Загрузка страницы...
Мультипортал
  Главная Баннеробмен Гостевая Polaris Forum Форум  
 
 
Навигация
Статистика

Зарег. на сайте:
Всего: 195
Новых за месяц: 0
Новых за неделю: 0
Новых вчера: 0
Новых сегодня: 0
Из них:
Гл. администраторов: 1
Администраторов: 1
Модераторов: 0
Супер модераторов: 0
Гейм-менеджеров: 3
Проверенных: 31
Обычных юзеров: 159
Из них:
Парней: 176
Девушек: 19
Счетчики:
Rambler's Top100
Онлайн:
Онлайн всего: 1
Гостей: 1
Пользователей: 0
Сегодня нас посетили:

Поиск по Сайту
Наш опрос
Сколько вам лет?

Всего ответов: 156

Архив новостей

Рекламный блок

Реклама
Общая химия

1. Основные понятия химии

Все химические вещества состоят из частиц, классификация которых в химии (и физике!) достаточно сложна; химические превращения связывают, прежде всего, с такими частицами, как атом, молекула, ядро, электрон, протон, нейтрон, атомные и молекулярные ионы, радикалы.

Атом. Принято считать, что атом — это наименьшая химическая частица вещества, хотя, как мы знаем, каждый атом состоит из так называемых “элементарных частиц”. Атом состоит из определенного числа протонов р, нейтронов n и электронов е. Атом — наименьшая частица химического элемента, входящая в состав молекул простых и сложных веществ. Химические свойства элемента определяются строением его атома.

Атом — электронейтральная система взаимодействующих элементарных частиц, состоящая из ядра (образованного протонами и нейтронами) и электронов.

Хотя атомы образуются при взаимодействии всего лишь трех типов элементарных частиц, при их сочетании возникает большой набор разнообразных устойчивых или неустойчивых (радиоактивных!) систем.

При этом выяснилось, что всю совокупность образовавшихся таким образом атомов легко классифицировать всего лишь по одному параметру — заряду ядра z.

Электрон. Первые указания о сложном строении атома были получены при изучении процессов прохождения электрического тока через жидкости и газы. Опыты выдающегося английского ученого М. Фарадея в 30-х гг. XIX в. навели на мысль о том, что электричество существует в виде отдельных единичных зарядов.

Величины этих единичных зарядов электричества были определены в более поздних экспериментах по пропусканию электрического тока через газы (опыты с так называемыми катодными лучами). Было установлено, что катодные лучи — это поток отрицательно заряженных частиц, которые получили название электронов.

Двойственная природа электрона. В основе современной теории строения атома лежат следующие основные положения:

1. Электрон имеет двойственную (корпускулярно волновую) природу. Он может вести себя и как частица, и как волна: подобно частице, электрон обладает определенной массой и зарядом; в то же время движущийся поток электронов проявляет волновые свойства, например характеризуется способностью к дифракции. Длина волны электрона l , и его скорость u связаны соотношением де Бройля:

 где m — масса электрона.

2. Для электрона невозможно одновременно точно измерить координату и скорость. Чем точнее мы измеряем скорость, тем больше неопределенность в координате, и наоборот. Математическим выражением принципа неопределенности служит соотношение

ħ / 2,

гдеD x — неопределенность положения координаты,D u — погрешность измерения скорости.

3. Электрон в атоме не движется по определенным траекториям, а может находиться в любой части околоядерного пространства, однако вероятность его нахождения в разных частях этого пространства неодинакова.

Атомные орбитали. Пространство вокруг ядра, в котором вероятность нахождения электрона достаточно велика, называют орбиталью.

Орбиталъ — совокупность положений электрона в атоме, т. е. область пространства, в которой наиболее вероятно нахождение электрона.

Квантовые числа. Главное квантовое число n определяет общую энергию электрона на данной ор-битали. Оно может принимать любые целые значения, начиная с единицы (n = 1, 2, 3,...). Под главным квантовым числом, равным ¥ , подразумевают, что электрону сообщена энергия, достаточная для его полного отделения от ядра (ионизация атома).

