Електронна оболонка атома. Другий рівень хімічного знання

Реферат

по предмету "Основи загальної хімії"

Фотохімічні процеси у верхніх шарах атмосфери

Вступ

1. Особливості атмосфери Землі

2. Основні поняття

3. Фотохімія кисню та озону в атмосфері

4. Фотохімічні реакції за участю метану

5. Фотохімічні процеси оксидів азоту

Висновок

Список літератури

Вступ

Атмосфера почала утворюватися разом із формуванням Землі. Деякі геологічні процеси, наприклад, вилив лави при виверженнях вулканів супроводжувалися викидом газів з надр Землі. До їх складу входили азот, аміак, метан, водяна пара, оксид вуглецю (II) (чадний газ) та діоксид вуглецю (вуглекислий газ). Під впливом сонячної ультрафіолетової радіації водяна пара розкладалася на водень і кисень, але кисень, що звільнився, вступав в реакцію з оксидом вуглецю (II), утворюючи вуглекислий газ. Аміак розкладався на азот та водень. Водень у процесі дифузії піднімався вгору і залишав атмосферу, а важчий азот було випаровуватися і поступово накопичувався, стаючи основним її компонентом, хоча його частина зв'язувалася в молекули внаслідок хімічних реакцій.

Під впливом ультрафіолетових променів та електричних розрядів суміш газів, що були у початковій атмосфері Землі, вступала у хімічні реакції, у яких відбувалося утворення органічних речовин, зокрема амінокислот. З появою примітивних рослин розпочався процес фотосинтезу, що супроводжувався виділенням кисню. Цей газ, особливо після дифузії у верхні шари атмосфери, став захищати її нижні шари та поверхню Землі від небезпечних для життя ультрафіолетового та рентгенівського випромінювань. Згідно з теоретичними оцінками, вміст кисню, у 25000 разів менший, ніж зараз, вже міг призвести до формування шару озону з лише вдвічі меншою, ніж зараз, концентрацією. Однак цього вже достатньо, щоб забезпечити дуже суттєвий захист організмів від руйнівної дії ультрафіолетових променів.

1. Особливості атмосфери Землі

Внаслідок фотохімічних процесів змінюється склад атмосфери планет. Особливо це стосується атмосфери Землі, оскільки вона являє собою, поряд з азотом та іншими інертними газами, нерівноважну суміш кисню та окислюваних сполук, таких як водень Н2, метан СН4, монооксид вуглецю СО, сірководень Н2 S. Нерівноважність частково підтримується біологічними процесами основним чинником є сонячна радіація, яка ініціює різні фотохімічні реакції. На більших висотах короткохвильове випромінювання викликає фотоіонізацію, в результаті якої в атмосферу потрапляють іони. Наявність в атмосфері шару іонізованого газу дозволяє здійснювати далекий радіозв'язок. Деякі речовини, які потрапляють в атмосферу в результаті діяльності людини, особливо вихлопні гази автомобілів, зазнають фотохімічних перетворень, у результаті яких утворюються отруйні та токсичні речовини. Продукти неповного згоряння вуглеводнів і монооксиду азоту NO на світлі реагують з киснем з утворенням таких сполук, як озон (токсичний для тварин і рослин), діоксид азоту NO2 (також токсична речовина), пероксиацетилнітрат (речовина, що викликає подразнення слизової очей і токсична для рослин) і частинки сажі, що погіршують видимість.

Більшість фотохімічних процесів починається з того, що речовина поглинає світло. Це призводить до переходу електронів його атомів чи молекул більш високий енергетичний рівень – інакше кажучи, до переходу в збуджений стан. Такі атоми і молекули поводяться інакше, ніж коли вони знаходяться в основному стані, і процеси, в яких вони можуть брати участь, відрізняються від звичайних «теплових» хімічних реакцій. При поглинанні кванта видимого світла енергія збудженої молекули стає порівнянною з енергією хімічних зв'язків, тому молекула може зазнати хімічного перетворення - або сама собою, або в результаті взаємодії з іншою молекулою.

2. Основні поняття

Атмосфера - газова оболонка (геосфера), що оточує планету Земля. Внутрішня поверхня її покриває гідросферу і частково кору, зовнішня межує з навколоземною частиною космічного простору.

ХІМІЧНИЙ СКЛАД АТМОСФЕРИ

Верхні шари атмосфери – це шари атмосфери від 50 км і вище, вільні від збурень, спричинених погодою. На цій висоті повітря розріджене. На поведінку верхніх шарів атмосфери сильно впливають такі позаземні явища, як сонячна та космічна радіація, під дією яких молекули атмосферного газу іонізуються та утворюють іоносферу. Верхні шари атмосфери включають мезосферу, термосферу і іоносферу.

Мезосфера – шар атмосфери висотах від 40 до 90 км. Характеризується підвищенням температури із висотою; максимум температури (порядку +50 ° C) розташований на висоті близько 60 км, після чого температура починає спадати до -70 ° або -80 °C. Таке підвищення температури пов'язані з енергійним поглинанням сонячної радіації (випромінювання) озоном.

Загалом, на всьому протязі мезосфери температура атмосфери зменшується до мінімального її значення близько 180 К на верхній межі мезосфери (званої мезопаузою, висота близько 80 км). На околиці мезопаузи, на висотах 70-90 км, може виникати дуже тонкий шар крижаних кристалів і частинок вулканічного і метеоритного пилу, що спостерігається у вигляді красивого видовища сріблястих хмар незабаром після заходу Сонця.

Термосфера - шар атмосфери, що йде за мезосферою, починається на висоті 80-90 км і тягнеться до 800 км. Температура повітря в термосфері коливається на різних рівнях, може змінюватись від 200 До 2000 К, залежно від ступеня сонячної активності. Причиною є поглинання ультрафіолетового випромінювання Сонця на висотах 150-300 км, зумовлене іонізацією атмосферного кисню. Полярні сяйва і безліч орбіт штучних супутників, а також сріблясті хмари – всі ці явища відбуваються у мезосфері та термосфері.

