Тема: «Строение атома.Химическая связь»

Лабораторная работа №1

Тема: «Строение атома.Химическая связь»

Теоритическая часть

Характеристики субатомных частиц

Атом – мельчайшая, электронейтральная, химически неделимая частица вещества, состоящая из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженной электронной оболочки.

Электронная оболочка – совокупность группирующихся вокруг ядра электронов.

Электрон – одна из элементарных частиц материи, обладающая массой покоя и элементарным отрицательным зарядом. Когда говорят о массе покоя, то подразумевают, что частица может находиться в состоянии покоя и иметь массу. Существуют частицы, которые не могут находиться в состоянии покоя, например частицы света - фотоны. В этом случае говорят, что фотон не имеет массы покоя.

Заряд электрона называется элементарным, так как это наименьший отрицательный заряд в природе. По этой причине заряд электрона условно принимают равным -1.

 Атомное ядро – центральная, положительно заряженная, сложно организованная часть атома, состоящая из нуклонов, связанных между собой ядерными силами.

Нуклоны – общее название двух типов частиц, протонов и нейтронов. С точки зрения атомной физики протон и нейтрон являются двумя состояниями одной и той же частицы – нуклона.

Нуклон – структурная единица ядра атома, которая может находиться в двух состояниях, протона и нейтрона. Нуклоны (протоны и нейтроны) состоят из кварков. Табл. Основные характеристики некоторых субатомных частиц Заряд ядра атома соответствует атомному номеру (порядковому номеру) элемента в периодической системе (Z). Заряд ядра определяется числом протонов, следовательно: Так как атом - электронейтральная частица, то: Массовое число (нуклонное число) – сумма числа протонов и нейтронов в ядре данного атома. Если в условии задания не указано массовое число, то его можно взять из таблицы Д.И. Менделеева, округлив до целой величины относительную атомную массу. О том, что такое относительная атомная масса мы поговорим чуть позже. Пока не заостряйте на этом внимание. Где её найти в таблице Д.И. Менделеева показано на рисунке ниже.

 Для расчета числа нейтронов в ядре используется формула: Для характеристик частицы (протона, нейтрона, атома) применяют следующую запись: X - символ частицы. A - массовое (нуклонное число). Z - заряд Определим состав атома хлора. Порядковый номер хлора в таблице Д. И. Менделеева равен 17, следовательно заряд ядра атома хлора равен +17. Если заряд ядра равен +17, то в ядре атома хлора 17 протонов, а в электронной оболочке 17 электронов. Чтобы определить число нейтронов в ядре атома хлора, округлим до целой величины относительную атомную массу хлора, это значение равно 36. То есть, в ядре атома хлора 36 нуклонов, 17 из них являются протонами, тогда число нейтронов равно 36-17 = 19. Кратко это можно записать следующим образом: Атомы отличаются друг от друга радиусом, массой, зарядом ядра, количеством электронов и другими параметрами. Заряд ядра атома – это наиболее важная его характеристика. Поэтому все атомы можно условно разделить на группы (классифицировать) по заряду их ядер. Такие абстрактные группы принято называть химическими элементами.

Химический элемент – вид атомов, с определённым зарядом ядра. Химический элемент - одно из центральных понятий науки химии. По предложению шведского химика Й. Берцелиуса химические элементы обозначают начальной или начальной и одной из последующих букв латинского названия элемента (1813 г). Водород на лат. Hydrogenium (H). Ртуть на лат. Hydrargyrum (Hg) Эти буквенные обозначения называются химическими знаками или химическими символами. Символ отдельного атома совпадает с символом соответствующего ему химического элемента. К примеру, символ S обозначает химический элемент серу или же один атом этого элемента. Если требуется обозначить не один, а несколько атомов, то перед символом элемента ставят соответствующую цифру – коэффициент. 5S – пять атомов элемента серы. Символы и русские названия химических элементов можно найти в таблице Д. И. Менделеева. Несмотря на то что у ядер атомов одного и того же химического элемента одинаковый заряд, они могут отличаться друг от друга массовым (нуклонным) числом по причине разного количества нейтронов. Такие разновидности ядер атомов одного химического элемента называют изотопами.

