6. Диссоциация воды, константа диссоциации, pH, ионное произведение воды.
Ответ. Вода - слабый электролит - диссоциирует, образуя ионы H+ и OH-. Эти ионы гидратированы, то есть, соединены с несколькими молекулами воды, но для простоты мы записывали их в негидратированной форме H2O = H+ + OH−. Запишем выражение для константы равновесия, опираясь на закон действия масс: K = [H+]·[OH—]/[H2O]. Концентрацию воды, принято исключать из данного выражения, вследствие ее практически постоянного значения в разбавленных растворах. Получаем новую константу равновесия KН2О, которая называется ионным произведением воды: KН2О = [H+]·[OH—]. При температуре 25ºС KН2О = 1·10-14 и остается постоянным в водных растворах кислот, щелочей, солей или других соединений. KН2О = [H+]·[OH—] = 1·10-14. При повышении температуры ионное произведение воды сильно возрастает. Полученное выражение применимо не только к чистой воде, но и к растворам. Если осуществляется условие [H+] = [OH—], то раствор называется нейтральным, но обычно эти величины не совпадают, тогда при увеличении одного показателя, другой должен уменьшаться, так, чтобы их произведение оставалось постоянным (1·10-14). Кислотно-основные свойства растворов определяются величиной концентрации ионов водорода или гидроксила. Мы уже знаем, что ионное произведение воды при определенной температуре постоянно, а [H+] и [OH—] — переменные, то по их величинам можно говорить о кислотности или щелочности раствора. При нейтральном характере раствора, т.е. [H+] = [OH—], получаем следующее: [H+] = [OH—] = (KН2О)1/2 = (1·10-14)*1/2 = 10-7 М Соотношение между количеством ионов [H+] и [OH-] определяет характер среды: [H+] =10-7= [OH-] - нейтральная среда. [H+] >10-7> [OH-] - кислая среда. [H+] <10-7< [OH-] - щелочная среда. Водородный показатель рН - это отрицательный десятичный логарифм концентрации ионов водорода рН = - lg[H+]. Аналогично рOН = - lg[OH-]. Логарифмируя ионное произведение воды, получаем pH + pOH = 14. Примеры. Если [H+] = 10-2M, то рН = 2, а [ОH-]= 10-12M. Если [ОH-] = 10-4M, то [H+]= 10-10M, а рН = 10. Если рН = 8, то [H+]= 10-8M, а [ОH-] = 10-6M Если рОН = 5, то рН = 9, а [H+]= 10-9M.
7. Развитие учения о строении атома (Модель Томсона, опыты Резерфорда, постулаты Бора), квантово- механическая теория.
Ответ. В 1897 г. английским физиком Дж. Томсоном были открыты электроны. Он изучал катодные лучи, возникающие при электрическом разряде в сильно разреженных газах. Изучение свойств этих лучей привело к заключению, что они представляют собой поток мельчайших частиц, несущих отрицательный электрический заряд и летящих со скоростью, близкой к скорости света, т.е. поток электронов. Атом, по Томсону, состоит из электронов, помещённых в положительно заряженный «суп», компенсирующий электрически отрицательные заряды электронов, образно — подобно отрицательно заряженным «изюминкам» в положительно заряженном «пудинге». Электроны, как предполагалось, были распределены по объёму всего атома. Согласно этой модели, электроны могли свободно вращаться в такой положительно заряженной субстанции. Их орбиты удерживались внутри атома тем, что при удалении электрона от центра положительно заряженного облака, он испытывает увеличение силы притяжения к центру облака, возвращающей его обратно. Положительных частиц эта молекула не предполагала и невозможно было объяснить испускание положительно заряженных альфа-частиц радиоактивными веществами. В 1911 г. английским физиком Э. Резерфордом при исследовании движения альфа-частиц в газах и других веществах была обнаружена положительно заряженная часть атома. Резерфорд предложил применить зондирование атома с помощью α-частиц – это полностью ионизированные атомы гелия. Они были открыты Резерфордом в 1899 году при изучении явления радиоактивности. Этими частицами Резерфорд бомбардировал атомы тяжелых элементов (золото, серебро, медь и др.). Электроны, входящие в состав атомов, вследствие малой массы не могут заметно изменить траекторию α-частицы. Рассеяние, то есть изменение направления движения α-частиц, может вызвать только тяжелая положительно заряженная часть атома. От радиоактивного источника, заключенного в свинцовый контейнер, α-частицы направлялись на тонкую металлическую