Растворы. Концентрация растворов. Сложность строения атома. Периодическая таблица элементов Д.И.Менделеева

                                                МИНИСТЕРСТВО СПОРТА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ

ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГООБРАЗОВАНИЯ

«ВОЛГОГРАДСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ

ФИЗИЧЕСКОЙ КУЛЬТУРЫ»

 

 

 

 

Реферат на тему:

 

«Растворы. Концентрация растворов. Сложность строения атома. Периодическая таблица элементов Д.И.Менделеева»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Волгоград 2014

Содержание:

 

 

 

1.Сложность строения атомов.

2.Квантово-механическая модель  атома водорода.

3.Периодическая система элементов  Д.И.Менделеева.

4.Химическая связь. Характеристика  химической связи.

5.Типы химической связи. Межмолекулярные  взаимодействия.

6.Растворы ,концентрация растворов. Способы выражения

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Сложность строения атомов. 
В конце XIX в. изучение электрических разрядов в газах положило конец представлению об атоме как простейшей неделимой частице элемента. 
 
Было обнаружено, что если из стеклянной трубки, в оба конца которой впаяны металлические электроды, откачать воздух до давления менее 0,01 мм рт. ст. и подвести к электродам напряжение несколько тысяч вольт, то стекло трубки начинает светиться слабым зеленоватым светом. Свечение трубки вызывается невидимыми для глаза лучами, исходящими от отрицательно заряженного электрода — катода — и получившими вследствие этого название катодные лучи. Изучение свойств этих лучей показало, что они действуют на фотографическую пластинку, вызывают свечение стекла и других материалов, способны вращать вертушку. В магнитном и электрическом полях катодные лучи отклоняются от прямолинейного направления, причём в электрическом поле — в сторону положительно заряженного электрода (рис. 1). Твёрдое тело под действием катодных лучей приобретает отрицательный электрический заряд. Всестороннее изучение свойств этих лучей показало, что катодные лучи представляют собой поток быстродвижущихся отрицательно заряженных частиц. Масса этих частиц примерно в 1840 раз меньше массы атома водорода и составляет 0,00055 а. е. м. Определение величины заряда показало, что каждая частица имеет отрицательный заряд, равный 4,8·10-10 абсолютной электростатической единицы или 1,60·10-19 Кл. Эти частицы получили название электроны. Следовательно, электроны представляют собой мельчайшие частицы, несущие отрицательный заряд. 
 
 
Рис. 2. Схема катодной трубки: К — катод, А — анод с узким отверстием в центре; Е — две металлические пластины, между которыми создано электрическое поле. 
Возникновение катодных лучей наблюдается в газоразрядных трубках с катодом, изготовленным из самых разнообразных материалов. Это свидетельствует о том, что электроны входят в состав различных атомов. 
 
Электроны излучаются из веществ (эмитируют) не только в разрядных трубках. Многие вещества испускают электроны под действием ультрафиолетовых, или рентгеновских, лучей. Щелочные металлы испускают электроны уже при воздействии на них видимого света. Испускание электронв наблюдается также при нагревании многих металлов. 
 
Если поток быстрых электронов встречает препятствие, то в результате столкновения возникает излучение, называемое рентгеновским. 
 
 
Рис. 2. Схема рентгеновской трубки. 
На рис. 2 схематически показана рентгеновская трубка. Катод К трубки при нагревании испускает электроны, которые под действием приложенного к электродам высокого напряжения с громадной скоростью устремляются к аноду А . При ударе электронов об анод и возникают рентгеновские лучи. Эти лучи не отклоняются ни в электрическом, ни в магнитном поле и представляют собой электромагнитные волны очень малой длины. Самая длинная рентгеновская волна почти в 200 раз короче самой короткой волны видимого света. 
 
Рентгеновские лучи обладают способностью ионизировать газы. Под действием рентгеновских лучей часть электронейтральных молекул газов теряет электроны, превращаясь в положительно заряженные ионы, а часть присоединяет электроны, превращаясь в отрицательно заряженные ионы. Вызываемая рентгеновскими лучами ионизация газов свидетельствует о сложности строения атомов. 
 