Іоносфера - верхні шари атмосфери, починаючи від 50-80 км, що характеризуються значним вмістом атмосферних іонів і вільних електронів внаслідок опромінення космічними променями, що йдуть насамперед від Сонця. Ступінь іонізації стає суттєвим вже на висоті 60 кілометрів і неухильно зростає з віддаленням від Землі. На різних висотах в атмосфері відбуваються послідовно процеси дисоціації різних молекул та подальша іонізація різних атомів та іонів. В основному це молекули кисню О2, азоту N2 та їх атоми. Залежно від інтенсивності цих процесів різні шари атмосфери, що лежать вище 60 кілометрів, називаються іоносферними шарами, які мають сукупність іоносферою. Нижній шар, іонізація якого є несуттєвою, називають нейтросферою. Максимальна концентрація заряджених частинок іоносфери досягається на висотах 300-400 км.

Фотохімія – це розділ хімії, у якому вивчаються фотохімічні перетворення, тобто. реакції, які відбуваються під впливом світлового випромінювання. Як самостійна галузь науки фотохімія оформилася у 1-й третині XX ст. Перші фотохімічні закономірності було встановлено XIX в. Основним закон фотохімії став закон квантової еквівалентності, який сформулював А.Ейнштейн в 1912 р. Він говорить: кожен поглинений фотон у первинному акті здатний активувати лише одну молекулу. Ще одним найважливішим законом фотохімії є закон Гротгуса - Дрепера (1818-1843 рр..), Який полягає в тому, що фотохімічні зміни відбуваються тільки під дією світла, що поглинається системою.

Найважливішим параметром фотохімічної реакції є квантовий вихід γ, який визначається ставленням числа фотохімічних перетворень до поглинених квантів:

γ = число фотохімічних перетворень/число поглинених квантів

Залежно від типу фотохімічної реакції квантовий вихід може змінюватися в межах. Це з можливістю втрати поглиненої енергії до фотоперетворення. Якщо час існування фотозбудженої молекули та швидкість фотодисоціації збігаються, то γ ~ 1. При γ >> 1 фотореакція йде ланцюговим механізмом.

Типи фотохімічних реакцій:

1. Фотодисоціація (фотоліз) призводить до розкладання вихідної речовини, що поглинула світлову енергію. Наприклад: розкладання галогенідів срібла (основа срібної фотографії), фотоліз парів ацетону CH3(CO)CH3 → CO + інші продукти.

2. Фотосинтез призводить до утворення складніших сполук. Прикладами реакцій фотосинтезу є:

Фотосинтез озону у верхніх шарах атмосфери, що створює озоновий захисний шар: фотодисоціація: O2 -O+O; фотосинтез: O2 + O-O3

Фотосинтез органічних сполук із вуглекислого газу, води, мінеральних речовин зеленими рослинами. Зокрема, синтез глюкози може бути описаний рівнянням:

6CO2 + 6H2 O - C6 H12 O6 + 6O2 ,

що йде лише під дією світлової енергії та у присутності хлорофілу.

3. Фотохімія кисню та озону в атмосфері

Найбільш типовою фотохімічною реакцією у верхніх шарах атмосфери є дисоціація молекул кисню з утворенням атомів та радикалів. Так, при дії короткохвильового ультрафіолетового (УФ) випромінювання, що утворюються збуджені молекули

O2 *: O2 + hν - O2 * ,

дисоціюють на атоми: O2 * - O + O. Ці атоми вступають у вторинну реакцію з O2 утворюючи озон: O + O2 - O3. Утворення озону відбувається за оборотною реакцією: 3O2 + 68ккал (285 кДж) ↔ 2O3 .

Озон жадібно поглинає ультрафіолетове випромінювання в області від 2000 до 3000 Å, і це випромінювання розігріває атмосферу. Молекула О3 нестійка і за достатніх концентраціях у повітрі за нормальних умов (760 мм рт. ст. і 0о З) мимовільно протягом кількох десятків хвилин перетворюється на O2 із тепла. Підвищення температури та зниження тиску збільшують швидкість переходу в двоатомний стан. При великих концентраціях перехід може мати вибуховий характер. Озон – потужний окислювач, набагато реакційніший, ніж двоатомний кисень. Окислює майже всі метали (за винятком золота, платини та іридію) до їх вищих ступенів окислення. Окислює багато неметалів. Також підвищує рівень окислення оксидів.

Озон в атмосфері визначає характер поглинання сонячної радіації в земній атмосфері. Міститься у незначній кількості: товщина шару озону, приведеного до нормальних умов, у середньому для всієї Землі становить 2,5-3 мм. Основна маса озону в атмосфері розташована у вигляді шару – озоносфери – на висоті від 10 до 50 км з максимумом концентрації на висоті 20-25 км. Озоновий шар, що знаходиться у верхній атмосфері, є своєрідним щитом, що охороняє нас від дії ультрафіолетового випромінювання Сонця. Без цього щита розвиток життя Землі у її сучасних формах навряд було б можливим.

4. Фотохімічні реакції за участю метану

Розгляд поведінки метану в атмосфері розпочнемо з процесів зникнення метану. Справа в тому, що процеси виведення метану з атмосфери відомі в кількісному відношенні набагато повніше, ніж процеси, що забезпечують надходження метану в атмосферу. Інтенсивність процесів стоку метану має бути приблизно рівною інтенсивності джерел метану, що дозволяє надійніше судити про потужність джерел метану в атмосфері.

Молекула метану досить стійка, її нелегко вивести з атмосфери. Метан малорозчинний у воді (30 см3 газу розчиняється в одному літрі води) і видалення його з атмосфери за допомогою опадів не відбувається. Для реального видалення з атмосфери метан необхідно переводити в нелеткі або інші газоподібні сполуки.

