Химия - основы общей химии (теория)

Строение твердого тела

4. Химическая термодинамика

5. Химическая кинетика

6. Равновесие в химических системах

Натурфилософские представления об атомном строении материи.
(5 в.до н.э.) Демокрит – понятие «атом». Эпикур, Аристотель

2 – Химическая гипотеза об атоме, как наименьшей частице химического
элемента. Атомы отличаются массой. Парацельс, Бойль, Берцелиус
(16-17 в.). До конца 19 в. атом рассматривался как неделимая частица.

3 – Физические модели строения атома (появились на рубеже 19-20 в.) Описывают сложное строение атома. Появились на основании открытий, исслед.:

Основной вывод из исследований и открытий 3-го этапа - атомы содержат разноименно заряженные частицы (имеют сложное строение)

- сложная частица, состоящая из положительно заряженного ядра (~10-15 м, почти вся масса атома в ядре малого размера) и отрицательно заряженных электронов вращающихся вокруг ядра на расстоянии ~10-10 м (по характеру рассеяния α-частиц тонкими Pt, Ag и Cu металлическими фольгами)

Нильс Бор – теория (модель) строения атома водорода (постулаты) (1913г.)
En = - 2π2e4k2m / h2 ∙ 1/n2 (n=1 E1= -13,6 эВ; En = - E1 / n2
rn = h2 / 4π2e2km ∙ n2 n = 1,2,3… Позволила рассчитать Е эл-на (объясняла оптический линейчатый спектр атома водорода) и радиус rn электронн. орбит. Не объясняла тонкую структуру оптических спектров, образование хим.связи
Луи де Бройль, Вернер Гейзенберг, Макс Борн, Эрвин Шредингер и др. - квантово-механическая модель (1925-27 г.г. и по настоящее время)
Квантовая (волновая) механика - теория, устанавливающая способ описания и законы движения микрочастиц. Базируется на 2-х основных гипотезах-постулатах Л.де Бройля (корпускулярно-волновой дуализм свойств материи) и В. Гейзенберга (принцип неопределенности для микрочастиц)

излучение

Волна: λ - длина волны
ν- частота
Т - период

Частица (корпускула): m - масса
p = mv - импульс
E= mv2/2 - кинетическая энергия

hν = mc2
Корпускулярно-
волновой дуализм
ЭМИ: фотон - частица и/или волна

импульса P любого движущегося материальн.объекта с длиной волны λ, представляющей волновой хар-р его движения

Материальный объект (частица): m - масса, v – скорость, λ –длина волны (наз.волна де Бройля)
Если электрон обладает волновыми свойствами должна наблюд.дифракция:

Для эл-на Ek = 100 эВ (1эВ=1,602⋅10-19Дж) , λ = 1.2 Å (1 Å =10-10 м)

Луи де Бройль (1925)

одномерного пространства в виде неравенства:
где ∆х, ∆р х – неопределенность координаты частицы и соответствующего ей импульса по оси х (аналогично по оси y и z в 3-х мерном пространстве)

Эрвин Шредингер – квантово-механическая модель строения атома на основе квантовой (волновой) механики - теории, устанавливающей способ описания и законы движения микрочастиц - базируется на 2-х основных гипотезах-постулатах Л. Де Бройля и В. Гейзенберга [корпуск.-волновой дуализм микрочастиц и неопределенность в точном измерении корпускулярных свойств микрочастиц (координат и импульса)]

для описания волнового характера движения электрона по координате х

мерном пространстве с координатами (x,y,z) - Ψ(x,y,z,t)

Ψ(x,y,z,t) - волновая функция - пси функция (стоячая волна) -
- текущая амплитуда, функция координат (x,y,z) и времени (t)

λ - длина волны

2 v 2 / 2m mv = √2mE k

E = Ek + U, где E - полная энергия U- потенциальная Е k – кинетич.энергия

2. Уравнение должно содержать в себе характеристики электрона как волны - λ, так и частицы - m (дуализм микромира)

1926 г.