Способность электролитов в растворённом или расплавленном состоянии проводить электрический ток также свидетельствует об их ионизации и, следовательно, о сложности атомов. 
 
Очень важным для дальнейшего развития учения о строении атома было открытие явления радиоактивности. Французский учёный А. Беккерель обнаружил, что соединения урана являются источником излучения, которое действует на фотографическую пластинку, ионизирует воздух, проникает через непрозрачные тела. 
 
Исследования Беккереля продолжили М. Склодовская-Кюри и П. Кюри. Эти учёные открыли в урановой руде два новых элемента — радий и полоний, обладающие высокой активностью излучения. Способность к излучению была обнаружена также у тория, актиния и ряда других элементов. Это свойство получило название радиоактивность. Было доказано, что интенсивность излучения пропорциональна количеству радиоактивного элемента независимо от того, входит ли он в состав соединений или находится в виде простого вещества. Следовательно, радиоактивность является общим свойством атомов элементов. 
 
Исследование лучей радия показало, что они имеют сложный характер. В электрическом и магнитном полях пучок лучей радия расщепляется на три пучка, которые были названы a-, b- и g-лучами (рис. 3). a-Лучи в электрическом поле отклоняются от прямолинейного направления движения в сторону отрицательно заряженной пластинки. Оказалось, что они представляют собой поток положительно заряженных частиц, вылетающих из атома со скоростью около 20000 км/с. Масса каждой такой частицы равна 4 а. е. м., а положительный заряд вдвое больше заряда электрона. a-Частицы, следовательно, являются ионами гелия, несущими заряд +2. 
 
 
Рис. 3. Расщепление радиоактивного луча в электрическом поле. 
b-Лучи, подобно катодным в электрическом поле, отклоняются в направлении положительно заряженной пластинки. Было установлено, что b-лучи представляют собой поток электронов, имеющих скорость от 100000 до 300000 км/с. Как a-, так и b-лучи легко поглощаются различными материалами. 
 
g-Лучи, как и рентгеновские лучи, не изменяют своего направления ни в электрическом, ни в магнитном поле. Подобно видимому свету и рентгеновским лучам, g-лучи являются электромагнитными волнами очень малой длины. Поэтому они легко проникают через различные материалы. 
 
Обстоятельное изучение свойств радия показало, что во время радиоактивного излучения он распадается, образуя два новых элемента: гелий и радон. Происходит превращение атомов одного элемента в атомы других элементов. Таким образом, ионизация идкостей и газов и особенно явление радиоактивности убедительно доказывают, что атомы не являются неделимыми, а состоят из более простых частиц.

 

Квантово-механическая модель атома водорода.

Атом водорода состоит из двух элементарных частиц — протона и электрона. Протон в 1836 раз тяжелее электрона. Обе частицы несут единичный электрический заряд. Протон — положительный, а электрон — отрицательный.

Очевидно, что образовать устойчивую систему — атом — эти частицы могут только в относительном движении. Очевидно также, что при такой разнице в массах более подвижным будет электрон.

Простейшей моделью, объяснившей основные свойства атома водорода, была планетарная модель Резерфорда-Бора 1913 года. Она описывала атом водорода как «планетную систему» - тяжелый протон в центре (ядро атома), а вокруг него вращается легкий электрон.

Модель давала количественные предсказания, совпадающие с данными спектроскопии, но содержала ряд допущений, противоречивших классической электродинамике.

Главное противоречие заключается в том, что, двигаясь последовательно от точки к точке своей траектории по орбите, электрон постоянно изменяет направление своего движения (вектор его скорости постоянно отклоняется от прямой). Это, согласно классической электродинамике, должно приводить к излучению энергии, уменьшению радиуса орбиты и падению электрона на ядро за миллионные доли секунды.

Преодоление этого противоречия выявило принципиально новый тип движения — квантово-механическое движение, и создало стройную теорию этого движения — квантовую механику. Оказалось, что при квантово-механическом движении отсутствуют понятия траектории и орбиты. Электрон при своем движении в поле ядра НЕ перемещается в пространстве из данной точки в соседнюю, а хаотически «прыгает» из одной в другую. Область пространства вокруг ядра, в которой по законам квантовой механики движется электрон с заданной энергией, получила название орбиталь.