Изотопы – ядра с одинаковым зарядом, но разным массовым числом, т.е разным числом нейтронов. Отметим, что термин изотопы следует употреблять только во множественном числе. В единственном числе следует говорить - нуклид. Что такое нуклиды Вы узнаете чуть позже. К примеру, химический элемент водород (H) представляет из себя смесь атомов с массовыми числами равными 1 и 2, это изотопы водорода - протий (H) и дейтерий (D). Нуклид водорода с массовым числом 3 в природе не встречается, так как его ядро чрезвычайно нестабильно и очень быстро подвергается ядерному распаду, это так называемый тритий (T). Запишем состав изотопов водорода, пользуясь описанными выше правилами. Мы убедились, что изотопы отличаются массовыми числами, а также количеством нейтронов в ядре. Заряд ядер изотопов одинаковый, так как они принадлежат одному химическому элементу. Содержание изотопов в земной коре разное ввиду их разной стабильности. Чем устойчивее изотоп, тем выше его содержание. Содержание изотопов элемента Х может быть оценено в массовых или мольных долях. Доля – отношение части к целому. Массовая доля (w или w%) – отношение массы части системы к массе всей системы.

Оптические спектры атома

 Атомные спектры, спектры оптические, получающиеся при испускании или поглащении света (электромагнитных волн) свободными или слабо связанными атомами; такими спектрами обладают, в частности, одноатомные газы и пары. Атомные спектры являются линейчатыми — они состоят из отдельных спектральных линий. Атомные спектры наблюдаются в виде ярких цветных линий при свечении газов или паров в электрической дуге или разряде (спектры испускания) и в виде тёмных линий (спектров поглощения). Каждая спектральная линия характеризуется определённой частотой колебаний v испускаемого или поглощаемого света и соответствует определённому квантовому переходу между уровнями энергии E_i и E_k атома согласно соотношению: hv = E_i - E_k, где h — Планка постоянная). Наряду с частотой спектральную линию можно характеризовать длиной волны l = c/v, волновым числом 1/l = v/c (c — скорость света) и энергией фотона hv.

Атомные спектры возникают при переходах между уровнями энергии внешних электронов атома и наблюдаются в видимой, ультрафиолетовой и близкой инфракрасной областях. Такими спектрами обладают как нейтральные, так и ионизованные атомы; их часто называют соответственно дуговыми и искровыми спектрами (нейтральные атомы легко возбуждаются и дают спектры испускания в электрических дугах, а положительные ионы возбуждаются труднее и дают спектры испускания преимущественно в искровых электрических разрядах). Спектры ионизованных атомов смещены по отношению к спектрам нейтральных атомов в область больших частот, т. е. в ультрафиолетовую область. Это смещение тем больше, чем выше кратность ионизации атома — чем больше электронов он потерял. Спектры нейтрального атома и его последовательных ионов обозначают в спектроскопии цифрами I, II, III, ... В реально наблюдаемых спектрах часто присутствуют одновременно линии нейтрального и ионизованных атомов; так говорят, например, о линиях FeI, FeII, FeIII в спектре железа, соответствующих Fe, Fe⁺, Fe²⁺.

Линии А. с. образуют закономерные группы, называются спектральными сериями. Промежутки между линиями в серии убывают в сторону коротких длин волн, и линии сходятся к границе серии. Наиболее прост спектр атома водорода. Волновые числа линий его спектра с огромной точностью определяются формулой Бальмера:

1/l = R(1/n²₁ - 1/n²₂),

где n₁ и n₂ значения главного квантового числа для уровней энергии, между которыми происходит квантовый переход (см. Атом, рис. 1, б). Значение n₁ = 1, 2, 3, ... определяет серию, а значение n₂ = n₁ + 1, n₁ + 2, n₁ + 3,... определяет отдельные линии данной серии; R — Ридберга постоянная (выраженная в волновых числах). При n₁ = 1 получается серия Лаймана, лежащая в далёкой ультрафиолетовой области спектра, при n₁ = 2 — серия Бальмера, линии которой расположены в видимой и близкой ультрафиолетовой областях. Серии Пашена (n₁ = 3), Брэкета (n₁ = 4), Пфаунда (n₁ = 5), Хамфри (n₁ = 6) лежат в инфракрасной области спектра. Аналогичными спектрами, только с увеличенным в Z² раз масштабом (Z — атомный номер), обладают водородоподобные ионы Не⁺, Li²⁺, ... (cпектры HeII, LiIII, ...).

