Шпаргалка по химии (1 семестр) / Shpargalka.doc

Атом наименьшая (неделимая химическим путем) часть элемента, сохраняющая все свойства, определенные зарядом ядра и электронной оболочкой. Составная часть вещества, содержащая одинаковые атомы, называется химическим элементом.

Атомный номер═Z равен числу протонов в атомном ядре. В электронной оболочке электронейтрального атома содержится Zэлектронов.

Массовое число═A равно числу протонов Z и числу нейтронов N в атомном ядре;  A = Z + N.

Нуклиды √ атомы с определенным числом протонов и нейтронов. Изотопы √ атомы с одинаковым Z, но разными N. Изобары √ атомы с одинаковым A, но разными Z. Изотоны √ атомы с одинаковым N, но разными A.

Элемент обозначается установленным одно- или двухбуквенным символом. Левые индексы указывают массовое число  A (верхний) и число протонов Z (нижний).

Атомная масса √ масса атома в атомных единицах массы (а.═е.═м.). За единицу а.═е.═м. принята 1/12 массы изотопа углерод-12.

Относительная атомная масса (безразмерная величина) она численно равна атомной массе элемента.

Относительная атомная масса элемента с учетом его изотопного состава равна √ относительная атомная масса изотопа, √ доля изотопов в элементе.

1911 г. - Резерфорд: планетарную модель атома, согласно к-ой атом состои из положительного заряженного ядра и электронов, вращающихся вокруг ядра.

1913 г. - Бор: достаточно постулировать три правила, чтобы полностью объяснить известный линейчатый спектор атома водорода и даже предсказать существование неизственых спектральных серий: 1) атомы построены в соответствии с моделью Резерфорда, но электроны движутся по стационарным круговым орбитам без излучения; 2) стационарные орбиты определяются из условия m*v*2*pi*r=h*n (n=1..hz); 3) один из электронов атома можно переместить на свободную внешнюю орбиту так, что получается возбужденный атом с большей энергией, затем электрон может перескачить с внешней орбиты на свободную внутреннюю, при этом атом в силу законов сохранения энергии испускает избыток энергии в виде кванта света.

1923 г. - де Бройль: не только с фотоном, но и с любим микрообъектом, например, электроном, имеющим m и v (p = mv) связана волна (лямбда=h/p). стр 42, 1.14.

Принцип неопределенности Гейзенберга: увеличение точности определения положения частицы вызывает увеличение ошибки определения ее момента (энергии), если эти определения проводятся одновременно: Δx*m*Δv>h/(4*pi) (соотношение неопределенностей, дельты - погрешности координаты и скорости, h - постоянная Планка).

4 квантовых числа: n - главное (определяет состояние атома; энергия электрона на орбитах в зависимости от главного квантового числа резко убывает и при n->(бесконечность) стремится к нулю), l - орбитальное, m - магнитное (m=2l+1), s - спиновое (спин - вращение электрона относительно собственной оси может быть левым или правым -1/2 +1/2).

Ур-ие Шредингера: (dψ/dx)^2+2m*[E-U(x)]ψ/h^2=0 - случай одномерного ур-ия, решив к-ое можно найти волновую фунцкию микрообъекта ψ(x). Если мы ее знаем, то вероятно местонахождение объекта на оси Х, как показал Борн, можно связать с интенсивностью волны де Бройля, к-ая для любой волны равна квадрату смещения или в нашем случае (пси)^2. (пси)^2 - вероятность найти микрообъект между точками x и x+dx.

s-Орбитали сферически симметричны для любого n и отличаются друг от друга только размером сферы. Их максимально симметричная форма обусловлена тем, что при l = 0 и м_l = 0.

p-Орбитали существуют при n e 2 и l = 1, поэтому возможны три варианта ориентации в пространстве: m_l = √1, 0, +1. Все p-орбитали обладают узловой плоскостью, делящей орбиталь на две области, поэтому граничные поверхности имеют форму гантелей, ориентированных в пространстве под углом 90° друг относительно друга. Осями симметрии для них являются координатные оси, которые обозначаются p_x, p_y, p_z.

d-Орбитали определяются квантовым числом l = 2 (n e 3), при котором m_l = √2, √1, 0, +1, +2, то есть характеризуются пятью вариантами ориентации в пространстве. d-Орбитали, ориентированные лопастями по осям координат, обозначаются d_z² и d_x²√y², а ориентированные лопастями по биссектрисам координатных углов √ d_xy, d_yz, d_xz.

