Лекции МЭИ по химии (2015)

ЛЕКЦИЯ 1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ЗАКОНЫХимия – естественная наука, изучающая состав, строение,свойства и превращения веществ, а также явления,сопровождающие эти превращения.Закон сохранения массы(Ломоносов, Лавуазье, к. XVIII в.): массавеществ, вступающих в реакцию, равна массе веществ, получающихся врезультате реакции.Закон эквивалентов (Рихтер и др., н. XIX в.): разные вещества,обладающие разной массой могут быть равносильны (т.е. эквивалентны) похимическому действию56 г KOH36 г HCl <40 г NaOHВсе вещества реагируют в эквивалентных отношениях.Закон постоянства состава (Пруст, н.

XIX в.): чистое вещество имеетвсегда один и тот же количественный состав независимо от способа егополученияH2O2 : 161 г + 8 г → 9 г H2OЗакон кратных отношений (Дальтон, н. XIX в.): если два простыхвещества, соединяясь, образуют несколько соединений, то массы одного изних, отнесенные к одной и той же массе другого, относятся между собой какнебольшие целые числаH2O2 : 161:8H2O22 : 321 : 16O:O =1:2Атомистическая теория (Ломоносов, Дальтон, н.

XIX в.): все веществасостоят из атомов.принята в 1860 г. – Международный съезд химиков.С 1897 г. – открытие физиками: электрона (Томсон) ядра атома (Резерфорд) нейтрона (Чедвик) теории строения атома водорода (Нильс Бор) и др. волнового характера электрона (Луи де Бройль) заряда ядер (Мозли)ЛЕКЦИЯ 2. СТРОЕНИЕ АТОМААтом - сложная электромагнитная микросистема, являющаяся носителемсвойств химического элементаАТОМЯДРОЭЛЕКТРОННАЯ ОБОЛОЧКАэлектроны (е-)протоны (р, р+)нейтроны (n, no)другие микрочастицы (> 34)- е- - элементарная отрицательная частица,носитель наименьшей массы инаименьшего электрического заряда- в ядре сосредоточен весь + заряд и 99,98 % массы атома- заряд ядра равен числу протонов в немЧастицаер+n0Кто и когда Система СИоткрылЗаряд, КлДж. Томсон, 1,6.10 -191897Э.

Резерфорд1,6.10 -191911-1919Дж. Чедвик,01932Атомные Система СИ Атомныеед. заряда масса, кгед. массы.-31-19,11 100,000548+11,6.10-271,00701,6.10-271,008Число р в ядре = числу е- в электронной оболочке атома  Атом в целомнейтрален, не имеет заряда.Совокупность атомов с одинаковым зарядом ядра называется химическимэлементом.Сумма числа протонов (Z) и нейтронов (N) называется массовым(нуклонным) числом (А),Z+N=AРазновидности атомов одного химического элемента, имеющие одинаковыйзаряд ядра, но разные массовые числа называют изотопами.