Метан, як і багато інших домішок, зникає з атмосфери, в основному реакції з радикалом ВІН:

ВІН + СН4 = Н2 Про + СН3

Радикал ВІН - одна з найбільш реакційних частинок в хімічних процесах. Джерелом радикала ВІН у тропосфері є тропосферний озон (О3). Під дією ультрафіолетового світла молекули тропосферного озону руйнуються з утворенням молекули кисню та надзвичайно реакційного атома кисню у збудженому електронному стані (О*):

О3 + hν = О2 + О*

Атоми кисню відривають один атом водню від води і виходить два радикали ВІН:

О* + Н2 О = 2ОН

Отже, реакції в атмосфері, що призводять до виведення метану, є такими:

ВІН + СН4 = Н2О + СН3,

CH3 + O2 = CH3 O2

CH3 O2 + NO = CH3 O + NO2

CH3 O + O2 = CH2 O + HO2 ,

НО2 + NO = OH + NО2

CH4 + 4O2 = CH2 O + H2 O + 2O3

Молекули формальдегіду, що утворюються, починають брати участь у наступних трьох реакціях, які дають початок новим циклам:

CH2 O + hν = H2 + CO,

СН2 O + hν = Н + НСO,

CH2 O + OH = HCO + H2 O

Друга та третя реакції дають початок наступним циклам, що протікають у присутності оксидів азоту, в результаті яких виникають дві молекули озону та два радикали ВІН. Реакція формальдегіду з радикалом ВІН також призводить до утворення озону:

CH2 O + OH = HCO + H2 O,

CH2 O + 2O2 + hν = CO + O3 + H2 O

Таким чином, в результаті багатоступінчастого процесу відносно невеликої кількості молекул метану утворюється порівняно велика кількість озону.

5. Фотохімічні процеси оксидів азоту

NO та NO2 завжди присутні в атмосфері в кількостях, достатніх для перебігу реакцій за їх участю. 65% загальної кількості зв'язаного азоту Землі є результатом діяльності азотфиксирующих мікроорганізмів грунту, 25% посідає промисловий синтез аміаку. Частина (10%), що залишилася, - результат згоряння азоту в його окис в атмосфері за рахунок високотемпературних (пожежі, грозові розряди) і фотохімічних процесів у верхніх шарах атмосфери. Ці процеси становлять джерело більш менш постійних концентрацій оксидів азоту в атмосфері, і їх рівень є оптимальним для підтримки на постійному рівні хімічних явищ в атмосфері Землі, насамперед сталості концентрації озону.

Фотохімічні реакції за участю оксидів азоту протікають під дією сонячної радіації та у верхніх шарах атмосфери. Забруднення стратосфери цими речовинами відбувається у процесі роботи реактивних двигунів літаків і ракет. Крім того, під дією ультрафіолетової радіації відбувається фотохімічне окиснення азоту повітря, продуктами якого є NO та NO2. З ними пов'язані процеси деструкції озону, причому в них проявляється каталітична роль цих речовин:

O + NO2 - NO + O2

NO + O3 - NO2 + O2

Дослідження останніх років показують поступове підвищення вмісту закису азоту в атмосфері. Це з тим, що з середньому часу життя молекули N2 O у атмосфері близько 180 років і збільшення обсягів антропогенного забруднення відсутні шляхи природного стоку N2 O, крім фотохімічних реакцій у стратосфері:

N2 O + O - N2 + O2 ,

Отже, оксид азоту - важливий чинник, що визначає стан навколишньої атмосфери і зовнішні умови існування. Однак це речовина є і потужним внутрішнім біорегулятором.

Висновок

Таким чином, фотохімічні процеси відіграють найважливішу роль у підтримці сталості газового складу атмосфери Землі. Разом із хімічними процесами в нижніх шарах атмосфери, на поверхні Землі, а також у літосфері та гідросфері вони складають складну систему, яка завдяки своєму функціонуванню є основою забезпечення життєдіяльності та підтримки гомеостазу живих організмів. Озон, отриманий в результаті хімічних перетворень кисню під дією ультрафіолету Сонця, утворює озоновий шар, який змінює спектр ультрафіолетового випромінювання, що досягає земної поверхні, відсікаючи короткохвильову його складову, і тим самим захищаючи живі організми, що населяють Землю, від його шкідливого впливу. Метан, неодноразово взаємодіючи з киснем, оксидами азоту та гідроксильним радикалом OH, так само утворює озон. У результаті замість однієї зниклої в атмосфері молекули метану з'являється 3,5 молекули озону. У атмосфері оксид азоту (II) окислюється до діоксиду азоту. При високій концентрації оксиди азоту можуть чинити токсичну дію на центральну нервову систему людини. Однак під дією сонячного світла діоксид азоту розпадається на монооксид і атомарний кисень, який перетворює кисень О2 знову ж таки на озон О3 .

Нагромаджуючись у нижніх шарах атмосфери, озон здатний надавати шкідливий вплив на організм: викликає кашель, запаморочення, втому. Озон – найсильніший окислювач: при його утриманні у повітрі лише 1 10–5 % (за обсягом) він роз'їдає гуму, руйнує метали, входить у реакції з вуглеводнями, утворюючи небезпечні в людини речовини. Однак максимальна концентрація озону все ж таки спостерігається у верхніх атмосферних шарах, де його роль складно переоцінити.

Список літератури

1) Некрасов Б.В. Основи загальної хімії. М: Хімія, 1989.

2) Бажин Н.М. Хімія на користь сталого розвитку. 1993. Т. 1.

3) Прокоф'єва І.. Атмосферний озон, М.-Л., 1951

4) Зеленін К.М. Оксид азоту(II): Нові можливості давно відомої молекули // Соросівський Освітній Журнал. 1997. № 10.

5) Джуа М. Історія хімії. М.: Світ, 1982.

