Решение задачи по химии: строение атома

Ниже представлены ответы на вопросы для промежуточной аттестации, оформленные для удобного переписывания в тетрадь. Вопрос 1. История развития представлений о строении атома. Теория Э. Резерфорда. Теория Н. Бора. В конце XIX века была открыта делимость атома (открытие электрона Дж. Томсоном). 1. Модель Томсона («пудинг с изюмом»): атом — положительно заряженная сфера с вкрапленными электронами. 2. Теория Э. Резерфорда (планетарная модель, 1911 г.): на основе опытов по рассеянию альфа-частиц Резерфорд доказал, что в центре атома находится крошечное положительное ядро, в котором сосредоточена вся масса, а вокруг него по орбитам вращаются электроны. Недостаток: согласно классической физике, электрон должен терять энергию и упасть на ядро. 3. Теория Н. Бора (1913 г.): ввел постулаты. - Электрон вращается вокруг ядра по строго определенным стационарным орбитам, не излучая энергии. - Излучение или поглощение энергии происходит только при переходе электрона с одной орбиты на другую. Условие квантования момента импульса: \[ mvr = n \frac{h}{2\pi} \] где \( n \) — главное квантовое число. Вопрос 2. Возникновение атомных спектров. Теория М. Планка. Атомные спектры имеют линейчатый характер, что доказывает дискретность энергии атома. Теория М. Планка (1900 г.): энергия испускается и поглощается не непрерывно, а отдельными порциями — квантами. Энергия кванта пропорциональна частоте излучения: \[ E = h \nu \] где \( h \) — постоянная Планка (\( 6,626 \cdot 10^{-34} \) Дж·с), \( \nu \) — частота. Линейчатые спектры возникают при переходе электронов между энергетическими уровнями. Энергия фотона равна разности энергий уровней: \[ \Delta E = E_2 - E_1 = h \nu \] Вопрос 3. Квантовая химия. Двойственная природа электрона. Уравнение де Бройля. Принцип неопределенности. Современная квантовая химия базируется на следующих положениях: 1. Двойственная (корпускулярно-волновая) природа электрона: электрон ведет себя и как частица, и как волна. 2. Уравнение де Бройля (1924 г.): любой движущейся частице соответствует волна длиной \( \lambda \): \[ \lambda = \frac{h}{mv} \] 3. Принцип неопределенности Гейзенберга: невозможно одновременно точно определить координату (\( x \)) и импульс (\( p \)) микрочастицы: \[ \Delta x \cdot \Delta p \ge \frac{h}{4\pi} \] 4. Вероятностный характер: мы не можем говорить о траектории электрона, а только о вероятности его нахождения в данной точке пространства (электронное облако). Вопрос 4. Уравнение Шредингера. Квантовые числа. Атомные орбитали. Основное уравнение квантовой механики — уравнение Шредингера: \[ \hat{H} \psi = E \psi \] где \( \psi \) — волновая функция, описывающая состояние электрона. Квадрат модуля волновой функции \( |\psi|^2 \) определяет плотность вероятности нахождения электрона. Состояние электрона описывается четырьмя квантовыми числами: 1. Главное (\( n \)): определяет общую энергию и размер орбитали (\( n = 1, 2, 3... \)). 2. Орбитальное (\( l \)): определяет форму орбитали (\( l = 0 \) до \( n-1 \)). Значения: 0(s), 1(p), 2(d), 3(f). 3. Магнитное (\( m_l \)): определяет ориентацию орбитали в пространстве (\( -l \) до \( +l \)). 4. Спиновое (\( m_s \)): собственный момент импульса электрона (\( +1/2 \) или \( -1/2 \)). Вопрос 5. Функции радиального распределения. Эффективный ядерный заряд. Экранирование. Функция радиального распределения описывает вероятность нахождения электрона на определенном расстоянии от ядра. Эффективный ядерный заряд (\( Z_{eff} \)) — это реальный заряд, который действует на внешний электрон. Он меньше истинного заряда ядра \( Z \) из-за эффекта экранирования. \[ Z_{eff} = Z - \sigma \] где \( \sigma \) — константа экранирования. Внутренние электронные слои создают «заслон», отталкивая внешние электроны и ослабляя их притяжение к ядру. Вопрос 6. Основные принципы заполнения орбиталей. 1. Принцип минимума энергии: электроны заполняют орбитали в порядке возрастания их энергии. 2. Принцип Паули: в атоме не может быть двух электронов с одинаковым набором всех четырех квантовых чисел. На одной орбитали — не более 2-х электронов с антипараллельными спинами. 3. Правило Гунда: в пределах одного подуровня электроны распределяются так, чтобы суммарный спин был максимальным (сначала по одному на каждую ячейку). 4. Правило Клечковского (правило \( n+l \)): заполнение идет в порядке увеличения суммы \( n+l \). Если суммы равны, первым заполняется уровень с меньшим \( n \). Вопрос 7. Периодический закон Д.И. Менделеева. Закон Мозли. Периодический закон (современная формулировка): свойства химических элементов и их соединений находятся в периодической зависимости от величины заряда ядер их атомов. Закон Мозли: корень квадратный из частоты характеристического рентгеновского излучения линейно зависит от порядкового номера элемента \( Z \). Это подтвердило, что основой классификации является заряд ядра, а не атомная масса. Элементы делятся на блоки: - s-элементы (группы IA, IIA); - p-элементы (группы IIIA - VIIIA); - d-элементы (переходные металлы); - f-элементы (лантаноиды и актиноиды). Границы системы определяются предельной устойчивостью тяжелых ядер. Вопрос 8. Виды периодичности. 1. Вертикальная: сходство свойств элементов в одной группе (например, щелочные металлы). 2. Горизонтальная: закономерное изменение свойств слева направо в периоде (от металлов к неметаллам). 3. Диагональная: сходство свойств элементов, расположенных по диагонали (Li и Mg, Be и Al, B и Si). 4. Вторичная периодичность: немонотонное изменение свойств в подгруппах (например, у элементов 4-го периода d-блока из-за d-сжатия). Вопрос 9. Периодичность свойств атомов. Радиусы. 1. Орбитальный радиус — расстояние от ядра до максимума электронной плотности внешней орбитали. 2. Эффективный радиус — экспериментально определяемое расстояние (металлический, ионный, ковалентный радиусы). Закономерности: - В периоде (слева направо): заряд ядра растет, число слоев неизменно, притяжение электронов усиливается — радиус уменьшается. - В группе (сверху вниз): увеличивается число электронных слоев — радиус увеличивается. Ионные радиусы: радиус катиона всегда меньше радиуса нейтрального атома, а радиус аниона — больше.