В пределах определенных уровней энергии электроны могут отличаться своими энергетическими подуровнями. Существование различий в энергетическом состоянии электронов, принадлежащих к различным подуровням данного энергетического уровня, отражается побочным (иногда его называют орбитальным) квантовым числом l. Это квантовое число может принимать целочисленные значения от 0 до n - 1 (l = 0, 1, ..., п - 1). Обычно численные значения l принято обозначать следующими буквенными символами:

Значение l: 0 1 2 3 4

Буквенное обозначение: s p d f g

В этом случае говорят о s-, p-, d- ,f-, g-состояниях электронов, или о s-, p-, d- ,f-, g-орбиталях.

Побочное (орбитальное) квантовое число l характеризует различное энергетическое состояние электронов на данном уровне, определяет форму электронного облака, а также орбитальный момент р — момент импульса электрона при его вращении вокруг ядра (отсюда и второе название этого квантового числа — орбитальное)

p = ħ

Таким образом, электрон, обладая свойствами частицы и волны, с наибольшей вероятностью движется вокруг ядра, образуя электронное облако, форма которого в s-, p-, d- ,f-, g-состояниях различна.

Форма электронного облака зависит от значения побочного квантового числа l. Так, если l = 0 (s-орбиталь), то электронное облако имеет сферическую форму (шаровидную симметрию) и не обладает направленностью в пространстве. При l = 1 (р-орбиталь) электронное облако имеет форму гантели, т. е. форму тела вращения, полученного из “восьмерки”. Формы электронных облаков d- ,f- и g-электронов намного сложнее.

Движение электрического заряда (электрона) но замкнутой орбите вызывает появление магнитного поля. Состояние электрона, обусловленное орбитальным магнитным моментом электрона (в результате его движения по орбите), характеризуется третьим квантовым числом — магнитным ml. Это квантовое число характеризует ориентацию орбитали в пространстве, выражая проекцию орбитального момента импульса на направление магнитного поля.

Соответственно ориентации орбитали относительно направления вектора напряженности внешнего магнитного поля магнитное квантовое число ml может принимать значения любых целых чисел, как положительных, так и отрицательных, от -l до +l. включая 0, т.е. всего (2l + 1) значений. Например, при l = 0 ml = 0; при l = 1 ml = -1, 0, +1; при l = 3, например, магнитное квантовое число может иметь семь (2l + 1 = 7) значений: -3, -2, -1, 0, +1, +2,+3.

Таким образом, ml характеризует величину проекции вектора орбитального момента количества движения на выделенное направление. Например, р-орбиталь (“гантель”) в магнитном поле может ориентироваться в пространстве в трех различных положениях, так как в случае l = 1 магнитное квантовое число может иметь три значения: -1, 0, +1. Поэтому электронные облака вытянуты по координатным осям х, у и z, причем ось каждого из них перпендикулярна двум другим.

Для полного объяснения всех свойств атома была выдвинута гипотеза о наличии у электрона так называемого спина. Спин — это чисто квантовое свойство электрона, не имеющее классических аналогов. Спин — это собственный момент импульса электрона, не связанный с движением в пространстве. Для всех электронов абсолютное значение спина всегда равно s = ½. Проекция спина на ось z (магнитное спиновое число ms) может иметь лишь два значения: ms = + ½ или ms = -1/2.

Поскольку спин электрона s является величиной постоянной, его обычно не включают в набор квантовых чисел, характеризующих движение электрода в атоме, и говорят о четырех квантовых числах.

Так как при химических реакциях ядра реагирующих атомов остаются без изменения (за исключением радиоактивных превращений), то физические и химические свойства атомов зависят, прежде всего, от строения электронных оболочек атомов.

Принцип Паули. В атоме не может быть двух электронов, у которых все четыре квантовых числа были бы одинаковы.

Хотя бы одно из квантовых чисел n, l, ml и ms должно обязательно отличаться. Так, электроны с одинаковыми квантовыми числами n, l, и ml должны обязательно различаться проекцией спина. Поэтому в атоме могут быть лишь два электрона с одинаковыми n, l, ml: один ms = + ½, другой ms = -1/2.