Спектры атомов щелочных металлов, обладающих одним внешним (оптическим) электроном помимо заполненных оболочек, схожи со спектром атома водорода, но смещены в область меньших частот; число спектральных серий увеличивается, а закономерности в расположении линий усложняются. Пример — спектр Na, атом которого обладает нормальной электронной конфигурацией 1s² 2s² 2p⁶ 3s (см. в ст. Атом — Заполнение электронных оболочек и слоев) с легко возбуждаемым внешним электроном 3s; переходу этого электрона из состояния 3s в состояние 3p соответствует жёлтая линия Na (дублет l = 5690 и l = 5696 ; см. рис.), с которой начинается т. н. главная серия Na, члены которой соответствуют переходам между состоянием 3s и состояниями 3p, 4p, 5p,... граница серии соответствует ионизации атома Na.

Для атомов с двумя или несколькими внешними электронами спектры значительно усложняются, что обусловлено взаимодействием электронов. А. с. особенно сложны для атомов с заполняющимися d- и f-оболочками; число линий доходит до многих тысяч, и уже нельзя обнаружить простых серий, аналогичных сериям в спектрах водорода и щелочных металлов. Однако и в сложных спектрах можно установить определённые закономерности в расположении линий, произвести систематику спектра и определить схему уровней энергии.

Систематика спектров атомов с двумя или более внешними электронами основана на приближённой характеристике отдельных электронов при помощи квантовых чисел n и l (см. Атом) с учётом взаимодействия этих электронов друг с другом. При этом приходится учитывать электростатические взаимодействия электронов — отталкивание по закону Кулона, и магнитные взаимодействия спиновых и орбитальных моментов (см. Спин, Спин-орбитальное взаимодействие), которые приводят к тонкому расщеплению уровней энергии (см. Тонкая структура). Благодаря этому у большинства атомов спектральные линии представляют собой более или менее тесную группу линий, называемую мультиплетом. Так, у всех щелочных металлов линии двойные (дублеты), причём расстояния между мультиплетными уровнями увеличиваются с увеличением атомного номера элемента. У щёлочноземельных элементов наблюдаются одиночные линии (сингулеты) и тройные (триплеты). Спектры следующих столбцов таблицы Менделеева образуют всё более сложные мультиплеты, причём нечётным столбцам соответствуют чётные мультиплеты, а четным столбцам — нечётные.

Кроме тонкой структуры, в А. с. наблюдается сверхтонкая структура, обусловленная магнитными моментами ядер. Сверхтонкая структура по порядку величины в 1000 раз уже обычной мультиплетной структуры и исследуется методами радиоспектроскопии.

В А. с. проявляются не все переходы между уровнями энергии данного атома или иона, а лишь вполне определённые, допускаемые (разрешенные) т. н. отбора правилами, зависящими от характеристик уровней энергии. В случае одного внешнего электрона возможны лишь переходы, для которых азимутальное квантовое число l увеличивается или уменьшается на 1; правило отбора имеет вид: Dl = ±1. В результате s-yровни (l = 0) комбинируют с р-уровнями (l = 1), р-уровни — с d-yровнями (l = 2) и т. д., что определяет возможные спектральные серии для атомов щелочных металлов, частный случай которых представляет главная серия Na (переходы 3s ® np, где n = 3, 4, 5, ...); другие переходы этим правилом отбора запрещены. Для многоэлектронных атомов правила отбора имеют более сложный вид.

Энергия ионизации

Энергия ионизации - энергия, необходимая для удаления одного моля электронов от одного моля атомов какого либо элемента, называется первой энергией ионизации I₁.

В результате ионизации атомы превращаются в положительно заряженные ионы. Энергию ионизации выражают либо в килоджоулях на моль [кДж/моль], либо в электронвольтах [эВ].

