Химия (стр. 4 )

DG = DH – TDS

Отрицательное значение изменения энергии Гиббса (DG < 0) является условием самопроизвольного протекания реакции.

Температуру, при которой DG = 0, называют температурой начала реакции. В этом случае ТDG = 0 = DH / DS.

Изменения энергии Гиббса и энтропии в химических реакциях аналогичны изменениям энтальпии (теплового эффекта) и определяются в соответствии со следствием из закона Гесса:

DН0 = (SDН0продуктов – SDН0исх. в-в),

DG0 = (SDG0продуктов – SDG0исх. в-в),

DS0 = (SS0продуктов – SS0исх. в-в).

Примеры решения задач

Пример 4. Теплота образования сульфида меди (II) равна 48,534 кДж. Сколько теплоты выделяется при образовании 144 г сульфида меди (II)?

Решение.

Запишем термохимическое уравнение реакции:

M(CuS) = M(Cu) + M(S) = 64 + 32 = 98 (г/моль)

71,315 (кДж)

СТРОЕНИЕ ВЕЩЕСТВА

Понятие строения вещества складывается из следующих моментов: 1) строение атома; 2) строение молекул; 3) строение агрегатов молекул.

Строение атома

Атом – сложная частица, состоящая из положительно заряженного ядра и электронных оболочек, на которых помещаются отрицательно заряженные электроны.

Положительный заряд ядра равен сумме отрицательных зарядов электронов, окружающих ядро, поэтому в целом атом электронейтрален.

Атом

 

		Ядро	Электронные оболочки
	протоны (р)	нейтроны (n)	электроны (е)
Масса (кг)	1,672×10-27	1,674×10-27	9,1×10-31
Масса (а. е.м.)	1	1	1/1860
Заряд (Кл)	+1,602×10-19	0	–1,602×10-19
Заряд (е)	+1	0	–1

Протоны, нейтроны и электроны называются элементарными частицами.

Масса атома, выраженная в атомных единицах массы, называется относительной атомной массой или массовым числом атома, Мr. Она близка к сумме масс всех элементарных частиц. Так как массовые числа протона и нейтрона равны 1, а масса электрона пренебрежимо мала, то массовое число атома равно сумме числа протонов и нейтронов.

Символы химических элементов представляются обычно в виде:

,

где X – символ элемента;

a – массовое число (сумма числа протонов и нейтронов);

b – порядковый номер элемента (число протонов);

с – заряд иона.

Природные химические элементы существуют в виде смеси изотопов.

Изотопы – атомы одного химического элемента, имеющие одинаковое число протонов, но разные массовые числа (число нейтронов). Например, природный хлор существует в виде двух изотопов: , ядро которого содержит 17 протонов и 18 нейтронов, и (17 протонов и 20 нейтронов). Атомная масса элемента, приведенная в периодической системе элементов, есть средняя масса его природных изотопов.

Протоны и нейтроны объединяются в компактное ядро за счет ядерных сил, возникновение которых приводит к дефекту массы (масса ядра всегда несколько меньше суммы масс протонов и нейтронов). Дефект массы определяет устойчивость атомного ядра и энергию связи нуклонов (протонов и нейтронов) в ядре.

Элементы с порядковыми номерами Z = 84 – 92 имеют только неустойчивые изотопы.

Элементы с порядковыми номерами больше 92 настолько нестабильны, что не существуют в природе, все они были получены искусственным путем.

Самопроизвольное разложение атомных ядер неустойчивых изотопов носит название «радиоактивность», а реакции, которые протекают в этих случаях – ядерные реакции.

Примеры ядерных реакций.

– выделение a-частиц;

– выделение нейтронов;

(нейтрино) – электронный захват.

Строение электронных оболочек

Сведения о строении электронных оболочек накапливались и развивались с конца XIX до середины ХХ века. Для строгого описания движении электронов вокруг атомного ядра необходимо использовать понятие корпускулярно-волнового дуализма электрона (электрон обладает одновременно свойствами частицы и волны).

Количественно волновой дуализм электрона и других элементарных частиц описывается уравнением Луи де Бройля:

,

где l – длина волны частицы;

m – масса частицы;

v – скорость ее движения;

h – постоянная Планка (h = 6,62×10-34 Дж×с).

Микрочастицы подчиняются принципу неопределенности Гейзенберга – для микрочастиц невозможно одновременно определить координату (х) и составляющую импульса (р) вдоль этой координаты: Dх × Dрх ³ h

В связи с этим, для описания поведения микрочастиц вводят особую функцию, которую называют функцией состояния или волновой функцией, Y. Она вводится таким образом, что квадрат ее модуля пропорционален вероятности обнаружить частицу (электрон) в данной точке в указанное время (плотность вероятности). Функция плотности вероятности достигает максимального значения на некотором конечном расстоянии от ядра. Например, для электрона атома водорода функция плотности вероятности имеет следующее распределение по всем осям координат:

 

½Y2½

r0 r

Волновая функция электрона носит название «орбиталь». Она характеризует энергию и форму пространственного распределения электронного облака.

Количественные соотношения в теории строения атома определяются волновым уравнением Шредингера:

, где

U – потенциальная энергия электрона;

Е – полная энергия электрона;

m – масса электрона;

x, y, z – координата электрона;

y – волновая функция;

Решение уравнения Шредингера содержит набор квантовых чисел, характеризующих поведение электрона в атоме.

n – главное квантовое число, оно определяет общий запас энергии электрона, т. е. энергетический уровень.

n = 1,2,3…

l – орбитальное квантовое число, определяет форму электронной орбитали (энергетический подуровень).

l = 0,1,2…(n-1).

Если l = 0, то орбиталь называется s-орбиталь (движение электрона по сфере). При l = 1 мы имеем р-орбиталь (гантелевидная форма движения). Формы движения электронов по d- и f- орбиталям (l = 2 и 3 соответственно) имеют еще более сложный вид.

Число подуровней на энергетическом уровне совпадает с его номером. Так, для первого уровня (n = 1) существует только один подуровень (l = 0), то есть 1s-орбиталь. Аналогично для n = 2 (второй уровень) имеем два подуровня (l = 0, 1) или 2s,2p-орбитали; для третьего уровня (n = 3, l = 0, 1, 2) – 3s,3p,3d-орбитали и т. д.

ml – магнитное квантовое число, характеризует проекцию магнитного момента электрона на внешнее магнитное поле, то есть определяет ориентацию электронной орбитали в пространстве. Его значения определяются орбитальным квантовым числом: ml = ±l; ±(l-1); ±(l-2)…0.

При значении орбитального квантового числа l = 0 магнитное квантовое число имеет одно возможное значение (ml = 0), то есть возможен только один способ ориентации s-орбитали в пространстве. Аналогично получаем, что для р-орбиталей (l = 1, ml = –1, 0, +1) существуют три возможных способа ориентации (вдоль осей координат), для d-орбиталей – пять возможных способов ориентации (l = 2, ml = –2, –1, 0, +1, +2) и т. д.

На основе представлений о квантовых числах можно уточнить понятие электронной орбитали. Атомная орбиталь – это совокупность положений электрона в атоме, характеризуемых определенными значениями главного, орбитального и магнитного квантовых чисел. Условно атомные орбитали обозначают в виде клетки (энергетической ячейки):