Напротив, если проекции спина двух электронов одинаковы, должно отличаться одно из квантовых чисел n, l или ml.

Зная принцип Паули, рассмотрим, сколько электронов в атоме может находиться на определенной “орбите” с главным квантовым числом n. Первой “орбите” соответствует п = 1. Тогда l = 0, ml = 0 и ms может иметь произвольные значения: = + ½, или -1/2. Т. е. при п = 1, таких электронов может быть только два.

В общем случае при любом заданном значении n электроны прежде всего отличаются побочным квантовым числом l принимающим значения от 0 до п - 1. При заданных n и 1 может быть (21 + 1) электронов с разными значениями магнитного квантового числа ml. Это число должно быть удвоено, так как заданным значениям n, l, и ml соответствуют два разных значения проекции спина ms.

Следовательно, максимальное число электронов с одинаковым квантовым числом n выражается суммой

Отсюда ясно, почему на первом энергетическом уровне может быть не больше 2 электронов, на втором — 8, на третьем — 18 и т. д.

Правило Гунда. При данном значении l (т. е. в пределах определенного подуровня) электроны располагаются таким образам, чтобы суммарный спин был максимальным.

Если, например, в трех р-ячейках атома азота необходимо распределить три электрона, то они будут располагаться каждый в отдельной ячейке, т. е. размещаться на трех разных р-орбиталях:

Рассмотрим электронную конфигурацию атома четвертого периода 19К. Первые 18 электронов заполняют следующие орбитали: 1s22s263s26. Казалось бы, что девятнадцатый электрон атома калия 19К должен попасть на подуровень Зd, которому соответствуют п = 3 и l = 2. Однако на самом деле валентный электрон атома калия располагается на орбитали 4s. Дальнейшее заполнение оболочек после 18-го элемента происходит не в такой последовательности, как в двух первых периодах. Электроны в атомах располагаются в соответствии с принципом Паули и правилом Гунда, но так, чтобы их энергия была наименьшей.

Принцип наименьшей энергии. В атоме каждый электрон располагается так, чтобы его энергия была минимальной (что отвечает наибольшей его связи с ядром).

Энергия электрона в основном определяется главным квантовым числом п и побочным квантовым числом l, поэтому сначала заполняются те подуровни, для которых сумма значений квантовых чисел п и l является наименьшей. Например, энергия электрона на подуровне 4s меньше, чем на подуровне Зd, так как в первом случае n + l = 4 + 0 = 4,аво втором n + l = 3 + 2 = 5; на подуровне 5s (n + l = 5 + 0 = 5) энергия меньше, чем на 4d (n + l = 4 + 2 = 6); на 5р (n + l = 5 + 1 = 6) энергия меньше, чем на 4f (n + l = 4 + 3 = 7) и т. д.

В. М. Клечковский сформулировал общее положение, гласящее, что электрон занимает в основном состоянии уровень не с минимально возможным значением n, а с наименьшим значением суммы n + l.

В том случае, когда для двух подуровней суммы значений n и l равны, сначала идет заполнение подуровня с меньшим значением n. Например, на подуровнях Зd, 4р, 5s сумма значений n и l равна 5. В этом случае происходит сначала заполнение подуровней с меньшими значениями n, т. е. Зd-4р-5s и т. д.

Принцип наименьшей энергии справедлив только для основных состояний атомов. В возбужденных состояниях электроны могут находиться на любых орбиталях атомов, если при этом не нарушается принцип Паули.

Химический элемент. Определенный вид атомов, характеризующийся одинаковым зарядом ядра, называется химическим элементом.

Каждый элемент имеет свое название и свой символ, например элементы гелий Не, медь Сu, фосфор Р и т. д. (см. периодическую таблицу).

Молекула. Следующей, более сложной после атома частицей может рассматриваться молекула.

Молекулаэто электронейтральная наименьшая совокупность атомов, образующих определенную структуру посредством химических связей. Молекула — это наименьшая частица данного вещества, обладающая его химическими свойствами. Химические свойства молекулы определяются ее составом и химическим строением.

