Методические указания к изучению дисциплины «неорганическая химия» (стр. 1 )

Методические указания к изучению дисциплины

Форма Ф СО ПГУ 7.18.2/07

Министерство образования и науки Республики Казахстан

Павлодарский государственный университет им. С. Торайгырова

Кафедра химии и химических технологий

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ИЗУЧЕНИЮ ДИСЦИПЛИНЫ «НЕОРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ»

для специальностей 5В072000 – Химическая технология неорганических веществ и 5В072100- Химическая технология органических веществ

Павлодар

Лист утверждения к методическим указаниям по изучению дисциплины

Форма Ф СО ПГУ 7.18.02/11

УТВЕРЖДАЮ

Декан факультета химических

технологий и естествознания

__________

«___»_____________20__г.

Составитель: к. х.н., проф._____________

Кафедра химии и химических технологий

ПРОГРАММА ДИСЦИПЛИНЫ
ДЛЯ СТУДЕНТОВ

дисциплины Неорганическая химия

для специальностей 5В072000 – Химическая технология неорганических веществ, 5В072100 Химическая технология органических веществ

Программа разработана на основании рабочей учебной программы, утвержденной

«____» _________20__г.

Рекомендована на заседании кафедры от «___»____________20__г.

Протокол №_____.

Заведующий кафедрой ______________________

Одобрена учебно-методическим ФХТи Е

«_____»______________20___г. Протокол №____

Председатель УМС _____________________

Методические указания к изучению дисциплины «Неорганическая химия» для студентов специальностей 5В072000-Химическая технология неорганических веществ», 5В072100-Химическая технология органических веществ»

Работа студента над курсом неорганической химии слагается из следующих элементов: самостоятельное изучение материала по учебникам и учебным пособиям, выполнение контрольных заданий, прохождение текущего и рубежного контроля, лабораторного практикума, посещения лекций, практических занятий, индивидуальные и групповые консультации, сдача зачетов, коллоквиумов, экзаменов.

Приступая к изучению курса, прежде всего ознакомьтесь с его содержанием по тематическому плану, объемом каждой темы и последовательностью содержащихся в ней вопросов. Изучать курс следует по отдельным темам. При первом чтении следует получить общее представление об изучаемых вопросах, а также отмечайте трудные и неясные места. Затем переходите к детальному изучению материала.

Усвойте все теоретические положения, математические зависимости и их выводы, а также принципы составления уравнений. Вникайте в сущность того или иного вопроса. Изучение вопроса на уровне сущности, а не на уровне отдельных явлений способствует более глубокому и прочному усвоению материала.

ТЕМА 1 СТРОЕНИЕ АТОМА

То, что вещества состоят из атомов было известно еще за 400 лет до нашей эры (Демокрит). В XIX веке была разработана атомистическая теория (Дальтон, 1808), на основании которой в дальнейшем устанавливались массы и размеры атомов химических элементов
Диаметр атомов ~2*10-10м или 0.2 нм (нм = 10-9м) или 2А (1А=10-10м)
массы атомов 10-г, 1 ат. ед. массы =1.661*10-24г
Однако, до конца XiX века атом считался неделимым, и что заставляло атомы соединяться в те или другие молекулы было не понятно.

1895 г. В. Крукс. Открытие “катодных лучей” . Пропускание электрического тока через вакуумированную трубку. Поток заряженных частиц. Лучи распространяются прямолинейно, отклоняются в магнитном поле. Лучи - материальные частицы - вертят детскую вертушку.

В 1897 г. Дж. Дж. Томсон измерил соотношение между массой и зарядом электрона e/m = -1.76*1011Кл/кг. Только в 1911 г. Малликен измерил величину заряда электрона - 1.6*10-19 Кл - то, что мы теперь приняли за единицу заряда. Масса электрона составляет 9.1*10-19г или 1/1837 массы атома водорода.

Если в атоме есть электроны в некотором количестве, то должен быть и равный положительный заряд, поскольку атом электронейтрален. Если в атоме есть электроны в некотором количестве, то должен быть и равный положительный заряд, поскольку атом электронейтрален. Что же из себя представляет атом?

Опыты Гейгера и Марсдена - обстреливали золотую фольгу a-частицами. Оказалось, что большая часть их проходит через фольгу не задерживаясь. На основании этих опытов Резерфорд (1911) предложил ядерную модель атома: если атом имеет диаметр 1 А, то его ядро 10-5А.

Еще одно свидетельство сложного строения атома - атомные эмиссионные спектры. Свет, проходя через призму, дает сплошной спектр - радугу. Свет от разогретых атомов химического элемента дает линейчатый спектр - линии различного цвета на черном фоне. Ридберг изучал частоты в линейчатых эмиссионных спектрах химических элементов и обнаружил, что все они подчиняются соотношению n = R(1/n2 - 1/m2) (1) где R - константа, названная константой Ридберга.