6) Уейн Р. Основи та застосування фотохімії. М., «Світ», 1991

Численні експерименти з вивчення властивостей хімічних елементів у першій половині ХІХ ст. привели вчених до переконань-

дення, що властивості речовин та їх якісна різноманітність зумовлені не тільки складом елементів, а й структурою їх молекул. До цього часу мануфактурне виробництво змінилося фабричним, що спирається на машинну техніку та широку сировинну базу. У хімічному виробництві стала переважати переробка величезних мас речовини рослинного та тваринного походження. Якісне розмаїття даних речовин приголомшливо велике - сотні тисяч хімічних сполук, склад яких, проте, вкрай одноманітний, оскільки вони складаються з кількох елементів-органогенів. Це – вуглець, водень, кисень, сірка, азот, фосфор. Пояснення надзвичайно широкому розмаїттю органічних сполук при такому бідному елементному складі було знайдено явищах, які отримали назви ізомерії та полімерії. Так було започатковано другий рівень розвитку хімічних знань, який отримав назву структурної хімії

Структурна хімія стала вищим рівнем по відношенню до вчення про склад речовини. При цьому хімія з науки переважно аналітичної перетворилася на синтетичну науку. Головним досягненням цього етапу розвитку хімії стало встановлення зв'язку між структурою молекул та реакційною здатністю речовин.

Сам термін «структурна хімія» – поняття умовне. У ньому передусім мається на увазі такий рівень хімічних знань, при якому, комбінуючи атоми різних хімічних елементів, можна створити структурні формули будь-якої хімічної сполуки. Виникнення структурної хімії означало, що з'явилася можливість цілеспрямованого якісного перетворення речовин, створення схеми синтезу будь-яких хімічних сполук, зокрема і раніше невідомих.

Основи структурної хімії були закладені ще Дж. Дальтоном, який показав, що будь-яка хімічна речовина є сукупністю молекул, що складаються з певної кількості атомів одного, двох або трьох хімічних елементів. Потім І. Бер-целіус висунув ідею, що молекула не просто нагромадження атомів, а певну впорядковану структуру атомів, пов'язаних між собою електростатичними силами. Як пізніше показав хімік Ш. Жерар, це твердження було вірним не завжди, тому ще в середині ХІХ ст. структура молекул залишалася загадковою.

У 1857 р. німецький хімік А. Кекуле опублікував свої спостереження про властивості деяких елементів, які можуть заміняти атоми водню в ряді сполук, і ввів новий термін. спорідненість.Він став позначати кількість атомів водню, які може замістити цей хімічний елемент. Число одиниць спорідненості, прису-

ще даному хімічному елементу, Кекуле назвав вагентностио.При поєднанні атомів у молекулу відбувалося замикання вільних одиниць спорідненості. Таким чином, поняття «структура молекули» звелося до побудови наочних формульних схем, які служили хімікам керівництвом у їхній практичній роботі, показували які вихідні речовини потрібно брати для отримання кінцевого продукту.

Структурна хімія дозволяє наочно демонструвати валентність хімічних елементів число одиниць спорідненості, властивих атому: =С=; -Про-; Н-. Комбінуючи атоми різних хімічних елементів зі своїми одиницями спорідненості, можна створити структурні формули будь-якого хімічного сполуки. А це означає, що хімік у принципі може створювати план синтезу будь-якої хімічної сполуки – як уже відомої, так і ще невідкритої. Тобто хімік може прогнозувати отримання невідомої сполуки та перевірити свій прогноз синтезом.

На жаль, схеми Кекуле який завжди можна було здійснити практично. Часто придумана хіміками реакція, яка мала призвести до одержання речовини з необхідної структурної формулою, не відбувалася. Це було викликано тим, що подібні формальні схеми не враховували реакційну здатність речовин, що вступали в хімічну реакцію.

Тому найважливішим кроком у розвитку структурної хімії стало створення теорії хімічної будови органічних сполукРосійським хіміком А.М. Бутлеровим. Бутлеров слідом за Кекуле визнавав, що утворення молекул з атомів відбувається за рахунок замикання вільних одиниць спорідненості, але при цьому він вказував на те, з якою енергією (більшою чи меншою) ця спорідненість пов'язує речовини між собою. Іншими словами, Бутлеров уперше в історії хімії звернув увагу на енергетичну нерівноцінність різних хімічних зв'язків. Ця теорія дозволила будувати структурні формули будь-якої хімічної сполуки, оскільки показувала взаємний вплив атомів у структурі молекули, і це пояснювала хімічну активність одних речовин і пасивність інших. Крім того, вона вказувала на наявність активних центрів та активних угруповань у структурі молекул.

У XX ст. структурна хімія набула подальшого розвитку. Зокрема було уточнено поняття структури, під якою стали розуміти стійку впорядкованість якісно незмінної системи. Також було запроваджено поняття атомної структури- стійкої сукупності ядра і навколишніх електронів, що знаходяться в електромагнітній взаємодії один з одним, і молекулярної структури- поєднання обмеженого числа атомів, що мають закономірне розташування у просторі та пов'язані один з одним хімічним зв'язком за допомогою валентних електронів.

На основі досягнень структурної хімії у дослідників з'явилася впевненість у позитивному результаті експериментів у галузі органічного синтезу. Сам термін «органічний синтез» виник у 1860-1880-ті гг. і став означати цілу галузь науки, названу так на противагу загальному захопленню аналізом природних речовин. Цей період у хімії був названий тріумфальною ходою органічного синтезу. Хіміки гордо заявляли про свої можливості, що нічим не стримуються, обіцяючи синтезувати з вугілля, води і повітря всі найскладніші тіла, аж до білків, гормонів тощо. І дійсність, здавалося, підтверджувала ці заяви: за другу половину XIX ст. кількість органічних сполук за рахунок новостворених синтезованих зросла з півмільйона до двох мільйонів.

У цей час з'явилися різноманітні азобарвники для текстильної промисловості, різноманітні препарати для фармації, штучний шовк тощо. До цього подібні матеріали видобувалися в обмежених кількостях та з величезними витратами низькопродуктивної, переважно сільськогосподарської праці.