Химическая формула. Наименование и символы элементов — химическая азбука, позволяющая описать состав любого вещества химической формулой.

Вещество. Молекулы могут содержать атомы только одного элемента, например молекула кислорода содержит два атома кислорода и описывается формулой О2, молекула озона состоит из трех атомов кислорода — О3, молекула белого фосфора — из четырех атомов фосфора Р4, молекула брома — из двух атомов Br2 и т. д.; такие вещества называют простыми веществами.

Вещества, молекулы которых состоят из атомов разных элементов, называют сложными веществами или химическими соединениями, например оксид водорода (вода) Н2О, азотная кислота HNO3, глюкоза С6Н12О6 и т. д.

Согласно современным представлениям из молекул состоят вещества в газообразном и парообразном состоянии. В твердом состоянии из молекул состоят лишь вещества, кристаллическая решетка которых имеет молекулярную структуру. Например, органические вещества, неметаллы (за небольшим исключением), оксид углерода (IV), вода. Большинство же твердых неорганических веществ не имеет молекулярной структуры: их решетка состоит не из молекул, а из других частиц (ионов, атомов); они существуют в виде макротел (кристалл хлорида натрия, друза кварца, кусок меди и др.). Не имеют молекулярной структуры соли, оксиды металлов, алмаз, кремний, металлы.

Химическая связь между молекулами у вещества с молекулярной структурой менее прочная, чем между атомами, поэтому их температуры плавления и кипения сравнительно низкие. У веществ с немолекулярной структурой химическая связь между частицами весьма прочная, поэтому их температуры плавления и кипения высокие. Современная химия изучает свойства микрочастиц (атомов, молекул, ионов и др.) и макротел.

Относительная атомная масса. Относительной атомной массой элемента называют отношение абсолютной массы атома к 1/12 части абсолютной массы атома изотопа углерода 12С. Обозначают относительную атомную массу элемента символом Аr, где r - начальная буква английского слова relative (относительный).

Относительная молекулярная масса. Относительной молекулярной массой Мr называют отношение абсолютной массы молекулы к 1/12 массы атома изотопа углерода 12С. Обратите внимание на то, что относительные массы по определению являются безразмерными величинами.

Таким образом, мерой относительных атомных и молекулярных масс избрана 1/12 часть массы атома изотопа углерода 12С, которая называется атомной единицей массы (а.е.м.):

Абсолютные и относительные массы связаны простыми соотношениями:

Моль. В химии чрезвычайное значение имеет особая величина — количество вещества.

Количество вещества определяется числом структурных единиц (атомов, молекул, ионов или других частиц) этого вещества, оно обозначается обычно n и выражается в молях (моль).

Моль это единица количества вещества, содержащая столько же структурных единиц данного вещества, сколько атомов содержится в 12 г углерода, состоящего только из изотопа 12С.

Число Авогадро. Определение моля базируется на числе структурных единиц, содержащихся в 12 г углерода. Установлено, что данная масса углерода содержит 6,02× 1023 атомов углерода. Следовательно, любое вещество количеством 1 моль содержит 6,02× 1023 структурных единиц (атомов, молекул, ионов).

Число частиц 6,02 × 1023 называется числом Авогадро или постоянной Авогадро и обозначается NA:

NA = 6,02 × 1023 моль-1.

Молярная масса. Для удобства расчетов, проводимых на основании химических реакций и учитывающих количества исходных реагентов и продуктов взаимодействия в молях, вводится понятие молярной массы вещества.

Молярная масса М вещества представляет собой отношение его массы к количеству вещества:

,

где т — масса в граммах, n — количество вещества в молях, М — молярная масса в г/моль — постоянная величина для каждого данного вещества.

Значение молярной массы численно совпадает с относительной молекулярной массой вещества или относительной атомной массой элемента.

Классификация химических веществ. Индивидуальные вещества, смеси, растворы. Все вещества подразделяются на смеси и чистые вещества. Смеси состоят из нескольких веществ, каждое из которых сохраняет свои индивидуальные свойства и может быть выделено в чистом виде.

