ПЗ и ПС Д.И. Менделеева в свете квантово-механической теории строения атома. Современные представления о природе химической связи и строении молекул.

1. Современная модель строения атома. 2. Характеристика энергии электрона и пространственное распределение вероятности его нахождения в атоме системой квантовых чисел. 3. Электронные конфигурации атомов. 4. ПЗ Д.И. Менделеева. 5. Теории химической связи ( МВС и ММО).

- Вещество можно делить лишь до тех пор, пока не будут получены его наименьшие частицы. - Так утверждал греческий философ Демокрит за 400 лет до н.э. Он назвал эти частицы атомами (неделимый). - До каких пор можно делить порцию вещества?

В 1808 г. английский химик Дальтон сформулировал атомистическую теорию. «Все вещества состоят из атомов, мельчайших неделимых частиц, которые не могут быть ни созданы, ни уничтожены». ~1900 г Фотоэфект - испускание электронов металлами и полупроводниками при их освещении. (Столетов А.Г г.) Радиоактивность – самопроизвольный распад атомов, сопровождающийся испусканием различных частиц. (А. Беккерель, 1896 г.)

Как устроен атом? 1911 г. Э. Резерфорд Подобную модель называют ядерной или планетарной. Ядро (1, кг) Электрон ( в 1867 раз легче ядра, v = 10 8 м/с)

В 1913 г Нильс Бор (Дания) предположил, что электрон движется не по любым, а лишь по строго определённым («разрешённым»,«стационарным») орбитам, при этом не излучая и не поглощая энергии. Излучение происходит при перескоке с одной стационарной орбиты на другую порциями - квантами.

В 1924 г французский учёный Луи де Бройль высказал предположение о двойственной природе материальных частиц, в частности электрона. В 1926 г Э. Шредингер теорию движения микрочастиц – квантовая (волновую) механику создание современной квантово- механической модели строения атома. Эта модель не наглядная ! ( очень условное изображение) λ=10 -8 см

1. Электрон в атоме можно рассматривать как частицу, которая при движении проявляет волновые свойства. Т.е. нельзя описать движение электрона в атоме определенной траекторией (орбитой). 2. Электрон в атоме может находиться в любой точке пространства вокруг ядра, однако вероятность его пребывания в разных местах атомного пространства различна.

…электронным облаком. … атомной орбиталью (АО) (или электронной плотностью). Термин "орбита" (из модели Бора) в волновой модели теперь полностью уступил место термину "орбиталь". Орбиталь имеет чисто вероятностный смысл и её просят не путать с орбитой, т.е. траекторией движения электрона. «Неужели действительно были такие идиоты, которые думали, что электрон вращается по орбите?» Н. Бор

Э. Шредингер рассматривая волновое поведение движущегося электрона в атоме применил математический аппарат, описывающий движение волны в трехмерном пространстве - уравнение Шредингера. Решение этого уравнения, т.е. математическое описание орбитали (указание трех пространственных координат), возможно лишь при определенных значениях набора трех целых чисел n, l, m l, которые называют квантовыми. Комбинация чисел n, l, и m l не одна, поэтому и решений уравнения Шредингера тоже несколько. Т.о, квантовые числа n, l, и m l (точнее их приемлемые комбинации) определяют геометрические особенности электронной плотности (АО).

Уравнение Шредингера Очень сложный математический аппарат!

Важным следствием теории квантовой механики является то, что вся совокупность сложных движений электрона в атоме описывается четырьмя квантовыми числами. Характеристика энергии электрона и пространственное распределение вероятности нахождения его в атоме системой квантовых чисел.

Главное квантовое число n – определяет… Принимает целочисленные значения от 1 до. Чем n, тем энергией обладает электрон, и тем слабее он связан с ядром….. n Обозначение энергетического слоя KLMNOPQ … можно говорить о существовании в атоме энергетических уровней (электронных слоев или оболочек), отвечающих определенным значениям главного квантового числа - n. Характеризует..

Число подуровней, на которые расщепляется энергетический уровень равно номеру уровня. Например, nl Обозначение подуровня 10 (одно значение)1s1s 20;1 (два)2s; 2 р 30;1;2 (три)3s; 3 р; 3d Т.о., энергетический подуровень – это совокупность электронных состояний, характеризующихся определенным набором квантовых чисел n и l.

Магнитное квантовое число m l – определяет… Оно принимает все целочисленные значения от – l до + l. Например, при l =0 m l = 0; при l =1 m l = -1; 0 ; +1; при l =2 m l = -2; -1; 0 ; +1; +2 ; Любому значению l соответствует (2l+1) возможных расположений электронного облака данного типа в пространстве. Характеризует..

Следовательно, можно сказать, что число значений m l указывает на число орбиталей с данным значением l. s-состоянию соответствует одна орбиталь, p-состоянию – три, d-состоянию – пять, f-состоянию – семь и т.д. Число орбиталей на подуровне равно (2l+1), а общее число орбиталей на энергетическом уровне равно n 2. Все орбитали, принадлежащие одному подуровню данного энергетического уровня, имеют одинаковую энергию в отсутствии магнитного поля (вырожденные).

Состояние электрона в атоме, характеризующееся определенными значениями чисел n, l,m l называется атомной орбиталью.

