Главная страница
Навигация по странице:

  • Водородная связь. Донорно-акцепторная связь и ее свойства. Природа донорно-акцепторной связи.

  • Водородный электрод

  • разлиновка. II. Строение атома и Химическая связь. Современная модель атома. Строение атома. Изотопы. Волновая природа электрона. Структура электронных оболочек атома. Квантовые числа. Уровни, подуровни и энергетические состояния электронов в атоме


    Скачать 283 Kb.
    НазваниеII. Строение атома и Химическая связь. Современная модель атома. Строение атома. Изотопы. Волновая природа электрона. Структура электронных оболочек атома. Квантовые числа. Уровни, подуровни и энергетические состояния электронов в атоме
    Анкорразлиновка.doc
    Дата26.07.2017
    Размер283 Kb.
    Формат файлаdoc
    Имя файларазлиновка.doc
    ТипДокументы
    #14792
    страница1 из 3
      1   2   3


    II.Строение атома и Химическая связь.

    Современная модель атома. Строение атома. Изотопы. Волновая природа электрона. Структура электронных оболочек атома. Квантовые числа. Уровни, подуровни и энергетические состояния электронов в атоме.

    Атом – система взаимодействующих элементарных частиц, состоящая из ядра и электронов. Тип атома определяется составом его ядра. Ядро состоит из протонов и нейтронов, вместе называемых нуклонами.

    Одна из первых моделей строения атома была предложена Дж.Томсоном в 1903 г. Атом представлялся как «море положительного электричества» с колеблющимися в нем электронами. Суммарный отрицательный заряд электронов электронейтрального атома приравнивался к его суммарному положительному заряду.

    Для проверки гипотезы Томсона и более точного определения строения атома Э.Резерфорд провел серию опытов по рассеянию а – частиц тонкими металлическими пластинками – фольгой.

    Результаты опыта Резерфорд объяснил, предположив «планетарную» модель атома, уподоблявшую его солнечной системе. Согласно планетарной модели в центре атома находится очень маленькое ядро, размеры которого приблизительно в 100000 раз меньше размеров самого атома. Это ядро заключает в себе почти всю массу атома и несет положительный заряд. Вокруг ядра движутся электроны, число которых определяется зарядом атома. Внешняя траектория движения электронов определяет внешние размеры атома. Диаметр атома – величина порядка 10^(- 8) см, а диаметр ядра – порядка 10^(- 13) – 10^(- 12) см.

    Чем больше заряд атомного ядра, тем сильнее будет отталкиваться от него а-частица, тем чаще будут встречаться случаи сильных отклонений а-частиц, проходящих через слой металла, от первоначального направления движения.

    Важная характеристика атома — его внутренняя энергия, которая может принимать лишь определенные (дискретные) значения, соответствующие устойчивым состояниям атома, и изменяется только скачкообразно путем квантового перехода. Поглощая определенную порцию энергии, атом переходит в возбужденное состояние (на более высокий уровень энергии). Из возбужденного состояния атом, испуская фотон, может перейти в состояние с меньшей энергией (на более низкий уровень энергии). Уровень, соответствующий минимальной энергии атома, называется основным, остальные — возбужденными. Квантовые переходы обусловливают атомные спектры поглощения и испускания, индивидуальные для атомов всех химических элементов. (АТОМНЫЕ СПЕКТРЫ, оптические спектры свободных или слабо связанных атомов (одноатомных газов, паров). Обусловлены квантовыми переходами атома. Атомные спектры — линейчатые, состоят из отдельных спектральных линий, которые характеризуются определенной длиной волны и для простых атомов группируются в спектральные серии. Содержат информацию о строении атомов, используются также в спектральном анализе.)

    Ядра классифицируются в зависимости от значений Z (число протонов) и N (число нейтронов). Изотопы – ядра, имеющие одинаковые числа протонов. Название происходит от греческих слов «изос» - одинаковый и «топос» - место. Атомы изотопов обладают одинаковым зарядом ядра (и, следовательно, тождественными химическими свойствами), но разным числом нейтронов (а значит, и разным массовым числом).

