Шпаргалка по "Химии"

№1     Основные положения квантовой механики

Изучение природы лучистой энергии было одной из проблем  развития физики и химии. На протяжении всего 18 века большинство физиков  считали, что видимый свет состоит  из мельчайших частиц, вылетающих из источников света, как пули. Это была теория Исаака Ньютона (1675г.). Но ещё Гук и Гюйгенс предложили волновую теорию (подобие волн на поверхности воды). В 1800г. Томас Юнг опубликовал свою работу, показывающую превосходство волновой теории. Он объяснил явления отражения и преломления света, объяснил явление интерференции. В результате прохождения лучей через два отверстия за ними распространяются световые волны. Если гребень одной волны совпадает с гребнем другой, то произойдет усиление и наоборот. Но он добился лишь одного – осмеяния коллег. В 1815 году Френель вновь исследовал явления интерференции и представил математическое обоснование волновой теории. Вместе с открытием X-лучей Рентгеном, явлением радиоактивности Беккерелем и электрона – Томсоном пришло понимание электромагнитного излучения. Это привело к разработке новой, так называемой квантовой теории. В 1905 году Эйнштейн высказал предположение о том, что идея о квантовании должна быть применена не только к процессам лучеиспускания и лучепоглощения, но и к излучению. Это значит, что электромагнитное излучение состоит из частиц называемых фотонами, имеющих энергию hυ и распространяющихся в пространстве со скоростью света, так была развита теория Планка, утверждавшего, что 

,т.е. энергия каждой порции  электромагнитной энергии прямо пропорциональна частоте излучения.

 

 

 

№2. Понятия: атомная орбиталь, квантовые числа

а) Атомная орбиталь — одноэлектронная волновая функция, полученная решением уравнения Шрёдингера для данного атома[1], задаётся главным n, орбитальным l и магнитным m квантовыми числами.

Волновая функция рассчитывается по волновому уравнению Шрёдингера в рамках одноэлектронного приближения (метод Хартри — Фока) как волновая функция электрона, находящегося в  самосогласованном поле, создаваемым  ядром атома со всеми остальными электронами атома.

б) Ква́нтовое число́ в квантовой механике — численное значение какой-либо квантованной переменной микроскопического объекта (элементарной частицы, ядра, атома и т.д.), характеризующее состояние частицы. Задание квантовых чисел полностью характеризует состояние частицы.

Некоторые квантовые  числа связаны с движением  в пространстве и характеризуют  вид волновой функции частицы. Это, например, радиальное (главное квантовое  число) орбитальное квантовое число (l) и магнитное (m) квантовые числа электрона в атоме, которые определяются как число узлов радиальной волновой функции, значение орбитального углового момента и его проекция на заданную ось, соответственно.

 

 

№3. Электронная структура атомов. Принцип наименьшей энергии (правило Клечковского), правило Гунда, принцип Паули(принцип запрета).

Электронная структура атомов. Электронам в атоме приписываются различные орбитали, которые характеризуются главным квантовым числом n, орбитальным квантовым числом l и магнитным квантовым числом ml.

Правило Клечковского гласит:

Заполнение электронами  орбиталей в атоме происходит в порядке возрастания суммы  главного и орбитального квантовых  чисел n+l  . При одинаковой сумме раньше заполняется орбиталь с меньшим значением n .

Правило Хунда определяет порядок заполнения орбиталей определённого подслоя и формулируется следующим образом: модуль суммарного значения спинового квантового числа электронов данного подслоя должен быть максимальным. Сформулировано Фридрихом Хундом в 1925 году.

Это означает, что в каждой из орбиталей подслоя заполняется сначала один электрон, а только после исчерпания незаполненных орбиталей на эту орбиталь добавляется второй электрон. При этом на одной орбитали находятся два электрона с полуцелыми спинами противоположного знака, которые спариваются (образуют двухэлектронное облако) и, в результате, суммарный спин орбитали становится равным нулю.

При́нцип Па́ули (принцип запрета) — один из фундаментальных принципов квантовой механики, согласно которому два и более тождественных фермиона (частиц с полуцелым спином) не могут одновременно находиться в одном квантовом состоянии.

 

 

№5. Периодический характер изменения свойств атомов элементов: радиус атомов и ионов, энергия ионизации, энергия сродства к электрону.

а)Периодический характер изменения химических свойств атомов элементов зависит от изменения радиуса атома и иона.

За радиус свободного атома принимают положение главного максимума плотности внешних  электронных оболочек. Это так  называемый орбитальный радиус.

В периодах орбитальные атомные радиусы по мере увеличения заряда ядра Z в общем монотонно уменьшаются из-за роста степени взаимодействия внешних электронов с ядром. В подгруппах радиусы в основном увеличиваются из-за возрастания числа электронных оболочек.

