Строение атома и химическая связь (стр. 1 )

МИНОБРНАУКИ  РОССИИ

федеральное государственное автономное образовательное учреждение
высшего профессионального образования

«ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

СТРОЕНИЕ АТОМА И ХИМИЧЕСКАЯ СВЯЗЬ

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

для студентов 1 курса направления 021900 – Почвоведение
факультета биологических наук

Ростов-на-Дону

2013

Рецензент:                                        д. х.н., профессор

                                                       

Учебное пособие разработано кандидатом технических  наук, доцентом кафедры общей и неорганической химии

Печатается в соответствии с решением кафедры общей и неорганической химии химического факультета ЮФУ, протокол № 1 от 01.01.01  г.

Учебное пособие  «Строение атома и химическая связь» предназначено для студентов 1 курса факультета биологических наук, обучающихся по направлению 021900 - почвоведение.

Учебное пособие рекомендуется для самоподготовки студентов к практическим занятиям, к контрольным и самостоятельным работам по темам «Строение атома», «Периодическая система и Периодический закон » и «Химическая связь», а также для подготовки к экзамену по курсу «Общая и неорганическая химия».

Контрольные вопросы,  примеры решения типовых задач,  тесты для самоконтроля, а также список литературы с указанием рассматриваемых разделов содержится в учебном пособии по самостоятельной работе «Общая и неорганическая химия, часть 2». 

СОДЕРЖАНИЕ

Введение  3

1 Строение атома  5

  1.1 Модели строения атома  5

  1.2 Постулаты Бора  7

  1.3 Корпускулярно-волновые свойства микромира  9

  1.4 Квантовые числа  11

  1.5 Электронные оболочки атомов  14

2 Периодическая система элементов и периодический закон

    19

3 Периодичность свойств химических элементов  22

4 Химическая связь  24

  4.1 Общие положения  24

  4.2  Межмолекулярное взаимодействие  30

  4.3 Ионная связь  32

  4.4 Метод валентных связей  33

  4.5 Метод молекулярных орбиталей  40

       

Введение

Неорганическая химия изучает огромное число химических элементов и типов простых и сложных веществ. Все свойства веществ обусловлены составом и строением их атомов; а изменение состава или строения различных веществ, в свою очередь, являют собой сущность химических превращений. 

Поэтому понимание того, какие именно изменения  происходят или могут произойти, невозможно без знаний о строении атомов и молекул, свойств ковалентной, ионной, металлической связи и межмолекулярных взаимодействий. Невозможно создавать новые материалы с заданными свойствами, не зная основных аспектов различных теорий строения вещества.

Учение о строении атома и химической связи помогает построить цельную картину химических явлений и процессов в таких разделах, как «термодинамика и термохимия», «кинетика и механизмы химических реакций», «растворы», «окислительно-восстановительные реакции»; а также понимать фактический материал по химии элементов.

Учебное пособие рекомендуется для самоподготовки студентов к практическим занятиям, к контрольным и самостоятельным работам по темам «Строение атома», «Периодическая система и Периодический закон » и «Химическая связь», а также для подготовки к экзамену по курсу «Общая и неорганическая химия».

Контрольные вопросы,  примеры решения типовых задач,  тесты для самоконтроля, а также список литературы с указанием рассматриваемых разделов содержится в учебном пособии по самостоятельной работе «Общая и неорганическая химия, часть 2». 

1 Строение атома

1.1 Модели строения атома

Одним из основных понятий в химии и других естественных науках является  «атом» (от греч. бфпмпж – неделимый). Понятие атома зародилось ещё в Древней Греции в V веке до н. э. Основоположниками атомистического учения считаются древнегреческие философы Левкипп и его ученик Демокрит. Они выдвинули идею о дискретном строении материи и ввели понятие «атом».

  Следуя за Левкиппом, Демокрит утверждал, что всё существующее состоит из атомов и пустоты. Атомы - это неделимые частицы. Атомы соединяются между собой и образуются вещи. Они различаются формой, порядком и положением. Атомы едины, неделимы, неизменны и неуничтожимы. Кроме них, существует только пустота, так как без пустоты не было бы возможности перемещения, а также уплотнения и сгущения. Пустота по своему характеру однородна, она может разделять тела между собой, а может находиться и внутри самих тел и отделять отдельные части этих тел. Атомы же не содержат пустоты, они отличаются абсолютной плотностью. Атомы от природы обладают свойством движения, и это движение передается посредством столкновения атомов. Движение выступает основным источником развития.

Таким образом, Демокрит считал атом наименьшей частицей материи, далее уже неделимой.

