МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
Факультет естественных наук
Кафедра общей химии
А. П. Чупахин
Общая химия.
Химическая связь
и строение вещества
Учебное пособие
Новосибирск
УДК 54
ББК Г51/я73
Ч 920
Чупахин А. П. Общая химия. Химическая связь и строение вещества: Учеб. пособие / Новосиб. гос. ун-т. Новосибирск, 2003. 168 с.
Пособие по общей химии содержит материал, традиционно включаемый в первую часть курса: атомное ядро и радиоактивность, строение атома, молекулы и ковалентная связь, химическая связь в конденсированном состоянии вещества. Его особенностью является изложение всех вопросов, начиная с нулевого уровня, без опоры на школьную программу. Для всех вводимых понятий, включая самые элементарные, даны определения. Вместе с этим довольно популярная форма сочетается с достаточной строгостью изложения. Каждый тематический раздел заканчивается вопросами для самопроверки, предназначенными помочь студенту в усвоении материала. Несколько глубже, чем это обычно принято в подобных курсах, представлены вопросы химической связи в кристаллах, особенно классификация твердых тел по электронной проводимости и нестехиометрические соединения. Это связано с тем, что издание в первую очередь предназначено для изучающих в НГУ общую химию студентов геолого-геофизического факультета, а для геологов в большей степени важны химические процессы именно в конденсированном состоянии. Пособие может оказаться полезным и для первокурсников факультета естественных наук, для вузовских и школьных преподавателей химии.
Рецензент
канд. хим. наук, доц. Н. Н. Булгаков
© Новосибирский государственный
университет, 2003
© А. П. Чупахин, 2003
ОГЛАВЛЕНИЕ
| Список сокращений…………………………………………… | |
| Об изучении курса общей химии и данном пособии……… | |
| Введение: представление о корпускулярно-волновом дуализме | |
| 1. АТОМНОЕ ЯДРО. ИЗОТОПЫ. РАДИОАКТИВНОСТЬ…. | |
| 1.1. Элементарные частицы и атомное ядро. Дефект масс……… | |
| 1.2. Химические элементы………………………………………… | |
| 1.3. Моль, молярная масса………………………………………… | |
| 1.4. Радиоактивность………………………………………….. | |
| 1.5. Геохронология. Ядерные реакции. Нуклеосинтез в природе | |
| 2. ЭЛЕКТРОННОЕ СТРОЕНИЕ АТОМА…………………… | |
| 2.1. Двойственная природа электрона. Квантовые числа…….…. | |
| 2.2. Атомные орбитали. Энергетические уровни…………….….. | |
| 2.2.1. Атом водорода и одноэлектронные частицы…………... | |
| 2.2.2. Многоэлектронные частицы…………………………….. | |
| 2.3. Электронные конфигурации одноатомных частиц…………. | |
| 2.3.1. Нейтральные атомы в основном состоянии……………. | |
| 2.3.2. Атомы в возбужденном состоянии и ионы…………….. | |
| 2.4. Периодическая система элементов Д. И. Менделеева……… | |
| 3. МНОГОАТОМНЫЕ ЧАСТИЦЫ. ХИМИЧЕСКАЯ СВЯЗЬ | |
| 3.1. Обменный механизм образования ковалентной связи. Структурные и электронные формулы………………….…… | |
| 3.2. Ковалентность…………………………………………………. | |
| 3.3. Донорно-акцепторный механизм образования связи……….. | |
| 3.4. Геометрия молекул: гибридизация атомных орбиталей……. | |
| 3.5. Ориентация связывающих пар: s- и p‑связи. Сопряжение… | |
| 3.6. Геометрия молекул: отталкивание электронных пар……….. | |
| 3.7. Электроотрицательность. Полярность связи………………... | |
| 3.8.Молекулы – заключение………………………………………. | |
| 4. ХИМИЧЕСКАЯ СВЯЗЬ В КОНДЕНСИРОВАННОМ СОСТОЯНИИ…………………………………………………. | |
| 4.1. Ковалентные кристаллы………………………………………. | |
| 4.2. Ионная связь и ионные кристаллы…………………………… | |
| 4.3. Межмолекулярные взаимодействия и молекулярные кристаллы | |
