Корпускулярно-волновые свойства частиц - раздел Химия, ОСНОВЫ ОБЩЕЙ ХИМИИ Характеристика Состояния Электронов В Атоме Основана На Положении Квантовой М...
Характеристика состояния электронов в атоме основана на положении квантовой механики о двойственной природе электрона, обладающего одновременно свойствами частицы и волны.
Впервые двойственная корпускулярно-волновая природа была установлена для света. Исследования ряда явлений (излучение раскаленных тел, фотоэффект, атомные спектры) привели к выводу, что энергия испускается и поглощается не непрерывно, а дискретно, отдельными порциями (квантами). Предположение о квантовании энергии впервые было высказано Максом Планком (1900 г.) и обосновано Альбертом Эйнштейном (1905 г.): энергия кванта (∆Е) зависит от частоты излучения (ν):
∆Е = hν, где h = 6,63·10-34 Дж·с – постоянная Планка.
Приравнивая энергию фотона hν к полному запасу его энергии mс2 и, учитывая, что ν=с/λ, получаем соотношение выражающее взаимосвязь волновых и корпускулярных свойств фотона:
(54)
В 1924 году Луи де Бройльпредположил, что двойственная корпускулярно-волновая природа присуща не только излучению, но и любой материальной частице: каждой частице, имеющей массу(m) и движущейся со скоростью (υ) соответствует волновой процесс с длиной волны λ:
λ = h / m υ (55)
Чем меньше масса частицы, тем больше длина волны. Поэтому обнаружить волновые свойства у макрочастиц трудно.
В 1927 г. Американские ученые Девиссон и Джермер, англичанин Томсон и советский ученый Тартаковский независимо друг от друга обнаружили дифракцию электронов, что явилось экспериментальным подтверждением волновых свойств электронов. Позднее была открыта дифракция (интерференция) α-частиц, нейтронов, протонов, атомов и даже молекул. В настоящее время дифракция электронов используется для исследования строения вещества.
В волновых свойствах элементарных частиц заложен один из принципов волновой механики: принцип неопределенности (В. Гейзенберг1925 г.): для малых тел атомного масштаба невозможно одновременно точно определить положение частицы в пространстве и ее скорость (импульс). Сем точнее определены координаты частицы, тем менее определенной становится ее скорость, и наоборот. Соотношение неопределенностей имеет вид:
( ) (56)
где ∆х – неопределенность положения частицы, ∆Рх – неопределенность величины импульса или скорости в направлении х. Аналогичные соотношения записываются и для координат y и z. Величина ℏ, входящая в соотношение неопределенности, очень мала, поэтому для макрочастиц неопределенности в значениях координат и импульсов ничтожны.
Следовательно, нельзя рассчитать траекторию движения электрона в поле ядра, можно лишь оценить вероятность его нахождения в атоме с помощью волновой функции ψ, которая заменяет классическое понятие траектории. Волновая функция ψ характеризует амплитуду волны в зависимости от координат электрона, а ее квадрат ψ2 определяет пространственное распределение электрона в атоме. В наиболее простом варианте волновая функция зависит от трех пространственных координат и дает возможность определить вероятность нахождения электрона в атомном пространстве или его орбиталь. Таким образом, атомная орбиталь (АО) – область атомного пространства, в котором вероятность нахождения электрона наибольшая.
Волновые функции получаются при решении основополагающего соотношения волновой механики – уравнения Шредингера(1926 г):
(57)
где h- постоянная Планка, - переменная величина, U – потенциальная энергия частицы, Е – полная энергия частицы, x, y,z, - координаты.
Таким образом, квантование энергии микросистемы вытекает непосредственно из решения волнового уравнения. Волновая функция полностью характеризует состояние электрона.
Волновая функция системы – это функция состояния системы, квадрат которой равен плотности вероятности нахождения электронов в каждой точке пространства. Она должна удовлетворять стандартным условиям: быть непрерывной, конечной, однозначной, обращаться в нуль там, где электрон отсутствует.
Точное решение получается для атома водорода или водородоподобных ионов, для многоэлектронных систем используются различные приближения. Поверхность, ограничивающая 90–95 % вероятности нахождения электрона или электронной плотности, называют граничной. Атомная орбиталь и плотность электронного облака имеют одинаковую граничную поверхность (форму) и одинаковую пространственную ориентацию. Атомные орбитали электрона, их энергия и направление в пространстве зависят от четырех параметров – квантовых чисел: главного, орбитального, магнитного и спинового. Первые три характеризуют движение электрона в пространстве, а четвертое – вокруг собственной оси.