У s- и p-элементов изменение радиусов, как в периодах, так и в подгруппах более выражены, чем у d- и f-элементов, так как d- и f-электроны внутренние. Уменьшение радиусов у d- и f-элементов в периодах называется d- и f-сжатием. Следствием f-сжатия является то, что атомные радиусы электронных аналогов d-элементов пятого и шестого периодов практически одинаковы.

 б)Зависимость энергии ионизации атома от порядкового номера элемента (рис. 1) носит отчетливо периодический характер. Легче всего удалить электрон из атомов щелочных металлов, включающих по одному валентному электрону, труднее всего — из атомов благородных газов, обладающих замкнутой электронной оболочкой. Поэтому периодичность изменения энергии ионизации атомов характеризуется минимумами, отвечающими щелочным металлам, и максимумами, приходящимися на благородные газы. Наряду с этими резко выраженными минимумами и максимумами на кривой энергии ионизации атомов наблюдаются слабо выраженные минимумы и максимумы, которые по-прежнему нетрудно объяснить с учетом упомянутых эффектов экранирования и проникновения, эффектов межэлектронных взаимодействий и т. д.

в)Периодичность значений энергий сродства атомов к электрону объясняется, естественно, теми же самыми факторами, которые уже были отмечены при обсуждении ионизационных потенциалов.

Наибольшим сродством  к электрону обладают p-элементы VII группы. Наименьшее сродство к электрону  у атомов с конфигурацией s2 (Be, Mg, Zn) и s2p6 (Ne, Ar) или с наполовину заполненными p-орбиталями (N, P, As).

 

 

 

 

№6. Типы химических связей: ковалентная (полярная, неполярная, донорно-акцепторная), ионная, водородная, металлическая.

Химическая  связь — явление взаимодействия атомов, обусловленное перекрыванием электронных облаков связывающихся частиц, которое сопровождается уменьшением полной энергии системы.

а)Металлическая связь  — химическая связь, которая обусловлена  за счёт взаимодействия положительных  ионов металлов, составляющих кристаллическую  решётку, с электронным газом  из валентных электронов.

б)Ковалентная связь (атомная  связь, гомеополярная связь) — химическая связь, образованная перекрытием (обобществлением) пары валентных электронных облаков. Обеспечивающие связь электронные облака (электроны) называются общей электронной парой.

Если атомы, образующие простую ковалентную связь, одинаковы, то истинные заряды атомов в молекуле также одинаковы, поскольку атомы, образующие связь, в равной степени владеют обобществлённой электронной парой. Такая связь называется неполярной ковалентной связью. Такую связь имеют простые вещества, например: О2, N2, Cl2.

Если атомы различны, то степень владения обобществленной  парой электронов определяется различием  в электроотрицательностях атомов. Атом с большей электроотрицательностью  сильнее притягивает к себе пару электронов связи, и его истинный заряд становится отрицательным. Атом с меньшей электроотрицательностью приобретает, соответственно, такой же по величине положительный заряд. Если соединение образуется между двумя различными неметаллами, то такое соединение называется ковалентной полярной связью.

Донорно-акцепторная  связь. Для образования этого вида ковалентной связи оба электрона предоставляет один из атомов — донор. Второй из атомов, участвующий в образовании связи, называется акцептором. В образовавшейся молекуле формальный заряд донора увеличивается на единицу, а формальный заряд акцептора уменьшается на единицу.

в)Ионная связь — очень прочная химическая связь, образующаяся между атомами с большой разностью (>1,5 по шкале Полинга) электроотрицательностей, при которой общая электронная пара полностью переходит к атому с большей электроотрицательностью.Это притяжение ионов как разноименно заряженных тел. Примером может служить соединение CsF.

г)Водородная связь — форма ассоциации между электроотрицательным атомом и атомом водорода H, связанным ковалентно с другим электроотрицательным атомом. В качестве электроотрицательных атомов могут выступать N, O или F. Водородные связи могут быть межмолекулярными или внутримолекулярными.

 

№4. Структура  периодической таблицы химических элементов

Периоди́ческая систе́ма хими́ческих элеме́нтов (табли́ца Менделе́ева) — классификация химических элементов, устанавливающая зависимость различных свойств элементов от заряда атомного ядра. Система является графическим выражением периодического закона, установленного русским химиком Д. И. Менделеевым в 1869 году. Её первоначальный вариант был разработан Д. И. Менделеевым в 1869—1871 годах и устанавливал зависимость свойств элементов от их атомного веса (по-современному, от атомной массы). Всего предложено несколько сотен[1] вариантов изображения периодической системы (аналитических кривых, таблиц, геометрических фигур и т. п.). В современном варианте системы предполагается сведение элементов в двумерную таблицу, в которой каждый столбец (группа) определяет основные физико-химические свойства, а строки представляют собой периоды, в определённой мере подобные друг другу.