| 4.3.1. Диполь-дипольные взаимодействия……………………. | |
| 4.3.2. Молекулярные кристаллы……………………………….. | |
| 4.3.3. Водородная связь……………………………………….... | |
| 4.4. Зонная теория, металлическая связь и металлы…………….. | |
| 4.4.1. Представление о зонной теории………………………… | |
| 4.4.2. Металлы…………………………………………………... | |
| 4.5. Сравнение разных типов связи……………………………….. | |
| 4.6. Агрегатные (фазовые) состояния вещества и химическая связь | |
| 4.6.1. Газ…………………………………………………………. | |
| 4.6.2. Жидкость…………………………………………………. | |
| 4.6.3. Твёрдое состояние……………………………………….. | |
| 4.6.4. Химические изменения при изменении агрегатного состояния…………………………………… | |
| 4.7. Нестехиометрические соединения и дефекты решётки...….. | |
| 5. СВОЙСТВА ХИМИЧЕСКОЙ СВЯЗИ …………………….. | |
| 5.1. Длина связи и эффективные радиусы атомов и ионов ……... | |
| 5.1.1. Ковалентные радиусы…………………………………… | |
| 5.1.2. Ионные радиусы…………………………………………. | |
| 5.1.3. Металлические радиусы………………………………… | |
| 5.1.4. Вандерваальсовые радиусы……………………………... | |
| 5.2. Эффективные заряды атомов…………………………………. | |
| 5.3. Валентность……………………………………………………. | |
| 5.4. Энергия связи………………………………………………….. | |
| 5.5. Химическая связь и Периодическая система элементов…… | |
| БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК ………………………… | |
| Комментарий к библиографическому списку………………… |
Список сокращений
| АО | – | атомная орбиталь |
| ВС | – | валентные схемы (валентные связи) |
| ГАО | – | гибридизация атомных орбиталей (или гибридная АО) |
| ДНК | – | дезоксирибонуклеиновая кислота |
| ЗЗ | – | запрещённая зона |
| КО | – | кристаллическая орбиталь |
| КЧ | – | координационное число |
| МО | – | молекулярная орбиталь |
| н. у. | – | нормальные условия |
| НП | – | неподелённая пара |
| ПС | – | периодическая система элементов |
| СГСЕ | – | система единиц г-см-с |
| СП | – | связывающая пара |
| СЧ | – | стерическое число |
| ТБП | – | тригональная бипирамида |
| ФП | – | фазовые переходы |
| ЦА | – | центральный атом |
| Э | – | элемент |
| ЭО – | – | электроотрицательность |
| ЭП – | – | электронная пара |
АТОМНОЕ ЯДРО. ИЗОТОПЫ. РАДИОАКТИВНОСТЬ
Я атом Вселенной, я вечно живу!
Н. А. Морозов. «Атом жизни»
Классификация процессов радиоактивного распада
| Тип, обозначение | Выделяющиеся легкие частицы | |
| Альфа- | a-Распад | 24He2+ (a-частицы) |
| Бета- | b--Распад | -10e (электроны или b--частицы) |
| b+-Распад | 10e+ (позитроны или b+-частицы) | |
| b--Электронный захват | не выделяются |
Процессы радиоактивного распада можно представить в виде уравнений, аналогичных уравнениям химических реакций. Числа в нижнем и верхнем индексе – заряд и массовое число частицы, как и при обозначении изотопов. При радиоактивном распаде, как и при любых других процессах, выполняются такие фундаментальные физические законы, как законы сохранения массы и заряда. Следовательно, при записи уравнения процесса радиоактивного распада сумма левых нижних индексов всех исходных частиц, записываемых в левой части уравнения (исходный заряд ядер и элементарных частиц), должна быть равна сумме тех же индексов образующихся частиц, записываемых в правой части уравнения процесса (постоянство заряда). То же справедливо и для массовых чисел, т. е. верхних левых индексов; но при этом точная масса продуктов отличается от массы исходных частиц на величину дефекта масс. Рассмотрим различные процессы радиоактивного распада.
Для тяжелых изотопов с относительным недостатком нейтронов характерен a-распад, например: 23892U ® 42He(a) + 23490Th.