    строение электронных оболочек атома.

    Часть атомного пространства, соответствующая наибольшей вероятности (90%) нахождения электрона, называется атомной электронной орбиталью (АЭО).

    Положение электрона в атоме связано с единым термодинамическим принципом существования устойчивых систем, т.е. определяется энергетическими характеристиками, которые называются квантовыми числами.

    Квантовые числа.

    1. n – главное квантовое число.

    n = 1, 2, 3 … +8 (небольшие целые числа)

    характеризует запас энергии электрона в энергетическом уровне.

    Задавая n, мы задаем размер АЭО.

    Чем меньше величина n, тем меньше запас энергии.

    В периодической таблице Менделеева n равно номеру периода n = 1(K), 2(L), 3(M) …

    2) l – орбитальное, или побочное квантовое число.

    Характеризует запас энергии электрона в энергетическом подуровне.

    Задавая l, мы задаем форму АЭО.

    l = 0, …, n-1.

    Если n = 1 l = 0(s) (шар) 1s

    n = 2 l = 0 (s) 2sp (гантеля)

    l =1 (p)

    n = 3 l = 0 (s) 3spd (2 перпен. Гантели)

    l = 1 (p)

    l = 2 (d)

    n = 4 l=0 (s) 4spdf (2 гант. Перп. И 1 /)

    l = 1 (p)

    l=2 (d)

    l = 3 (f)

    n = 5 … l = 4 (g) – не получены еще такие элементы.

    3) m(l) – магнитное квантовое число

    характеризует запас энергии электронов в энергетической ячейке.

    Задавая m(l), мы задаем положение АОЭ в пространстве (пространственную ориентацию)

    m(l) = -l, …, 0, …+l.

    n=1 l = 0 m(l) = 0 – 1 квадр.

    n=2 … l = 1 m(l) = -1, 0, +1 – 3 квадрата

    n=3 … l = 2 m(l) = -2, -1, 0, 1, 2 – 5 квадратов.

    n=4 … l=3 m(l) = -3, -2, -1, 0, 1, 2, 3 – 7 квадратов.

    4) m(s) – спиновое квантовое число.

    Характеризует спин (направление вращения электронов вокруг собственной оси).

    m(s) = +1/2, -1/2.
    Принцип Паули

    В атоме не может быть 2-х электронов, обладающих одинаковым набором всех 4 квантовых чисел.

    Следствия: 1) в одном энергетическом состоянии не может быть более двух электронов, т.к. для них значения n, l, m(l) одинаковы, а спин (m(s)) различен; 2) Максимальное количество электронов в энергетическом подуровне равно x(l) = 2(2l + 1); 3) Максимальное количество электронов в энергетическом уровне равно x(n) = 2n^2.

    Заполнение электронами энергетических уровней и подуровней

    Осуществляется в соответствии с принципом наименьшей энергии.

    Правило Клечковского (n + l)

    Заполнение электронных оболочек в атомах происходит в порядке роста суммы квантовых чисел n + l. При равенстве этих сумм сначала заполняется оболочка с меньшей величиной n.

    1s2s2p3s3p4s3d4p5s4d5p6s4f5d6p7s5f6d7p6f7d7f.

    Заполнение энергетических уровней осуществляется в порядке роста главного квантового числа n.

    Энергетические подуровни заполняются в порядке роста квантового числа l.



    Водородная связь. Донорно-акцепторная связь и ее свойства. Природа донорно-акцепторной связи.

    Донорно-акцепторная связь – частный случай ковалентной полярной связи. Ковалентная связь, образующаяся за счет пары электронов одного из атомов, т.е. по донорно-акцепторному механизму, называется дoнорно-акцeпторной. Условие образования: наличие атома донора и наличие атома акцептора. Донор – это атом, молекула или ион, который предоставляет неподеленную пару электронов для образования связи. Акцептор – это атом, молекула или йон, который предоставляет свободную АЭО (ячейку) для образования связи.

