Часть первая Физическая химия (стр. 6 )

N2 (г) + 2О2 (г) 2NO2 (r);  ∆G = 104 кДж

Эта реакция самопроизвольно не протекает, так как она сопровождается понижением энтропии и увеличением энтальпии. Реакция эндотермическая, поэтому изменение изобарного потенциала положительно. Чтобы такой про­цесс проходил, требуется поступление энергии извне.

Если в системе не происходит ни энергетических из­менений (∆H=0), ни изменения степени беспорядка (∆S=0), тогда ∆G=0 и система находится в состоянии равновесия.

Таким образом, использование изобарного потенциала позволяет получить однозначный ответ на вопрос о принципиальной возможности самопроизвольного проте­кания того или иного процесса в заданном направлении при данных условиях и дать количественную оценку дви­жущей силы. Чем больше по абсолютной величине значе­ние изобарного потенциала, тем больше движущая сила реакции. Поэтому при ∆G<0 процесс может протекать только в прямом направлении, при ∆G>0 возможна только обратная реакция, при ∆G=0 система находится в состоянии химического равновесия.

Глава II

СТРОЕНИЕ АТОМОВ И МОЛЕКУЛ

§ 5. Строение атомов

К началу XX столетия было неоспоримо доказано, что атомы всех элементов имеют сложное строение и представляют собой электронейтральные системы, состо­ящие из положительно заряженного ядра и вращающих­ся вокруг него отрицательно заряженных электронов.

Если принять, что атомы имеют сферическую форму, то их диаметр составляет от 1 • 10-8 до 5-10-8 см. Ядра имеют гораздо меньшие размеры. Обычно диаметр ядра составляет 10-13 см, т. е. примерно в 100 000 раз меньше диаметра самого атома. Если представить, например, что модель атома соответствует по размерам крупному ста­диону, то ядро атома будет величиной с булавочную го­ловку. Несмотря на такие малые размеры ядер, в них сосредоточена почти вся масса атома (около 99,97%).

Состав атомных ядер. Согласно общепринятой в на­стоящее время теории, предложенной в 1932 г. советски­ми физиками и и незави­симо от них немецким ученым В. Гейзенбергом, ядра атомов состоят главным образом из протонов и нейтро­нов.

Протон — ядерная частица с массой 1,00782 углерод­ных единиц (у. е.) и зарядом +1 в условных единицах. Заряд протона равен по величине и противоположен по знаку заряду электрона (заряд электрона е - условно принят равным —1). Протон принято обозначать симво­лом «р».

Нейтрон — ядерная частица с массой 1,00866 у. е. без электрического заряда. Нейтрон обозначается символом «n».

Число протонов в ядре и, следовательно, значение его положительного заряда равны порядковому номеру эле­мента в периодической системе элементов.

Электронная структура атомов. Основу атома со­ставляет ядро, но в процессе химических превращений оно остается без изменения. Химические реакции сопро­вождаются перестройкой лишь электронных оболочек и поэтому особенности химических свойств элементов оп­ределяются особенностями электронного строения их ато­мов.

Установив в составе атома наличие положительно за­ряженного ядра, английский физик Э. Резерфорд в 1911 г. предложил ядерную (планетарную) модель ато­ма, согласно которой ядро находится в центре атома, а электроны вращаются вокруг ядра по орбитам подобно планетам, вращающимся вокруг Солнца. Это представле­ние о структуре атомов получило широкое распростране­ние. Однако теория Резерфорда не объяснила устойчиво­сти атома.

В 1913 г. Нильс Бор (Дания) разработал теорию стро­ения атома водорода с привлечением квантовых пред­ставлений об излучении энергии.

Еще в 1900 г. немецкий физик М. Планк предположил, что энергия излучается не непрерывно, а определенными порциями — квантами. Кванты лучистой энергии назы­ваются фотонами. Величина кванта энергии Е определя­ется уравнением Планка:

E = hv,  (II.1)

где h — постоянная Планка, или квант действия, равная 6,625-10-34 Дж-с, a v — частота излучения, которая свя­зана со скоростью света с и длиной  соотношением

.

Исходя из квантовой теории, Бор теоретически обос­новал модель наиболее простого из всех атомов — атома водорода. В основу своей теории Бор положил следую­щие постулаты.

1.  Электрон может двигаться вокруг ядра атома не по любым, а только по вполне определенным стационарным орбитам. При этом Бор дал ответ на вопрос, почему электрон не «падает» на ядро под влиянием кулоновских сил притяжения. Бор объяснил это тем, что кулоновские силы притяжения между ядром и электроном уравнове­шиваются центробежной силой вращающегося вокруг него электрона, т. е.

