точностью, как боровскую орбиту, существует область неопределенности, в которой может двигаться электрон.
Поэтому следует говорить только о вероятности того, что электрон в данный момент времени будет в данном месте пространства атома.
В квантовой механике имеют дело со статическими принципами и вероятностным характером поведения электронов. Область пространства атома, внутри которой существует наибольшая вероятность нахождения электрона, называется орбиталью.
2.1.3. Волновая функция и волновое уравнение.
Так как электронам присущи волновые свойства и они обладают неопределенностью положения в пространстве, их движение характеризуется при помощи волновой функции ? и описывается волновым уравнением. Физический смысл волновой функции заключается в том, что ее квадрат ?2 пропорционален вероятности нахождении электрона в элементарном объеме атома ?V с координатами x, y, z.
Значение волновой функции находят при решении волнового уравнения
Шредингера:
?2?/?x2 + ?2?/?y2 + ?2?/?z2 +8?2m/h2*(E–U)?=0
В этом сложном дифференциальном уравнении с частными производными:
Е–полная энергия частицы, U – потенциальная энергия, ? –волновая функция.
Волновая функция, получаемая при решении уравнения Шредингера, может иметь ряд значений. Эти значения зависят от квантовых параметров n, l, me, названных квантовыми числами n
? l me
В итоге – значения квантовых чисел есть не что иное как результат решения уравнения Шредингера. Следовательно, при решении уравнения
Шредингера получены значения волновой функции и возможные /допустимые/ значения квантовых чисел.
2.1.4. Квантовые числа. Атомные орбитали.
Так как электрон имеет четыре степени свободы, то для характеристики его поведения в атоме требуется четыре квантовых числа.
Главное квантовое число n определяет удаленность атомной орбитали от ядра и характеризует общий запас энергии электрона на данном энергетическом уровне. n принимает целочисленные значения от единицы до бесконечности. В зависимости от цифровых значений главного квантового числа приняты буквенные обозначения квантовых уровней n=1, 2, 3, 4,… обозначение К, L, M, N,…
Чем больше n, тем слабее электрон связан с ядром и более емким становится квантовый уровень. Числовые значения n определяют также и количество подуровней, содержащееся на данном квантовом уровне /т.е. числовые значения n определяют емкость квантового уровня/. Так, если n=3, то это значит, что имеем третий квантовый уровень, который состоит из трех подуровней.
Орбитальное квантовое число l характеризует момент количества движения электрона относительно центра орбитали. Наличие такого движения приводит к делению квантового уровня на подуровни. Орбитальное квантовое число характеризует так же пространственную форму электронного облака. Это квантовое число предопределяется главным квантовым числом n и принимает ряд целочисленных значений от нуля до n–1. В зависимости от числовых значений l приняты буквенные обозначения подуровней: n=1, 2, 3, 4,… l=0, 1, 2, 3,…,–1 обозначение подуровня: s, p, d, f,… форма орбитали
Магнитное квантовое число ml характеризует магнитный момент электрона.
Определяет ориентацию квантового подуровня в пространстве. Число проекций подуровня на направление магнитных силовых линий квантуется и оно равно количеству орбиталей на данном подуровне. Можно сказать, что магнитное квантовое число определяет количество орбиталей на подуровне. ml принимает значения от –l через ноль до +l. ml = –l,…,+1, 0, –1,…, +l.
Рассмотрим подуровень s. Для него: l=0, ml=0
H рис.2.1.
У подуровня шарообразной формы может быть только одна проекция. (рис.2.1.), имеющая значение «ноль». Следовательно, на s -подуровне только одна s- орбиталь.
Подуровень Р имеет l=1, а ml = –1, 0, +1
l=1
В данном случае согласно правил квантования уже три проекции.
Следовательно на р-подуровне три р-орбитали. рис2.2.
Для d-подуровня: l=2, ml = –2, –1, 0, +1, +2. Это значит, что согласно квантовой теории d-подуровень состоит из пяти d-орбиталей.
