ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 23.08.2024
Просмотров: 129
Скачиваний: 0
Учреждение образования «БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ
УНИВЕРСИТЕТ»
НЕОРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ
Учебно-методическое пособие для студентов химико-технологических специальностей заочной формы обучения
Минск 2006
НЕОРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ
Учебно-методическое пособие для студентов химико-технологических специальностей заочной формы обучения
Минск БГТУ 2006
УДК 546(075.8) ББК 24.1я7
Н 52
Рассмотрены и рекомендованы к изданию редакционноиздательским советом университета
Составители:
С. Е. Орехова, И. Е. Малашонок, В. А. Ашуйко
Рецензенты:
доцент кафедры ТЭХП и МЭТ БГТУ кандидат химических наук Л. Н. Новикова; профессор кафедры аналитической химии БГУ, доктор химических наук С. М. Лещев
Неорганическая химия : учеб.-метод. пособие для студентов
Н52 химико-технологических специальностей заочной формы обучения / сост. С. Е. Орехова, И. Е. Малашонок, В. А. Ашуйко. –
Минск : БГТУ, 2006. – 78 с.
ISBN 985-434-683-8
Учебно-методическое пособие предназначено для самостоятельной работы студентов заочной формы обучения первого курса химикотехнологических специальностей. Выполнение контрольных работ позволит студентам-заочникам разобраться в учебном материале по важнейшим разделам дисциплины «Неорганическая химия».
УДК 546(075.8) ББК 24.1я7
ISBN 985-434-683-8 |
© УО «Белорусский государственный |
|
технологический университет», 2006 |
ПРЕДИСЛОВИЕ
Перед студентами первого курса химико-технологических специальностей ставится задача – накопить такой запас знаний по неорганической химии, который давал бы возможность не только правильно интерпретировать результаты того или иного химического процесса, но и прогнозировать химические процессы.
Основное содержание учебно-методического пособия «Неорганическая химия» составляют контрольные задания, включающие теоретические вопросы и задачи, касающиеся строения, физических и химических свойств s-, p-, d-элементов и их соединений. Также в него включены разделы пособия «Строение атома» и «Химическая связь», содержащие краткий теоретический обзор, ознакомление с которым поможет студентам-заочникам разобраться в материале указанных разделов и правильно выполнить контрольные задания.
Контрольные задания составлены в соответствии с программой курса, которая определяет объем требований, предъявляемых студенту при сдаче экзамена. Содержание дисциплины «Неорганическая химия» базируется на материале, рассматриваемом в курсе «Теоретические основы химии», изучаемом ранее.
При усвоении материала студентами заочной формы обучения большое значение имеет самостоятельная работа, для чего необходимо системно работать с литературой, рекомендуемой в учебнометодическом пособии.
В соответствии с учебным планом студенты химикотехнологических специальностей должны выполнить две контрольные работы № 3 и № 4 по неорганической химии. В случае возникновения затруднений при выполнении контрольных работ студенты могут получить консультацию у преподавателей кафедры.
3
1. СТРОЕНИЕ АТОМА
Атомы и составляющие их частицы относятся к микроскопическим телам. Свойства таких частиц определяются их движением и взаимодействием. Явления, связанные с поведением частиц микромира, удается понять и описать только на основании законов и представлений квантовой механики.
Квантовая механика представляет собой теорию, устанавливающую способ описания и законы движения микрочастиц в заданных внешних полях. Она позволяет описать структуру атомов, расшифровать их спектры, установить природу химической связи. В отличие от представлений классической физики все частицы в квантовой механике рассматриваются как носители корпускулярных и волновых свойств, которые не исключают, а дополняют друг друга. Представления о дуализме (двойственной природе) материи потребовали нового подхода к описанию состояния физических систем и их изменения во времени. Из квантовой механики вытекает, что не все физические величины могут одновременно иметь точные значения.
Отличительная черта квантовой теории – дискретность. Дискретность в переводе с латинского языка означает «разделенный, прерывистый, изменение, происходящее скачками». В начале прошлого века немецкий физик М. Планк в процессе изучения распределения теплового излучения, испускаемого нагретыми телами, установил, что энергия излучается не непрерывно, а квантами, равными величинам h ν :
Е = h ν , |
(1) |
где Е – энергия кванта; ν – частота колебания; h – |
квант действия, |
позже названный постоянной Планка.
Постулат Планка положен в основу квантовой механики. Выражение (1) стало количественной основой гипотезы, согласно которой атомы принимают и излучают энергию квантами, мельчайшими, далее неделимыми порциями. Постоянная Планка h разграничивает области явлений, которые можно описывать с применением законов классической физики, в этих случаях ее можно считать равной нулю, и области, для правильного истолкования которых необходима квантовая теория.
Ко времени появления квантовой механики уже было известно, что электромагнитное излучение способно обнаруживать как волно-
4
вые, так и корпускулярные свойства. Эти представления Луи де Бройль перенес на электроны. Из совместного решения уравнений (1) Планка и уравнения (2) Эйнштейна
следует, что h ν = mс2. |
Е = mc2 |
(2) |
||
|
|
|
||
Выразим ν через с и |
λ, для фотона получимν = |
с |
. Особенно- |
|
l |
||||
|
|
|
||
стью фотонов является то, что они не имеют массы покоя и существуют лишь при движении со скоростью света.
h |
с |
= mc2 |
или λ = mc . |
|
l |
||||
|
|
с |
||
Для материальной |
точки с массой m и скоростью движения |
|||
υ уравнение принимает вид, предложенный де Бройлем:
λ = |
h |
, |
(3) |
|
mυ |
||||
|
|
|
где λ - длина волны электрона; h - постоянная Планка; m - масса электрона; υ - его скорость; с - скорость света.