Сучасна структурна хімія досягла високих результатів. Синтез нових органічних речовин дозволяє отримати корисні та цінні матеріали, які відсутні в природі. Так, щороку у світі синтезують тисячі кілограмів аскорбінової кислоти (вітаміну С), безліч нових ліків, серед яких – нешкідливі антибіотики, ліки проти гіпертонії, виразкової хвороби та ін.

Найостаннішим досягненням структурної хімії є відкриття абсолютно нового класу металорганічних сполук, які за свою двошарову структуру отримали назву сендвічових сполук. Молекула цієї речовини являє собою дві пластини із сполук водню та вуглецю, між якими знаходиться атом будь-якого металу.

Дослідження в галузі сучасної структурної хімії йдуть за двома перспективними напрямками:

синтез кристалів з максимальним наближенням до ідеальних ґрат для отримання матеріалів з високими технічними показниками: максимальною міцністю, термічною стійкістю, довговічністю в експлуатації та ін;

створення кристалів із заздалегідь запрограмованими дефектами кристалічних ґрат для виробництва матеріалів із заданими електричними, магнітними та іншими властивостями.

Вирішення кожної з цих проблем має свої складнощі. Так, для вирішення першої проблеми необхідне дотримання таких умов вирощування кристалів, які б виключали вплив на процес усіх зовнішніх факторів, у тому числі й поля гравітації (земного тяжіння). Тому кристали із заданими властивості-

ми вирощуються на орбітальних станціях у космосі. Вирішення другої проблеми утруднено тим, що поряд із запрограмованими дефектами практично завжди утворюються і небажані порушення.

Тим не менш, класична структурна хімія була обмежена рамками відомостей лише про молекули речовини, що перебуває у дореакційному стані. Цих відомостей недостатньо для того, щоб керувати процесами перетворення речовини. Так, згідно з структурними теоріями, мають бути цілком здійсненні багато хімічних реакцій, які на практиці не відбуваються. Велика кількість реакцій органічного синтезу, заснованих лише на принципах структурної хімії, мають такі низькі виходи продукції і на такі великі відходи у вигляді побічних продуктів, що не можуть бути використані в промисловості. До того ж подібний синтез вимагав як вихідну сировину дефіцитних активних реагентів та сільськогосподарської продукції, в тому числі і харчової, що вкрай невигідно в економічному плані.

Тому подив успіхами структурної хімії було недовгим. Інтенсивний розвиток автомобілебудування, авіації, енергетики, приладобудування у першій половині XX ст. висунула нові вимоги до виробництва матеріалів. Необхідно було отримати високооктанове моторне паливо, спеціальні синтетичні каучуки, пластмаси, високостійкі ізолятори, жароміцні органічні та неорганічні полімери, напівпровідники. Для отримання цих матеріалів спосіб вирішення основної проблеми хімії, заснований на вченні про склад та структурні теорії, був явно недостатній. Він не враховував різких змін властивостей речовини внаслідок впливу температури, тиску, розчинників та багатьох інших факторів, що впливають на напрямок та швидкість протікання хімічних процесів. Облік та використання цих факторів вивело хімію на новий якісний рівень її розвитку.

Електронна оболонка атома -це сукупність усіх електронів атома.

Одні електрони ближчі один до ядра, інші далі від нього. Вони мають різний запас енергії. Чим ближче електрони до ядра, тим міцніше їхній зв'язок з ядром, але тим менший запас енергії. У міру віддалення від ядра сила тяжіння електронів до ядра зменшується, а запас енергії збільшується. За цими ознаками електрони утворюють енергетичні рівні (електронні верстви).

Електронний шар, або енергетичний рівень– це сукупність електронів із близькими значеннями енергії.

Максимальна кількість електронів, які можуть бути на тому чи іншому електронному рівні, визначається за формулою:

N = 2n 2

N- Максимальна кількість електронів на рівні; n- Номер енергетичного рівня.

За цією формулою зрозуміло, що на першому енергетичному рівні може бути не більше 2 електронів (2 х 1 2), на другому – не більше 8 (2х2 2), на третьому – не більше 18 (2х3 2) тощо.

Але на зовнішньому енергетичному рівні може бути не більше 8 електронів.

Елементи, атоми яких на зовнішньому енергетичному рівні мають 1, 2, 3 (іноді 4) електрони, утворюють речовини – метали(Виняток: водень, гелій, бір). Атоми металів можуть лише віддавати електрони іншим атомам.

Елементи, атоми яких зовнішньому енергетичному рівні мають 5, 6, 7, 8 (іноді 4) електронів, утворюють речовини – не метали(До неметалів відносяться також водень, гелій, бір). Атоми металів можуть як приєднувати, і віддавати електрони іншим атомам.

Атоми неметалів, які мають завершений енергетичний рівень, - це благородні гази. Їхні атоми не мають здатності приймати електрони.

План лекції:

1. Предмет хімії.

2. Основні поняття та закони класичної хімії.

3. Систематизація хімічних елементів. Періодичний закон Д.І.Менделєєва

4. Особливості розвитку хімії межі ХIХ-ХХ ст.

5. Розвиток хімічного атомізму першій половині XX в. Квантовий рівень хімії

6. Концепція хімічної еволюції

Предмет хімії

Хімія - наука, що вивчає перетворення речовин, що супроводжуються змінами їх складу та будови.

Процес перетворення речовини у традиційної хімії лише на рівні атомів і молекул, а новітньої квантової хімії – лише на рівні валентних електронів взаємодіючих частинок. Тому хімія тісно пов'язана зі сферою фізичного знання, особливо термодинамікою, електродинамікою та квантовою механікою. Тому висувається теза, що у теоретичному відношенні хімія може бути зведена до фізики. Однак розвиток хімічної науки свідчить про те, що хімія досить відокремлений науковий напрямок, що розвивається в даний час набагато швидше фізики. Особливого значення має прикладна спрямованість хімії.