    SiF4 + 2HF -> H2SiF6 (гексофтор кремниевая кислота).

    Донорно-акцeпторная связь отличается только способом образования; по свойствам она одинакова с остальными ковалентными связями.

    Валентность – число связей, которые образует атом в данном соединении.

    Степень окисления – условный заряд, который приписывают атому в данном соединении, рассчитанный на основании правил.

    Водородная связь – вид химической связи типа А – Н …А’ образуется в результате взаимодействия атома водорода, связанного ковалентной связью с электроотрицательным атомом A(N, O, S и др.), и неподеленной парой электронов другого атома A’ (обычно O,N). Атомы А и А’ могут принадлежать как одной, так и разным молекулам. Водородная связь приводит к ассоциации одинаковых или различных молекул в комплексы; во многом определяет свойства воды и льда, молекулярных кристаллов, структуру и свойства многих синтетических полиамидов, белков, нуклеиновых кислот и др.

    Способность атома водорода, соединенного с атомом сильно отрицательного элемента, к образованию еще одной химической связи с другим подобным атомом. Эта связь называется водородной.

    Условие образования водородной связи: высокая Электроотрицательность атома, непосредственно связанного в молекуле с атомом водорода.

    Ассоциация молекул (объединение молекул в димеры (удвоенные молекулы) или полимеры) является причиной аномально высоких температур плавления и кипения веществ с водородной связью (фтороводород, аммиак, вода).



    Гальванический элемент. Принципы его работы. Электронные схемы процессов на аноде (-) и катоде (+). Условные схемы г.э. Водородный электрод. Вычисление ЭДС. Поляризация электродов г.э. Концентрационные элементы. Применение г.э.

    Гальванический элемент – устройство, преобразующее химическую энергию в электрическую. В г.э. можно получить ток за счет химической реакции.

    Действие любого г.э. основано на протекании в нем окислительно-восстановительной реакции. В простейшем случае г.э. состоит из двух электродов, изготовленных из разных металлов и погруженных в раствор электролита. Один из электродов – анод, другой – катод. Такая система делает возможным пространственное разделение окислительно-восстановительной реакции: на аноде идет процесс окисления, на катоде – восстановления (процесс окисления – процесс отдачи е). Из двух электродов анодом является тот, потенциал которого более отрицателен. Таким образом, электроны передаются от восстановителя к окислителю по внешней цепи.

    При работе элемента, т.е. при замкнутой цепи, на аноде идет процесс окисления: на поверхности его соприкосновения с раствором атомы металла-анода превращаются в ионы и, гидратируясь, переходят в раствор. Высвобождающиеся при этом электроны движутся по внешней цепи (по проводнику 1-го рода) к катоду. Вся совокупность этих процессов схематически изображается уравнением полуреакции, или электрохимическим уравнением: Ме(0) – n*e = Me(n+). На катоде протекает процесс восстановления. Электроны, приходящие сюда от анода, соединяются с выходящими из раствора дегидратирующимися ионами катода, выделяющиеся в виде металла. Соответствующее электрохимическое уравнение имеет вид: Ме(n+) + ne = Me(0).

    Суммарное уравнение реакции, протекающей в элементе, получитсяпри сложении уравнений обеих полуреакций. Таким образом, при работе г.э. электроны от восстановителя переходят к окислителю по внешней цепи, не электродах идут электрохимические процессы, в растворе наблюдается направленное движение ионов.

    Направление движения ионов в растворе обусловлено протекающими у электродов электрохимическими процессами. Как уже сказано, у анода катионы входят в раствор, создавая в нем избыточный положительный заряд, а у катода раствор, наоборот, все время обедняется катионами, так что здесь раствор заряжается отрицательно. В результате этого создается электрическое поле, в котором катионы, находящиеся в растворе, движутся от анода к катоду, а анионы – в обратном направлении. В итоге жидкость у обоих электродов остается электронейтральной.

