Квантово-механічна теорія будови речовини
Тема
КВАНТОВО-МЕХАНІЧНА ТЕОРІЯ БУДОВИ РЕЧОВИНИ
Квантово-механічна теорія виникла на початку ХХ ст., коли було встановлено, що атом подільний, і за елементарні частинки було прийнято електрон і ядро. Зараз вважається, що межею поділу речовини є елементарні частки: електрони, протони, нейрони і інші.
Атомами називаються найбільш прості електронейтральні системи, які складаються з елементарних частинок. Завдяки сучасним дослідженням відкрито понад 200 різних елементарних частинок. Атом хімічного елементу є носієм його хімічних властивостей. Він складається з ядра, яке включає протони і нейтрони, і електронів, що розподіляються навколо ядра. Атоми бувають стійкими і радіоактивними, які з часом перетворюються в інші атоми в результаті змін, що проходять у ядрі. Число електронів в атомі дорівнює заряду ядра. При видаленні з атома одного або декількох електронів утворюється позитивно заряджений іон, а при приєднанні до атома електрону утворюється негативно заряджений іон. Хімічний елемент – це сукупність атомів з одинаковим зарядом ядра. Порядковий номер елементу в Періодичниій системі дорівнює заряду ядра атома елементу.
Розміри та маси атомів
Число Авогадро NA показує число молекул в 1 моль будь-якої індивідуальної речовини і не залежить від природи речовини і її агрегатного стану. NA = 6,02296 · 1023 молекул в 1 моль речовини:
NA = = 6,02296 · 1023 часток
Якщо два атоми, що утворюють молекулу, одинакові (наприклад, Н2, Сl), то половину міжатомної віддалі, на якій вони знаходяться в молекулі, приймають за радіус атома. Для наближеної оцінки радіуса атома можна скористатись питомою вагою простих речовин. Нехай, наприклад, потрібно визначити радіус атома міді. Металева мідь має густину рівну 8,9 г/см3, атомна маса міді рівна 63,5 г/моль. Тоді можна визначити число атомів міді в 1 см3:
NCu = · 6,022 · 1023 = 0,85 · 1023
Об’єм, що припадає на один атом міді, рівний оберненому значенню цієї величини:
= ≈10–23
Приймаючи, що цей об’єм відповідає кулі радіусом r, знаходимо:
pr3 = 10–23;
r3 = = 0,239 · 1023; 1,3 · 10–8 см
В дійсності радіус атома міді визначений точними методами (рентгеноструктурний аналіз) рівний 1,28 · 10–8 см. Це свідчить про те, що розміри атомів мають порядок ~10–8 см (1Å). В теперішній час в атомній фізиці користуються нанометром (1 нм = 10–9 м = 10Å).
Якщо атом, взаємодіючи з іншими атомами, втрачає або приєднує електрони, то його радіус відповідно може зменшуватись або зростати.
Для розрахунку середньої маси атомів або молекул в грамах необхідно масу 1 моля атомів даного елемента, або молярну масу речовини поділити на число Авогадро. Наприклад, для визначення маси молекули азоту (N2) маємо: 28,0134 : 6,02 · 1023 = 4,653 · 10–23 г; маса молекули (атома) гелію (Не): 4,0023 : 6,02 · 1023 = 4,649 · 10–24 г; маса атома хлору (Сl): 35,453 : 6,02 · 1023 = 5,889 · 10–23 г.
Молярну масу газоподібної речовини можна визначити за відносною густиною газу (D) – безрозмірна величина, яка показує, у скільки разів густина газу більша або менша густини стандартного газу при тих же умовах і в тому ж об’ємі. Молярна маса газу рівна його густині по відношенню до іншого газу помноженому на молярну масу другого (стандартного) газу. Наприклад:
М = · = · 2,016
Молярну масу газоподібної речовини можна визначити виходячи з молярного об’єму газу (22,414 л/моль), знаючи масу і об’єм газу при н.у:
М =
Якщо відома молекулярна маса простих газоподібних речовин (Н2, Cl2, O2, N2), то враховуючи двохатомний склад їх молекул можна безпосередньо визначити атомну масу хімічних елементів:
Аr = Mr.
Атомну масу елементів можна визначити кількома методами:
1. За правилом П. Дюлонге і А. Пилс (1819 р.). Добуток атомної маси на питому теплоємність простих речовин у твердому стані приблизно рівний 26 Дж/моль·К.
2. Метод Каніцаро (1865 р.). Спочатку по густині пару (газу) визначали молекулярні маси можливо більшої кількості газоподібних або летких сполук даного елемента. Потім за результатами їх аналізу визначають, скільки одиниць маси припадає на долю цього елемента в молекулярній масі кожної із взятих сполук. Найменше з одержаних чисел приймали за атомну масу. Наприклад: візьмемо чотири газоподібні речовини з вмістом карбону:
СН4, С2Н6, С3Н8, СО.
1. Визначимо молярні маси газів: 16 30 44 28.
2. Визначимо масову густину карбону у молекулах газоподібних речовин (%): 78 80 81,82 42,86.