Общая характеристика состояния электрона в многоэлектронном атоме определяется принципом Паули: в атоме не может быть двух электронов, у которых все четыре квантовых числа были бы одинаковыми. На одной орбитали могут находиться не более двух электронов, отличающихся друг от друга спинами. Максимальная емкость энергетического подуровня – 2(2+l ) электронов, а уровня – 2n 2.

Электронные конфигурации атомов Это … - Принцип min энергии Этот принцип подтверждается двумя правилами Клечковского: 1. С ростом атомного номера элемента электронов размещаются последовательно на орбиталях, характеризуемых возрастанием суммы главного и орбитального квантовых чисел - (n+l). 2. При одинаковых значениях этой суммы раньше заполняется орбиталь с меньшим значением n

Может быть заполнение электронами энергетических уровней и подуровней идет в следующем порядке: …3s 3p 3d 4s 4p… (3+0) (3+1) (3+2)(4+0)(4+1) применяем второе правило К. …3s 3p 4s 3d 4p… Увеличение Е

Последовательность заполнения электронами уровней и подуровней: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 10 4p 6 5s 2 4d 10 5p 6 6s 2 5d 1 4f 14 5d p 6 7s 2 6d 1 5f 14 6d p 6 … Не вдаваясь в детали: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 10 4p 6 5s 2 4d 10 5p 6 6s 2 4f 14 5d 10 6p 6 7s 2 5f 14 6d 10 7p 6 …

«Проскок» электрона» Установлено, что у d-орбиталей особо устойчивыми конфигурациями являются d 5 и d 10, а у f-орбиталей f 7 и f 14. Всвязи с этим в основном состоянии атома наблюдается проскок электрона с ns-подуровня на (n-1)d-подуровень: Сr : ….3d 4 4s 2 – неправильно Сr : ….3d 5 4s 1 – правильно

Периодический закон Д.И. Менделеева. Открыт в 1869 г. великим русским ученым Д.М. Менделеевым. Свойства элементов и свойства образуемых ими простых и сложных соединений стоят в периодической зависимости от их атомного веса. Это определение немного ошибочно. Современная формулировка ПЗ гласит: Свойства химических элементов, а также формы и свойства их соединений находятся в периодической зависимости от величины заряда атомных ядер в результате периодического повторения электронных конфигураций внешнего энергетического уровня.

Периодом в ПС называется -… …от ns 1 до ns 2 p 6 (кроме первого периода). Элементы –аналоги, т.е. расположенные в одной подгруппе ПС, имеют одинаковое строение внешних электронных оболочек атомов при различных значениях n и поэтому проявляют сходные химические свойства.

Периодически меняющиеся свойства атомов 1. Атомные и ионные радиусы 2. Энергия ионизации 3. Сродство к электрону 4. Электроотрицательность

2. Энергия ионизации (Е ион ) [к Дж/моль] или [эВ/атом] (1 эВ/атом= 100 к Дж/моль. ) – это … Характер изменения в периодах одинаков:

Энергии ионизации атомов элементов 2- го и 3-го периодов Увеличивается немонотонно уменьшение

Анализ изменения ПИ позволяет сделать некоторые выводы: 1. В периодах ПИ, что вызвано сжатием электронной оболочки вследствие увеличения эф. заряда ядра. 2. Неравномерность в изменении ПИ ….. …ПИ (В 2s 2 2p 1 ) < ПИ (Ве 2s 2 ) и ПИ (О 2s 2 2p 4 ) < ПИ (N 2s 2 2p 3 ) 3. Атомы щелочных Ме (ns 1 ) имеют самые низкие ПИ 4. Атомы благородных газов (ns 2 np 6 ) имеют max ПИ

2. Сродство к электрону (Е ср. ) [к Дж/моль] или [эВ/атом] - это … Характер изменения в периодах одинаков:

Сродство к электрону атомов элементов 2-го и 3-го периодов

Анализ изменения СЭ позволяет сделать некоторые выводы: 1. Min (отрицательное) СЭ наблюдается у атомов, имеющих завершенные ns 2 и ns 2 np 6 подуровни. 2. Незначительно СЭ у атомов с конфигурацией np 3 (устойчивый наполовину заполненный подуровень) 3. Мах СЭ обладают атомы 7(А) группы – ns 2 np 5

3. Электроотрицательность ( ) [к Дж/моль] или [эВ/атом] – характеризует … χ Li = ½ (500+60) = 280 к Дж/моль χ F = ½ ( ) = 1005 к Дж/моль По Полингу χ Li условно принята за 1, тогда χ F = 1005 /280 = 3,6. Т.о. получается безразмерная величина - относительная электроотрицательность (ОЭО).

увеличение уменьшение ОЭО элементов по Л.Полингу Группа Пер иод IаIIаIIIаIVаVаVIаVIIаVIIIа 1(H) H 2,1 He 2 Li 1,0 Be 1,6 B 2,1 С 2,6 N 3,0 O 3,4 F 4,0 Ne 3 Na 0,9 Mg 1,3 Al 1,6 Si 1,9 P 2,2 S 2,6 Cl 3,0 Ar 4 K 0,8 Ca 1,0 Ga 1,8 Ge 2,0 As 2,2 Se 2,4 Br 2,8 Kr 5 Rb 0,8 Sr 1,0 In 1,8 Sn 2,0 Sb 2,1 Te 2,1 I 2,5 Xe