Подуровень f имеет l=3, ml = –3, –2, –1, 0, +1, +2, +3. Следовательно f- подуровень состоит из семи f-орбиталей.
Число орбиталей на подуровне можно определить из выражения ml =2l+1: значение l: 0, 1, 2, 3, . подуровень: s, p, d, f, . число орбиталей: 1, 3, 5, 7, .
Спиновое квантовое число ms характеризует собственный момент количества движения, возникающий как бы из-за «вращения» электрона вокруг собственной оси. Принимает два значения: +1/2 и –1/2, что соответствует двум возможным направлениям вращения электрона. ms= +1/2; –1/2.
Оно получено из опытов Штерна и Герлаха.
Рассмотренные квантовые числа определяют энергию электрона, объем и форму пространства, в котором вероятно его пребывание в околоядерном объеме, т.е. размер, форму и ориентацию орбитали в пространстве.
Так как волновая функция ? является решением уравнения Шредингера при всевозможных значениях квантовых чисел, то можно сказать, что волновая функция является в свою очередь функцией рассмотренных квантовых параметров n, l и ml, где: n= 1, 2, 3, 4,…, l= 0, 1, 2, 3,…,n–1 ml=–l,…, –1, 0, +1,…, +l
Атомные орбитали. Так как вероятность нахождения электрона в пространстве далеком от ядра очень мала, когда говорят об орбиталях, то имеют в виду такую область вокруг ядра атома внутри которой сосредоточено
90–95% электронного заряда. С точки зрения квантовой механики атомные орбитали являются геометрическим изображением волновой функции ? (n, l, ml).
Z Электронное облако. Если бы в каждый момент времени y определяли положение электрона в трехмерном пространстве и ставили в том месте точку, то через множество таких определений
X получили бы картину в виде пространственного облака изображен- ного точками с размытыми краями /рис.2.3.) рис.2.3.
Такое зарядовое облако называют электронным облаком. Его плотность, пропорциональная ?2, является непосредственной мерой вероятности нахождения электрона. Граничная поверхность облака, внутри которой содержится 90–95% электронного заряда, дает форму орбитали.
Z s-орбиталь. Она существует при l=0.
Значение ml тоже равно
Y нулю. Имеем только одно значение ml =0. Следовательно, s-орбиталь имеет максимальную симметричность. У нее
X сферическая форма (рис.2.4.). В этом случае вероятность на– хождения электрона в околоядерном пространстве определя– рис.2.4. ется только радиусом-вектором и не зависит от угла координат.
? Радиальное распределение электронной плотности для 1s электрона соответствует кривой с максимумом
(рис.2.5.).
Максимум распространения вероятности находится на
0 r1 r,A0 расстоянии от ядра r1, которые соответствует радиусу
рис.2.5. первой боровской орбиты. р-орбиталь. Существует при l=1. ml = –1, 0,
+1.
Z р-орбиталь появляется на втором и всех последующих
Рz уровнях. Так как ml имеет три значения, то на р-подуров-
Y не каждого уровне может быть три р-орбитали. р-орбиталь имеет гонтелеобразную форму. Все три р-орбитали распо-
X лагаются в пространстве по направлению координатных
Px осей. Их называют соответственно рх, рy, рz-орбитали
Py (рис.2.6.).
Рис.2.6. Z Y Y Z Z
X X X X Y
dz2 dx2 y2 dxy dxz dyz рис.2.7. d-орбиталь. Появляется при l=2 на третьем квантовом уровне. На d- подуровне может быть уже пять различных состояний электронов, поэтому на d- подуровне каждого квантового уровня содержится пять d-орбиталей. В этом случае ml принимает пять значений: ml = –2, –1, 0, +1, +2, d-орбитали имеют более сложную форму, чем р-орбитали, они либо в виде четырех лепестков либо в виде гантели с ободком (рис.2.7.). f-орбиталь. Появляется при значении l=3. f-орбитали могут быть только на четвертом и более отдаленных уровнях. Так как при l=3 ml имеет 7 значений /–3, –2, –1, 0, +1, +2, +3/, то на f-подуровне может быть семь орбиталей. Форма f-орбиталей еще более сложная, чем у d-орбиталей. f- орбитали изображают в виде сложных шестилепестковых фигур.
