Материал: Строение вещества. учебное пособие. Корнеева В.В., Корнеева А.Н

В. В. КОРНЕЕВА, А. Н. КОРНЕЕВА, В. А. НЕБОЛЬСИН

Строение вещества

Учебное пособие

Воронеж 2019

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Воронежский государственный технический университет»

В. В. Корнеева, А. Н. Корнеева, В. А. Небольсин

СТРОЕНИЕ ВЕЩЕСТВА

Учебное пособие

Воронеж 2019

1

УДК 541.135.2(075.8)

ББК 224.1я7

К935

Рецензенты:

кафедра химии Воронежского государственного лесотехнического университета имени Г. Ф. Морозова (зав. кафедрой, д-р хим. наук, проф., Л. И. Бельчинская);

О. В. Стогней д-р физ.-мат. наук, проф. кафедры физики твердого тела ВГТУ

Корнеева, В. В.

Строение вещества: учебное пособие / В. В. Корнеева, А. Н. КорК935 неева, В. А. Небольсин; ФГБОУ ВО «Воронежский государственный

технический университет». – Воронеж: Изд-во ВГТУ, 2019. – 86 с.

ISBN 978-5-7731-0745-3

Учебное пособие имеет теоретическое введение к разделам: строение атома, периодическая система элементов, химическая связь, окислительновосстановительные процессы, после которых даны вопросы для текущего контроля знаний.

Предназначено для студентов направлений 11.03.01, 11.03.04, 12.03.04,

13.03.02, 14.03.01, 16.03.01, 21.03.01, 22.03.01, 22.03.02, 27.03.01, 27.03.02,

28.03.01, специальности 11.05.01 очной и заочной форм обучения.

Ил. 23. Табл. 3. Библиогр.: 6 назв.

УДК 541.135.2(075.8) ББК 224.1я7

Печатается по решению учебно-методического совета Воронежского государственного технического университета

2

Предисловие

Фундаментом химии и всей системы химических знаний являются строение атома и периодический закон, химическая связь и теория химического строения, поэтому предлагаемое пособие включает эти разделы, а также представления о комплексных соединениях и окислительно-восстановительных реакциях. Учитывая, что в учебных планах значительная часть учебных часов отводится на самостоятельную работу, данную разработку можно использовать для проверки глубины понимания этих разделов студентами с помощью открытых и закрытых тестов, т. е. проводить текущий контроль знаний студентов.

Строение атома

Первые представления об атоме были введены еще в 5-4 веке до н. э. греческими философами Левкиппом и Демокритом. Древние философы считали атом мельчайшим кирпичиком, из которых построена материя. Вновь к понятию атома, как мельчайшей частице вещества, вернулись в 18 веке, когда в химии начали развиваться количественные исследования вещества. На этом этапе понятие атома было введено английским химиком Дальтоном. Развитие химии привело к тому, что возникли представления о других, более мелких, чем атом, частиц материи. Доказательством этого явились процессы, протекающие при электролизе (законы Фарадея); открытие катодных лучей (поток электронов) и, наконец, открытие естественной радиоактивности Беккерелем в 1896 году. Эти научные открытия подтвердили сложное строение атомов. На основании опытов по облучению металлической фольги потоком электронов двое ученых с одинаковой фамилией У. Томсон и Дж. Томсон (1904 г.) предложили первую модель атома, согласно которой положительный заряд распределён равномерно по всему объёму атома, а нейтрализуется он электронами, «плавающими в этом море положительного электричества», т.е. атом – это сгусток положительного электричества, в котором более или менее равномерно распределены электроны (пудинг с изюмом). Последующие исследования опровергли эту точку зрения.

Основную роль в создании модели строения атома сыграли опыты Эрнеста Резерфорда. Э. Резерфорд провел эксперимент по облучению тонкой фольги металла Au потоком α-частиц (положительные частицы ядра He). При этом большинство частиц проходило через фольгу, не изменяя направления, хотя толщина металлической фольги соответствовала сотням тысяч атомных диаметров. Но некоторая доля α-частиц отклонялась на небольшие углы, а изредка α-частицы резко изменяли направление своего движения и даже отбрасывались назад, как бы натолкнувшись на массивное препятствие. Это означает, что в атоме есть тяжелое ядро, в котором сосредоточена преобладающая часть всей

3

массы атома. Это ядро занимает очень маленький объем – именно поэтому α- частицы так редко с ним сталкиваются – и должны обладать положительным зарядом, который и вызывает отталкивание одноименно заряженных α-частиц. Обработав количественно результаты эксперимента, Э. Резерфорд в 1911 году выдвинул планетарную модель атома. Атом состоит из положительно заряженного ядра, площадь которого очень мала (10-8 площади сечения атома), но в котором сосредоточена преобладающая часть массы атом, и вращающихся вокруг него электронов. Положительный заряд ядра нейтрализуется отрицательным суммарным зарядом электронов, так что атом в целом электронейтрален. Но, в соответствии с законами классической электродинамики, электрон при вращении вокруг ядра должен создавать электромагнитное поле, в результате чего его энергия должна постоянно уменьшаться и в конечном итоге электрон должен упасть на ядро, и атом перестанет существовать. Экспериментальным подтверждением теории строения атомов служат данные о спектрах электромагнитного излучения или поглощения энергии атомами химических элементов. Если в соответствии с гипотезой Резерфорда электрон постоянно излучает энергию, то спектр излучения должен быть сплошным. Однако установлено, что все спектры поглощения и излучения энергии линейчатые. Это явилось доказательством того, что электрон может находиться не в любом, а лишь в строго определенных энергетических состояниях. В 1900 году Макс Планк выдвинул теорию о том, что лучистая энергия поглощается и испускается телами не непрерывно, а дискретно, то есть отдельными порциями – квантами (E = hυ, Е – энергия каждой порции, υ – частота излучения, h – постоянная Планка, универсальная константа, равна 6,626×10-34Дж×с).

Руководствуясь достижениями физики в области квантовой механики, датский ученый Нильс Бор (1913 год) выдвинул свою гипотезу о строении атома. В основе модели строения атома по Бору по-прежнему лежала планетарная модель Резерфорда, но Бор, основываясь на положении квантовой теории света о прерывистой, дискретной природе излучения и на линейчатом характере атомных спектров, сделал вывод, что энергия электронов в атоме не может меняться непрерывно, а изменяется скачками, то есть дискретно. Поэтому в атоме возможны не любые энергетические состояния электронов, а лишь определенные, «разрешенные» состояния. Иначе говоря, энергетические состояния электронов в атоме квантованы. Переход из одного разрешенного состояния в другое совершается скачкообразно и сопровождается испусканием или поглощением кванта электромагнитного излучения. Основные положения теории Бора выражены в двух постулатах:

1. Электрон вращается вокруг ядра не по любым, а только по некоторым определенным круговым орбитам, которые называются стационарными. Двигаясь по стационарным орбитам, электрон не излучает электромагнитной энер-

4