фольгу. Рассеянные частицы попадали на экран, покрытый слоем кристаллов сульфида цинка, способных светиться под ударами быстрых заряженных частиц. Сцинтилляции (вспышки) на экране наблюдались глазом с помощью микроскопа. Наблюдения рассеянных α-частиц в опыте Резерфорда можно было проводить под различными углами φ к первоначальному направлению пучка. Было обнаружено, что большинство α-частиц проходит через тонкий слой металла, практически не испытывая отклонения. Однако небольшая часть частиц отклоняется на значительные углы, превышающие 30°. Очень редкие α-частицы (приблизительно одна на десять тысяч) испытывали отклонение на углы, близкие к 180°. При таком распределении положительный заряд не может создать сильное электрическое поле, способное отбросить α-частицы назад. Электрическое поле однородного заряженного шара максимально на его поверхности и убывает до нуля по мере приближения к центру шара. Если бы радиус шара, в котором сосредоточен весь положительный заряд атома, уменьшился в n раз, то максимальная сила отталкивания, действующая на α-частицу, по закону Кулона возросла бы в n2 раз. Следовательно, при достаточно большом значении n α-частицы могли бы испытать рассеяние на большие углы вплоть до 180°. Эти соображения привели Резерфорда к выводу, что атом почти пустой, и весь его положительный заряд сосредоточен в малом объеме. Эту часть атома Резерфорд назвал атомным ядром. Так возникла ядерная модель атома: В центре атома находится положительно заряженное ядро, вокруг которого по разным орбитам вращаются электроны. Возникающая при их вращении центробежная сила уравновешивается притяжением между ядром и электронами, вследствие чего они остаются на определенных расстояниях от ядра. Поскольку масса электрона ничтожна мала, то почти вся масса атома сосредоточена в его ядре. На долю ядра и электронов, число которых сравнительно невелико, приходится лишь ничтожная часть всего пространства, занятого атомной системой. Нильс Бор в 1913 г. предложил квантовую модель атома, в основе которой лежат следующие постулаты. I постулат Бора (постулат стационарных состояний): электрон в атоме может находиться только в особых (квантовых) состояниях, каждому из которых соответствует определенная энергия. Когда электрон находится в стационарном состоянии, вращаясь по орбите, он не излучает. Стационарные состояния можно пронумеровать, причем каждое состояние обладает своей фиксированной энергией. II постулат Бора (правило частот): при переходе атома из одного стационарного состояния в другое испускается или поглощается квант электромагнитного излучения, энергия которого равна разности энергий электрона в данных состояниях. Если Еk>Еn, то происходит излучение энергии, если Еk<Еn - ее поглощение. Состояние атома, которому соответствует наименьшая энергия, называется основным, а состояния с большей энергией - возбужденными. В основном состоянии электрон может находиться неограниченно долго, а в остальных состояниях не более 10-8 с. II постулат Бора позволил объяснить линейчатую структуру атомных спектров. III постулат Бора (правило квантования орбит): стационарные электронные орбиты находятся из условия
Квантово-механическая модель строения атома - в основу положена квантовая теория атома, согласно которой электрон обладает как свойствами частицы, так и свойствами волны. Другими словами, о местоположении электрона в определенной точке можно судить не точно, а с определенной долей вероятности. Согласно квантово-механической теории, электроны в процессе своего движения в атоме формируют электронное облако - модель состояния электрона в атоме. Вращающийся вокруг ядра электрон, движется в определенной области пространства, являющейся наиболее энергетически выгодной - такая область называется орбиталью. Энергетическое состояние электрона в атоме описывают квантовыми числами n, l, ml, ms: Главное n - энергетический уровень орбитали (размер электронного облака) (положительные целые числа: 1, 2, 3..). Орбитальное l - энергетический подуровень орбитали (форма электронного облака) (целые числа от 0 до n-1). Магнитное m - ориентация электронного облака в пространстве (целые числа от -l до +l). Спиновое ms - спин электрона (способ движения электрона вокруг своей оси) (+½ и -½).