Форма орбиталей и ее направленность играют существенную роль при образовании химических связей, т.к. эти два фактора определяют характер и степень перекрывания электронных облаков соединяющихся атомов.
2.1.5. Структура электронных оболочек атомов.
Полная электронно-энергитическая структура атомов предопределяется набором рассмотренных квантовых чисел. Главное квантовое число n определяет не только номер квантового уровня, но и указывает на число подуровней содержащихся в данном уровне. Например, при n=3, имеем третий квантовый уровень, который состоит из трех подуровней: s-, p-, d-подуровня. Чем дальше от ядра находится квантовый уровень, тем он более емкий, тем из большего числа подуровней он состоит. Число орбиталей на уровне можно определять по формуле кn=n2, а число орбиталей на подуровне, как уже указывалось, по формуле кl=2l+1.
Рассмотрим теоретическую схему взаимного расположения квантовых уровней и подуровней. /Фрагмент для первых четырех уровней/. На четырех вертикальных линиях отложим значения квантовых чисел n, l, ml и ms.(рис.2.8.) На первой вертикальной линии изобразим квантовые уровни соответственно значениям квантового числа n /см. рис.2.8.). Мы уже знаем, что чем больше числовое значение n, тем более емкий квантовый уровень. По этому на рисунке он сделан более длинным по высоте. На второй вертикальной линии, отнесенной к квантовому числу l показано деление квантовых уровней на подуровни. Первый квантовый уровень состоит только из одного подуровня
/обозначенного как s-подуровень/. Второй квантовый уровень делится уже на два подуровня: s-подуровень и р-подуровень. Третий уровень делится на три подуровня /s, p и d/, а четвертый – на четыре подуровня /s, p, d и f/.
ml = –1, 0, +1 d-подуровень содержит уже пять орбиталей.
d-подуровень
ml = –2, –1, 0, +1, +2 f-подуровень увеличил свою емкость до семи орбиталей
f-подуровень
ml = –3, –2, –1, 0, +1, +2
+3
Четвертая вертикальная линия отнесена к спиновому квантовому числу ms.
Забегая вперед отметим, что это квантовое число предопределяет возможное количество электронов на орбитале. По соответствующему постулату на орбитале может быть два электрона, но они должны иметь разные спины, т.е. разные значения ms: +1/2 и –1/2. В связи с этим на четвертой вертикальной линии представлена максимальная заполняемость электронами квантового подуровня и уровня.
На s-подуровне – 2 электрона
На p-подуровне – 6 электрона
На d-подуровне – 10 электрона
На f-подуровне – 14 электрона
Максимальное число электронов на подуровне можно определить по формуле:
К=2(2l+1).
Теоретическая последовательность расположения квантовых уровней и подуровней выглядит так:
1s(2s(2p(3s(3p(3d(4s(4p(4d(4f(5s(5p(5d(5f(6s(6p(6d(6f(7s( 7p(7d(7f(…
Однако при расщеплении квантовых уровней на подуровни приведенная теоретическая последовательность нарушается. Реальное расположение подуровней определяется правилом Клечковского, согласно которого последовательность расположения подуровней определяется суммарным значением двух квантовых чисел n и l. В том случае, когда для двух и более подуровней n + l имеет одинаковое значение, то сначала идет тот подуровень, у которого меньшее значение n.
1s – 2s – 2p – 3s – 3p – 3d – 4s – 4p – 4d – 4f – 5s –5p – 5d – 5f
(n+l) 1 2 3 3 4 5 4 5 6 7 5 6 7
8
По правилу Клечковского фактическая последовательность расположения подуровней следующая:
1s(2s(2p(3s(3p(4s(3d(4p(5s(4d(5p(6s(5d(4f(5d2–5(6p(7s(6d1(
5f( 6d2–5(7p.