Энергию ионизации можно определить путем бомбардировки атомов электронами, ускоренными в электрическом поле. То наименьшее напряжение поля, при котором скорость электронов становится достаточной для ионизации атомов, называется потенциалом ионизации атомов данного элемента и выражается в вольтах. Энергия ионизации, выраженная в электронвольтах, численно равна потенциалу ионизации, выраженному в вольтах.

Na⁰ - ē = Na⁺ - 5, 14 эв

Cs⁰ - ē = Cs⁺ - 3, 9 эв

Энергия ионизации характеризует восстановительную способность элемента, т.е. металличность. Активные металлы обладают очень малыми значениями энергии ионизации. Первая энергия ионизации определяется электронным строением элементов и ее изменение имеет периодический характер. Энергия ионизации возрастает по периоду. Наименьшие значения энергии ионизации имеют щелочные элементы, находящиеся в начале периода, наибольшими значениями энергии ионизации характеризуются благородные газы, находящиеся в конце периода. Пики на кривой зависимости энергии ионизации от порядкового номера элемента наблюдаются у элементов с законченной s-подоболочкой (Be, Mg) и d-подоболочкой (Zn, Cd, Hg), и р- подоболочкой, в АО которой находится по одному электрону (N, P, As). Минимумы на кривой наблюдаются у элементов, имеющих на внешней подоболочке по одному электрону (щелочные металлы, В, Al, Ga, In). В одной и той же группе энергия ионизации несколько уменьшается с увеличением порядкового номера элемента, что обусловлено увеличением размеров атомов и расстояния внешних подоболочек от ядра.

Кроме первой энергии ионизации, элементы с многоэлектронными атомами могут характеризоваться второй I₂, третьей I₃, и более высокой энергией ионизации, которые равны соответственно энергии отрыва молей электронов от молей ионов Э⁺, Э²⁺и т. д. При этом энергии ионизации возрастают с увеличением их номеров, т.е. I₁I₂I₃. Особенно резкое увеличение ионизации наблюдается при отрыве электронов из заполненной подоболочки.

Значения первой - пятой энергий ионизации для элементов Ia - IVa групп второго и третьего периодов

Становится очевидным, почему ионы Li⁺ и Na⁺ образуются легко, а образование ионов Li²⁺ и Na²⁺ энергетически не выгодно. Аналогичная закономерность возникает и для элементов следующих групп, что объясняет существование ионов Mg²⁺и А1³⁺.

Особого внимания заслуживает ионизация атомов d-элементов четвертого периода. Атомы этих элементов в первую очередь теряют 4s-электроны, а затем уже 3d-электроны. Таким образом, ионизация атомов железа и меди передается следующими схемами:

С помощью величины энергии ионизации характеризуют, как правило, элементы, находящиеся в начале периода. Для элементов, находящихся в конце периода, отрыв электрона с образованием положительно заряженного иона в целом не характерен. В то же время атомы этих элементов способны присоединять один или несколько электронов с образованием отрицательно заряженного иона - аниона.

Сродство к электрону

Энергия, поглощаемая или выделяющаяся при присоединении электрона к атому, иону, радикалу или молекуле в газовой фазе при Т = 0К без передачи частице кинетической энергии, называется сродством к электрону.

Сродство к электрону Е_ср количественно выражается в [кДж/моль] или [эВ].

F⁰ + ē = F ^- + 3, 58 эв

I⁰ + ē = I ^- + 3, 3 эв

Сродство к электрону - параметр атома данного элемента, менее подчиняющийся периодическому изменению, чем энергия ионизации. Тем не менее существуют следующие закономерности:

· сродство к электрону элементов, имеющих завершенные ns²-подуровни (гелий и элементы IIa группы), np⁶-подуровни (благородные газы) и ns²(n - 1)d¹⁰-подуровни (цинк, кадмий, ртуть), равно нулю;

· в каждом периоде сродство к электрону максимально у галогена;

Сродство к электрону атомов элементов IVa - VIIa групп второго-четвертого периодов (знак «-» означает выделение энергии, знак «+» - поглощение)

Элемент