3. Визначимо масу карбону в усіх сполуках: 12 24 36 12.
4. Найменше значення маси елементу приймаємо за атомну масу
|
№ п/п |
Формула сполуки |
М, г/моль |
ω (с), % |
m (c) |
|
1. |
CH4 |
16 |
75 |
12 |
|
2. |
C2H6 |
30 |
80 |
24 |
|
3. |
C3H8 |
44 |
81,82 |
36 |
|
4. |
CO |
28 |
42,86 |
12 |
3. Використання явища ізоморфізма. Ізоморфізм – це явище існування різних речовин з одинаковою кристалічною структурою. Е. Митгерлих (1819 р.) запропонував правило ізоморфізма: речовини, що утворюють ізоморфні кристали, мають близькі хімічні формули (наприклад, MnCO3 і СаСО3).
4. По місцю елемента в періодичній системі Д. Т. Менделеєва.
5. Метод мас-спектрометрії. Іонізовані атоми і молекули речовин розділяють в електричних і магнітних полях по відношенню заряда іону до його маси (ne/M) і роздільно регіструють. На фотопластинці одержують зображення мас-спектра, в якому кожній плямі, що утворюється при ударі іона, відповідає певне значення ne/M. Положення плям на плівці дозволяє судити про масу іонів (атомів).
Атомну масу елементів при наявності ізотопів вираховують як середнє значення атомних мас їх окремих ізотопів. Наприклад, хлор складається з двох ізотопів, маси атомів яких відповідно рівні 34, 940; 36, 961 і вміст кожного із них (масові частки, %) 75, 53 та 24, 47. Тоді:
Мr(Сl) = = 35,453
Будова атома
До кінця ХІХ ст. атом вважали неподільним. Але завдяки дослідженням цілого ряду вчених було встановлено, що атом подільний і є складною системою. Найважливішими з цих досліджень стали відкриття катодного випромінювання та радіоактивності.
Катодне випромінювання утворюється у вакуумованій скляній трубці, в яку впаяні два електроди – катод і анод. При підключенні катоду і аноду до джерела струму високої напруги катод випускає невидиме для ока проміння, яке викликає люмінесценцію (світіння) розрідженого газу. В зовнішньому електричному полі це проміння відхиляється в бік позитивного полюсу, що показувало, що це проміння є потоком негативно заряджених часток (В. Крус, 1880 р.).
Радіоактивність відкрита А. Бекерелем у 1896 році. Вивчаючи фосфоризацію він помітив, що сіль K2ClO2(SO4)2 · 2H2O діє на фотопластинку без попереднього освітлення. У 1898 р. М. Складовська-Кюрі та її чоловік П. Кюрі виявили в урановій руді ще два елементи, що діють на фотоплівку – полоній (Польша) і радій (промінь).
Здатність деяких елементів випромінювати невидиме для ока проміння, яке спричиняє почорніння фотоплівок, проходить через речовини, іонізує повітря називається радіоактивністю, а відповідні елементи радіоактивними – це самовільний розпад атомів радіоактивних елементів. У 1899 р. Е. Резерфорд встановив, що воно неоднорідне. Під дією магнітного поля радіоактивне випромінювання розщеплюється на три пучки: α – позитивно заряджені частки значної маси (у 1902 р. Резерфорд встановив: α → – ядро Не); β – негативно заряджені частки молекулярної маси (); γ – не несе заряду і не відхиляється в магнітному полі.
Заряд і маса електрону
Термін ”електрон” був введений в науку в 1891 р. Стопеєм. Він означав одиничний заряд, що входить до складу атома. Заряд електрона можна визначити на основі закону Фарадея (електроліз): один моль іонів (6,02 · 1023) часток при пропусканні елетричного струму через розчин переносить електричний заряд рівний числу Фарадея (F): F = 96485 кул. Тоді:
= 1,602 · 10–19 кул
Для визначення маси електрону використовують експериментально встановлену величину – відношення заряду електрона до його маси: е/me = 5,273 · 1017 ел.ст.од/г; е = 4,77 · 10 ел.ст.од; тоді:
me = 0,9109 · 10–27 г
Якщо порівняти масу електрону з масою найлегшого елементу гідрогену
me/ mн =
то виявляється, що вона ≈1840 раз менша. Тому можна сказати, що маса атома сконцентрована в його ядрі.
У 1886 році М. Гольдштейн відкрив додатньо заряджені частки, у яких заряд був рівний заряду електрона, але протилежний за знаком, а маса часток співпадала з масою атома водню. Ці частки були названі протонами.
Рентгенівське випромінювання. Закон Мозлі. 1895 р.
В. К. Рентген відкрив рентгенівське випромінювання. Рентгенівське випромінювання виникає внаслідок зіткнення електронів з атомами металевої пластинки. Вивчення природи рентгенівського проміння показало, що воно відхиляється в магнітному і електричному полях і є електромагнітним випромінюванням з малою довжиною хвиль (0,06–20 Å), від катоду до аноду в рентгенівській трубці = 104 – 105 км/сек.
