Атом ЭТО МИКРОСИСТЕМА СОСТОЯЩАЯ ИЗ ЯДРА И ЭЛЕКТРОНОВ

Атом. ЭТО МИКРОСИСТЕМА, СОСТОЯЩАЯ ИЗ ЯДРА И ЭЛЕКТРОНОВ, ДВИЖИУЩИХСЯ В ПОЛЕ ЯДРА Н Не О Рис. 1. Форма и пространственное расположение орбиталей в атомах водорода, гелия и кислорода

• А = Zя + N • ЯДРА АТОМОВ • водород А = 1 +0 = 1 гелий А = 2 +2 = 4 кислород А = 8 +8 = 16 • Рис. 2. Модели ядер атомов водорода, гелия и кислорода Протон (+) Нейтрон (0)

1. Атомы проявляют свойство обмениваться энергией с окружающей средой Н Н* Рис. 3. Атом водорода в основном (Н) и возбужденном (Н*) состоянии. Время жизни возбужденного атома сек

• 2. Атомы проявляют свойство отдавать и присоединять электроны • Энергия, которую необходимо затратить, чтобы оторвать электрон от атома, называется энергией ионизации • Сродство атомов к электрону ( к. Дж/моль) характеризуется энергией, необходимой для отрыва электрона от соответствующего отрицательного иона (аниона), например:

3. Атомы проявляют свойство образовывать химические связи Рис. 5. Ковалентная связь обусловлена перекрыванием атомных орбиталей. Ядра притягиваются отрицательным зарядом между ними

Рис. 6. Образование ионной связи между литием и фтором Внешний электрон с 2 s-орбитали атома лития перешёл на 2 р-орбиталь атома фтора. Электромагнитное взаимодействие (притяжение) удерживает противоположно заряженные ионы вместе (ионная связь)

4) Атомы проявляют свойство изменять геометрическую конфигурацию и размеры а) б) Н Н* Рис. 7. Модели атомов, демонстрирующие изменение размеров: а) при переходе в возбужденное состояние; б) при переходе в ионное состояние

ПЕРИОДИЧЕСКИЙ ЗАКОН Д. И. МЕНДЕЛЕЕВА свойства элементов и образуемых ими простых и сложных веществ находятся в периодической зависимости от заряда ядра атомов элементов Период – это горизонтальный ряд элементов, в атомах которых электроны последовательно заполняют ns- и завершают заполнение np- орбиталей (n – главное квантовое число, соответствует номеру периода). Группа – это вертикальный ряд, в котором объединены атомы химических элементов с одинаковым числом электронов на внешней орбитали.

• Вопросы для проверки знаний • 1. Какую микросистему называют атомом? • 2. Почему заряд ядра определяет свойства атома? • 3. Что подразумевается под электронной орбиталью? • 4. Согласны ли вы с утверждением, что «электронным клеем» , соединяющим атомы, являются электрические силы притяжения? • 5. Согласны ли вы с утверждением, что по мере увеличения заряда ядра атомные орбитали сокращаются в размере? • 6. По какому признаку атомы элементов объединены в периоды и группы?

• Упражнения • 1. Сколько электронов входит в состав атомов с зарядом ядра: а) +2, б) +6, в) +9? • 2. Сколько протонов в ядре атома, если число электронов а) 4; б) 10; в) 30? • 3. Какова форма орбиталей в атомах с зарядом ядра +1 и +2? • 4. Ядро атома содержит 6 протонов и 7 нейтронов. Сколько электронов содержит электронейтральный атом? Напишите его химический символ с указанием массового числа и заряда ядра. • 5. Сколько электронов в электронейтральном атоме, если заряд ядра равен: а) +3, б) +7, в) +10? • 6. Как называется атом, ионы которого имеют заряд ядра равный +3, а электронная оболочка представлена двумя электронами? • 7. Какой заряд ядра имеет химический элемент и что это за элемент, у которого: а) завершено заполнение электронами 2 p-орбиталей; б) заполнена одним электроном 3 p-орбиталь.