,  (II.2)

где е — заряд электрона; r — радиус орбиты; m — масса электрона; v — скорость движения.

2.  Электроны, двигаясь по стационарным орбитам, энергии не излучают, их общий запас энергии остается постоянным. Поглощение и излучение энергии происхо­дит при переходе электрона с одной орбиты на другую. Электронам каждой стационарной орбиты соответству­ет вполне определенный запас энергии.

Для электрона, расположенного на любой стационар­ной орбите, энергию связи с ядром можно рассчитать из выражения

где Е — энергия связи электрона с ядром для орбиты n. эВ; 13,6 эВ (1 эВ= 1,60207- 10-19 Дж) —энергия иониза­ции атома водорода, т. е. количество энергии, необходи­мое для отрыва электрона от атома и удаления его из сферы влияния ядра.

Из уравнения следует, что энергия связи с ядром электрона на второй орбите (п — 2) в 4 раза меньше, на третьей (п = 3) — в 9 раз меньше, чем на первой, и т. д.

При поглощении кванта лучистой энергии происходит перескок электрона на более удаленную орбиту. При этом атом переходит в возбужденное состояние. В воз­бужденном состоянии он находится лишь доли секунды (10-8 с), после чего электрон возвращается на исходную орбиту, излучая квант энергии, и атом переходит в нор­мальное состояние.

Если обозначить энергию более далекого от ядра уровня — Е2, а ближе расположенного к ядру — Е1 то смысл этого постулата можно выразить следующими схемами:

,

,

Электронные облака. Основ­ным принципом квантовой меха­ники является то, что законы классической механики, справед­ливые для тел с до

статочно боль­шой массой, неприменимы к дви­жению электронов в атоме и что элементарные частицы (электро­ны, протоны, нейтроны и др.) об­ладают двойственной природой — корпускулярной и волновой. Это означает, например, что электрон

является частицей материи и имеет определенную массу, а с другой стороны, его движение обладает свойствами волны и может быть описано определенной амплитудой, длиной волны, частотой колебаний и т. д.

Квантовомеханическая теория заставила отказаться от принятых ранее представлений о том, что электрон в атоме движется по определенным траекториям. Электрон так быстро движется в атомном пространстве, что мож­но представить его Электрический заряд «размазанным» в виде облака отрицательного электричества. Плотность облака выше там, где больше вероятность пребывания электрона. Область пространства вокруг ядра, в которой чаще всего оказывается электрон, называют электронным облаком.

Форма электронных облаков может быть различной: сферической, гантелеобразной и более сложной (рис. 1 и 2).

Квантовые числа. Состояние электронов в атоме. Для характеристики энергетического состояния электро­на в атоме квантовая механика пользуется системой че­тырех квантовых чисел.

1. Главное квантовое число характеризует энергетиче­ский уровень электронов и имеет только целочисленные значения: 1, 2, 3, 4 и т. д. Электроны, имеющие одно и то же значение главного квантового числа п, составляют электронный слой. Электронные слои кроме цифровых обозначений могут быть также обозначены буквами ла­тинского алфавита К, L, M, N, О, Р, Q. Электроны каж­дого электронного слоя характеризуются определенным уровнем энергии. Электроны каждого последующего электронного слоя отличаются от электронов предыду­щих слоев большими значениями энергии. Количество электронных слоев в атомах совпадает с номером перио­да периодической системы элементов, в котором находит­ся данный элемент.

Максимальное количество электронов в каждом электронном слое может быть определено по формуле

Z = 2n2,  (II.4)

где Z — максимальное количество электронов, а п — но­мер слоя. Из (П.4) следует, что первый слой может со­держать не более 2 электронов, второй — не более 8, третий — не более 18, а четвертый — не более 32 электро­нов.

2. Побочное квантовое число I. Электроны одного и того же слоя могут несколько отличаться друг от друга по энергетическим характеристикам, что зависит от кон­фигурации электронных облаков, образуя группы элект­ронов разных подуровней. Для характеристики подуров­ней служит побочное, или орбитальное, квантовое число I. Соответствующие подуровни электронов обозначаются буквами латинского алфавита s, р, d, f, а сами электро­ны, составляющие эти подуровни, называются соответст­венно s-, p-, d-, f- электронами. Число подуровней в пределах энергетического уровня равно номеру уровня, т. е. на первом энергетическом уровне могут быть электроны только s-подуровня, на втором энергетическом уровне могут быть электроны s- и р-подуровней, на третьем электроны s-, р - и d-подуровней, на четвертом — электроны s-, р-, d- и f-под­уровней.