Квантовое число n – главное. Оно определяет энергетический уровень электрона в атоме, удаленность уровня от ядра и размер электронного облака. Принимает целые значения от 1 до ∞ и соответствует номеру периода. Из периодической системы для любого элемента по номеру периода можно определить число энергетических уровней атома, и какой энергетический уровень является внешним. Чем больше n, тем больше энергия взаимодействия электрона с ядром. При n = 1 атом водорода находится в основном состоянии, при n> 1 – в возбужденном. Если n ∞, то электрон покинул атомный объем. Произошла ионизация атома.
| Главное квантовое число
|
|
|
|
|
|
|
|
| Обозначение энергетического уровня
| K
| L
| M
| N
| O
| P
| Q
|
Например, элемент кадмий Cd расположен в пятом периоде, значит n=5. В его атоме электроны распределены по пяти энергетическим уровням (n = 1, n = 2, n = 3, n = 4, n = 5); внешним будет пятый уровень (n = 5).
Так как электрон обладает наряду со свойствами волны и свойствами материальной частицы, то он, обладая массой m, скоростью движения V, и находясь на расстоянии от ядра r, обладает моментом количества движения: μ=mVr.
Момент количества движения – это вторая (после энергии) характеристика электрона и выражается через побочное (азимутальное, орбитальное) квантовое число.
Орбитальное квантовое число l - определяет форму электронного облака (рис. 7), энергию электрона на подуровне, количество энергетических подуровней. Принимает значения от 0 до n – 1. Кроме числовых значений l имеет буквенные обозначения. Электроны с одинаковым значением l образуют подуровень.
| Орбитальное квантовое число l
|
|
|
|
|
| …
|
| Подуровень
| s
| p
| d
| f
| g
| …
|
В каждом квантовом уровне число подуровней строго ограничено и равно номеру слоя. Подуровни, как и энергетические уровни, нумеруются в порядке их удаления от ядра (табл. 26).
Таблица 26
Все темы данного раздела:
Теоретические сведения
Химия – это естественная наука о веществах, их строении, свойствах и взаимопревращениях.
Важнейшей задачей химии является получение веществ и материалов с нужными для различных конкретных
Химические свойства оксидов
Основные
Амфотерные
Кислотные
Реагируют с избытком кислоты с образованием соли и воды. Основным оксидам соответствуют осн
Получение кислот
Кислородсодержащие
1.Кислотный оксид+вода
2. Неметалл +сильный окислитель
Химические свойства кислот
Кислородсодержащие
Бескислородные
1. Изменяют окраску индикатора
лакмус-красный, метилоранж- розовый
Получение солей
1. С использованием металлов
Средние (нормальные) соли
металл+неметалл
металл (ст
Химические свойства средних солей
Разложение при прокаливании
Cоль+металл
Соль+соль
Взаимосвязь между солями
Из средних солей можно получить кислые и основные соли, но возможен и обратный процесс.
Кислые
соли
НОМЕНКЛАТУРА НЕОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ
Химическая номенклатура – свод правил, позволяющих однозначно составить ту, или иную формулу или название любого химического вещества, зная его состав и строение.
Числовые приставки
Множитель
Приставка
Множитель
Приставка
Множитель
Приставка
моно
Систематические и тривиальные названия некоторых веществ
Формула
Систематическое название
Тривиальное название
Хлорид натрия
Поваренная соль
Названия и символы элементов
Символы химических элементов согласно правилам ИЮПАК приведены в периодической таблице Д.И. Менделеева. Названия химических элементов в большинстве случаев имеют латинские корни. В случае, если эле
Формулы и названия сложных веществ
Так же как и в формуле бинарного соединения в формуле сложного вещества на первом месте стоит символ катиона или атома с частичным положительным зарядом, а на втором – аниона или атома с частичным
Систематические и международные названия некоторых сложных веществ
Формула
Систематическое название
Международное название
тетраоксосульфат(VI) натрия(I)
сульфа
Названия наиболее распространенных кислот и их анионов
Кислота
Анион (кислотный остаток)
Формула
Название
Формула
Название
&nb
Основания
Согласно международной номенклатуре названия оснований составляются из слова гидроксид и названия металла. Например, - гидроксид натрия, - гидроксид калия, - гидроксид кальция. Есл
Средние соли кислородсодержащих кислот
Названия средних солей состоят из традиционных названий катионов и анионов. Если элемент в образуемых им оксоанионах проявляет одну степень окисления, то название аниона оканчивается на -ат
Кислые и основные соли
Если в состав соли входят атомы водорода, которые при диссоциации проявляют кислотные свойства и могут быть замещены на катионы металлов, то такие соли называются кислыми. Названия
ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ЗАКОНЫ ХИМИИ
Атомно-молекулярное учение о строении вещества М.В. Ломоносова является одной из основ научной химии. Всеобщее признание атомно-молекулярная теория получила в начале ХIХ в. Пос
Химический элемент. Атомная и молекулярная масса. Моль
Атом – наименьшая частица химического элемента, сохраняющая все его химические свойства.