Электроны движутся со скоростями существенно меньшими, чем скорость света. Скорость света в пустоте равна 2,997 925 ·108 м/с, скорость движения электрона на первой, самой близкой к ядру орбите равна 2 185 000 м/с.
Из уравнения де Бройля следует, что движение микрочастиц связано с распространением волн. Уравнение (3) связывает количество движения m υ , характеристику вещественной формы существования материи с характеристикой материального поля, длиной волны λ через фундаментальную константу природы h.
Следующим шагом на пути создания волновой механики была идея, сформулированная В. Гейзенбергом. Эта идея объясняла двойственную природу электрона, она появилась почти одновременно с идеей де Бройля.
Принцип неопределенности Гейзенберга: для тел атомного масштаба нельзя указать одновременно их точное положение в пространстве и направление движения.
Можно указать только вероятность нахождения электрона в определенном положении в любой момент времени. Математическое
выражение принципа неопределенности: |
|
|||
DxDp ³ |
h |
, |
(4) |
|
2π |
||||
|
|
|
||
5
где x и p обозначают неопределенности в измерении координаты и импульса частицы.
Из этого принципа следует, что траекторию частицы атомного масштаба нельзя рассматривать с математической точностью. Существует полоса неопределенности, в которой частица может двигаться по всей области возможных положений.
Представления о волновой природе электронов получили экспериментальное подтверждение. Было установлено, что пучок электронов может давать дифракционный эффект, характерный только для волн. Длины волн, полученные экспериментально, совпали с рассчитанными по уравнению де Бройля.
Квантовая механика описывает атом как систему стоячих волн вокруг ядра. Систему стоячих волн можно представить как струны, концы которых закреплены, и они могут колебаться с определенными частотами. На определенном очень малом расстоянии от ядра атома амплитуды этих волн становятся незначительными, как бы ограничивая тем самым размер атома.
В качестве модели для описания поведения электрона в атоме В. Шредингер предложил использовать волновое уравнение классиче-
ской механики: |
|
|
|
|
∂2 А = |
1 |
∂2 А |
, |
(5) |
|
∂t2 |
|||
∂x2 c2 |
|
|
||
где А − амплитуда волны; с − скорость перемещения волны; t − время перемещения волны.
Для описания модели атома, движение которого подобно стоячей волне, Шредингер предложил уравнение, не содержащее скорости и времени:
∂2ψ + |
∂2 ψ + |
∂2 ψ + |
4π2ψ |
= 0 , |
(6) |
|
|||||
∂х2 |
∂y2 |
∂z2 λ2 |
|
||
где ψ − трехмерный аналог величины А в уравнении (5), а x, y, z − координаты трехмерного пространства.
Если в уравнение (5) подставить значение длины волны (3), то
оно будет иметь вид |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
∂2 ψ |
+ |
∂2 |
ψ |
+ |
∂2 |
ψ |
+ |
m2 |
υ2 |
ψ = 0 . |
(7) |
|
∂х2 |
∂y2 |
∂z2 |
0 |
|
||||||||
h2 |
||||||||||||
|
|
|
|
|
||||||||
Известно, что полная энергия системы Е равна сумме потенциальной U и кинетической m0 υ2 /2 энергий:
6
Е = U + m0 υ2 /2. |
(8) |
Выразив из уравнения (8) υ2 и подставив его в уравнение (7), получим
∂2ψ |
+ |
∂2 |
ψ |
+ |
∂2 |
ψ |
+ |
2m |
(Е −U )ψ = 0 . |
(9) |
|
∂х2 |
∂y2 |
∂z2 |
0 |
||||||||
h2 |
|||||||||||
|
|
|
|
|
|||||||
Уравнение (9) позволяет определить значение волновой функции ψ . Квадрат ее модуля | ψ 2| определяет вероятность данного состояния и, следовательно, вероятности для значений физических величин, характеризующих данное состояние.
Волновая функция ψ − это характеристика электрона, она имеет определенное значение в любой точке пространства и формально является трехмерным аналогом амплитуды плоской волны. Квадрат волновой функции ψ 2 пропорционален вероятности нахождения частицы (электрона) в данной области пространства с координатами x, y, z. Если электрон рассматривать как размытое распределение отрицательного заряда в пространстве, то ψ 2 − вероятность нахождения электрона в данной единице объема пространства. Точное положение электрона в пространстве в любой момент времени определить нельзя, но с помощью квадрата волновой функции можно указать вероятность его нахождения в определенном положении в любой момент времени. Решение уравнения Шредингера позволяет найти вид волновой функции и энергию электрона.
В приложении к атомам волновая механика дает те же результаты, что и боровская модель для уровней энергии электрона в атоме водорода, но в то же время с ее помощью можно правильно описать свойства более сложных атомов, чем атом водорода.
Решения волнового уравнения Шредингера могут быть получены только при определенных условиях. На орбите, по которой движется электрон, должно укладываться целое число длин волн. Число раз, которое длина волны укладывается на орбите, соответствует квантовому числу электрона n.
Область пространства, в которой вероятность обнаружения электрона составляет 95%, называется орбиталью. Орбиталь – не одно и то же, что орбита в теории Бора, в которой под орбитой понимают путь электрона вокруг ядра. С позиций квантовой механики можно
7