Относительныеатомные массы элементов не являются целыми числами, т.к. элементыпредставляют собой смеси изотопов.массовое числоПример:35(хлор-35, (17 p+, 18 n, 17e-))Cl1737+17 Cl (хлор-37, (17 p , 20 n, 17e ))Аr(Cl) = 35 · 0,7543 + 37 · 0,2457 = 35,491 а.е.м.В результате химических реакций ядро атома не претерпевает изменений,изменяются лишь е- - оболочки атомов.Состояние е- в атоме описывается законамиквантовой механики.! Квантование энергии (Е): Макс Планк (1900 г., Германия) –Е распространяется и передается, испускается и поглощается не непрерывно,а дискретно, отдельными порциями - квантами.Е кванта ~ частоте излучения ν:E = h·ν,h – постоянная Планка (6, 626 · 10 –34 Дж · с)ν = с/λ, с – скорость света (3 · 108 м/с), λ – длина волны.Чем ↓ длина волны (чем ↑ частота излучения), тем ↑Е кванта! Дуализм электрона: (Луи де Бройль, 1924 г., Франция) е- характеризуется двойственной (корпускулярно-волновой) природой, т.е.обладает свойствами и частицы и волны.е- - частица: m, mvе- -волна: λ, νуравнение де Бройля:=h/mv,-m – масса е ; v – скорость движения е-.Частице с массой m, движущейся со скоростью v, соответствует волнадлиной λ.! Принцип неопределенности - Вернер Гейзенберг (1927г., Германия):принципиально невозможно определить одновременно положение(координаты) и скорость (импульс) движения микрочастицы с абсолютнойточностью.х(mv)  h/2,где (mv) -неопределенность составляющей импульса,х - неопределенность положения частицы.Чем точнее определяется координата частицы, тем более неопределеннымстановится ее импульс и наоборот.Квантовая механика оперирует с вероятностями нахождения частиц, и ничегоне говорит о траектории частицы, ее координатах и скорости в тот или иноймомент времени.Вместо выражения «движение е-» используют термин состояние е- (в атоме,молекуле).! Уравнение Шредингера: (Шредингер 1926 г., Австрия) - математическоеописание состояния е- в атоме, основное уравнение квантовой механики.h2   2ψ  2ψ  2ψ  2  2  2  2   Uψ  Eψ8 m  xyz ψ – волновая функция, описывает пространственные характеристики е-, h –постоянная Планка, U – потенциальная энергия, Е – полная энергия, m –масса, x, y, z –координаты е.|ψ|2 - плотностью вероятности.|ψ|2dV- вероятность нахождения е- в данном элементарном объеме V.Из уравнения Шредингера находят полную Е частицы и зависимостьфункции ψ (и |ψ|2) от координат.В простейшем случае волновая функция зависит от трех координат  =  (х,у, z) и называется орбиталью.Распределение вероятности нахождения е- в атоме – облако, плотностькоторого по всему объему различна.Орбиталь – область околоядерного пространства, в котором наиболее высокавероятность ( ˃ 95%) пребывания е-.Графическое изображение атомной орбитали (АО)Т.

к. е- несет отрицательный заряд, его орбитальраспределение заряда - электронное облако.есть определенное!Состояние любого е- в атоме определяется 4 - мя квантовыми числамиКВАНТОВЫЕ ЧИСЛА1. Главное квантовое число (n)определяет наиболее вероятное расстояние е- от ядра энергию е- - орбитали (е- - облака)принимает целые значения от 1 до n (№ энергетического уровня):1 2 3 4 и т.д.оболочкаK L M NЕ увеличиваетсяЧем дальше от ядра энергетический уровень, тем ↑ его Е и размер АО Вотсутствие внешних воздействий е- в атоме находятся в состоянии с min Е– основном состоянии.При сообщении атому Е (столкновение с др. атомом, электронный удар,квант света) е- могут переходить на АО с более высокой Е – атомстановится возбужденным.ЕС С*2.

Орбитальное квантовое число (l) характеризует орбитальный моментимпульса е- и определяет: энергетический подуровень атома формуАО (е- облака)изменяется от 0 до (n - 1)0 1 2 3 4 и т.д.s p d f gl:подуровень:Е↑Каждому n соответствует определенное число возможных значений l, т.е.каждый уровень расщепляется на определенное количество подуровней.! Число подуровней в данном уровне равно № уровня.n1234l00, 10, 1, 20, 1, 2, 3Числоподуровнейв уровне1234Подуровнив уровне1s2s, 2p3s, 3p, 3d4s, 4p, 4d, 4fОрбитали с l = 0, называются s-орбиталями (облаками) и имеютсферическую форму.е- с l = 0 → s-электроны.Орбитали с l = 1 - р-орбитали.е- с l = 1 →р-электроныОрбитали с l = 2 - d-орбитали.е- с l = 2 → d-электроны.Орбитали с l = 3 - f- орбитали.

