1. Материя, вещество, поле. Предмет изучения химии.

Весь окружающий нас многообразный мир, все существующее — это материя, которая проявляется в двух формах: Вещества и поля. Вещество (атомы, молекулы, сплавы, горные породы) Это такая форма существования материи, которая состоит из частиц различной степени сложности и обладает разными свойствами, и основной характеристикой является масса покоя. Поле (биополе электрическое поле, магнитное поле, гравитационные поля). Поле характеризуется наличием совокупности частиц и служит для передачи взаимодействия между ними. Характеристика — энергия. Материя находится в непрерывном движении. Формы движения: механическая, физическая, химическая, биологическая (жизнь) и др.

Химическая форма — это такая форма движения материи, когда путем перегруппировки, разъединения и соединения атомов и молекул, из одних веществ получаются новые вещества с новыми свойствами.

Предмет изучения химии.

Химия — это наука, которая изучает строение, свойства и взаимодействие веществ, с целью получения новых веществ заданными свойствами, а также изучает особенности физико-химических процессов с целью применения физико-химических методов обработки металлов.

2. Роль и значение химии в технологии машиностроения, авиастроения, приборостроения, полупроводниковой технике.

Велико значение науки о веществе в технике, развитие которой немыслимо без понимания процессов превращения веществ. Глубокое понимание законов химии и их применение позволяют как совершенствовать существующие, так и создавать новые процессы, машины, установки и приборы. Химические реакции широко используются во многих производственных процессах. Они (например, процессы окисления, коррозии и др.) протекают при работе установок, машин и приборов. Использование химических реакций в ряде производственных процессов позволяет резко повышать производительность труда и качество продукции, получать новые материалы. Для развития новой техники необходимы материалы с особыми свойствами, которых нет в природе: сверхчистые, сверхтвердые, сверхпроводящие, жаростойкие и т.п. Такие материалы поставляет современная химическая промышленность, поэтому можно понять важность химии для любой специальности. В электротехнической промышленности, например, более 80% продукции выпускается с применением полимерных материалов.

3. С троение атома.

Двойственная природа электрона, понятие об электронной орбитали.

Э лектрон — это микрочастица, масса ее очень мала, значит, велика скорость, двигаясь вокруг ядра. (2 вероятности электронов вокруг ядра).

Орбиталь — это область вокруг ядра, где нахождение электрона более вероятно. Таким образом, электрон обладает двойственной природой, т.е. Одновременно обладает и свойствами вещества и свойствами поля. Двойственная природа математически описывается уравнением Шредингера:

Поле обладает волновой природой.

В ещество↔ поле

m – масса электрона,

h – постоянная Планка

U – потенциальная энергия электрона

При решении уравнений Шредингера появляются некоторые константы, которые называются квантовыми числами. Все они в той или иной степени отражают идею о квантовании энергии электрона.

Волновая функция.

Поскольку движение электрона имеет волновой характер, квантовая механика описывает его движение в атоме при помощи волновой функции . В разных точках атомного пространства эта функция принимает разные значения. Математически это записывается равенством , где x,y,z – координаты точки. Физический смысл волновой функции: ее квадрат характеризует вероятность нахождения электрона в данной точке атомного пространства. Величина представляет собой вероятность обнаружения рассматриваемой частицы в элементе объема .

Э нергетические характеристики электрона (квантовые числа: главное, орбитальное, магнитное, спиновое).

Для характеристики поведения электрона в атоме введены квантовые числа: главное, орбитальное, магнитное и спиновое;

n — главное квантовое число, это число, которое выражает идею о квантовании энергии электронов. Это свойство главное.(рис)

Т еория Бора: электрон может иметь только определенное значение E: E₁, E₂,E₃ и т. д. n- номер энергетического уровня. Т.О. Главное квантовое число определяет энергию и размеры электронных орбиталей. Главное квантовое число принимает значения 1,2,3,4,5,... и характеризует оболочку или энергетический уровень. Чем больше n, тем выше энергия.

l_n – орбитальное квантовое число.

l_{n =} 0, 1,2,3...n-1

l_n определяет форму атомной орбитали. Электронные оболочки расщеплены на подоболочки, поэтому орбитальное квантовое число также характеризует энергетические подуровни в электронной оболочке атома.

m_l - магнитное квантовое число показывает сколькими способами орбиталь ориентируется вокруг ядра под действием магнитных полей, других электронов, ядра и внешним магнитом. m_l= -l...0...+l.