 

 

№7. Электроотрицательность. Степень окисления.

Эле́ктроотрица́тельность (χ) — фундаментальное химическое свойство атома, количественная характеристика способности атома в молекуле смещать к себе общие электронные пары.

Сте́пень окисле́ния (окислительное число, формальный заряд) — вспомогательная условная величина для записи процессов окисления, восстановления и окислительно-восстановительных реакций, численная величина электрического заряда, приписываемого атому в молекуле в предположении, что электронные пары, осуществляющие связь, полностью смещены в сторону более электроотрицательных атомов.

Представления о степени  окисления положены в основу классификации и номенклатуры неорганических соединений.

 

 

№8. Основы метода валентных связей (МВС).

Теория валентных  связей (метод валентных связей, метод валентных схем, метод локализованных электронных пар) — приближённый квантовохимический расчётный метод, основанный на представлении о том, что каждая пара атомов в молекуле удерживается вместе при помощи одной или нескольких общих электронных пар.

Теория валентных связей заложена в 1927 году В.Гайтлером и  Ф.Лондоном на примере квантовохимического  расчёта молекулы водорода.

 

№9. Механизм образования ковалентной связи. Свойства ковалентной связи.

Механизмы образования  ковалентных связей

Различают несколько  механизмов образования ковалентной  связи: обменный (равноценный), донорно-акцепторный, дативный.

При использовании обменного механизма образование связи рассматривается как результат спаривания спинов свободных электронов атомов. При этом осуществляется перекрывание двух атомных орбиталей соседних атомов, каждая из которых занята одним электроном. Таким образом, каждый из связываемых атомов выделяет для обобществления пары по электрону, как бы обмениваясь ими. например, при образовании молекулы трифторида бора из атомов три атомные орбитали бора, на каждой из которых имеется по одному электрону, перекрываются с тремя атомными орбиталями трех атомов фтора (на каждой из них также находится по одному неспаренному электрону). В результате спаривания электронов в областях перекрывания соответствующих атомных орбиталей появляется три пары электронов, связывающих атомы в молекулу.

По донорно-акцепторному механизму перекрывается орбиталь с парой электронов одного атома и свободная орбиталь другого атома. В этом случае в области перекрывания также оказывается пара электронов. По донорно-акцепторному механизму происходит, например, присоединение фторид-иона к молекуле трифторида бора. Вакантная р-орбиталь бора (акцептора электронной пары) в молекуле BF3 перекрывается с р-орбиталью иона F−, выступающего в роли донора электронной пары. В образовавшемся ионе [BF4]− все четыре ковалентные связи бор−фтор равноценны по длине и энергии, несмотря на различие в механизме их образования.

Атомы, внешняя электронная  оболочка которых состоит только из s- и р-орбиталей, могут быть либо донорами, либо акцепторами электронной  пары. Атомы, у которых внешняя электронная оболочка включает d-орбитали, могут выступать в роли и донора, и акцептора пар электронов. В этом случае рассматривается дативный механизм образования связи. Примером проявления дативного механизма при образования связи служит взаимодействие двух атомов хлора. Два атома хлора в молекуле Cl2 образуют ковалентную связь по обменному механизму, объединяя свои неспаренные 3р-электроны. Кроме того, происходит перекрывание 3р-орбитали атом Cl-1, на которой имеется пара электронов, и вакантной 3d-орбитали атома Cl-2, а также перекрывание 3р-орбитали атом Cl-2, на которой имеется пара электронов, и вакантной 3d-орбитали атома Cl-1. Действие дативного механизма приводит к увеличению прочности связи.

№10. . Общая характеристика водорода: положение в периодической системе, строение электронной оболочки, валентные состояния, нахождение в природе, изотопный состав.

Заряд ядра атома водорода равен 1 и поэтому в Периодической  системе он стоит под номером 1. Водород расположен в первом периоде, где находятся всего два химических элемента H и He. Емкость первого электронного слоя равна 2 и поэтому у атомов гелия имеется завершенная электронная оболочка, а He является аналогом инертных газов (Ne, Ar, Kr, Xe и Rn ). У атома водорода один электрон и его электронная конфигурация 1s1. В реакциях окисления или восстановления атом водорода может либо присоединять, либо отдавать один электрон. Какие же (по группам Периодической системы) одновалентные аналоги могут быть у водорода? В первую очередь - это щелочные металлы, у атомов которых на внешнем электронном слое также имеется 1 s электрон. Кроме того, металлические свойства химических элементов уменьшаются при переходе в Периодической системе по группам снизу вверх, а значит увеличиваются неметаллические свойства. И, если мы отнесем водород к первой группе, у него могут появиться слабые неметаллические свойства? Да его считают самым слабым неметаллом. Так что помещение водорода в первую группу не противоречит логике Периодической системы.