(см. Интернет).е- с l = 3 → f- электроны.3. Магнитное квантовое число (ml) величина проекции орбитального момента импульса е- на направлениемагнитного поля. характеризует ориентацию АО в пространстве принимает целые значения от –l до + l число значений ml = 2l + 1= числу АО в подуровне = числувозможных расположений е- - облака данного типа в пространстве.Число АОе-lmls0pdf1230-1, 0, +1-2, -1, 0, +1,+2-3, -2, -1, 0, +1,+2,+3с данным l1(3(5(7())))Общее число АО (n, l, ml = const) в энергетическом уровне равно n2.Вывод: АО полностью определяется набором из 3-х квантовых чисел n, l, ml,т.е. характеризуется определенными размерами, формой и ориентацией впространстве.4.

Cпиновое квантовое число (ms)«спин» - от англ. «веретено», «вращаться»- собственный механический момента импульса е-,связанный с движением его около своей оси принимает значения +1/2 или – 1/2 обозначается графическиилиВывод: Состояние любого е в атоме может бытьполностьюохарактеризовано набором из 4 - х квантовых чиселРаспределение электронов в многоэлектронных атомах.ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ И ПРАВИЛАПринцип минимальной энергииМаксимальной устойчивости системы соответствует минимум ее Е. евначале заселяют АО с меньшей Е (наиболее близкие к ядру).1s < 2s <2р< 3s < 3p < 4s < 3d < 4p < 5s < 4d < 5p < 6s < 5d £ 4f < 6p < 7s и т.

д.увеличение ЕПринцип (запрет)ПаулиВ атоме не может быть двух е- с одинаковым набором всех 4-х квантовыхчисел.Следствия из принципа Паули1. На одной АО могут находиться не более двух е-,отличающихся друг от друга значениями спиновых квантовых чисел.2. Максимальное число е- на каждом энергетическом уровне Nn= 2n2.3. Максимальное число е- на каждом подуровне Nl = 2(2l+1).n, l – главное и орбитальное квантовые числаПравило ГундаВ пределах энергетического подуровня е- располагаются так, чтобы ихсуммарный спин был максимальным, знак суммы не имеет значения.Распределение е- в атомахграфическоев виде формулЕp8Оsилиn=28О8О1s22s22p4[He]2s22p4n=18О…2s22p4Сокращенная (краткая) е- -формула (или валентная конфигурация) содержиттолько все внешние е- и е- формирующихся подуровней.ЛЕКЦИЯ 2.

ПЕРИОДИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ЭЛЕМНТОВД.И. МЕНДЕЛЕЕВАПСЭ - графическое выражение периодического законаД. И. Менделеева (1869 г.)Современная формулировка закона:свойства элементов, а также формы и свойства их соединений находятся впериодической зависимости от заряда ядра их атомов.Расположение элементов в ПС соответствует электронному строению ихатомов.У каждого последующего элемента ПС на один е - больше, чем у предыдущего.ПСЭ состоит из 7 периодов и 8 групп.Период горизонтальный ряд элементов, размещенных в порядкевозрастания заряда ядра атомов, е--конфигурация которых изменяется от ns1до ns2np6 (или до ns2 у элементов I периода).11 период2 период 3Li 1s22s1 или [Не]2s1…2s11Н 1s22 22…2s22Не 1s4Be 1s 2s или [Не]2sПоследний е- на который отличается данный атом от предыдущегоназывается формирующим электроном.По формирующему е- элементыподразделяются на 4 семейства: s-, p- , d- и f- элементов.Первые 2 элемента любого периода - s-элементы.56Ва…6s2квантовые числа формирующего е-:n = 6, l = 0, ml = 0, ms = + 1/2 или - 1/2Краткая е- -формула любого s-элемента …ns1 ÷ 25B1s22s22p1 или [Не]2s22p1…2s22p12s2рквантовые-числа формирующего е :n = 2, l = 1, ml = -1, 0, +1 (одно из значений),ms = + 1/2 или - 1/2Краткая е- -формула любого p-элемента …ns2np1 ÷ 6Любой период (кроме 1-ого) заканчивается формированием р – подуровня.1s22s22p6 или [Не]2s22p62 2626или [Nе]3s23p618Ar 1s 2s 2p 3s 3p10Ne3 периодзаканчивается атомом 18Ar…3s23p6.! Но формирование 3 – го квантового слоя незавершено.4 периодначинается s-элементами 19К …4s1 и 20Са …4s2, т.к.