В конце XIX – начале ХХ века в области физики были сделаны открытия, которые показали, что атом имеет сложное строение и неделимым является только в химических реакциях: открытие катодных лучей, открытие электрона английским физиком Дж. Томсоном, открытие рентгеновского излучения, открытие и изучение явления  радиоактивности и т. д.

Одной из первых теорий строения атома была теория, предложенная другим английским ученым У. Томсоном (1903 г.). Согласно этой модели, атом состоит из положительного заряда, равномерно распределенного по всему объему атома и электронов, колеблющихся внутри этого заряда.

В 1910 г. в лаборатории Э. Резерфорда проводили эксперименты по бомбардировке б-частицами тонких металлических пластинок. Было обнаружено, что большинство б-частиц проходят сквозь золотую фольгу, не изменяя своей траектории движения. Некоторые частицы отклонялись от первоначальной траектории незначительно и только 1 из 20 000 б-частиц отклонялась на угол близкий к 180о.

Результаты этого эксперимента позволяли сделать следующие выводы:

- в атоме есть некоторое «препятствие» (которое назвали ядром);

- ядро имеет положительный заряд, т. к. положительно заряженные б-частицы  отталкивались в обратном направлении;

- ядро очень мало по сравнению с размерами атома, т. к. лишь незначительная часть б-частиц изменяла направление своего движения;

- ядро имеет массу большую, чем масса б-частиц.

Эксперименты по рассеянию б-частиц позволили оценить размеры атомов и ядер: атомы имеют диаметр порядка 10–10 м, ядра - порядка 10–15 - 10–14 м.

Чтобы объяснить полученные результаты Резерфорд выдвинул идею планетарного строения атома. Атом - подобие Солнечной системы: в центре находится ядро, которое содержит основную массу атома и весь положительный заряд атома, а вокруг ядра по разным орбитам вращаются электроны. Эта модель довольно хорошо объясняла накопившийся к тому времени экспериментальный материал, однако имела и недостатки:

- в соответствии с уравнениями классической электродинамики любая заряженная частица, которая движется с ускорением (а электроны в атоме двигаются с центростремительным ускорением), должна излучать энергию. Потеря энергии должна приводить к уменьшению радиуса орбиты и падению электрона на ядро.

- непрерывное изменение траектории движения электрона должно способствовать непрерывному изменению частоты излучения и, значит, непрерывному спектру испускания. Однако эксперименты показывали, что спектры испускания водорода и других атомов, находящихся в газообразном состоянии, состоят из нескольких полос, т. е. имеют дискретный характер.

1.2  Постулаты Бора

Выход из создавшегося положения был найден в 1913 году датским физиком Нильсом Бором, который предложил свою теорию строения атома. Он не отбрасывал полностью прежние представления о планетарном строении атома, но для объяснения устойчивости такой системы сделал предположение, что законы классической физики не всегда применимы для описания таких систем, как атомы. Бор сформулировал два постулата:

Первый постулат Бора. Электроны могут вращаться вокруг ядра по строго определенным стационарным орбитам, при этом они не излучают и не поглощают энергию.

Второй постулат Бора. При переходе с одной орбиты на другую электрон поглощает или испускает квант энергии.

Бор предположил, что момент импульса электрона в атоме может принимать дискретные значения, которые равны только целому числу квантов действия  (h/2р), что математически можно записать так:

  m·v·r = n·h/2· р  (1),

где m – масса электрона;

  v – линейная скорость его вращения;

  r – радиус орбиты;

  n – главное квантовое число;

  h – постоянная Планка (6,625·10–34 Дж/с).

Главное квантовое число n может принимать целочисленные значения от 1 до бесконечности.

Уравнение (1) представляет собой математическое выражение первого постулата Бора. Энергия электрона на соответствующей орбите будет определяться следующим выражением:

  E = -2 р2 ·m·e4/n2 · h2  (2).

В этом уравнении, все величины, кроме n, являются константами.

Таким образом, энергия электрона в атоме определяется значением главного квантового числа n.

Используя приведенные выше уравнения, Бор сумел рассчитать линейчатый спектр излучения атома водорода. Расчеты Бора оказались в полном согласии с результатами, которые получены экспериментально.

Позже, при детальном изучении спектральных линий оказалось, что некоторые из них представляют собой не одну, а несколько близко расположенных линий. Это говорило о том, что существуют орбиты, на которых электроны имеют близкие значения энергий. Тогда Зоммерфельд предположил, что электроны могут вращаться не только по круговым, но и по эллиптическим орбитам.