Основні поняття та закони класичної хімії

Хімічна система – складна структура, що включає крім речовин, що безпосередньо беруть участь у процесі, речовини, які чинять той чи інший вплив на хімічну реакцію. Йдеться про інгібітори та каталізатори. Інгібітори – сполуки, що уповільнюють динаміку хімічної реакції. Навпаки, каталізатори – сполуки, що прискорюють перебіг хімічної реакції.

Хімічну взаємодію здійснюють електрони атомів, що мають найбільшу енергію. Виявляються кілька типів хімічної взаємодії.

На рівні атомів існує три типи хімічного зв'язку:

Ковалентний зв'язок, коли валентні електрони належать всім атомам молекули (двохатомна молекула з однаковими ядрами - Н 2, О 2 та ін);

Іонний зв'язок, коли відбувається повне перенесення валентного електрона з одного атома на інший (NaCl, KCl та ін.);

Металевий зв'язок, характерний для сполук металів.

На рівні молекул виділяють два типи хімічного зв'язку:

- «Ван-дер-ваальсова» зв'язок, що діє між електрично-нейтральними молекулами, а також атомами;

Водневий зв'язок, утворений поляризованим воднем та молекулою з електронегативним атомом.

Переважна частина відомих хімічних речовин здатні брати участь у реакціях, тобто. мають реакційну здатність або швидкість хімічної реакції. Однак реакційна здатність конкретних хімічних речовин залежить від властивостей сполук, що вступають у хімічний процес, від зовнішніх умов, у яких відбувається реакція (температура, тиск, каталізаторів).

Отже, швидкість хімічних процесів має значення. Основні фактори, що впливають на неї, це концентрація речовин, що реагують, температура, наявність каталізатора.

Вплив концентрації.Збільшення концентрації взаємодіючих речовин – одне із найпоширеніших прийомів інтенсифікації процесу. Залежність швидкості хімічних реакцій від концентрації визначається законом впливу мас. Відповідно до цього закону швидкість хімічної реакції прямо пропорційна добутку концентрацій реагуючих речовин у ступені, що дорівнює стехіометричному коефіцієнту, що стоїть перед формулою речовини в рівнянні реакції:

v = K C a n C b m , (15)

де До- Константа швидкості реакції; C aі C b- Концентрації речовин аі b, що беруть участь у хімічній реакції; nі m- Стехіометричні коефіцієнти.

Константа швидкості реакціїчисельно дорівнює швидкості реакції при концентрації реагуючих речовин, що дорівнює одиниці. Вона залежить від природи речовин, що реагують, температури, наявності каталізаторів і не залежить від концентрації цих речовин. Для визначення цих констант виведені відповідні формули, що базуються на експериментальних даних.

Вплив температури.Відомо, що з підвищенням температури швидкість реакції зростає, що пов'язано із збільшенням константи швидкості реакції. Згідно правилу Вант-Гоффапідвищення температури на 10 про Збільшує швидкість реакції в 2-4 рази. Це наближене правило і застосовно до реакцій, що протікають в інтервалі температур від 0 до 300 про С.

Характер впливу температури та концентрації реагуючих речовин на швидкість хімічних реакцій можна пояснити теорією активних зіткнень. Молекули, що мають певну енергію, надмірну в порівнянні з середньою, здатною розірвати хімічні зв'язки, називаються активними.Надмірна енергія при цьому називається енергією активаціїі залежить від природи речовин, що вступають у реакцію. При підвищенні температури кількість активних молекул збільшується, кількість зіткнень між ними зростає, внаслідок чого зростає швидкість реакції. Зі збільшенням концентрації реагуючих речовин загальна кількість зіткнень, у тому числі ефективних, також зросте, в результаті збільшується швидкість реакції.

Вплив каталізатора.Каталізатор - це речовина, яка, фактично не вступаючи в хімічну реакцію, різко змінює її швидкість. У присутності каталізатора реакції прискорюються в тисячі разів, можуть протікати за більш низьких температур, що економічно вигідно.

Каталізаторами переважно служать метали у чистому вигляді (нікель, кобальт, залізо, платина), у вигляді оксидів або солей (оксиди ванадію, алюмінію, сполуки заліза, магнію, кальцію, міді тощо). Неорганічні каталізатори термостабільні і реакція з ними протікають при порівняно високих температурах.

До каталізаторів також відносяться речовини біологічного походження: вітаміни, що прискорюють хімічні процеси у тисячі десятки тисяч разів, а також ферменти, що прискорюють ці процеси у мільйони разів.

Перелічимо основні закони класичної хімії.

1. Закони стехіометрії. Це вчення про кількісні співвідношення між речовинами, що вступають у хімічну реакцію. Воно включає систему законів, і навіть правил складання хімічних формул і рівнянь.

2. Закон про сталість складу хімічно індивідуальних речовин. Його суть полягає в тому, що хімічно чиста сполука має однаковий склад незалежно від способів її одержання. Наприклад, чиста кухонна сіль має однаковий хімічний склад у всьому світі.

3. Закон пропорційності. Вагові кількості речовин; що беруть участь у тотожному хімічному процесі, завжди визначені. Скажімо, для нейтралізації конкретної кількості кислоти потрібна цілком певна кількість лугу.

4. Закон простих кратних відносин. При переході від одного з'єднання до іншого, що складається з тих самих елементів склад змінюється стрибками. У процесі, наприклад, сполук азоту і кисню виходить якісно нова речовина (окис азоту), що має індивідуальні властивості.

5. Закони (теорія) хімічної будови речовини. Встановлюються закономірності структури органічних сполук.

6. Теорія радикалів. Одна з перших теорій органічної хімії. Її засновник шведський хімік Й. Берцеліус (1779-1848) вважав, що лише неорганічні речовини підпорядковуються законам хімічної атомістики. Саме ця обставина і зумовлює різницю між неорганічними та органічними речовинами. Одержання сечовини (органічної речовини) з ціано-кислого амонію (неорганічної речовини) німецьким хіміком Ф. Велером (1800-1882) показало, по-перше, можливість штучно-синтетичного приготування органічної речовини. А по-друге, відсутність «вододілу» між сполуками органічного та неорганічного типу.