Семь f-орбиталей, соответствующих l = 3 (n e 4), изображаются в виде граничных поверхностей

Многоэлектронные атомы имеют сложное строение, его нельзя точно математически рассчитать, но можно с достаточной степенью точности оценить строение атомов, пользуясь табл. Менделеева, з-ом Мозли, теорией строения атома водорода. Заряд ядра атома (порядковый номер по табл.) одновременно определяет число электронов в данном атоме в силу нейтральности атомной структуры.

Электроны в атоме распределяются по отдельным энергетическим группам и уровням. Число электронов во внешнем уровне совпадает с номером группы в периодической табл. элементов.

Главное квантовое число n совпадает с номером периода, в к-ом располагается данный элемент.

Принцип запрета Паули: в атоме не может быть двух электронов в одинаковых квантовых состояниях.

Правилоо Гунда: суммарное спиновое число электронов данного подуровня должно быть максимальным.

(n+l)-правило: распределение электронов по подуровням можно установить, располагая подуровни в порядке повышения суммы квантовых чисел n и l. Причем, если существует несколько одинаковых подуровней с (n+l), то сначала идет тот, у которого меньшее значение n.

Рассмотрим последовательное заполнение электронных оболочек атомов в соответствии с приведенными правилами. В записи электронных формул (или конфигураций), отражающих эту последовательность, первая цифра равна n, буква после нее соответствует l, а правый верхний индекс равен числу электронов в этом состоянии. Например, электронная формула лития √ 1s²2s¹, углерода √ 1s²2s²2p², хлора √ 1s²2s²2p⁶3s²3p⁵. Заселенность электронных оболочек может быть представлена в виде квантовых ячеек (квадратов или горизонтальных линий) (рис. 2.2). В отличие от электронных формул, здесь используются не два, а все четыре квантовых числа. Видно, что энергия электронов в многоэлектронных атомах определяется как квантовым числом n, так и l; электроны отличаются значениями m_l, а у спаренных электронов различны только спины. Свободная ячейка в нашем примере означает свободную p-орбиталь, которую может занимать электрон при возбуждении атома.

Правило Ключевского: электроны заполняют уровни и подуровни в порядке возрастания суммы главного квантового числа и орбитального числа. При одинаковой сумме n+l электроны заполняют уровни и подуровни, имеющие меньшее значение n.

Формулировка периодического закона гласит: Свойства элементов находятся в периодической зависимости от зарядов ядер их атомов╩.

Первая энергия ионизации (энергия, необходимая для удаления наименее прочно удерживаемого электрона из газообразного нейтрального атома) при движении сверху вниз в группе монотонно падает, а ковалетный радиус атомов растет. При движении по периоду таблицы, напротив, наблюдается отчетливая тенденция к увеличению первого потенциала ионизации и уменьшению ковалетного радиуса атомов.

Электроотрицательность - способность атома удерживать свои валентные s- и р-электроны. Ее можно оценить по значению потенциала ионизации (первая энергия ионизация), так как по мере увеличения тора растет энергия, к-ую надо затратить для отрыва электрона от атома.

Работа отрыва электрона от отрицательно заряженного иона, измеренная спектрально, характеризует сродство к электрону.

Понятие химическая связь, как причина образования молекул, сформировалось до создания квантовой химии, когда при изображении структурных формул взаимодействия между атомами стали изображать валентными штрихами. Задача исследования хим. связи сводится к тому, чтобы найти распределение электронов в поле всех ядер конкретной молекулы путем решения соответствующего молекулярного ур-ия Шредингера.

Точные расчеты зависимостей полной энергии и ее компонент от межъядер­ного расстояния для простейшей структуры с X. с.—моле­кулярного иона Н с одноэлектронной связью — показы­вают, что минимум полной энергии , который достигается при равновесном межъядерном расстоянии , равном 1,06 А, связан с резким понижением потенциальной энергии элек­трона вследствие концентрации и сжатия облака электрон­ной плотности в межъядерной области.