Элемент – это вид атомов с одинаковым зарядом я
Количество частиц в 1 моле любого вещества одно и то же и равно 6,02×1023. Это число называется числом Авогадро и обозначается
Количество молей вещества (nx) – это физическая величина, пропорциональная числу структурных единиц этого вещества.
(1)
где, - число час
Основные стехиометрические законы
Закон сохранения массы(М.В. Ломоносов, 1748 г.; А.Л. Лавуазье 1780 г.) служит основой при расчете материального баланса химических процессов): масса веществ, вступивших в хи
Эквивалент. Закон эквивалентов
Эквивалент (Э) – это реальная ли условная частица вещества, которая может присоединять, замещать, высвобождать или быть каким-либо другим способом э
Решение.
Пример 4. Рассчитайте молярную массу эквивалентов серы в соединениях .
Решение
Теоретические сведения
Раствор –гомогенная термодинамически устойчивая система, состоящая из растворенного вещества, растворителя и продуктов их взаимодествия. Компонент, агрегатное состояние которого не
Теоретические сведения
Химический процесс можно рассматривать как первую ступень при восхождении от химических объектов – электрон, протон, атом – к живой системе.
Учение о химических процессах – это обла
Стандартные термодинамические функции
Вещество
Δ Н0298, кДж/моль
Δ G0298, кДж/моль
S0
Теоретические сведения
Кинетикахимических реакций - учение о химических процессах, о законах их протекания во времени, скоростях и механизмах.
С исследованиями кинетики химических реакций связан
Влияние температуры на скорость реакции.
При повышении температуры на каждые 10 0скорость большинства химических реакций увеличивается в 2-4 раза, и, наоборот, при понижении температуры – понижается соответственно во столько
Влияние катализатора на скорость реакции.
Одним из способов увеличения скорости реакции является снижение энергетического барьера, то есть уменьшение . Это достигается введением катализаторов. Катализатор – вещество
ХИМИЧЕСКОЕ РАВНОВЕСИЕ
Различают обратимые и необратимые реакции. Необратимыми реакциями называются такие, после протекания которых, систему и внешнюю среду одновременно нельзя вернуть в прежнее состояние. Они иду
Теоретические сведения
Химические свойства любого элемента определяются строением его атома. С исторической точки зрения, теория строения атома последовательно разрабатывалась: Э. Резерфордом, Н. Бором, Л. де Бройлем, Э.
Основные характеристики протона, нейтрона и электрона
Частица
Символ
Масса покоя
Заряд, Кл
кг
а.е.м.
протон
р
Число подуровней на энергетических уровнях
Главное квантовое число n
Орбитальное число l
Число подуровней
Обозначение подуровня
Число орбиталей на энергетических подуровнях
Орбитальное квантовое число
Магнитное квантовое число
Число орбиталей с данным значением l
l
Последовательность заполнение атомных орбиталей
Заселение электронами атомных орбиталей (АО) осуществляется согласно принципу наименьшей энергии, принципу Паули и правилу Гунда, а для многоэлектронных атомов – правилу Клечковского.
Электронные формулы элементов
Запись, отражающая распределение электронов в атоме химического элемента по энергетическим уровням и подуровням, называется электронной конфигурацией этого атома. В основном (невоз
Периодичность атомных характеристик
Периодический характер изменения химических свойств атомов элементов зависит от изменения радиуса атома и иона.
За радиус свободного атома принимают положение главного
Потенциалы (энергии) ионизации I1, эВ
Группы элементов
I
II
III
IV
V
VI
VII
VI
Потенциалы (энергии) ионизации I1, эВ элементов V группы
р-элементы
As 9,81
d-элементы
V 6,74
Sb 8,64
Nb 6,88
Bi 7,29
Значение энергии (Eср) сродства к электрону для некоторых атомов.
Элем.
H
He
Li
Be
B
C
N
O
F
Относительная электроотрицательность элементов
H 2,1
Li 1,0
Be 1,5
B 2,0
Зависимость кислотно-основных свойств оксидов от положения элемента в периодической системе и его степени окисления.