7. Теорія типів. Французький хімік Ш. Жерар (1816–1856) заклав основи органічної хімії. Його роботи стосувалися трьох напрямів досліджень, а саме: критика «теорії радикалів» та створення «теорії типів» в органічній хімії; розробка загальної класифікації органічних речовин; обґрунтування молекулярної теорії у хімії. Відповідно до теорії типів, для органічних сполук властиво не існування постійних радикалів, а наявність кількох характерних типів сполук (тип води, водню, аміаку та інших.). Органічне речовина утворюється в результаті заміщення в молекулі певного типу одного або декількох атомів на інші групи атомів.

8. Теорія хімічної будови. Значний внесок у вивчення органічних речовин зробив російський хімік А. Бутлеров (1828-1886), який створив і обгрунтував теорію хімічної будови. У межах сутність органічних сполук визначається не наявністю «радикалів» чи «типів», а хімічною будовою молекул. У цьому хімічні властивості речовини перебувають у безпосередньої залежність від будови його молекул. Істинність теорії підтверджувалася існуванням ізомерів - речовин, що мають однаковий склад, але різну структуру, отже, різні властивості. Пізніше теорія хімічної будови була доповнена квантово-механічними уявленнями.

9. Періодичний закон хімічних елементів. Відкритий Д. Менделєєвим (1834-1907). Періодичний закон хімічних елементів зумовив раціоналізацію значного емпіричного матеріалу, накопиченого хімією.

склад атома.

Атом складається з атомного ядраі електронної оболонки.

Ядро атома складається з протонів ( p +) та нейтронів ( n 0). Більшість атомів водню ядро складається з одного протона.

Число протонів N(p +) дорівнює заряду ядра ( Z) та порядковому номеру елемента в природному ряді елементів (і в періодичній системі елементів).

N(p +) = Z

Сума числа нейтронів N(n 0), що позначається просто літерою N, і числа протонів Zназивається масовим числомі позначається буквою А.

A = Z + N

Електронна оболонка атома складається з електронів, що рухаються навколо ядра ( е -).

Число електронів N(e-) в електронній оболонці нейтрального атома дорівнює числу протонів Zу його ядрі.

Маса протона приблизно дорівнює масі нейтрону і в 1840 разів більша за масу електрона, тому маса атома практично дорівнює масі ядра.

Форма атома – сферична. Радіус ядра приблизно в 100000 разів менший за радіус атома.

Хімічний елемент- Вид атомів (сукупність атомів) з однаковим зарядом ядра (з однаковим числом протонів в ядрі).

Ізотоп- Сукупність атомів одного елемента з однаковим числом нейтронів в ядрі (або вид атомів з однаковим числом протонів і однаковим числом нейтронів в ядрі).

Різні ізотопи відрізняються один від одного числом нейтронів у ядрах їх атомів.

Позначення окремого атома або ізотопу: (Е - символ елемента), наприклад: .

Будова електронної оболонки атома

Атомна орбіталь- Стан електрона в атомі. Умовне позначення орбіталі - . Кожній орбіталі відповідає електронна хмара.

Орбіталі реальних атомів в основному (незбудженому) стані бувають чотирьох типів: s, p, dі f.

Електронна хмара- Частина простору, в якій електрон можна виявити з ймовірністю 90 (або більше) відсотків.

Примітка: іноді поняття "атомна орбіталь" та "електронна хмара" не розрізняють, називаючи і те, й інше "атомною орбіталлю"

Електронна оболонка атома шарувата. Електронний шарутворений електронними хмарами однакового розміру. Орбіталі одного шару утворюють електронний ("енергетичний") рівеньїх енергії однакові в атома водню, але розрізняються в інших атомів.

Однотипні орбіталі одного рівня групуються в електронні (енергетичні)підрівні:
s-підрівень (складається з однієї s-орбіталі), умовне позначення - .
p-підрівень (складається з трьох p
d-підрівень (складається з п'яти d-орбіталей), умовне позначення - .
f-підрівень (складається з семи f-орбіталей), умовне позначення - .

Енергії орбіталей одного підрівня однакові.

При позначенні підрівнів до символу підрівня додається номер шару (електронного рівня), наприклад: 2 s, 3p, 5dозначає s-підрівень другого рівня, p-підрівень третього рівня, d-Підрівень п'ятого рівня.

Загальна кількість підрівнів на одному рівні дорівнює номеру рівня n. Загальна кількість орбіталей на одному рівні дорівнює n 2 . Відповідно до цього, загальна кількість хмар в одному шарі так само n 2 .

Позначення: - вільна орбіталь (без електронів); - орбіталь з неспареним електроном; - орбіталь з електронною парою (з двома електронами).

Порядок заповнення електронами орбіталей атома визначається трьома законами природи (формулювання дано спрощено):

1. Принцип найменшої енергії – електрони заповнюють орбіталі у порядку зростання енергії орбіталей.

2. Принцип Паулі - на одній орбіталі не може бути більше двох електронів.

3. Правило Хунда - у межах рівня електрони спочатку заповнюють вільні орбіталі (по одному), і лише після цього утворюють електронні пари.

Загальна кількість електронів на електронному рівні (або в електронному шарі) дорівнює 2 n 2 .

Розподіл підрівнів за енергіями виражається поруч (у прядці збільшення енергії):

1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p, 5s, 4d, 5p, 6s, 4f, 5d, 6p, 7s, 5f, 6d, 7p ...

Наочно ця послідовність виражається енергетичною діаграмою:

Розподіл електронів атома за рівнями, підрівнями та орбіталями (електронна конфігурація атома) може бути зображена у вигляді електронної формули, енергетичної діаграми або, спрощено, у вигляді схеми електронних шарів ("електронна схема").