Структура электронных оболочек атомов изображена на следующей схеме
(рис2.9.):
6p
5d4
6s
5p
4p
4d
5s
3d
4s
3p
2p
3s
2s
1s Рис.2.9.
2.1.6. Основные принципы распределения электронов в атоме.
Рассмотренная электронная оболочка атома заполняется электронами в соответствии трем принципам: принципу наименьшей энергии, принципу Паули
/правилу/ Гунда.
Принципу наименьшей гласит, что электрон в атоме занимает тот свободный подуровень, на котором он будут иметь минимальное значение энергии. По другому, электрон остается на том подуровне, на котором обеспечивается наиболее прочная связь с ядром.
Последовательность заполнения подуровней соответствует приведенному выше фактическому расположению подуровней в структуре электронной оболочки атома:
1s(2s(2p(3s(3p(4s(3d –… и т.д. /см. выше/.
Принцип Паули /запрет Паули/ говорит о том, что в атоме не может быть даже двух электронов с одинаковыми значениями четырех квантовых чисел.
Следствие. На орбитале может находится два электрона с различными спинами (т.е. с различными значениями спинового квантового числа: ms = +1/2 и ms = –1/2).
Третий принцип – это принцип или правило Гунда /Хунда/. Он объясняет порядок заполнения электронами квантового подуровня. В пределах подуровня электроны распределяются так, что их суммарное квантовое число имело максимальное значение /сначала по одному электрону на орбиталь, а затем спаривание/. Правильным будет распределение, например, трех р-электронов таким образом:
В зависимости от того, какой подуровень заполняется последними электронами, различают s-, p-, d-, f-элементы. s-элементами называют такие элементы, в атомах которых последние электроны занимают s-подуровень внешнего квантового уровня. /Например, натрий, магний, калий, кальций и др./. р-элементами называют такие элементы, в атомах которых последние электроны занимают р-подуровень внешнего квантового уровня. /Например, углерод, кислород, хлор и др./. d-подуровень, заполняемый последними электронами, относит элементы к d-элементам. /Например, d-элементами являются титан, хром, железо, медь, т.к. у этих элементов последние электроны занимают d-подуровень предпоследнего уровня/. f-элементами называют такие элементы, в атомах которых последние электроны занимают f-подуровень второго от вне квантового уровня.
/Например, празеодим, европий, эрбий и др./.
2.1.7. Изображение электронной структуры атомов при помощи электронных формул и квантовых ячеек.
Электронную структуру любого атома изображают электронными формулами. В электронных формулах квантовый электронный уровень обозначают численным значением главного квантового числа n, подуровень записывают буквенным обозначением соответствующего подуровня, а число электронов на подуровне указывают степенью, стоящей у обозначения подуровня. Например, 3d5 обозначает, что на d-подуровне 3-го квантового уровня находится пять электронов. Электронная формула любого элемента состоит из полного набора таких фрагментов, как указано в примере. Так, электронная формула атома титана /№22/ имеет вид: 1s22s22p63s23p64s23d2. Cумма всех степеней равна
22, это значит, что атом титана, имея заряд ядра +22, содержит на электронной оболочке 22 электрона, которые своим суммарным отрицательным зарядом (–22) компенсируют положительный заряд ядра атома, делая атом сложной электронейтральной системой.
Электронные формулы удобнее составлять после рассмотрения структуры периодической системы элементов Д.И.Менделеева. Забегая вперед и основываясь на знаниях, полученных в средней школе, представим периодическую систему элементов в виде электронных формул. (рис.2.10.) О написании электронных формул конкретного элемента, находящегося в периодической системе, вернемся позже и рассмотрим алгоритм по которому легко научиться писать электронную формулу любого элемента. Во-вторых, структуру электронной оболочки атома изображают при помощи квантовых ячеек.