Строение атома по теории Бора.(1913)

Электрон в атоме водорода движется вокруг протона по замкнутой круговой орбите. Условие устойчивости орбиты - равенство центробежной силы и силы кулоновского притяжения:

(2)

Энергия движущейся частицы равна сумме кинетической и потенциальной энергий;

E = T + U = ½ mv2 - e2/r (3)

Из (2) получаем mv2 = e2/r, подставляем в (3) и получаем

Е = -e2/2r (4)

Но, согласно (4) энергия может принимать любые значения и радиус тоже, тогда атом будет постоянно излучать энергию, электрон упадет на ядро, аннигиляция. Почему этого не происходит?

Известен постулат Планка(1911): свет излучается и поглощается квантами E = hn .

Бор сформулировал свои постулаты:

1. Электрон в атоме находится в “стационарном” состоянии ( движется по стационарной орбите) и никакой энергии не излучает.

2. Будучи выведен из стационарного состояния (переведен на другую орбиту), электрон, возвращаясь, излучает квант света hn = Е2 - Е1.

3. Электрон в атоме может находиться только на тех “разрешенных” орбитах, для которых момент количества движения (mvr) принимает некие дискретные значения, а именно mvr = nh/2p (4), где n - целое число 1,2,3…

Решая уравнение (4) относительно v, получим

Подставив полученное значение v в условие стационарности орбиты (2), получим

(5)

радиусы разрешенных орбит. Подставив значения r в уравнение (3), получим значения энергии для этих орбит

(6)

Подставив соответствующие константы, получим радиус первой Боровской орбиты для атома водорода r=0.529 A. Отметим, что энергия обратно пропорциональна n2 (cм. уравнение 1). Кстати, энергия первой орбитали атома водорода по Бору (вычисленная из (6)) равна 13.6 эВ.

Достижения Бора:

1. Описал радиус атома водорода,

2. Определил энергию его ионизации,

3. Описал количественно спектр атома водорода.

Недостатки теории:
не удается описать спектры многоэлектронных атомов, поведение атомов в магнитном поле.

Представления о копускулярно-волновом дуализме электрона

Развитие волновой механики - Де Бройль, Шредингер, Гейзенберг. 1924г. Уже было установлено, что свет представляет собой волны и частицы - фотоны. Электрон - частица: имеет массу, оказывает физическое воздействие ( вертушка), имеет скорость.

Электрон - волна: имеет фазу, можно определить длину волны, пучок электронов испытывает дифракцию, интерференцию.

В 1924 г. Луи де Бройль предположил, что электроны, подобно фотонам, распространяются волнами. Для фотонов Эйнштейн предложил уравнение, связывающее массу и энергию:

E = mc2 (7),

при этом известно, что энергия фотона определяется через его частоту:

E = hn (8).

Подставив в (7) скорость движения электрона и приравняв (7) и (8)б, де Бройль получил следующее:

mv2 = hn = hv/l,

где l - длина волны электрона. Тогда можно получить фундаментальное соотношение между корпускулярными и волновыми свойствами частиц:

(9)

Почему это соотношение важно для микрочастиц, но не существенно для макрообъектов? Постоянная Планка h=6.626*10-34Дж*с. Если рассмотреть объект, массой 1 г, движущийся со скоростью 1см/с, то подставив в (9), мы получим длину волны l=6*10-28см. А вот если рассмотреть электрон, скорость которого в электрическом поле с DЕ = 100 В равна 6*106м/с, то получим l=0.12 нм, т. е. величину, вполне соизмеримую с размерами атома.

Следующее предположение де Бройля: если электрон двигается по круговой орбите не как шарик, а как волна, то на окружности орбиты должно укладываться целое число волн, иначе произойдет затухание волны. Иными словами электрон должен образовывать т. н. стоячую волну. Что из этого следует? 2pr = nl или l = 2pr/n Приравнивая это выражение к (9), получаем 2pr/n = h/mv, а отсюда следует уже знакомое: mvr =n h/2p (4).

Итак, получен главный постулат Бора, но совсем на других, более научных основаниях.

Все вышесказанное свидетельствует о том, что электрон ”размазан” в атоме. Как это можно себе представить? Ответ на вопрос дает принцип неопределенности Гейзенберга. Основная идея - невозможно в любой данный момент времени определить и положение в пространстве и импульс (p=mv) электрона. Математически это выражается так:

(Dpx)(Dx)³h/4p (10)

Здесь Dpx - неопределенность в величине импульса, а Dx - неопределенность в положении частицы в пространстве. Т. о., чем точнее удается измерить импульс электрона, тем менее точно мы сможем установить его положение в пространстве. Мы должны принять, что электрон представляет собой одновременно и частицу и волну.

Теперь все резко усложняется, поскольку электрон размазан в атоме и его движение нужно описывать как волновое, приходится вводить т. н. волновую функцию y(x,y,z), описывающую движение электрона как волны. Наша задача остается прежней - найти, хотя бы приблизительно, где можно обнаружить этот размазанный электрон, т. е. определить наиболее вероятный радиус орбиты, определить его энергию и т. о. описать спектры атомов.