Молекула микросистема, состоящая из двух или большего числа ядер и электронов, движущихся в поле ядер Н--Н F--F Рис. 8. Модели молекул с неполярными и полярными ковалентными связями. H F В атомах фтора и серы изображены только внешние 2 р и 3 р-орбитали H S H

• КОВАЛЕНТНАЯ СВЯЗЬ • Ковалентная связь обусловлена электромагнитным взаимодействием, удерживающим положительно заряженные ядра отрицательным зарядом, сосредоточенным в области перекрывания атомных орбиталей • Длина ковалентной связи – это расстояние между ядрами ковалентно связанных атомов в молекуле

ГИБРИДИЗАЦИЯ ПРИ ОБРАЗОВАНИИ СВЯЗЕЙ - это способ описания перестройки атомных орбиталей в молекуле по сравнению со свободным атомом О О* О Н Рис. 9. -гибридизация Н - орбиталей атома кислорода

• Молекула метана • Ковалентная -связь образуется между атомами при перекрывании орбиталей вдоль линии, проходящей через ядра атомов. Рис. 10. Модель молекулы метана

• Молекула этилена • -Связь между атомами осуществляется таким образом, что образуются две области перекрывания р-орбиталей по обе стороны от оси -связи. а) Рис. 11. Атомы углерода в -гибридном состоянии (а); положение - и -связей в молекуле этилена (б) б)

• Молекула ацетилена Рис. 12. Атомы углерода в sp-гибридном состоянии (а); положение - и -связей в молекуле ацетилена (б)

ИОННАЯ СВЯЗЬ Рис. 13. Модель одной из граней ионного кристалла кубической формы

ИОННЫЕ КРИСТАЛЛЫ )б танарг )б ; тироюлф )а : ылла

МЕТАЛЛИЧЕСКАЯ СВЯЗЬ обусловлена электромагнитным взаимодействием удерживающим положительно заряженные ионы в узлах кристаллической решетки подвижными электронами ( «электронным газом» ) Рис. 15. Модель металлической кристаллической решетки; точками обозначены электроны

МЕТОД ВАЛЕНТНЫХ СВЯЗЕЙ, МЕТОД (ВС) • 1. В образовании ковалентной связи участвуют валентные электроны, т. е. электроны внешней электронной оболочки атома; • 2. Каждая ковалентная химическая связь образуется при участии пары электронов с противоположными спинами; • 3. Ковалентная химическая связь образуется при перекрывании атомных орбиталей. Между ядрами появляется область повышенной электронной плотности, удерживающая ядра на расстоянии, соответствующем длине химической связи.

• • • • Вопросы для проверки знаний 1. Что подразумевается под молекулой? 2. В чем различие и сходство между ковалентной и ионной связью? 3. В чем различие между и ковалентными связями? 4. Что на ваш взгляд явилось причиной введения представления о гибридизации атомных орбиталей? 5. Какой физический смысл вкладывается в понятия «направленность» и «насыщаемость» ковалентных связей? 6. В чем различие и сходство между ионной и металлической связями? 7. Согласны ли вы с утверждением, что «химическая связь обусловлена электромагнитным взаимодействием заряженных частей микросистемы» ? 9. Что подразумевается под структурной и молекулярной формулами? 10. В чем различие и сходство между ковалентной полярной и неполярной связями? 11. Можно ли назвать ионное соединение Li. F молекулой? 12. Какая связь называется ковалентной? Какая связь называется ионной? 13. Какая связь называется металлической?

• МИР МАКРОСИСТЕМ • Макросистема представляет собой твердое, жидкое или газообразное тело, состоящее из взаимосвязанных атомов, молекул или ионов. • Капля воды или гидросфера – это макросистемы. Так 18 г воды занимают небольшую часть стакана. Мы видим 18 г жидкости (макросистема), но мы не видим микрочастиц (молекулы воды) в этом объеме. • Все химические превращения, происходящие в макросистемах, – это превращения атомов, молекул или ионов, из которых состоят макросистемы.