Слева направо по периоду у элементов происходит ослабление металлических свойств, и усиление неметаллических. Основные свойства оксидов ослабевают, а кислотные свойства оксидов усиливаются.
Характер изменения свойств оснований в зависимости от положения металла в периодической системе и его степени окисления.
По периоду слева направо наблюдается постепенное ослабление основных свойств гидроксидов. Например, Mg(OH)2 более слабое основание, чем NaOH, но более сильное основание, чем Al(OH)3
Зависимость силы кислот от положения элемента в периодической системе и его степени окисления.
По периоду для кислородосодержащих кислот слева направо возрастает сила кислот. Так, Н3РО4 более сильная, чем Н2SiO3; в свою очередь, H2SO
Свойства веществ в разных агрегатных состояниях
Состояние
Свойства
Газообразное
1. Способность принимать объем и форму сосуда.
2. Сжимаемость.
3. Быс
Сравнительная характеристика аморфных и кристаллических веществ
Вещество
Характеристика
Аморфное
1. Ближний порядок расположения частиц.
2. Изотропность физических сво
Свойства кристаллических решеток
Тип кристаллической решетки
Характеристика
Ионные
Состоят из ионов. Образуют вещества с ионной связью. Обладают высокой т
В Периодической системе Д.И. Менделеева
1. Укажите название элемента, его обозначение. Определите порядковый номер элемента, номер периода, группу, подгруппу. Укажите физический смысл параметров системы – порядкового номера, номера перио
Теоретические сведения
Все химические реакции по своей сути являются донорно-акцепторными и различаются по природе частиц, которыми обмениваются: электрон донорно-акцепторные и протон донорно-акцепторные. Химические реак
Характеристика элементов и их соединений в ОВР
Типичные восстановители
1. нейтральные атомы металлов: Ме0 – nē → Меп+
2. водород и неметаллы IV-VI групп: углерод, фосфор,
Типы ОВР
Межмолекулярные
реакции, протекающие с изменением степени окисления атомов в различных молекулах.
Mg + O2 = 2MgO
Внутримо
Составление уравнений окислительно-восстановительных реакций
1. метод электронного баланса (схема)
1. Записать уравнение в молекулярной форме:
Na2SO3 + KMnO4 + H2SO4 → MnSO
Участие ионов в различных средах
Среда
В продукте больше атомов кислорода
В продукте меньше атомов кислорода
Кислая
Ион + Н2О U
Стандартные электродные потенциалы металлов
Он позволяет сделать ряд выводов относительно химических свойств элементов:
1. каждый элемент способен восстанавливать из растворов солей все ионы, имеющие большее значение
Исходные данные
Вариант
Уравнение реакции
K2Cr2O7 + KI + H2SO4 → Cr2
Теоретические сведения
Многие ионы способны присоединять к себе молекулы или противоположные ионы и превращаться в более сложные ионы, называемые комплексными.
Комплексные соединения (КС) – это соединения в узла
Строение комплексных соединений
В 1893 г. А.Вернер сформулировал положения, заложившие основу координационной теории.
Принцип координации: координирующий атом или ион (Меn+) окружён противоп
Основные комплексообразователи в КС
Комплексообразователь
Заряд иона
Примеры комплексов
Металл
n+
H[AuCl4
Номенклатура IUPAC КС.
Читаются и записываются справа налево.
Первым в именительном падеже называют анион, затем в родительном падеже – катион.
В названии комплексного иона сначала перечисляются лиганды
Устойчивость и равновесие в растворах комплексных соединений
Большинство КС растворимо и диссоциирует в водных растворах по схеме:
[Ag(NH3)2]Cl ®[Ag(NH3)2]++Cl- - первичная диссоциаци
Равновесие в растворе всегда смещается в сторону, где находится менее растворимое вещество или более слабый электролит.
[Ag(NH3)2]Cl + HNO3 → AgCl↓ + NH4NO3
КН=6,8·10-8 ПР =1,8·10-10
Так как ПР <
Природа химической связи в комплексных соединениях
Первой теорией, объясняющей образование КС была теория ионной (гетерополярной) связиВ. Косселя и А. Магнуса: многозарядный ион – комплексообразователь (d-элемент) обладает сильным
Слабое поле
Действие лигандов вызывает расщепление d-подуровня:
dz2, dx2-y2 – высокоспиновый дуплет (d¡)
Геометрическая структура КС и тип гибридизации
К.ч.