    О работе г.э. судят по его электродвижущей силе. ЭДС = у(катода) – у(анода). Если ЭДС больше нуля – г.э. работает, меньше – неправильно выбраны катод и анод.

    ЭДС связана со свободной энергией Гиббса: /\G = - nFE, n – число е, F – постоянная Фарадея, Е – ЭДС. Число е – n – наименьшее общее кратное электронов, отданных на аноде и принятых на катоде.

    Всегда можно связать Е с Кр. /\G = -nFЕ = - RTlnKp, Kp = 10^(nE/0.059).

    Концентрационный г.э. – такой г.э., у которого один и тот же металл выполняет и роль анода, и роль катода, но концентрации металлов на аноде и катоде разные.

    Водородный электрод.

    Помимо металлических электродов используются газовые электроды. Они состоят из инертных проводников первого рода, которые насыщены газом и погружены в раствор, содержащий соответствующие ионы.

    Представляет собой стеклянный сосуд, заполненный раствором серной кислоты. В электролит опущена платиновая пластинка, покрытая тонким слоем платиновой черни (для увеличения поверхности электрода). Через раствор пропускают химически чистый газообразный водород таким образом, что парциальное давление водорода в сосуде поддерживается постоянно.

    В стандартном водородном электроде: Р(Н2) = 1 атм, С(Н+) = 1 моль/л, C(H2SO4) = 0.5 моль/л.

    На поверхности платины, которая адсорбирует водород, происходит процесс восстановления Н2: 2Н(+)+2е = Н2

    Потенциал водородного электрода: у(р) = у(0) + 0,059/2 * lg[H(+)]^2/P(H2) = 0 + 0.059* lg[H(+)] – 0.059/2*lgP(H2) = - 0.059pH – 0.0295lgP(H2) = -0.224 В при рН = 7, Р(Н2) = 5*10(-7) атм, lg5*10(-7) = -6.3.





    4. Кинетика химических реакций. Факторы, определяющие скорость химической реакции. Закон действия масс. Константа скорости реакции. Влияние температуры. Катализ гомогенный и гетерогенный. Химическое равновесие. Константа химического равновесия. Связь константы равновесия с термодинамическим потенциалом. Факторы, влияющие на химическое равновесие. Принцип Ле-Шателье, его практическое применение.

    Химическая кинетика – учение о скорости и механизмах протекания химических реакциях.

    Скоростью химической реакции называют изменение концентрации реагирующих веществ в единицу времени в единице объема реакционного пространства при постоянном давлении и температуре.

    V = (C2 – C1)/(t2 – t1) = +- /\C/ /\t.

    «+», если C2>C1, и « - », если C2<С1.

    Истинная (мгновенная) скорость tg a = V(ист.)

    V(ист.) = lim(/\t->0)+-/\C/ /\t = +- dC/dt.

    Факторы, влияющие на скорость реакции: природа реагирующих веществ; концентрация; температура; катализатор; среда; степень измельчения вещества; облучение некоторой реакции.

    Природа реагирующих веществ.

    Под природой реагирующих веществ будем понимать тип кристаллической решетки, а, следовательно, тип химической связи и способность веществ с данным типом связи участвовать в тех или иных процессах.

    Определять состав химической связи будет состав и строение атомов и молекул.

    Концентрация

    Столкновения молекул в определенном пространстве при заданной температуре будет тем чаще, чем больше этих молекул.

    Зависимость скорости реакции от концентрации сформулирована Гульдбергом и Вааге (называется закон действия масс).

    Закон действия масс (для гомогенных реакций): Скорость химической реакции прямо пропорциональна произведению концентрации реагирующих химических веществ, взятых в степенях, равных их стехиометрическим коэффициентам, при Т = const.

    aA + bB -><- cC + dD, V = k*C(A)^a*C(B)^b. V[моль/л*с], k – коэффициент пропорциональности, или константа скорости реакции.