Приклади електронної будови атомів:

Валентні електрони- електрони атома, які можуть брати участь у освіті хімічних зв'язків. У будь-якого атома це все зовнішні електрони плюс ті зовнішні електрони, енергія яких більша, ніж у зовнішніх. Наприклад: у атома Ca зовнішні електрони - 4 s 2, вони ж і валентні; у атома Fe зовнішні електрони - 4 s 2 , але має 3 d 6, отже у атома заліза 8 валентних електронів. Валентна електронна формула атома кальцію - 4 s 2 , а атома заліза - 4 s 2 3d 6 .

Періодична система хімічних елементів Д. І. Менделєєва
(природна система хімічних елементів)

Періодичний закон хімічних елементів(сучасне формулювання): властивості хімічних елементів, а також простих та складних речовин, що ними утворюються, знаходяться в періодичній залежності від значення заряду з атомних ядер.

Періодична система- графічне вираження періодичного закону.

Природний ряд хімічних елементів- ряд хімічних елементів, збудованих за зростанням кількості протонів в ядрах їх атомів, або, що те саме, щодо зростання зарядів ядер цих атомів. Порядковий номер елемента у цьому ряду дорівнює числу протонів у ядрі будь-якого атома цього елемента.

Таблиця хімічних елементів будується шляхом "розрізання" природного ряду хімічних елементів на періоди(горизонтальні рядки таблиці) та об'єднання у групи (вертикальні стовпці таблиці) елементів, зі схожою електронною будовою атомів.

Залежно від способу об'єднання елементів у групи таблиця може бути довгооперіодний(у групи зібрані елементи з однаковим числом та типом валентних електронів) та короткоперіодний(У групи зібрані елементи з однаковим числом валентних електронів).

Групи короткоперіодної таблиці поділяються на підгрупи ( головніі побічні), що збігаються з групами довгооперіодної таблиці.

У всіх атомів елементів одного періоду однакова кількість електронних шарів дорівнює номеру періоду.

Число елементів у періодах: 2, 8, 8, 18, 18, 32, 32. Більшість елементів восьмого періоду отримані штучно, останні елементи цього періоду ще не синтезовані. Всі періоди, крім першого, починаються з елемента, що утворює лужний метал (Li, Na, K і т. д.), а закінчуються елементом, що утворює благородний газ (He, Ne, Ar, Kr і т. д.).

У короткоперіодній таблиці - вісім груп, кожна з яких поділяється на дві підгрупи (головну та побічну), у довгооперіодній таблиці - шістнадцять груп, що нумеруються римськими цифрами з літерами А або В, наприклад: IA, IIIB, VIA, VIIB. Група IA довгооперіодної таблиці відповідає головній підгрупі першої групи короткоперіодної таблиці; група VIIB - побічну підгрупу сьомої групи: решта - аналогічно.

Характеристики хімічних елементів закономірно змінюються у групах та періодах.

У періодах (зі збільшенням порядкового номера)

збільшується заряд ядра,
збільшується кількість зовнішніх електронів,
зменшується радіус атомів,
збільшується міцність зв'язку електронів з ядром (енергія іонізації),
збільшується електронегативність,
посилюються окисні властивості простих речовин ("неметалевість"),
слабшають відновлювальні властивості простих речовин ("металічність"),
слабшає основний характер гідроксидів та відповідних оксидів,
зростає кислотний характер гідроксидів та відповідних оксидів.

У групах (зі збільшенням порядкового номера)

збільшується заряд ядра,
збільшується радіус атомів (тільки в А-групах),
зменшується міцність зв'язку електронів з ядром (енергія іонізації; тільки в А-групах),
зменшується електронегативність (тільки в А-групах),
слабшають окисні властивості простих речовин ("неметалевість"; тільки в А-групах),
посилюються відновлювальні властивості простих речовин ("металічність"; тільки в А-групах),
зростає основний характер гідроксидів та відповідних оксидів (тільки в А-групах),
слабшає кислотний характер гідроксидів та відповідних оксидів (тільки в А-групах),
знижується стійкість водневих сполук (підвищується їхня відновна активність; тільки в А-групах).

Завдання та тести на тему "Тема 9. "Будова атома. Періодичний закон та періодична система хімічних елементів Д. І. Менделєєва (ПСХЕ)"."

Періодичний закон - Періодичний закон та будова атомів 8–9 клас
Ви повинні знати: закони заповнення орбіталей електронами (принцип найменшої енергії, принцип Паулі, правило Хунда), структуру періодичної системи елементів.
Ви повинні вміти: визначати склад атома за положенням елемента в періодичній системі, і, навпаки, знаходити елемент у періодичній системі, знаючи його склад; зображати схему будови, електронну конфігурацію атома, іона, і, навпаки, визначати за схемою та електронною конфігурацією положення хімічного елемента в ПСХЕ; давати характеристику елемента та утворюваних ним речовин за його становищем у ПСХЕ; визначати зміни радіусу атомів, властивостей хімічних елементів та утворених ними речовин у межах одного періоду та однієї головної підгрупи періодичної системи.
приклад 1.Визначте кількість орбіталей третьому електронному рівні. Які це орбіталі?
Для визначення кількості орбіталей скористаємося формулою Nорбіталей = n 2 , де n- Номер рівня. Nорбіталей = 3 2 = 9. Одна 3 s-, три 3 p- і п'ять 3 d-орбіталей.
приклад 2.Визначте, у якого атома елемента електронна формула 1 s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 1 .
Щоб визначити, який це елемент, треба з'ясувати його порядковий номер, який дорівнює сумарному числу електронів атома. В даному випадку: 2+2+6+2+1=13. Це алюміній.
Переконавшись, що все необхідне засвоєно, переходьте до виконання завдань. Бажаємо успіхів.

Рекомендована література:
- О. С. Габрієлян та ін. Хімія 11 кл. М., Дрофа, 2002;
- Р. Е. Рудзітіс, Ф. Г. Фельдман. Хімія 11 кл. М., Просвітництво, 2001.