Смеси могут быть гомогенными (однородными) и гетерогенными (неоднородными). Примером гомогенной смеси могут служить растворы, гетерогенной — бетон, смесь сахара и соли и т.д.

Для получения чистых химических используются различные химические и физические методы очистки. Однако на практике любое вещество содержит какое-то количество примесей. При высокой степени очистки содержание последних настолько мало, что практически не влияет на химические и физические свойства веществ.

Химические вещества подразделяются на простые и сложные.

Простые вещества — это вещества, образованные из атомов одного элемента.

Например, простое вещество уголь образовано атомами элемента углерода, простое вещество железо — атомами элемента железа, простое вещество азот — атомами элемента азота.

Понятие “простое вещество” нельзя отождествлять с понятием “химический элемент”. Простое вещество характеризуется определенной плотностью, растворимостью, температурами плавления и кипения и т.п. Эти свойства относятся к совокупности атомов и для разных простых веществ они различны. Химический элемент характеризуется определенным положительным зарядом ядра атома (порядковым номером), степенью окисления, изотопным составом и т.д. Свойства элементов относятся к его отдельным атомам.

Сложные вещества, или химические соединения, — это вещества, образованные атомами разных элементов.

Так, оксид меди (II) образован атомами элементов меди и кислорода, вода — атомами элементов водорода и кислорода.

Сложные вещества состоят не из простых веществ, а из элементов. Например, вода состоит не из простых веществ водорода и кислорода, а из элементов водорода и кислорода. Названия элементов обычно совпадают с названиями соответствующих им простых веществ (исключения: углерод и одно из простых веществ кислорода — озон).

Аллотропия. В настоящее время известно 110 элементов, а число образуемых ими простых веществ около 400. Такое различие объясняется способностью того или иного элемента существовать в виде различных простых веществ, отличающихся по свойствам. Это явление называется аллотропией, а образующиеся вещества — аллотропными видоизменениями или модификациями. Так, элемент кислород образует две аллотропные модификации — кислород и озон; элемент углерод — три: алмаз, графит и карбин; несколько модификаций образует элемент фосфор. Aллотропные формы элемента кислорода отличаются числом атомов в их молекулах. Аллотропные формы элемента углерода — алмаз, графит и карбин отличаются строением их кристаллических решеток.

Таким образом, явление аллотропии вызывается двумя причинами: 1) различным числом атомов в молекуле (например, кислород O2 и озон О3) или 2) образованием различных кристаллических форм.

Валентность элементов в соединениях. Современные представления о природе химической связи основаны на электронной (спиновой) теории валентности, в соответствии с которой атомы, образуя связи, стремятся к достижению наиболее устойчивой (т. е. имеющей наименьшую энергию) электронной конфигурации. При этом электроны, принимающие участие в образовании химических связей, называются валентными.

Согласно спиновой теории, валентность атома определяется числом его неспаренных электронов, способных участвовать в образовании химических связей с другими атомами, поэтому понятно, что валентность всегда выражается небольшими целыми числами.

Степень окисления. Для полярных соединений также часто используют понятие степени окисления, условно считая, что такие соединения состоят только из ионов. Так, в галогеноводородах и воде водород имеет формально положительную валентность, равную 1+, галогены — формально отрицательную валентность 1-, кислород — отрицательную валентность 2-, как это обозначено в формулах Н+F-, Н+Сl-, Н+2О2-.

Понятие степени окисления было введено в предположении о полном смещении пар электронов к тому или другому атому (показывая при этом заряд ионов, образующих ионное соединение). Поэтому в полярных соединениях степень окисления означает число электронов, лишь смещенных от данного атома к атому, связанному с ним.

Совсем формальное понятие “степень окисления” используется при рассмотрении ковалентного соединения, поскольку степень окисления — это условный заряд атома в молекуле, вычисленный исходя из предположения, что молекула состоит только из ионов. В действительности никаких ионов в ковалентных соединениях нет.

Авторизация
Привет, Гость!
null


Мини-чат

Друзья
Каталог Ресурсов Интернет
Каталог+поисковая система

SA:MP Мониторинг
RP сервер

ТДМ сервер


Рекламный блок

Multiportal 2009 - 2017