    Физический смысл k: k численно равна скорости при единичных концентрациях реагирующих веществ k, V [(моль/л)*n/c].

    Закон действия масс справедлив только для гомогенных реакций и только для простых реакций, когда уравнение реакции описывает механизм реакции.

    Сложная реакция: 4HBr(г) + O2(г) -> 2Br2(г) + 2H2O(г)

    1. HBr + O2 -> HOOBr (самая медленная);

    2. HOOBr + HBr -> 2HOBr;

    3. HOBr + HBr -> H2O + Br2.

    Самая медленная из стадий будет называться лимитирующей и ее скорость будет определять скорость всего процесса: (по З.Д.М. V = k*C(HBr)^4*C(O2).) V = k*C(HBr)*C(O2).

    Для гетерогенных реакций, протекающих на границе раздела фаз, скорость химических реакций зависит от поверхностной концентрации газа или жидкости, т.к. концентрацию твердого вещества невозможно определить: 2Mg(т) + O2 -> 2MgO(т), V = k*C(O2).

    Для газообразных веществ понятие концентрация можно заменить парциальным давлением вещества (часть общего давления, создаваемая данным газом). 2Mg(т) + O2 -> 2MgO(т), V = k*P(O2), P – парциальное давление.

    aA(г) + bB(г) -><- cC + dD, V = k*P(A)^a*P(B)^b.

    Температура.

    С увеличением температуры скорость химической реакции увеличивается. Связано это с тем, что увеличивается скорость движения молекул, поэтому увеличивается и число активных столкновений молекул между собой.

    Вант-Гофф показал, что при увеличении температуры на каждые 10 оС скорость химической реакции увеличивается в 2 – 4 раза. Это справедливо для наиболее простых реакций, протекающих в относительно небольшом диапазоне температур: V(T2) = V(T1)* y^(T2 – T1)/10, V(T2)/V(T1) = y^(T2-T1)/10, y – температурный коэффициент Вант-Гоффа; принимает значения от 2 до 4.

    Более точная взаимосвязь V от Т определена Орениусом и выглядит следующим образом k = Ae^(-E(активации)/RT), где k – константа скорости реакции, А – предэкспоненциальный множитель (определяется для каждой реакции опытным путем), Е(активации) – энергия активации – это минимальная энергия выше средней, которую необходимо дополнительно сообщить системе для того, чтобы хотя бы один элементарный акт реакции состоялся.

    Рис.: Е1 – исходная энергия, Е2 – энергия системы в конечный момент реакции (энергия продуктов), Е3 – тепловой эффект реакции (Е3 = /\Н), Е4 – энергия активации в прямой реакции, Е5 – энергия активации в обратной реакции, Е6 – максимальная энергия системы (энергия активированного комплекса).

    ln k = ln A + ln e^(-E(акт.)/RT), ln k = ln A – E(акт.)/RT, берут две температуры, чтобы избавиться от ln A: { ln k2 = ln A – E(акт.)/RT2, ln k1 = ln A – E(акт.)/RT1; ln k2/k1 = (- E(акт.)/R)*(1/T2 – 1/T1).

    Катализаторы.

    Катализатор – это вещество, которое резко изменяет скорость химической реакции, вступает в химическое взаимодействие, образуя промежуточные соединения, но к концу реакции восстанавливается до первоначального состояния.

    Изменение скорости под действием катализатора называется катализом.

    Механизм катализа: SO2 + 1/2O2 -><- SO3, (NO2) NO(г) + 1/2O2(г) -><- NO2, NO2(г) + SO2(г) -><- NO + SO3. Гомогенный катализ – катализатор и реагирующие вещества образуют одну фазу (газ или раствор).

    В случае гетерогенного катализа катализатор находится в системе в виде самостоятельной фазы.

    Гетерогенный катализ протекает на поверхности раздела фаз (как правило, на поверхности катализатора).

    Поверхность катализатора способна адсорбировать (поглощать) молекулы исходных веществ.
      1   2   3

    написать администратору сайта