волновая функция(амплитудная) и физического смысла не имеет

Принцип нормирования волновых функций
PV = ∫v A2 |Ψ(x,y,z) |2 dV = 1,
А –нормирующий множитель

(ящик) - область пространства, вне которой потенциальная энергия V электрона обращается в бесконечность, т.е электрон не может выйти за границы ящика (связанное состояние)-модель для электрона в атоме

Граничные условия:
внутри ящика: 0<х<а потенц.энергия U= 0 → Ψ(x)
на границах ящика: в (‧) 0 и (‧) а U= ∞ → Ψ(0)=0, Ψ(а)=0

–
набор волн.функций (собственных) Ψ(х),
где a - параметр потенц. ящика,
n = 1,2,3…- квантовое число

n = 1,2,3…- квантовое число

электрона – квантована(дискретна): дискретные значения энергии Е n - E1, E2, E3…, определяются n, где n = 1,2,3… – квантовое число

Энергетическое состояние - {En - Ψn }- определяют величина Е и соответствующая ей волновая функция Ψ (распределение вероятности нахождения эл-на в пространстве. Каждому энергетическому состоянию соответствует своё квантовое число n, где n = 1,2,3… – квантовое число

потенц.ящика;

nx, ny, nz (nj =1,2,3,4… – квантовые числа по осям x, y, z)

Выводы:
1. Энергия электрона дискретна (квантована). [Дискретность энергетических состояний распространяются и на реальный атом].
2. Энергетическое состояние определяется набором целочисленных параметров - трех квантовых чисел nx. ny, nz.

чисел (несколько наборов волновых функций). Пример вырождения - Е2,, Е3 и Е4

Если в (**) а = b = c

[1,1,1] (nx = 1, ny = 1, nz = 1; Е1 =12+12+12=3)

[2,2,2]

в з-не Кулона

x = r⋅sinϑ⋅cosϕ
y = r⋅sinϑ⋅sinϕ
z = r⋅cosϑ

Ψ(r) – волновая функция (собственная функция - конечна, однозначна, непрерывна, Ψ(r)→0 при r→∞), явл. решением ур.Шредингера; а – const, А – нормирующий коэффициент

эВ в основном состоянии) – квантово-механическая модель для атома водорода имеет право на существование

dV = 4πr2dr
dV-объём сферич.слоя тощиной dr

Орбиталь электрона – (объём) область пространства (для атома водорода в основном состоянии это сфера) в которой вероятность нахождения электрона P=0.90 (90 %)

=

Ψ(r)

Общий вид таких волновых функций - Ψ(r,θ,ϕ). Используя метод разделения переменных Ψ(r,θ,ϕ) представляют в виде произведения функций R(r)⋅Y(θ,ϕ)

R(r)n, l -функция радиального распределения электронной плотности в явном виде (получают при решении ур. Шреденгера) содержит n и l

Y(θ,ϕ)l,m -функция углового распределения электронной плотности в явном виде (получают при решении ур. Шреденгера) содержит l и m, где

Квантовые числа:

главное – n = 1,2,3,4…∞

орбитальное – l = 0,1,2,3...(n -1)

магнитное – m = -l, (-l+1),...,0,...,(+l–1), +l

электрона, размер орбитали(расстояния е до ядра)

орбитальное: l = 0,1,2,3...(n-1) Возможные квантовые значения орбитального
момента кол.движения электрона (Екин -форма орбитали)

s- орбиталь

р- орбиталь

d- орбиталь

магнитное: m = -l, (-l+1),...,0,..., (l-1), +l Разрешенные направления в пространстве вектора орбит.момента кол.движения-определяет число орбиталей (Епот –зависит от положения е в пространстве)

s-орбиталь - m = 0

р-орбиталь - m = 1, 0,-1

cпиновое:ms ±1/2 Собственный момент кол.движения электрона

1

+1, 0, -1

3

E3

5

3

0 – 3s
1 – 3p
2 – 3d

0 1
+1, 0, -1 3

+2, +1, 0, -1, -2

4

0 – 1s

= E3p = E3d < E4s = E4p = E4d = E4f < E5s … (вырождение по орбит.кв.ч. l и по магн.кв.ч.m . Энегия Е электрона зависит только от значения главного кв.ч. n)

Проникающая способность орбиталей: ns>np>nd; Энергия nsЧисло
максимумов
ns-орбиталей равно n
(*) Число
максимумов орбиталей равно
n - l

на описание атома водорода). Электрон в поле эффективного заряда Zэ

Zэ = Z - σn,l
Z – заряд ядра
Zэ - эффективный заряд ядра
σn,l - константа экранирования

радиального распределения электронной плотности s,p и d-орбиталей (проникающей способности орбиталей)

E1s < E2s < E2p< E3s < E3p < E4s < E3d < E4p < E5s < E4d <… снятие вырождения по орбит.кв.ч. l. E e зaвисит от n и l

электронов.

2. Принцип (запрет) Паули

3. Правило Хунда

радиус иона

→ A–