Иными словами орбиталь — это область квантово-механического движения электрона.

При таком движении нет и понятия ускорения, связанного с плавным движением по орбите, а потому нет и противоречия с классической электродинамикой. В квантовой же электродинамике свои законы, которые электрон выполняет строго.

Рассмотрим основные понятия и законы квантовой механики, необходимые нам для понимания химического поведения атомов.

Вероятностный характер процессов в микромире: принцип неопределенностей Гейзенберга, волна де-Бройля, волновое уравнение Э.Шредингера.

Как стало ясно после завершения формального описания квантово-механического движения в работах Бора, Гейзенберга, де-Бройля, Шредингера, Борна и многих других физиков, каждый физический объект имеет генеральную характеристику, которая определяет все его наблюдаемые физические свойства.

Эта характеристика называется волновой функцией (или пси-функцией). Зная аналитическое выражение волновой функции частицы математически можно определить ВЕРОЯТНОСТЬтого, что она находится в данной области пространства и имеет определенную энергию, импульс, магнитный момент и другие физические характеристики.

Вероятностный характер квантово-механических предсказаний как раз и является следствием того, что в квантовой механике мы имеем дело с принципиально иным, чем в классической,типом движения.

Как было сказано выше, принципиально новым в этом типе движения является не плавное перемещение частицы от точки к точке, а скачкообразное изменение её положения в пространстве.

Почему же мы не ощущаем таких скачков при движении в нашем, «классическом» мире? Оказалось, что квантово-механическое движение явственно проявляется при условии, что область движения имеет размер L меньший, чем некоторый характерный для данной частицы. Этот характерный размер носит название длины волны де-Бройля и для одиночной частицы в лабораторной системе координат может быть рассчитан по формуле:

=h/mv

Где h- постоянная Планка, равная 6,63х10-34 Дж с

m — масса частицы (для  электрона 9,1х10-31 кг)

v — скорость частицы

Для типичного электрона, входящего в состав атома, величина  оказывается порядка нанометра, т.е. примерно в 10 раз большей, чем размер атома водорода. И движение электрона в атоме должно подчиняться законам квантово-механического движения.

А для макротел, имеющих массы во многие миллиарды раз большие, чем масса электрона, и величина  оказывается меньше размеров атомного ядра. Вот почему мы и не наблюдаем в окружающем нас мире такого «скачкообразного» движения ни футбольных мячей, ни автомобилей на дорогах.

Нужно пояснить появление слова «волна» в формуле де-Бройля. Дело в том, что де-Бройль обобщил особенности движения светового кванта — фотона — на движение любых частиц, обладающих массой. А фотон — это квант электромагнитной волны.

Так возникло понятие корпускулярно-волнового дуализма. Оно означает, что описание движения частиц требует привлечения волновых представлений.

Позже Гейзенбергом было показано, что это не обязательно и квантово-механическое движение может быть описано без представления о волнах. И сегодня «матричная механика» Гейзенберга становится все более востребованной.  

Однако, математически представление Гейзенберга сложнее «волнового», и потому исторически «волновое» описание квантово-механического движения в форме уравнения Шредингера оказалось более распространенным.

Но нужно твердо помнить, что никакой «волнообразности» в квантово-механическом движении нет!

Для того, чтобы попасть из точки А в точку Б движущемуся объекту не обязательно проходить через все промежуточные точки.

Значит ли это, что объект не может попасть в области пространства, содержащие эти точки? Отнюдь нет! Для каждой области пространства определена вероятность того, что искомая частица будет обнаружена именно там.

Математически эта вероятность пропорциональна квадрату модуля значения волновой функции в данной точке ||2. То, что здесь мы столкнулись с понятием модуля волновой функции, связано с тем, что сама волновая функция, как правило, оказывается комплексной.

Формально уравнение Шредингера для энергии выглядит так:

где Ĥ — оператор Гамильтона. Это оператор полной энергии.

Операторы — это особые математические конструкции, которые являются правилами преобразования одной функции в другую. В квантовой механике операторы используются для преобразования волновой функции в функцию определенной физической величины.