• ТВЕРДЫЕ ТЕЛА • 1. Кристаллы с ковалентными связями представляют собой структуры ковалентно связанных атомов. а б Рис. 16. Модель структуры кристалла алмаза: а) фрагмент кристаллической решетки: центральный атом углерода окружен четырьмя равноудаленными атомами углерода, находящимися в углах тетраэдра; б) кристалл алмаза, построенный из тетраэдрических фрагментов

Кристаллы с ковалентными химическими связями обладают твердостью и хрупкостью Рис. 17. Твердость и хрупкость кристалла с ковалентной кристаллической решеткой

2. Кристаллы с молекулярной кристаллической решеткой Молекулярные кристаллы содержат в узлах кристаллической решетки молекулы – диполи. Диполь – совокупность двух равных по величине разноименных зарядов ( ), находящихся на некотором расстоянии (l) друг от друга. Рис. 18. Модели молекулы воды

Рис. 19. Твердость и хрупкость молекулярного кристалла

Молекулярные кристаллы льда имеют плотность меньше, чем плотность жидкой воды, поэтому при замерзании воды объем льда увеличивается. Например, 200 литровая бочка, заполненная водой не выдерживает давления льда, объем которого составляет 218 литров и бочка разрывается по шву или выдавливается дно. Рис. 20. Фрагмент кристалла льда

Рис. 21. Твердость и хрупкость ионного кристалла

Кристаллы металлов При ударе металл не раскалывается подобно льду, алмазу или кристаллу соли, а лишь изменяет форму. Электроны благодаря своей подвижности успевают в момент удара переместиться и удержать ионы в новом положении. Именно поэтому металлы ковки и пластичны, легко изгибаются без разрушения. Рис. 22. Модель кристаллической решетки металла. Твердость и пластичность (ковкость) металла

ТИПЫ КРИСТАЛЛИЧЕСКИХ РЕШЕТОК Алмаз, кварц, Все соли, оксиды металлов графит Все металлы Лед, твердый оксид углерода в г Рис. 22. Кристаллы с ионной, ковалентной и молекулярной кристаллическими решетками обладают: твердостью, хрупкостью. Кристаллы металла обладают: твердостью и ковкостью (не разрушаются, а деформируются при ударе

ЖИДКОСТИ 1. Степень раздробленности жидкостей молекулярная (например, вода), ионная (например, расплав Na. Cl), атомарная (например, жидкий аргон, Ar). 2. В жидкостях происходит хаотическое (беспорядочное) перемещением атомов, молекул, ионов. 3. В жидкостях силы электромагнитного взаимодействия (притяжения и отталкивания) удерживают микрочастицы на близких расстояниях, поэтому жидкости имеют высокую плотность и малую сжимаемость. 4. Жидкости текут, заполняют сосуд, принимая его форму.

ГАЗЫ 1. В газах расстояниями между частицами очень большое. Так 1 моль жидкой воды занимает объем 18, 7 см. куб. , а 1 моль насыщенного водяного пара при этой же температуре занимает объем 30000 см. куб. 2. Хаотическое движение частиц позволяет молекулам газа занимать весь предоставленный им объем. 3. Состояние идеального газа подчиняется уравнению: РV = n. RT где р - давление, V – объем, n [моль ] – количество вещества, R = 8. 314 [Дж/моль К] – газовая постоянная, Т [K] - температура Идеальный газ – это предельное состояние реального газа при бесконечно малом давлении. Такие газы, как азот, кислород, гелий, неон, аргон, криптон, ксенон по своим свойствам приближаются к идеальным газам

Вопросы для проверки знаний 1. Приведите конкретный примеры химических соединений, которые представляют собой макросистемы. 2. В чем различие между: а) металлической и ионной кристаллическими решетками; б) ковалентной и молекулярной кристаллическими решетками? 3. В чем различие и сходство межмолекулярных взаимодействий в жидкой воде и кристаллах льда? 4. В чем различие и сходство межмолекулярных взаимодействий в жидкой воде и в парах воды?

Упражнения 1. Какое положение при сдвиге слоев ионной кристаллической решетки они должны занять, чтобы произошло растрескивание кристалла? 2. Какое положение при сдвиге слоев молекулярной кристаллической решетки они должны занять, чтобы произошло растрескивание кристалла? 3. Сопоставим ли сдвиг слоев ковалентной кристаллической решетки с длиной химической связи или для этого требуется значительно большее смещение слоев, чтобы кристалл раскололся? 4. Известно, что только металлическая кристаллическая решетка обладает пластичностью (ковкостью). При ударе металл деформируется, но не раскалывается в отличие от кристаллов других типов. Обоснуйте указанный факт. 5. Усилие, прикладываемое к тормозной педали автомобиля, передается на тормозные колодки колес посредством жидкости, перемещающейся по трубопроводу. Обоснуйте указанное техническое решение с позиций межмолекулярного взаимодействия.