Пример: l_n =0 Для s: m_l=0 – значит 1 способ ориентации.

m_{s –} спиновое квантовое число. Электрон движется вокруг ядра образуя орбиталь, но еще он движется вокруг собственной оси. Если электрон вокруг собственной оси вращается по часовой стрелке m_s=+1/2↑ против часовой стрелки m_s=-1/2↓

Таким образом, состояние электрона в атоме полностью характеризуется четырьмя квантовыми числами: n, l_n, m_l, m_s.

Принцип запрета Паули, правило Гунда.

В 1925 г. П. Паули постулировал принцип запрета, согласно которому в атоме не может быть двух электронов, обладающих одинаковым набором квантовых чисел n, l_n, m_l, m_s. Отсюда следует, что на каждой орбитали может быть не более двух электронов, причем они должны иметь противоположные (антипараллельные) спины, т. е. Допускается заполнение ↑↓и не допускается заполнение ↑↑ и ↓↓.

Гунда: В соответствии с этим правилом заполнение орбиталей одной подоболочки в основном состоянии атома начинается одиночными электронами с одинаковыми спинами. После того как одиночные электроны займут все орбитали в данной подоболочке, заполняются орбитали вторыми электронами с противоположными спинами.

Распределение электрона в многоэлектронном атоме на примере рентгения Rf (111 элемент).

Распределение электронов в многоэлектронных атомах основано на трех положениях: принципе максимальной энергетической выгоды, принципе Паули и правиле Хунда.

Принцип максимальной энергетической выгоды заключается в том, что электрон в первую очередь распределяется в пределах электронной подоболочки с наинизшей (энергия отрицательна) энергией.

Тип электронной подоболочки определяется по правилу Клечковского.

Принцип Паули состоит в том, что в атоме не может быть даже двух электронов, имеющих одинаковый набор всех четырех квантовых чисел. Поскольку электрон может характеризоваться только одним набором квантовых чисел n, l, m и m_s , вытекает, что в одной АО (квантовой ячейке), которая задана тремя квантовыми числами n, l и m, может разместиться только два электрона -по числу возможных значений m_s = ± 1/2.

Поэтому количество электронов на одной АО - два. Максимальное количество электронов на подоболочке равно 2(2*l+1). Максимальное количество электронов на оболочке равно 2*n².

Наличие пары электронов на АО или в квантовой ячейке условно изображается стрелками с противоположными направлениями, что отвечает разным значениям m_s. Так наличие двух электронов на одной 2p - АО запишется как 2p², где верхний индекс указывает количество электронов.

Поэтому, как следствие принципа Паули практически используется положение, что в одной квантовой ячейке может разместиться не более двух электронов.

Правило Хунда определяет порядок размещения электронов в пределах электронной подоболочки. Оно, в частности, утверждает, что на электронной подоболочке система электронов стремится распределиться так, чтобы суммарный спин ее по модулю был максимален.

4. Периодическая система Д.И Менделеева и валентные электроны s-, sp-, ds- и f- элементов.

Валентные электроны — электроны, которые участвуют связях, они находятся снаружи.

1 H 1s¹

2 He 1s² 1,2,3,4 - «s» - элементы

3 Li 1s² 2s¹

4 Be 1s² 2s²

5 B 1s² 2s² 2p^{1 –} sp элемент.

21 Sc 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²3d^{1 –} sd элемент

111 Rg 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²3d¹⁰4p⁶5s²4d¹⁰5p⁶6s^2..............

к f элементам относятся лантаноиды и актиноиды. Таким образом все элементы таблицы Менделеева с учетом валентных электронов делятся на семейства (s,p,d,f). Отклонения связаны с провалом электронов, с образованием более устойчивой конфигурации.