Виды хим. связи: ковалентная неполярная связь (в чистом виде может возникать только между одинаковыми атомами за счет объединения электронов с различными спинами в электронные пары, число к-ых определяет количество связей в молекуле; объединение различных атомов, если они сходны между собой по электроотрицательности), ковалентная полярная связь, ионная связь, донорно-акцепоторная координативная связь, водородная связь

Химическая связь характеризуется энергией и длиной. Мерой прочности связи служит энергия, затрачиваемая на разрушение связи, или выигрыш в энергии при образовании соединения из отдельных атомов (E_св). Так, на разрыв связи H√H затрачивается 435 кДжмоль^√1, а на атомизацию метана CH₄ √ 1648 кДжмоль^√1, в этом случае E_C√H = 1648 : 4 = 412 кДж. Длина связи (нм) √ расстояние между ядрами в том или ином соединении. Обычно длина связи и ее энергия антибатны: чем больше длина связи, тем меньше ее энергия.

Химическая связь обычно изображается черточками, соединяющими взаимодействующие атомы; каждая черта эквивалентна обобщенной паре электронов. В соединениях, содержащих более двух атомов, важной характеристикой является валентный угол, образуемый химическими связями в молекуле и отражающий ее геометрию.

Полярность молекулы определяется разностью электроотрицательностей атомов, образующих двухцентровую связь, геометрией молекулы, а так же наличием неподеленных электронных пар, так как часть электронной плотности в молекуле может быть локализована не в направлении связей. Полярность связи выражается через ее ионную составляющую, то есть через смещение электронной пары к более электроотрицательному атому.

Металлическая связь возникает в результате частичной делокализации валентных электронов, которые достаточно свободно движутся в решетке металлов, электростатически взаимодействуя с положительно заряженными ионами. Силы связи не локализованы и не направлены, а делокализированные электроны обусловливают высокую тепло- и электропроводность.

Водородная связь. Ее образование обусловленно тем, что в результате сильного смещения электронной пары к электроотрицательному атому атом водорода, обладающий эффективным положительным зарядом, может взаимодействовать с другим электроотрицательным атомом (F, O, N, реже Cl, Br, S). Энергия такого электростатического взаимодействия составляет 20√100 кДжмоль^√1. Водородные связи могут быть внутри- и межмолекулярными. Внутримолекулярная водородная связь образуется, например, в ацетилацетоне и сопровождается замыканием цикла (рис. 3.3).

Ковалентная связь наиболее общий вид химической связи, возникающий за счет обобществления электронной пары посредством обменного механизма, когда каждый из взаимодействующих атомов поставляет по одному электрону, или по донорно-акцепторному механизму, если электронная пара передается в общее пользование одним атомом (донором) другому атому (акцептору) (рис. 3.2).

Классический пример неполярной ковалентной связи (разность электроотрицательностей равна нулю) наблюдается у гомоядерных молекул: H√H, F√F. Энергия двухэлектронной двухцентровой связи лежит в пределах 200√2000 кДжмоль^√1.

Метод валентных связей (МВС) иначе называют теорией локализованных электронных пар, поскольку в основе метода лежит предположение, что химическая связь между двумя атомами осуществляется с помощью одной или нескольких электронных пар, которые локализованы преимущественно между ними. В отличие от ММО, в котором простейшая химическая связь может быть как двух-, так и многоцентровой, в МВС она всегда двухэлектронная и обязательно двухцентровая. Число элементарных химических связей, которые способен образовывать атом или ион, равно его валентности. Так же, как и в ММО, в образовании химической связи принимают участие валентные электроны. Волновая функция, описывающая состояние электронов, образующих связь, называется локализованной орбиталью (ЛО).

Отметим, что электроны, описываемые ЛО, в соответствии с принципом Паули должны иметь противоположно направленные спины, то есть в МВС все спины спарены, и все молекулы должны быть диамагнитны. Следовательно, МВС принципиально не может объяснить магнитные свойства молекул.

Тем не менее, принцип локализованных связей имеет ряд важных преимуществ, одно из которых √ его чрезвычайная наглядность. МВС достаточно хорошо, например, предсказывает валентные возможности атомов и геометрию образующейся молекулы. Последнее обстоятельство связано с так называемой гибридизацией АО. Она была введена для объяснения того факта, что двухэлектронные двухцентровые химические связи, образованные за счет АО в разных энергетических состояниях, имеют одинаковую энергию. Так, Be*(2s¹1p¹), B*(2s¹2p²), C*(2s¹2p³) образуют за счет s- и p-орбиталей соответственно две, три и четыре связи, а потому одна из них должна быть прочнее других. Однако опыт показывает, что в BeH₂, BCl₃, CH₄ все связи равноценны. У BeH₂ угол связи равен 180╟, у BCl₃ √ 120╟, а у CH₄ √ 109╟28'.