Поскольку проведение количественных квантовомеханических расчетов вероятностей по известной волновой функции не входит в нашу задачу (этому вас будут учить в курсе физики), не будем детализировать алгоритма таких расчетов. Укажем только, что это несложная и однозначная математическая задача, легко автоматизируемая даже на ПК.

Но «все просто» становится только тогда, когда мы имеем аналитическое выражение для решения уравнения Шредингера:

(ŕ,t).

где ŕ — вектор пространственного положения тела, t — время.

Для частицы, свободно движущейся в пространстве с постоянным потенциалом U, решением уравнения Шредингера является:

(ŕ,t) = (ŕ)exp(-2πiUt/h)

Математические проблемы, делающие невозможным точное решение уравнения Шредингера для любых систем, более сложных, чем атом водорода, связаны с тем, что неизвестен вид функции потенциальной энергии U(ŕ,t) для таких систем.

На практике используют различные приближения для U(ŕ,t) и получают решения той или иной степени точности.

Итак, совмещая с расчетом вероятности нахождения частицы в данной области пространства расчеты результата действия операторов энергии, импульса и т.п. на её волновую функцию, мы получим полный набор тех ее параметров, которые могут быть одновременноэкспериментально определены для частицы в этой области.

Оказалось, что при квантово-механическом движении не все физические характеристики могут быть определены одновременно и точно.

Выяснилось, в частности, что при квантово-механическом движении неопределенности при одновременном определении импульса и точки его приложения, а также энергии и времени, в течение которого эта энергия фиксируется в системе, связаны так называемымисоотношениями неопределенностей Гейзинберга:

> h/2или (mVx)  > h/2

E > h/2 

Здесь дельта () именно физическая неопределенность, а не экспериментальная погрешность.

То, что это именно так, демонстрирует сравнение соотношений неопределенностей для импульса и координаты с рассмотренным нами выражением для .

Действительно, если внимательно посмотреть на выражение для , то можно увидеть — даже для макротел значительной массы мы должны наблюдать квантово-механическое «скачкообразное» движение при остановке тела. При v=0  становится бесконечно большим. И футбольный мяч из рук действительно остановившего его вратаря может самопроизвольно прыгнуть в сетку ворот.

И вообще все «стоящие» предметы должны начинать движение с квантово-механических скачков! Этого не происходит именно из-за физической неопределенности состояния покоя. Квантовая механика показала, что абсолютный покой (v=0) невозможен физически — при v=0, как видно из соотношения неопределенностей Гейзенберга, частица должна «размазаться» по всему пространству (х=).

 

Периодическая система элементов Д.И. Менделеева

Периодическая система элементов является графическим (табличным) изображением периодического закона.

Прообразом периодической системы был «Опыт системы элементов, основанный на их «атомном весе и химическом сходстве», составленный Д.И. Менделеевым 1 марта 1869 г. Это так называемый вариант длинной формы системы элементов, в нем периоды располагались одной строкой.

Короткая форма периодической системы была опубликована Д.И. Менделеевым в декабре 1870г. В этом варианте периоды разбиваются на ряды, а группы — на подгруппы (главные и побочные).

Основным недостатком короткой формы было сочетание в одной группе несходных элементов. Недостатком длинной формы — растянутость, некомпактность.

Короткий вариант периодической системы (см. таблицу) подразделяется на семь периодов — горизонтальных последовательностей элементов, расположенных по возрастанию порядкового номера, и восемь групп — вертикальных последовательностей элементов обладающих однотипной электронной конфигурацией атомов и сходными химическими свойствами.

Первые три периода называются малыми, остальные — большими. Первый период включает два элемента, второй и третий периоды — по восемь, четвертый и пятый — по восемнадцать, шестой — тридцать два, седьмой (незавершенный) — двадцать один элемент.

Каждый период (исключая первый) начинается щелочным металлом и заканчивается благородным газом.

Элементы 2 и 3 периодов называются типическими.

Малые периоды состоят из одного ряда, большие — из двух рядов: четного (верхнего) и нечетного (нижнего). В четных рядах больших периодов расположены металлы и свойства элементов слева направо изменяются слабо. В нечетных рядах больших периодов свойства элементов изменяются слева направо, как у элементов 2 и 3 периодов.