Тип гибридизации
Геометрическая структура
Пример
sp
Линейная
[A
Видимый спектр длин волн (нм) и окраска КС при их поглощении
Фиолетовый
400 – 420
Жёлтый
575 – 585
Голубой
424 – 490
Оранжевый
585
Теоретические сведения
Растворы – сложные многокомпонентные системы, играют исключительно важную роль в живой и неживой природе. Растворами являются важнейшие физиологические жидкости: кровь, лимфа; в ни
Теория электролитической ионизации (диссоциации).
Электролитическая ионизация в растворе – это распад вещества на сольватиованные (гидратированные) ионы под действием молекул растворителя.
Данная теория была разработана шведским ученым Св
Теоретические сведения
Количество растворенного вещества, необходимое для получения насыщенного раствора в заданном количестве растворителя определяет растворимость этого вещества в данном раствор
Осадок раствор
ПР = [Ktm+]n∙[Ann-]m (76)
Правило Нернста.ПР - в насыщенном ра
Теоретические сведения
Вода – слабый электролит. Она полярна и находится в виде гидратированных кластеров. Благодаря тепловому движению связь разрывается, происходит взаимодействие: Н2О↔[
Изменение окраски некоторых индикаторов
Индикатор
Область перехода окраски рН
Изменение окраски
Фенолфталеин
8,2-10
Бес
Уравнения Гендерсона – Гассельбаха
для буферных систем 1-го типа (слабая кислота и её анион):
pH = pKa + lg([акцептор протона]/[донор протона])
ГИДРОЛИЗ.
Гидролиз лежит в основе многих процессов в химической промышленности. В больших масштабах осуществляется гидролиз древесины. Гидролизная промышленность вырабатывает из непищевого сырья (древесины,
Механизм гидролиза по аниону.
1. Анионы, обладающие высоким поляризующим действием: сульфид, карбонат, ацетат, сульфит, фосфат, цианид, силикат – анионы слабых кислот. У них вакантной орбитали нет, работает избыточный отицатель
Объем учебной дисциплины «Общая и неорганическая химия» и виды учебной работы для студентов очного отделения фармацевтического факультета
Вид учебной работы
Всего часов/ зачетных единиц
Семестр
I
часов
Аудиторны
Лабораторных занятий по общей и неорганической химии для студентов дневного отделения фармацевтического факультета
I семестр (продолжительность - 5 часов)
№ занятия
Раздел 1 Общая химия
Модуль 1
В
Лекций по общей и неорганической химии для студентов дневного отделения фармацевтического факультета
I семестр (продолжительность - 2 часа)
№ п/п
Тема лекции
Предмет, задачи, методы и законы хими
Название важнейших кислот и солей.
Кислота
Названия
кислоты
соли
HAlO2
метаалюминиевая
м
Значения некоторых фундаментальных физческих постоянных
Постоянная
Обозначение
Численное значение
Скорость света в вакууме
Постоянная Планка
Элементарный электрический заряд
Термодинамические свойства веществ.
Вещество
ΔН0298,
кДж/моль
ΔS0298,
Дж/(моль·К)
ΔG0
Стандартные электродные потенциалы (Е0) некоторых систем
Элемент
Электродный процесс
Е, В
Ag
[Ag(CN)2]- + e = Ag + 2CN-
Ag
Константы устойчивости комплексных ионов
Комплексный ион
lg
Аммиачные
Au(NH3
Константы нестойкости некоторых комплексных ионов
Схема диссоциации комплексного иона
Константа нестойкости
[Ag(NH3)2]+ ↔ Ag
Коэффициенты активности (F) ионов при ионных силах раствора
Ионная сила раствора, I
Заряд иона, z
Ионная сила раствора, I
Заряд иона, z
± 1
Растворимость кислот, оснований и солей в воде
Ионы
H+
NH4+
K+
Na+
Ag+
Hg
Константы растворимости
Формула
Кs
рКs
Ag3AsO3
Ag3AsO4
ОТВЕТЫ ТЕСТОВЫХ ЗАДАНИЙ
ТЕМА 1.
1в; 2г; 3а; 4г; 5б; 6в; 7в; 8А4, Б2, В4, Г1; 9 А5, Б1, В6, Г3; 10 А4, Б2, В3, Г1;
11а; 12в; 13г; 14а; 15б; 16а; 17а; 18а; 19в; 20б.
РЕКОМЕНДУЕМЫЙ БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
Основная литература:
1. Общая химия. Биофизическая химия. Химия биогенных элементов: Учеб. для вузов/ Ю.А. Ершов, В.А.Попков, А.С.Берлянд и др.; Под ред. Ю
Новости и инфо для студентов