I 1s2
II 2s2 2p6
III 3s2 3p6
IV 4s2 3d10 4p6
V 5s2 4d10 5p6
VI 6s2 5d1 4f14 5d9 6p6
VII 7s2 6d1 5f14 6d9
7p6
рис.2.10.
Квантовыми ячейками мы уже пользовались хотя и не вводили понятие
“квантовая ячейка”. Квантовая ячейка – это не что иное как графическое изображение орбитали. Ее показывают клеточкой , а электроны на орбитали изображают стрелкой, стоящей в клеточке . Для s-подуровня отведена одна клеточка, так как s-подуровень имеет только одну орбиталь.
Для р-подуровня выделено три ячейки ибо р-подуровень содержит три р- орбитали. d-подуровень изображают пятью ячейками, а f-подуровень – семью ячейками.
Электронная структура атома титана, для которого мы уже писали электронную формулу, изображенная при помощи квантовых ячеек, выглядит так:
4p
3d
4s
3p
3s
2p
2s
1s
2.1.8. Об индивидуальности каждого химического элемента.
«Удостоверением личности» химического элемента можно назвать его электронную формулу. Глядя на нее химик скажет очень многое об индивидуальности данного «химического персонажа».
Мы уже знаем, что универсальной характеристикой элемента является положительный заряд ядра атома, а если смотреть еще глубже, то число положительно заряженных элементарных частиц – протонов. Увеличение их количества приводит к скачкообразному изменению свойств. Начинает действовать универсальный закон природы – закон перехода количества в качество. Однако на изменение качественное показателей элемента влияет не только число протонов, но и число нейтронов в ядре. Как уже было отмечено, элементы, имеющие одинаковое число протонов в ядре но разное количество нейтронов, названы изотопами. У каждого элемента свое число изотопов: у одного – больше, у другого – меньше. Когда в таблице Д.И. Менделеева указывают атомную массу элемента дробным числом, то это не значит, что в ядре имеется дробное число элементарных частиц, в этом случае взята средняя атомная масса всех изотопов данного элемента с учетом их количественного содержания в природе. Но если в точных экспериментах будем пользоваться его такой «усредненной» атомной массой, то это будет не совсем корректно, ибо за «усреднением» теряет свою индивидуальность данный изотоп, особенно, если изотоп радиоактивный.
На практике еще больше отклоняются от истинного значения, когда пользуются не атомной массой, а массовым числом «А», т.е. целым число, самым близким к атомной массе. Может быть, при рассмотрении индивидуальных особенностей элемента лучше брать атомную массу того изотопа, которого в процентном соотношении в природе больше, или того, который самый устойчивый
/или неустойчивый/, если речь идет о радиоактивных элементах.
Как видим, закон перехода количества в качество для химических элементов реализуется по двум направлениям: по протонному и по нейтронному.
По протонному: появление в ядре очередного протона скачкообразно приводит к новому элементу, а по нейтронному: расширяет качество данного элемента вплоть до появления радиоактивности. Это видно на примере водорода. Если к ядру водорода добавляется протон, то это уже отрицает все качества водорода как элемента /данного индивидуума/ и переводит его в новый элемент – гелий
/т.е. в новый индивидуум/. Добавление нейтрона не отрицает самого элемента водорода, а расширяет границы его качества, образуя изотоп водорода 21Н
/названный дейтерием 21Д / и далее изотоп 31Н /названный тритием 31Т/. С увеличением числа нейтронов элемент приобретает дополнительные признаки, в да...
ВНИМАНИЕ!
Текст просматриваемого вами реферата (доклада, курсовой) урезан на треть (33%)!
Чтобы просматривать этот и другие рефераты полностью, авторизуйтесь на сайте:
|
|
|
Добавлено: 2010.10.21
Просмотров: 1566
|
Notice: Undefined offset: 1 in /home/area7ru/area7.ru/docs/linkmanager/links.php on line 21
При использовании материалов сайта, активная ссылка на AREA7.RU обязательная! |