Для нейтронодефицитных легких изотопов характерен b+‑распад: 116C ® 01e+(b+) + 115B + n с выделением позитрона (n ‑ нейтрино). При этом процессе формально один протон превращается в нейтрон; однако следует понимать, что свободный протон стабилен и никогда не распадается на нейтрон и позитрон; b+‑распад – это процесс превращения ядра в целом, где нуклоны существенно связаны друг с другом.
При избытке нейтронов в ядре обычно происходит b-‑распад(наблюдается и для легких, и для тяжелых изотопов) с выделением электрона, например: 146C ® 0-1e (b–)+ 147N + n (n – антинейтрино). Заметим, что по такому же процессу распадается свободный нейтрон: 10n ® 0-1e + 11p + n (сравните это отличие b--распада от b+‑распада).
С a-распадом и b+-распадомконкурирует электронный захват – процесс захвата ядром электрона с электронной оболочки атома, в результате чего, как и при b+-распаде, один протон ядра превращается в нейтрон. Электронный захват характерен как для легких, так и для тяжелых элементов, например: 74Be + 0-1e ® 73Li + n или 23394Pu + 0-1e ® 23393Np + n.
Кроме процессов радиоактивного a- и b-распада, для некоторых тяжелых изотопов наблюдается спонтанное (самопроизвольное) деление ядер – разделение ядра на более легкие ядра, например: 232U ®8636Kr + 13856Ba + 810n. Образующиеся при этом ядра-осколки тоже радиоактивны, претерпевают далее a- или b‑распад.
Радиоактивное излучение обладает высокой энергией, проникает в вещество (и способно проходить через него), вызывая при этом различные химические процессы (ионизацию атомов, разрыв химических связей и др.). Для живых организмов в зависимости от количества и концентрации таких нарушений это может привести от мутаций (при малых радиационных воздействиях) до гибели. Проникающая способность зависит от энергии и массы частиц: тяжелые a-частицы достаточно эффективно поглощаются даже слоем воздуха в ~10 см или обычной бумагой; средний пробег b-частиц с типичными (околосветовыми) скоростями составляет ~10 м воздуха или ~1 мм свинца. Проницаемость g-излучения еще выше, оно практически не поглощается воздухом; поглощение тем больше, чем тяжелее материал – пробег в свинце составляет десятки сантиметров. Поэтому защитные экраны в рентгеновских кабинетах делают из содержащего свинец стекла. Однако a‑излучение вовсе не является безобидным; если источник излучения внешний, то воздух и одежда защитят Вас от a-излучения. Но если источник излучения находится внутри организма (что происходит при радиоактивном заражении воды, продуктов питания, местности), наоборот, тяжелые a-частицы производят бóльшие по масштабу биохимические поражения, чем g‑излучение.
Вопросы для самопроверки
1. Перечислите типы радиоактивного распада.
2. Является ли ионизация атомов Na (при высокой температуре или под действием электрического поля) b-распадом?
3. Можно ли любую b-частицу назвать электроном и наоборот?
4. Какие ядра устойчивее – легкие или тяжелые?
5. Как изменяется при радиоактивном распаде масса покоя системы – увеличивается или уменьшается?
6. Может ли происходить (в принципе) спонтанное деление ядра 232U на Cs и Kr? La и Br?
7. Что безопаснее при радиоактивном заражении местности – находиться в закрытом помещении или на воздухе?
ЭЛЕКТРОННОЕ СТРОЕНИЕ АТОМА
Всюду движенье внёс электрон…
Сил превращенье – жизни закон!
Н. А. Морозов. «Силы природы»
Электронные конфигурации одноатомных частиц
Быть может, эти электроны –
Миры, где пять материков,
Искусства, знанья, войны, троны
И память сорока веков!…
…Их меры малы, но всё та же
Их бесконечность, как и здесь…
Валерий Брюсов. Мир электрона
Лантаноиды
| 58Сe | 59Pr | 60Nd | 61Pm | 62Sm | 63Eu | 64Gd | 65Tb | 66Dy | 67Ho | 68Er | 69Tm | 70Yb | 71Lu |